2017 Fiscal Year Annual Research Report
Research on Polymer Electrolyte Water Electrolysis Cells with High Efficiency by the Use of Low Loading Amount of Noble Metal Electroatalysts
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17H01229
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
内田 裕之 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (20127434)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柿沼 克良 山梨大学, 大学院総合研究部, 特任教授 (60312089)
野原 愼士 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (40326278)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 固体高分子形水電解 / 水素製造 / 電極触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 電極触媒の合成および物性評価 連珠状M-SnO2（M=Nb, Ta, Sb）を火炎熱分解法で合成し、コロイド法により粒径約2 nmのIrOxを高分散した酸素発生触媒を合成できた。水素発生触媒として、ナノカプセル法により、粒径2～3 nmのPtCo合金ナノ粒子をカーボンブラック担体に高分散できた。組成と粒径分布が均一に制御できていることを確認できた。
2. 触媒の電気化学活性評価と作用機構解析
2-1. 電極触媒が全て電解質と接触でき、発生気泡の影響を最小化できるように0.1 M HClO4水溶液を層流で流したチャンネルフロー電極（CFE）セルを用い、80℃で酸素発生反応（OER）活性を測定した。IrOx/Ta-SnO2触媒が1.5 V vs. RHEの電位で15 A mg－1の極めて高いOER質量活性を示すことを見出した。この活性は従来の(IrO2+Pt)微粒子触媒の32倍高い値であり、貴金属量0.1 mg cm－2で1.5 V, 1 A cm－2の性能が達成可能なことを示すことができた。
2-2. 本研究で合成したPt3Co/C触媒の80℃、過電圧－20 mVにおける水素発生反応（HER）に対する面積比活性が、市販Pt/C触媒の約3倍高いことを初めて見出した。従来、Ptの水素発生活性が充分高いため、合金化は殆ど研究されていなかった。比較対照の市販Pt3Co/CのHER比活性は65℃では開発触媒と同等の比活性であったが、80℃では脱合金により活性が低下した。幅広い実用温度域での高いHER活性を示す触媒を本研究で初めて開発できた。
3. 小型MEAの作製と電解特性評価 電極面積25 cm2セル用の電解特性評価装置を組み立て、水電解の電圧効率、純水・ガス供給系と電流―電位特性及び電気化学インピーダンス測定法の精度等を検証できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究で開発した酸素発生触媒のOER質量活性は、使用する貴金属量を約1/20に低減可能なレベルで有り、学術的、実用的にも大きな進歩である。
本研究で合成したPt3Co/C触媒の80℃、過電圧－20 mVにおける水素発生反応（HER）に対する面積比活性が、市販Pt/C触媒の約3倍高いことを初めて見出した。従来、Ptの水素発生活性が充分高いため、合金化は殆ど研究されていなかった。比較対照の市販Pt3Co/CのHER比活性は65℃では開発触媒と同等の比活性であったが、80℃では脱合金により活性が低下した。幅広い実用温度域での高いHER活性を示す触媒を本研究で初めて開発できた。このような活性向上度と耐久性は、当初の想定を超えるものであり、学術的、実用的にも大きな進歩である。
現在、高いHER活性が発現する機構の検討を開始し、特許申請の準備を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 電極触媒の合成および物性評価 Nb, Ta, Sb等をドープした連珠状SnO2を火炎法により合成し、物性と微細構造を明確にする。酸素発生用触媒としてIrOxをこれらの酸化物担体にコロイド法により高分散する。また、29年度にPt/Cの3倍以上高い水素発生比活性を示すことを初めて見出したPt-M(M=Fe, Co)合金/C触媒ならびに、強酸性環境での耐久性をさらに向上させるためにPt-M合金表面に数原子層のPtスキン層を制御析出した安定化Ptスキン－Pt-M/C触媒を合成する。結晶構造、結晶子径、組成と粒径分布を評価する。
2. 触媒の電気化学的活性評価と作用機構解析
2.1 合成した種々の触媒の0.1 M HClO4電解液ならびに実際の単セルでのOER活性と、触媒の諸物性との相関を明確にし、活性向上機構を明らかにする。
2.2 合成した種々の触媒のHER活性を0.1 M HClO4電解液中で評価する。また、MEAの水素発生極でのHER中に酸素混入によるH2O2の副成を模擬した条件で、H2O2生成速度を測定する。そしてHER活性が高く、H2O2生成率が低い触媒を見出す。
3. 小型MEAの作製と電解特性評価 まず、高分子電解質膜として在来のナフィオン膜を用い、開発した水素発生触媒、酸素発生触媒を用いたMEAを作製する。29年度に整備した計測システムを用いて、水電解の電流－電位特性と電気化学インピーダンスを測定する。さらに、水電解連続運転システムを整備し、耐久性試験を開始する。
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