燃料電池の課題解決へ一歩一歩、白金の劣化プロセス解き明かす新手法開発：蓄電・発電機器（1/2 ページ）

トヨタ自動車は2015年5月18日、ファインセラミックスセンターと共同で、燃料電池の化学反応を促進する触媒である白金の劣化に至る挙動をリアルタイムで観察できる新手法を開発したと発表した。白金の性能・耐久性向上に向けた研究開発に貢献するもので、今後は燃料電池の長寿命化などにつなげていく方針だ。

[陰山遼将，スマートジャパン]

　燃料電池はセル内の水素極と空気極の2つの電極における化学反応によって発電を行う。水素極では、水素分子が電子と水素イオンに分離され、ここで取り出された電子が電力となる。空気極では、水素極から電流として移動してきた電子と水素イオン、空気中の酸素が化学反応して水が生成される。この際、水素極と空気極の化学反応を促進させる触媒として用いられるのが白金だ。

図1 燃料電池セルの模式図（クリックで拡大）出典：トヨタ自動車

　実際の電極には数十ナノメートルのカーボン微粒の表面に、数ナノメートルの白金微粒子を付着させたものが触媒として利用されている（図2）。しかし白金微粒子は発電に伴って粗大化することが知られており、粗大化によって土台となるカーボン微粒の表面積が小さくなれば、触媒としての反応性は低下する。これは燃料電池の電圧低下の1つの要因となる。

図2　水素極と空気極の構成材料（クリックで拡大）出典：トヨタ自動車

　白金微粒子が触媒としての性能を維持するためには、反応性低下の要因である粗大化のメカニズムを解明が求められる。しかしこれまでの観察手法では、初期状態（使用前）と反応性低下後（使用後）の白金微粒子を抽出し、それぞれの大きさを比較する定点観察だった。この場合、反応性が低下した白金微粒子は初期状態と比較して粗大化していることは分かるものの、粗大化に至るまでのプロセスをリアルタイムに観察することは難しかった。

図3 従来の白金微粒子の粗大化の観察方法（クリックで拡大）出典：トヨタ自動車

　今回トヨタ自動車とファインセラミックスセンター（JFCC）の共同研究グループは、観察・分析用の透過型電子顕微鏡の中で、燃料電池スタックと同じ発電状態を模擬できる新しい観察用サンプルの作成に成功。これにより数ナノメートルサイズの白金微粒子のレベルで、反応性低下に至る挙動プロセスの観察が可能になったという。