【研究領域課題番号】18H03841 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 無機有機コンポジット / 電極 / 中温 / 界面 / エネルギー / 低炭素 / 電解質膜 / 触媒 / 機有機コンポジット / イオノマー / 無加湿 / 固体酸

【研究成果の概要】

本課題では、150℃以上無加湿条件下で作動する次世代中温無加湿型燃料電池の開発を目指す。これを実現するために、耐熱性の高いポリベンゾイミダゾールに、無機系フィラーを添加した独自のコンポジット電解質膜を開発し、特性評価を行った。検討の結果、湿式ミリング法で作製した硫酸水素塩-ヘテロポリ酸系複合体、液相から熱処理によって合成したピロリン酸チタンなどが有効な無機フィラーとして機能することがわかった。さらに電解質・白金触媒・カーボン担体からなる電極三相界面を設計し、固体酸複合体アイオノマーを導入し、Pt＠TiO2コアシェル粒子や還元型酸化グラフェン用いることで過電圧低減と耐久性向上を行った。

【研究の社会的意義】

燃料電池は、石油に代表される化石燃料と水素の両者を燃料として高効率な発電を行うことができ、水素エネルギーに基づく低炭素社会の実現を担う重要なシステムである。本研究の目的は、150℃以上の中温無加湿条件下で作動可能な高性能燃料電池を開発し、低炭素社会の実現に貢献することにある。中温無加湿燃料電池が実現すれば、高価な白金触媒の使用量を低減できる。また、排熱の有効利用や発電システムのコンパクト化が可能となり、家庭用、車両用、建機、ドローンなど用途も広がる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】16K18286 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体高分子形燃料電池 / プロトン伝導体 / 白金合金触媒 / ナノネットワーク / 酸素還元反応 / カーボンフリー / 触媒層 / 三相界面 / ナノファイバー / ナノ粒子連結ネットワーク / 燃料電池 / 触媒 / ネットワーク / プロトン伝導 / 白金合金 / 超臨界

【研究成果の概要】

本研究は、固体高分子形燃料電池の触媒層に求められる全ての機能（プロトン伝導性、導電性、触媒活性）を単一の材料に集約化したカーボンフリー触媒・電解質一体型ナノファイバーを提案・実証した。本材料は、プロトン伝導性ナノファイバー表面を白金合金ナノ粒子が融着したナノネットワークで被覆した構造を有するため、効果的な三相界面形成が可能である。本研究では、耐熱性の高いZr系無機プロトン伝導性ナノファイバーを作製し、さらに、その表面を高い酸素還元活性を示すPt-Feナノネットワークで被覆した一体型材料の開発に成功した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】無機化学

【研究領域課題番号】16H04115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

白金 / クラスター / 触媒 / 金属クラスター / 銀 / 合金 / ナノ材料 / 触媒・化学プロセス / 燃料電池 / ナノ粒子 / 透過型電子顕微鏡 / 多核・クラスター錯体

【研究成果の概要】

[PtL2]5から[PtL2]12までの多核錯体がすべて生成し、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)にて単離可能であることを見出した。これら構成原子数の明確な白金チオラート[PtL2]xを原料として、Pt-S結合の解離によるチオール脱保護を行うことによって構成原子数が明確な超微小白金クラスター(Pt5-Pt12)を合成した。

【研究の社会的意義】

金属クラスターは次世代の触媒として大いに期待されている。一般的に気相合成法では質量分割をともなうため、得られる単分散クラスターの量は数ng程度が上限であり、実用には不向きであった。本手法では、バッチ式の化学合成法であるため、mgからgオーダーのスケールが可能であり、精度と合成スケールを併せ持った新しい方法であり、本分野の進展に大きく貢献する。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】26249097 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 電解質膜 / コンポジット / 無機固体酸 / 中温 / 信頼性 / リン酸 / イオノマー / 触媒

【研究成果の概要】

コンポジット電解質膜を設計し、100℃を超える中温領域において無加湿条件でも作動する燃料電池を構築した。特にジメチルアセドアミド（DMAc）を用いて湿式ミリングで微粉砕した硫酸水素セシウム-ケイタングステン酸複合体(CHS-WSiA)を添加することで、PBIコンポジット電解質膜の均質性が大きく向上した。CHS-WSiA/TiO2を添加したPBIコンポジット電解質膜を用いた燃料電池は150℃、無加湿条件下で安定して作動し、pure PBI電解質膜と比較し2倍以上の高い出力特性を達成した。また、CHS-WSiAを電極三相界面にイオノマーとして添加した場合にも発電特性が向上することを確認した。

【研究の社会的意義】

PBI電解質膜内に添加されたCHS-WSiAの水素結合を介し、新たなプロトン伝導パスが形成され、微粉砕を行うことで有効表面積が増加し、燃料電池発電特性の高性能化が達成された。TiO2はPBI中でリン酸を保持する性能があることを見出した。また、CHS-WSiAは燃料電池電極三相界面においてもイオノマーとして有効に作用することがわかった。これら知見は、中温無加湿条件で安定作動する次世代燃料電池を開発する上で有用であり、クリーンエネルギー源である燃料電池の普及と低炭素社会の実現に大きく寄与するものである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,340千円 (直接経費: 31,800千円、間接経費: 9,540千円)

【研究分野】触媒・資源化学プロセス

【研究領域課題番号】18106013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池触媒 / 選択酸化反応 / ベンゼン酸化 / PROX反応 / 触媒設計 / ナノ粒子 / クラスター / 時間分解解析 / XAFS / 触媒活性構造 / 反応機構 / 燃料電池 / 触媒表面 / リフォーミング / 触媒活性表面 / 選択酸化 / 触媒機能解析 / 構造解析 / 時間分解 / 触媒 / 表面 / in-situ解析 / PROX / 時間分解XAFS / 水素製造

【研究成果の概要】

時間分解X線吸収微細構造(XAFS)法を用いて、触媒反応中の活性構造自身の構造速度論/ダイナミクス論の新たな研究分野を開拓し、環境・エネルギー及びグリーンケミストリーに関連した選択触媒反応の動的解析を行った。その結果、ベンゼンからの直接フェノール合成触媒を発見及び燃料電池用PROX新規触媒を開発し、それらの活性構造を提案した。また、燃料電池カソード白金系触媒の構造・電子状態のヒステリシス挙動や新たな素反応過程を見いだした。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2006 - 2011

【配分額】110,890千円 (直接経費: 85,300千円、間接経費: 25,590千円)