電通大,SPring-8により固体高分子形燃料電池触媒のナノ空間分布解析に成功

電気通信大学は,大型放射光施設SPring-8 に新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と共に建設した,燃料電池計測用のX 線吸収微細構造(XAFS)ビームラインBL36XU に設置した,2 次元走査型顕微XAFS システムを用い,固体高分子形燃料電池触媒層のナノXAFS 測定・解析に成功した(ニュースリリース)。

電極触媒の耐久性の大幅向上は,燃料電池自動車の本格普及にとって最大の問題の一つであるため,劣化の原因とメカニズムの解明が強く求められていた。しかし,燃料電池系は不均一混合分散系であるため,測定条件に制限のある電子顕微鏡,走査プローブ顕微鏡,振動分光法,レーザ分光法などの各種計測法は使用が困難だった。

研究グループは,新ビームラインを用いたナノXAFS 計測によって,実用固体高分子形燃料電池の活性部位である膜/電極接合体(MEA)の白金(Pt)化学種の2 次元マッピングに初めて成功した。

これにより,燃料電池電極触媒であるカーボン担体上のPt ナノ粒子の酸化・溶出が,MEA 中の空間的に不均一に進行することが直接観察され,さらに、カソード触媒層の境界やクラック境界の2-3 μm領域のPt ナノ粒子がPt2+-O4 として選択的に酸化・溶出されていることが初めてイメージングされた。

実用燃料電池発電下の電極触媒は環境が複雑なため直接観察する手段に乏しく,劣化の因子やメカニズムは依然不明で,耐久性の向上について,これまで主に経験を頼りに議論・対応が図られてきたが,開発したナノXAFS 法と得られたPt 化学種のマッピング情報は,燃料電池触媒の劣化機構解明と劣化抑制の解決に繫がるもの。

研究グループでは今回の成果により,今後の燃料電池車本格普及のための次世代燃料電池電極触媒の開発に弾みがつき,サイエンスベースの新たな開発設計指針を提供するものとしている。