燃料電池の触媒「白金」の耐久性向上でトヨタは水素社会の主役をめざす?

コラム Clicccar

昨年、世界初の市販燃料電池自動車「MIRAI」を発売したトヨタが、燃料電池の性能向上に繋がる技術を開発したと発表しました。

これはトヨタと一般財団法人のファインセラミックスセンター(以下、JFCC:JAPAN FINE CERAMICS CENTER)が共同で開発に成功したもので、燃料電池に使用されている「白金」触媒の性能・耐久性を向上に繋がるものと期待されています。

今回、トヨタが発表したのは、燃料電池(FC)の化学反応を促進する触媒として不可欠な「白金」の反応性低下(いわゆる劣化)に至る挙動をリアルタイムで観察できる新たな手法を開発した、ということです。

この手法は、トヨタとJFCCの共同研究グループが、観察・分析用の「透過型電子顕微鏡」の中でFC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し、数ナノメートル(nm : 10億分の1メートル)程度の「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を可能としたものです。

従来から、FCに使用されている触媒の「白金」の反応性低下は、「白金微粒子」の粗大化に起因することは知られていましたが、これまでの観察手法では、粗大化に至るプロセスをリアルタイムで把握することができず、粗大化の要因を解析することができなかった、ということです。

今後は、今回開発した観察手法により、粗大化の要因として、「白金微粒子」の担体(土台)となるカーボン上で粗大化に至る挙動を引き起こす箇所やその時の電圧、さらには、担体の材料の種類によるそれらの違いなどが明らかになり、反応性低下のメカニズムを解析し、FCに不可欠な触媒である「白金」の性能・耐久性向上のための研究・開発指針を得ることができる、と期待されているのです。

今回は、トヨタが今回の観察手法の研究に取り組んだ経緯と、新たに開発した観察手法の特徴を紹介します。

まず、今回の研究に取り組んだ経緯をご説明します。

FCとは、気体の水素を燃料として空気中の酸素との化学反応により発電する一種の発電機ということができます。FCによる発電は、セル内の水素極と空気極の二つの電極の間で発生する化学反応によって生じ、この際に水が発生します。つまり、いわゆる「水の電気分解」の逆の反応がFCによる発電なのです。

このとき、水素極では、水素分子を電子と水素イオンに分離します。この化学反応の際に電子を取り出す働きをするのが「白金」触媒ということになります。「白金」触媒が電子を取り出す作用がFCによる発電のキモであり、電極に数nmの微粒子の形で付着している「白金」触媒の性能・耐久性を向上させることがFCの発電能力向上をもたらすのです。

しかし、「白金」は希少資源であるため高価であるとともに、発電に伴い「白金微粒子」が粗大化し、しだいに性能が低下することが知られています。この性能低下を防止するためには、「白金微粒子」が粗大化するメカニズムを解明する必要があるのですが、これまでの観察手法では、数nmレベルの「白金微粒子」がセル内で実際に作動している状態を観察できない、という技術的なカベがありました。

今回新たに開発した観察手法の特徴は、原子レベル(0.1nm)の物質の観察や分析ができる「透過型電子顕微鏡」を用いて、FCスタックのセル内で実際に化学反応が生じる環境・条件と同一の状態を再現して、その状態をシュミレーションできる、新しい観察用サンプルを作ることに成功し、発電の経過とともに「白金微粒子」が粗大化するプロセスをリアルタイムで観察できるようになったことです。

この新しい観察用サンプルでは、「透過型電子顕微鏡」の内部に組み込むためにFCセルを模擬した極小のものであり、これが「透過型電子顕微鏡」の中に組み込まれた状態で「白金微粒子」に電圧をかけることができる装置が開発されました。これにより、FCが作動(発電)している時と同じ、化学反応を起こした状態で「白金微粒子」が粗大化していく環境を「透過型電子顕微鏡」の中で実現でき、粗大化のプロセスをリアルタイムで観察することが可能になったのです。

ここで示した写真は、今回開発された手法を使って「白金微粒子」が、粗大化していく様子をリアルタイムで観察した結果です。白い点線内は、「白金微粒子」の変化を示しており、337秒の時点で、担体(土台)となるカーボン上で「白金微粒子」が移動して複数が合体し、620秒の時点でより大きな「白金微粒子」になった状態(粗大化)を捉えていることをお分かりいただけると、思います。

今回、開発された手法によるFCの性能向上は、燃料電池自動車だけに限らず、エネファームなどの形で家庭用の電源装置として普及しつつある定置型FCの性能も向上させることができる汎用性の高い技術で、来るべき水素社会での主役をめざすトヨタの本気がうかがえます。

(山内 博)

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