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トヨタ 燃料電池の白金触媒の挙動をリアルタイムで観察できる手法を開発

2015年5月20日

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「白金微粒子」が、粗大化していくリアルタイムの観察結果。白い点線内は、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、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

「白金微粒子」が粗大化していくリアルタイムの観察結果。白い点線内は、担体(土台)となるカーボン上で「白金微粒子」が移動してして複数が合体し、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

2015年5月18日、トヨタは、一般財団法人 ファインセラミックスセンター(JFCC)と共同で、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発表した。

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ている。

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は困難だった。

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・開発に貢献すると考えられる。

FC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発電機だが、発電はセル内の水素極と空気極の二つの電極における化学反応によって生じ、この際に水が発生する。水素極では、水素分子を電子と水素イオンに分離し、この化学反応の際に電子を取り出す働きをするのが触媒としての白金の役割だ。こうして電子を取り出すことが発電であり、モーターを動かす。水素極で取り出された水素イオンと発電してモーターを動かした電子は、空気極に移動し、空気中の酸素と化学反応して水が生成される。ここでも白金が触媒として、水素イオンと酸素の化学反応を促進する働きをする。な電極における白金は、数nm の微粒子だ。

しかし、白金は希少資源で高価であるとともに、発電に伴い白金微粒子が粗大化し、性能が低下することが知られている。触媒としての性能を維持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作動している状態で確認できない、という技術的な課題があった。

透過型電子顕微鏡観察要件

このためこれまでの観察手法は、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、それぞれを比較する定点観察で、反応性が低下した時の白金微粒子は、初期状態にくらべ粗大化していることが分かっているが、粗大化に至る挙動プロセスを観察することができないため、要因を解析するには、反応性低下のメカニズムを推測する必要があった。

観察用模擬セル電子顕微鏡による観察

共同研究グループが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模擬できる、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のだ。

新しい観察用サンプルは、「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、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を開発した。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となった。

これにより将来的には白金の劣化を防ぎ、白金の使用量を削減することも可能になると予想されるわけだ。

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