日立製作所、直接メタノール形燃料電池向けに電池コスト45％低減できる電極開発。空気極に窒素ドープカーボン触媒、燃料極にパラジウム-ルテニウム合金触媒を適用 （発表資料）http://bit.ly/QcB5E5 pic.twitter.com/CcdmXkHn
直接メタノール形燃料電池向けに、 電池のコストを約 45%低減できる電極を開発
株式会社日立製作所 (執行役社長:中西 宏明/以下、日立) は、このたび、直接メタノール形燃料電 池(以下、DMFC)向けに、電池のコストを約 45%(当社比)低減できる電極を開発しました。具体的には、 DMFC の空気極に窒素ドープカーボン触媒を、燃料極にパラジウム-ルテニウム合金触媒を適用した 電極を開発し、これまで電極の触媒に使用されている高価な白金を使うことなく発電することが可能となり ます。今後、災害時や室外使用向けのポータブル機器用途など、小型電源への適用をめざします。
近年、災害時や室外での電源確保が難しい場合に使用できる可搬型電源へのニーズが高まっていま す。また環境配慮の観点から、二酸化炭素排出量を抑制可能な電源も求められており、燃料電池はこれ らの要求に応えるクリーンな発電システムとして期待されています。特に DMFC は、燃料電池にメタノー ルを直接供給できるため、水素製造のための補機が不要となることから小型化が容易であり、ポータブル 機器電源などへの応用が見込まれています。
燃料電池の主要部材である電極は、メタノールの酸反応を迅速に進行させるとともに、メタノール・酸 素などの反応物質の供給や水・二酸化炭素の反応生成物の排出を効果的に行うことが求められています。 これまで、燃料電池の電極には電極反応しやすい白金、または白金を含む合金触媒が使われており、電 池のコストに占める電極触媒の割合が大きくなっていたほか、電解質膜を透過したメタノールの酸化反応 により生成した一酸化炭素が空気極の白金に吸着し発電性能が低下してしまうなどの課題がありました。 これらの課題に対し日立は、材料・システムの研究開発を進め、今回白金を使用しない電極として、空気 中の酸素還元反応を行う空気極に窒素ドープカーボン触媒を、メタノールの酸化反応を行う燃料極にパ ラジウム-ルテニウム合金触媒を適用した電極を開発し、従来と比べて電池のコストを約 45%低減するこ とが可能となりました。特長は次の通りです。
１。 窒素ドープカーボン触媒の酸素還元反応活性の向上 今回、空気極の触媒合成プロセスにおいて触媒の原料材料と合成条件を見直し、カーボンに窒素を 添加(ドープ)させた高性能な窒素ドープカーボン触媒を開発しました。これにより、酸素還元開始電位 を向上させることが可能となり、酸素還元反応をより効率的に実施できるようになります。また、表面積の 大きな材料の上に窒素ドープカーボン触媒を薄く広げ触媒の表面積をより増加させることにより、酸素 還元反応活性を向上させました。なお、窒素ドープカーボン触媒は、メタノールとの反応が無く燃料極 から空気極へ透過してきたメタノールによる発電性能の低下が発生しないため、より高い発電効率を維 持できます。
２。電極構造の最適化による発電性能の向上 窒素ドープカーボン触媒に最適な電極構造において、電極に使用する窒素ドープカーボン触媒量と 水素イオンが透過するイオン交換樹脂の添加量を最適化させました。電極反応をより促進させるととも に、電極内部での二酸化炭素や酸素の反応ガスや水素イオンなどを効率的に透過・排出できるように なるため、発電性能の向上を実現します。
３。パラジウムへのルテニウム添加によるメタノール酸化反応活性の向上 メタノールの酸化反応を行う燃料極に、酸化触媒としてアルカリ溶液中で反応活性を持つパラジウムに ルテニウムを加えることにより反応活性を向上させたパラジウム-ルテニウム触媒を開発しました。今回、 ルテニウムの添加に加え、触媒合成プロセスを見直すことで、約 30nm と粒子が大きいパラジウム触媒 を約 3nm に微細化しました。これにより、触媒の表面積を増加できるためメタノール酸化反応活性の向 上を実現します。
日立は、今後も地球環境への負荷を低減するクリーンな発電システムに貢献する新しい技術の開発や、 その実用化に向けた取り組みを推進していきます。
なお、本技術は、2012 年 10 月 7 日から 12 日に米国ハワイで行われる Pacific Rim Meeting 2012 on Electrochemical and Solid-State Science にて紹介する予定です。
■直接メタノール形燃料電池の構成
■照会先
株式会社日立製作所 日立研究所 企画室 [担当:影山] 〒319-1292 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 電話 0294-52-7508(直通)