燃料電池の開発

固体高分子型燃料電池用正極材料として白金/カーボン触媒 が用いられているが、白金は高価であること、希少金属であること、 また白金による電解質膜の劣化などの問題がある。そこで我々は 白金を使わないカーボンアロイ触媒を開発するNEDOプロジェクト に参加し、高輝度放射光を用いて酸素還元触媒機能のメカニズ ムを解明してさらに高性能触媒の開発をめざしている。

放射光を用いた以下に示す各種分光法の組み合わせにより、 燃料電池カソード触媒の活性点として窒素が積極的に関与してい る可能性を明らかにした。具体的には、軟�]線吸収・発光分光に よる非占有・占有価電子準位の解析や硬�]線光電子分光による 内殻準位の解析によってC原子３つがNの周りに平面配位するグ ラファイト置換型（図１）が最も触媒活性と強い正の相関を示すこと が分かった。また、原料中に含まれる遷移金属元素の役割につい ても調べ、存在量は極微量（0.1％以下）であり、触媒活性に寄与 していない可能性が高いことを見出した。さらに電子状態計算プ ログラムGAMESSによる理論解析を行った結果、いずれの測定 手法でも酸素還元活性の高い試料ほど、グラファイト型の窒素に 起因する構造が顕著に現れることが裏付けられた。

以上により、今後の触媒材料開発には、窒素の含有率の高い カーボンアロイ型材料を作ること、しかもグラファイト置換型の窒素 が増えるような試料の合成法を開発していくことが、カーボンアロイ 型材料が白金系正極触媒に匹敵する触媒性能を発揮するために 不可欠であるという結論を得た。

今後は、SPring-8の東京大学放射光アウトステーションにおい て超高輝度放射光を用いて発電中の燃料電池の電子状態をin situで解析し、劣化メカニズムの解析などを行っていく。