鶴岡工業高等専門学校（山形県鶴岡市）と筑波大学はこのたび、共同研究において、貴金属を使用しないメタルフリーのPEFC（固体高分子形燃料電池）材料を開発した。
同研究では、PEFC（固体高分子形燃料電池）の電極材料に用いられる白金系触媒（Pt/C）が、高性能である一方、これらが貴重な金属であるため埋蔵量が限られており、PEFCの価格上昇の原因の一つになっている問題を解決するため、長時間の作動にも適している窒素ドープカーボン触媒に注目。窒素ドープカーボン触媒の働きが燃料電池の発電時に低下する仕組みを調べ、燃料電池の電気を生み出す際に生成される水との関係がその原因であることを明らかにした。
具体的には、これまでの成果を基にして、電極材料の設計を行い、燃料電池が電気を生み出す時でも白金系触媒に迫る性能と、鶴岡高専の森永教授の研究室が有する水素イオン（プロトン）を流す材料（ポリマーブラシ付与シリカ微粒子）を添加することで、さらなる高い発電性能を示す窒素ドープカーボン触媒を開発した。
ピリジン窒素(pyri-N)をドープしたカーボン触媒（グラフェン）は、アルカリ性媒体中での燃料電池の酸素還元反応(ORR)に対して非常に活性が高いが、酸性条件下では活性が著しく低下する特性をもち、金属を全く使用しないメタルフリー触媒としては世界最高レベル。また長時間の運転を考慮しても、貴金属を使用しない材料の中で最高レベルとなる。
窒素ドープカーボン触媒の概要
疎水性キャビティを導入すると、pyri-NHの水和は妨げられたが、プロトン輸送は阻害された。次に、SiOを導入することで疎水性空洞内のプロトン伝導度を高めた。イオン液体ポリマー/ナフィオンでコーティングされた粒子は、酸性媒体中でも電流密度を高めて高いオンセット電位を維持した。
(IRUNIVERSE ISHIKAWA)
