IMS、燃料電池動作中の触媒電極の硬X線光電子分光その場観察に成功

分子科学研究所(IMS)は10月14日、大型放射光施設SPring-8で硬X線を用いる雰囲気制御型光電子分光装置を開発し、固体高分子形燃料電池における燃料電池動作中の触媒電極の硬X線光電子分光その場観測に成功したと発表した。

同成果は、IMSの高木康多助教、横山利彦教授らによるもの。電気通信大学 燃料電池イノベーション研究センターの岩澤康裕教授の研究グループ、名古屋大学 物質科学国際研究センターの唯美津木教授、高輝度光科学研究センター(JASRI)の宇留賀朋哉研究員らの研究グループと共同で行われた。詳細は、米国物理学協会の応用物理学誌「Applied Physics Letters」のオンライン版に掲載された。

燃料電池は、次世代のエネルギー源として自動車などへの実用化が進められているが、発電性能の向上や、カソード(正極)における高価な白金触媒の使用量の低減など、解決すべき課題が山積している。その解決の手がかりとして、燃料電池動作中の電極内にある白金の電子状態を知ることは重要なことだが、その測定は難しく限られた手法でしか測定できなかった。その中で、X線を試料に当てて出てきた光電子のエネルギーを測定する光電子分光法は強力な手法だが、従来の光電子分光測定では試料を高真空に保つ必要があり、反応ガスが存在する動作中の燃料電池電極の測定は困難だった。

そこで、研究グループは3000Paの雰囲気ガス圧下でも光電子分光測定が可能な「雰囲気制御型硬X線光電子分光装置」を開発し、SPring-8の電通大/NEDO「先端触媒構造反応リアルタイム計測ビームライン」(BL36XU)内に設置した。さらに、同装置用に燃料電池として動作する固体高分子形燃料電池型の測定セルを開発し、燃料電池として動作中の電極触媒の硬X線光電子分光測定に成功した。この測定により、燃料電池の電極間に印加された電圧に対応して、電極中の白金ナノ粒子の電子状態が変化する様子を観測することができたという。

研究グループは、今回の結果が燃料電池動作中の電極の電子状態を測定することが可能になったことを示している。また今後、同装置により、様々な燃料電池電極の動作中の状態が観測され、その結果が電池電極や触媒材料の開発に役立つことが期待されるとコメントしている。