カーボンナノチューブを用いた耐CO性燃料電池電極触媒

摘要

種々の燃料電池の中で固体高分子形燃料電池（Polymer Electrode Fuel Cell：PEFC）は、高い発電効率と低い作動温度を持つこと、輸送用·携帯用および中·小規模の発電装置への応用として期待が高い。普及が徐々に進んでいる定置用燃料電池システムでは、燃料の水素は天然ガスなどの炭化水素の改質によって得られる。その際、副反応物として微量生成するCOが白金触媒を被毒し、PEFC発電性能の著しい低下をもたらす。この水素中のCOを選択酸化して純水素を燃料電池へ供給する方法がこれまで考えられていたが、微量CO中でも活性を示す触媒が見出されれば、CO選択酸化のユニットは除かれPEFCのコスト削減が期待される。このように、高濃度CO対応アノード触媒の開発が非常に重要である。しかし、数百ppmを超えるような高濃度のCOに対応できる触媒は開発されてないのが現状である。触媒の耐CO性を向上させるための方策の1つとして、COの白金への吸着を弱めること、または吸着速度を低下させるアプローチがあり、また別の方策として、吸着COを電極表面からすばやく酸化除去するアプローチが考えられている。そのような耐CO性を付与するために、触媒の合金化、金属酸化物添加および触媒担体効果の利用が言式みられている。我々はこれまでカーボンナノチューブ（carbon nanotube：CNT）を電極触媒担体として使用することによりPtの触媒活性が著しく向上することや、アノード触媒の耐CO特性が向上することを見出してきた。CNTはグラフェンシートを丸めた状態のものであり、優れた電気伝導性と化学的安定性を持つ。注目すべきは、触媒の担持される表面がグラフェン面であり、触媒微粒子と炭素平面における界面相互作用が触媒の電子状態にどのように影響するかが注目される。CNTと言っても、径の大きさはさまざまであり、単層カーボンナノチューブ（single-walled CNT：SWCNT）は0.5-2nm程度の直径であるのに対して、多層カーボンナノチューブ（multi-walled CNT：MWCNT）は数nm-数百nmまでの範囲である。200nm以上の径のチューブはもはやカーボンファイバーと呼ぶべきものかもしれない。いずれにしても触媒微粒子のサイズは通常、数nm程度であることを念頭においていただきたい。我々は、20-100nm程度のCNTを使用しているが、チューブの径が大きくなると曲率は小さくなり、チューブ最外層のグラフェンシートはグラファイト的な性質と予想される。