1

革新的特性をもつ次世代燃料電池 （高分子電解質膜形）の開発

WPI-I2CNER (九州大学カーボンニュートラルエネルギー国際研究所）

九州大学大学院工学研究院応用化学部門

中嶋 直敏

2

CREST 課題：

溶解カーボンナノチューブ高機能ナノシステムデザイン

Naotoshi Nakashima (中嶋 直敏）

Dept. Applied Chemistry (応用化学）,

Kyushu University (九州大学）& WPI-I2CNER, Kyushu University &

JST-CREST

3

Our current work: Fundamental & Applications

Soluble CNTs

Elecronic States

Thermodynamics

Actuator

Cell culture

CNT patterning

DDS

Post ITO

Chirality

Fuel Cell

Kyushu University

Adv. Funct. Mater. 2007 Small. 2009 Carbon 2009 J. Mater. Chem. 2010 Adv. Func. Mat. 2011 ChemComm, 2011

Angew Chem. 2009 Chem Lett. 2011 Chem. Asian J. 2011 Chem. Eur. J. 2011 JACS 2011 JACS 2012

Angew. Chem. 2009; JACS 2010, 2012

Adv. Funct. Mater.2009 JACS 2010

Adv. Mater x2. 2008; Adv. Func. Mater. 2009 .

ACS Nano, 2011

Nanoscale 2011

Soft Matter 2011

Nano structure

Scientific Reports, 2012

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4

International Institute for Carbon-Neutral Energy Research

固体高分子形燃料電池の超高耐久化に成功

―次世代燃料電池としての実用化へ向けての道筋ー

5

研究成果

・従来の燃料電池と比較し、耐久性において100倍の向上を達成

・加湿なし条件で発電温度を100度以上へ拡張することに成功

・大幅な低コスト化への寄与が期待

Kyushu University

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背景

1000 温度/ºC

100 500

Kyushu University

固体高分子形 リン酸形 溶融塩形 固体酸化物形

低温型(～100 ºC) 中温型(100 ºC～)

電解質膜 湿潤させた酸性高分子 リン酸含浸高分子

水素イオン の運搬

水 リン酸

特徴

◎ 寒冷地・室温起動 ◎ 既に実用化 × 触媒CO被毒 × 加湿器・冷却器必要

◎ 発電効率が高い ◎ 触媒被毒の回避 ◎ 加湿器・冷却器不要 × リン酸の漏出による劣化

低温～中温無加湿で動作する燃料電池の開発

発電効率 高

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7

中温型燃料電池の構造と問題点

電極触媒

電極

Kyushu University

H+

電極触媒

リン酸（液体）の染み出し、漏れ出しが電池特性を低下

リン酸含浸ポリベンズイミダゾール

電解質膜

N

NH

N

HN

n

= PBI

染み出し

漏出

※リン酸染み出しは 水素イオンの運搬の役割も

長時間発電

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戦略

Kyushu University

酸

水素イオンの 移動

リン酸ドープ法 （従来法）

液体酸から固体状の酸へ

漏出の原因

発電に必須 OHP OHO

HO

連結された酸を用いることで漏出防止

リン酸

酸

水素イオンの 受け渡し

高分子鎖

高分子化酸型 （本研究）

P OHOHO

P

HOOH PO

HOOHO

ポリビニルホスホン酸 (PVPA)

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高分子化酸ドープ電解質膜の導入

Kyushu University

水素イオンの 供給なし

電極触媒層にも水素イオンの通り道の構築が必要

高分子化酸含浸 ポリベンズイミダゾール

電解質膜

発電

通常は リン酸

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電池触媒への高分子化酸の導入

賦活処理

Kyushu University

触媒 担持

染み出し リン酸

従来法

今回の論文内容 接着層 (PBI)

触媒 担持

高分子化酸 新規手法

（ボトムアップナノ集積法）

全ての触媒サイトで均一に制御されたナノ構造が構築できる

炭素 材料

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11

新規燃料電池触媒の作製

Kyushu University

カーボンナノチューブ

接着層（PBI)

白金ナノ粒子

高分子化酸層（PVPA)

白金ナノ粒子

カーボンブラック（従来）・・・安価、低い耐久性

カーボンナノチューブ（本研究）・・・堅牢な構造、触媒担持困難 ＝

ボトムアップナノ集積法

均一・高分散な白金ナノ粒子担持（高耐久・低白金化）

ガスの通り道の確保（活性向上）

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12

本研究で作製した電池セル構造

Kyushu University

電極触媒

H+

電極触媒

高分子化酸含浸 ポリベンズイミダゾール

電解質膜

電解質膜にも電極触媒にも高分子化酸を導入

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13

電極触媒の電子顕微鏡像

Kyushu University

高分子化酸によるコーティングが 確認できる

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14

*ECS transactions 41,2011

Stress testing of MEA base on FCCJ protocol (Potential cycling)

By ECS trans, 41, 2011

Energy

14 * http://fccj.jp/pdf/23_01_kt.pdf

http://fccj.jp/pdf/23_01_kt.pdf

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耐久性試験

Kyushu University

耐久性向上

高分子化酸

液体酸（従来法）

10万回 20万回 30万回 40万回 0

試験サイクル回数

セル

電圧

@0.2

A/cm

2 [

V]

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 カーボンナノチューブ使用時

カーボンブラック＋リン酸（従来型） と比較して１００倍の耐久性

高いコスト削減効果

燃料電池実用推進協議会（FCCJ)の定める評価方法を一部変更して実施 ※無加湿,120℃で実施

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従来触媒との比較

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 400 800 1200 1600 2000C

ell v

olta

ge /

V

Current density / mA/cm2

0 4000080000 120000160000 200000240000 280000320000 360000400000

PVPA

CNT-based PEFC shows 100 times higher durability than conventional one

CB/Pt ; (TKK TEC10V40E)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 400 800 1200 1600 2000

Cel

l Vol

tage

/ V

Current density (mA/cm2)

CV0CV5000

17

発電試験

Kyushu University

120 ºC 100 ºC

80 ºC 60 ºC

40 ºC 25 ºC 0

50

100

150

200

250

300

0 500 1000 1500 2000Current Density / mA cm-2

Pow

er D

ensi

ty /

mW

cm

-2

加湿なしで室温付近における発電も可能

触媒被毒からの回復可能

水素の精製不要

コンパクト化可能

水管理不要

加湿器、冷却器不要

（200℃までの発電可能)

様々な用途（自動車、家庭定置、家電）への展開が可能な 全く新しいタイプの燃料電池

電流密度 [mA/cm2]

出力

密度

[m

W/cm

2]

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低コスト化への可能性

Kyushu University

出典：NEDO燃料電池・水素技術開発ロードマップ2010

加湿器・冷却器 10% 電解質膜・触媒 10% 水素供給・システム ５～１０％

25～30%の低コスト化

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まとめ

Kyushu University

従来の燃料電池と比較し、耐久性において100倍の向上を達成した

加湿なし条件で発電温度を100度以上へ拡張することに成功した

低コスト化に極めて有望な技術

液体リン酸から高分子化酸への変更 および

カーボンナノチューブの使用により

M. R. Berber, T. Fujigaya, N. Nakashima, Scientific Reports, No. 1764, 2013

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20 Future Materials for PEFC

Next Generatio

Activity

Durability

Pt-free

High-temp. operation

Carbon black Carbon nanotube (CNT)

Nafion Polybenzimidazole (PBI)

Pt Pt aloy Carbon alloy

①catalyst support

②poly electrolyte

③catalyst

current

durability, conductivity

~ 200 ºC, low cost ~ 80 ºC,

Road map

21

新規燃料電池触媒の作製

Kyushu University

カーボンナノチューブ

接着層（PBI)

白金ナノ粒子

高分子化酸層（PVPA)

白金ナノ粒子

カーボンブラック（従来）・・・安価、低い耐久性

カーボンナノチューブ（本研究）・・・堅牢な構造、触媒担持困難 ＝

ボトムアップナノ集積法

均一・高分散な白金ナノ粒子担持（高耐久・低白金化）

ガスの通り道の確保（活性向上）

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お問い合わせ先

Kyushu University

ボトムアップナノ集積法

九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 (カーボンニュートラル･エネルギー国際研究所) 教授 中嶋 直敏

TEL & FAX: 092-802-2840 e-mail: nakashima-tcm@mail.cstm.kyushu-u.ac.jp

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革新的特性をもつ次世代燃料電池�（高分子電解質膜形）の開発スライド番号 2スライド番号 3固体高分子形燃料電池の超高耐久化に成功�―次世代燃料電池としての実用化へ向けての道筋ー研究成果背景中温型燃料電池の構造と問題点戦略高分子化酸ドープ電解質膜の導入電池触媒への高分子化酸の導入新規燃料電池触媒の作製本研究で作製した電池セル構造電極触媒の電子顕微鏡像スライド番号 14耐久性試験従来触媒との比較発電試験低コスト化への可能性まとめスライド番号 20新規燃料電池触媒の作製お問い合わせ先