熊本大、「酸化グラフェン」固体電解質の燃料電池で世界最高級性能を達成

熊本大学は1月23日、ナノシート(2次元物質)の「酸化グラフェン」を固体電解質とした燃料電池の膜-電極界面の設計手法を開発し、その発電性能を大幅に向上させることに成功したと発表した。

同成果は、熊本大産業ナノマテリアル研究所の津川樹大学院生、同・畠山一翔助教、同・伊田進太郎教授らの研究チームによるもの。詳細は、英国王立化学会が刊行する材料化学を扱う学術誌「Journal of Materials Chemistry A」に掲載された。

燃料電池は、純粋な水素やエタノールなどの水素を含む物質と酸素を化学反応させて直接電気を取り出すクリーンな発電システムである。燃料に純粋な水素を用いれば発電時に温室効果ガスをまったく排出せず、炭素を含む燃料でも内燃機関より温室効果ガスや窒素酸化物などの排出量を大幅に抑制できる特性を持つ。小型化も可能なため、家庭用給湯発電システムや自動車の動力源としてすでに商用化されている。

そんな燃料電池の性能は、使用されている「固体電解質」の特性に大きく依存している。固体電解質とは、イオンを伝導する性質を持つ固体のことだ。通常の固体では原子やイオンが固定されているが、固体電解質は電圧印加によってイオンを移動させられるのが特徴である。現在は、高い性能が得られるフッ素系高分子が主に用いられている。

しかし、フッ素は環境負荷が大きいため代替材料の開発が望まれており、環境負荷の小さい次世代の固体電解質膜候補として提案されているのが、グラフェン骨格に酸素官能基を多数有する酸化グラフェンだ。これは、数μmサイズの横幅を持ちながら厚さは約1nmしかないナノシートの一種である。酸化グラフェン膜は、高いプロトン伝導性と水素ガスバリア性を併せ持つことから、次世代のプロトン交換膜として期待されている。

優れたプロトン伝導性を示す一方で、酸化グラフェンを用いた固体電解質は当初、出力密度が0.013W/cm²程度しかなかった。その後、0.25W/cm²まで向上したものの、実用化されている固体高分子形燃料電池の性能には遠く及ばず、大きな課題となっていた。そこで研究チームは今回、酸化グラフェン膜と電極間の界面抵抗の大幅な低減を試みたという。

酸化グラフェンを用いた燃料電池は、酸化グラフェン膜を電極で挟み込むことで燃料電池が作製される。今回の研究では、この膜と電極間の界面抵抗を低減させるため、酸化グラフェン膜表面を酸処理により活性化させた後に電極で挟み込む界面設計手法を導入。これにより、これまでよりも優れた膜-電極界面の構築に成功したとしている。

界面設計の効果を、物質の化学的特性を評価する「交流インピーダンス法」で分析したところ、界面抵抗が大幅に減少していることが確認された。また、この手法を適用燃料電池の最大出力密度は従来の2倍以上となる0.7Wcm^-2が得られたとした。これは、界面設計なしで作製した燃料電池と比較して大幅に高い値であり、これまでに報告されているナノシート膜を固体電解質とした燃料電池の中でも世界最高クラスの性能だという。