成果報告書詳細
管理番号20150000000647
タイトル平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (燃料電池・蓄電池) 液中プラズマを用いた燃料電池用触媒電極材料の高速合成装置の技術開発
公開日2016/3/1
報告書年度2012 - 2012
委託先名NUエコ・エンジニアリング株式会社 国立大学法人名古屋大学 学校法人名城大学
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (燃料電池・蓄電池) 液中プラズマを用いた燃料電池用触媒電極材料の高速合成装置の技術開発

 液中プラズマを用いた触媒電極合成用ラボ試験装置を設計、試作した。実際に稼働させてその基本的性能確認を行い、改良を加えた。次に、このラボ試験機を用いてナノグラフェンの生成及び燃料電池電極材料用としての機能付加実験を実施した。その達成目標値は、合成速度1mg/min、比表面積100m2/g以上、酸素還元開始電位は1.0 Vとした。
 その結果、合成速度目標値1mg/minは達成、更に改善を加え、1.5mg/min以上を達成している。この高速合成速度時に得られたナノグラフェンの結晶性評価、その改良技術を開発検討した。得られた材料の比表面積(白金利用率100%と仮定)は60.2m2/g,酸化還元電位は約1Vであった。
 この燃料電池用電極材料として重要となるPtナノ微粒子担持及びアイオノマーコートに関しては、物理分析技術を活用してその形状、物理的状態等を仔細に分析評価した。具体的には、SEM,EDXでナノグラフェン表面への白金析出を確認した。さらに、TEM分析により、白金の定量評価、ナノグラフェン表面での状態を測定した。SEM等によりアイオノマーコートを確認した。
 次にプロトタイプモデル装置設計を目的に液中プラズマで合成され、その後白金担持、アイオノマーコートされた燃料電池用電極材料の評価を電気化学的手法で行った。具体的にはインク状原料を塗布するなどの簡易的な電極セル用デバイス作製技術を開発検討した。まず、液中プラズマにより合成されたナノグラフェンに白金担持、アイオノマーコートを施し、燃料電池用触媒電極材料を準備した。更に、これを測定用電極基盤に塗布・乾燥し,回転ボルタンメトリー法により電極デバイスとしての評価を実施した。その結果,酸化還元電位約1V,白金利用率を100%と仮定した計算により、比表面積60.2m2/gを得た。全ての白金が利用できていないことを考慮すると目標の100m2/g以上は達成できているものと考える。
 以上の結果を踏まえて量産適用可能なプロト装置の基本概念設計を実施した。ここでは、一貫プロセスに適合した装置概念図面を設計した。今回得られた一貫プロセス装置は実用性を具備すると考える。
 これらの実験的開発研究を進めると並行して、市場性調査、ターゲットを絞り、実用化に向けた開発計画、収支計画等を立案し、実用化の可否について判断するとの工程を実施した。その結果、燃料電池の市場規模は燃料電池車(FCV)、携帯デバイス、家庭用等非常に大きい。特にFCVは急速に立ち上がる(2025年、110万台)と予測、極めて有望市場と判明した。これら市場(燃料電池車、携帯デバイス、家庭用など)の要求と我々の技術の特徴を再度検討しターゲットを絞り、開発計画、収支計画等を立案、実用化について判断する技術要素及び課題等は集約できた。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program / New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Fuel cell and battery) / The technology development for the high speed synthesis of the catalytic electrode compositions by using the in-liquid plasma FY2012 Final Report

 We developed and designed the laboratory examination equipment for catalytic electrode composition using the in-liquid plasma and produced it experimentally. Actually the running basic performance was reviewed and improved. We have improved  the material features as fuel cell electrode materials of basically nano-graphene using the lab test machine. The achievement targeted values are the oxygen reduction start electric potential of 1.0V, synthetic speed of more than 1mg/min, and ratio surface area of 100m2/g.
 As the results, synthetic speed targeted value 1mg/min was accomplished and added improvement more and finally accomplished more than 1.5mg/min. We have developed a crystalline evaluation at this high speed growth. The ratio surface area that we supposed to be 100% of platinum availability achieves 60.2m2/g, oxidation-reduction potential is approximately 1V.
 We utilized physical analysis technique about the Pt particle support on the nano-graphene as well as ionomer coat which became important as electrode materials for these fuel cells. Specifically, we confirm platinum deposition to the nano-graphene surface in SEM, EDX. The quantity of deposition of the platinum was measured. At the same time, the platinum particles state on the nano-graphene surface was analyzed by TEM. The components of the ionomer molecules were analyzed by EDX.
Next, for the purpose of a prototype production device design, the platinum supported electrode material for fuel cells was evaluated by the electrochemical technique. Specifically, we developed and examined a technique to make a simple device for electrode cell, which applied ink-formed raw materials. As the first step, we made platinum supported nano-graphene with ionomer coat and an ink form. Furthermore, we thought about the method to paint this and to dry, and evaluated as the electrode device by the rotary voltammetry method.
As a result, oxidation-reduction potential approximately 1V was obtained. By the calculation that supposed the platinum availability to be 100%, we got ratio surface area 60.2m2/g. We think that 100m2/g or more of the aim can be accomplished because of that actually all platinum was not available.
From the above-mentioned result, we did the basic design of the prototype production device for the mass-production. We designed the device concept drawing which fitted a coherent process. And we think that the device by this design has the utility.
With these experimental development studies, we made a marketing research, decided a target, made development program for practical use, thought about an income and expenditure plan and carried out a process to judge practical use.
As a result, the market size of the fuel cell is very big、such as a fuel cell-powered vehicle, a mobile device are for home use. Particularly, FCV is expected its demand grows rapidly (1,100,000 in 2025), and the market is extremely promising. We examine the market needs and our technical feature once again. And we compiled a technical element and a theme for the practical use.
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