Time (h)
9.3 水素キャリア多段階反応燃料電池の可能性
可視化観察で見える化した問題に対して，新しい発想を活用した対策案を検討した．名 称を「水素キャリア多段階反応燃料電池」とし，特徴を以下の4項目にまとめた．
１． 燃料透過を大幅に低減できセル電圧と耐久性を大きく向上する．
２． 燃料中にKOHなどのアルカリを添加することで，アニオン交換膜でなくても安定的に 発電する．
３． 基本的な考え方は他の液体燃料を使用する燃料電池でも応用可能．
４． 燃料中に添加する塩の種類を選択することで伝導するイオンを選択することができる．
Fig. 9.2にアニオン形燃料電池の出力，耐久目標と現状を示す．従来の水加ヒドラジンを
燃料とするアニオン形燃料電池の出力と耐久性（初期出力を80%維持できる時間）は低く，
実用化を見据えた目標値に対して乖離が大きいことがわかる．特に耐久性について問題の 真因を可視化試験で明らかにし，従来の考え方に縛られない水素キャリア多段階反応燃料 電池という考え方を取り入れることで耐久性を大きく向上することができた．耐久時間を 3100時間にプロットしているが現在でも評価中であり，更に連続発電時間が延長すること も十分にある．また，ナフィオン膜や膜厚が薄いアニオン膜を使用することで出力向上も 確認した．水素キャリア多段階反応燃料電池の耐久性は，これまでアニオン形燃料電池よ り極めて高く，アニオン形燃料電池の最も大きい課題の一つであった耐久性について，方 向性を示した技術であると考える．出力密度は20% O2/N2条件で276 mW cm-2，100% O2
1. 空気極へ透過したヒドラジン が酸素と反応する
↓
2. 酸素分圧が低下する
↓
3. 電圧が低下する
↓
4. ラジカルが生成する
↓ 5. 膜が劣化する
↓
6. 透過量が増える
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条件で418 mW cm-2であり，まだまだ改善が必要であるが，電解質膜の厚みや触媒層厚み
を低減しセル抵抗を低減することや，触媒層，GDL，セパレータの改良で拡散性が改善す ることで解決されると考える．
Fig. 9.2 アニオン形燃料電池の出力，耐久目標と現状
水素キャリア多段階反応燃料電池のシステムにおける課題について触れると，①生成し た水素を効率的に消費し，安全に取り扱う技術，②脱貴金属，③燃料に含まれるKOHの影 響とその対策，④CO2の影響とその対策，の主に 4 つの課題が存在すると考える．特に① について，「水素の排出量 ＝ 生成する水素量 － 発電で消費する水素量」であるため，ヒ ドラジン分解触媒の目付け量と発電電流値との関係を整理する必要がある．まずは燃料電 池自動車での発電環境における，それぞれの影響度合を把握し，レベルに応じた対策立案 を検討することが重要であると考える．
「身近に愛される燃料電池自動車」という言葉の中には，高出力，高耐久，高ロバスト，
安心，安全，使いやすく，コンパクトで低価格な燃料電池自動車という意味が込められて いると考える．技術開発によって環境問題や資源問題に貢献できるよう，技術者の自己満 足ではなく，エンドユーザーが求める技術を常に考えながら開発を進めることが重要であ ると考える．
0 100 200
300
400 500 600 7000 1000 2000 3000 4000 5000 6000
出 力 密 度（ m W /c m
2）
耐久時間（h）
最終目標
水素キャリアFC(アニオン膜/60℃) 水素キャリアFC(Nafion膜/80℃)
水素キャリアFC(アニオン膜/80℃)
DHFC(アニオン膜/60℃)
水素キャリアFC(アニオン膜/80℃/O2)
イスラエル大
(アニオン膜/60℃/水素)
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謝辞
本 研 究 は （ 独 ） 科 学 技 術 振 興 機 構 に よ る 先 端 的 低 炭 素 化 技 術 開 発 （ALCA，No.
16200610400）及び，戦略的創造研究推進事業（CREST，No. 26289254）の支援を受けて おります．ここに感謝の意を表します．本研究での放射光解析は SPring-8(国研)日本原子 力研究開発機構ビームライン BL14-B1，(財)高輝度光科学研究センタービームライン
BL14-B2 で測定しました．関係各位へ御礼申し上げます（2010B2046，2013B3616，
2014A3616，2014B3619，2015A3616，2015B3616，2016A3616，2016B3630）．本研究 での超高圧電子顕微鏡観察は文部科学省「ナノテクノロジープラットフォーム事業」の支 援を受け名古屋大学で実施しました．関係各位へ感謝申し上げます．SPring-8 における燃 料電池自動車の走行シーン撮影にご協力いただきました（国研）理化学研究所，（国研）日 本原子力研究開発機構，（財）高輝度光科学研究センターの関係各位にこの場をお借りして お礼申し上げます．
大変ご多忙にも関わらず本研究の審査委員を快くお引き受けいただきました，関西学院 大学，理工学部の水木純一郎先生，田中裕久先生，橋本秀樹先生，産業技術総合研究所の 山崎眞一先生の 4 名の先生方へは深く感謝の意を表します．本当にありがとうございまし た．先生方との議論や研究に対するご指導は貴重で大切な時間であり，研究者として恵ま れた環境であったことをこの先忘れず，謙虚な心で研究を進めて行きたいと思います．
水加ヒドラジンを液体燃料として活用するアニオン形燃料電池の開発には2008年4月か ら業務として関わってきました．サイエンスに基づいて要素開発を進めるために，国内外 問わず共同研究を進めた結果，これまで多くの大学や公的研究機関の先生方，民間企業の 関係者各位よりご指導，ご教授いただきました．心より感謝申し上げます．ありがとうご ざいました．
ともに夢に向かって燃料電池の開発を進めてきたダイハツ工業㈱の上司，同僚，後輩と の議論を通して，一人の研究者，社会人，人間として成長できたと感じております．論文 を積み上げて，働きながら学位を目指す挑戦の機会を与えていただき，また，応援とご指 導を賜り，皆様へは心より感謝申し上げます．ありがとうございました．この経験を今後 の人材育成にも活用し，良い意味で他者に影響を与えられる人間になれるよう努力してま いります．
最後に，私の学位取得に対して一番の理解，協力，応援，心の支えになってくれた妻の 真美，息子の寛士に心から感謝します．これからの人生でもお互いが寄り添い，常に思い やりを持ちながら，笑顔で歩んで行きましょう．
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発表論文（主著，査読有り）
1. Tomokazu Sakamoto, Teruyuki Masuda, Koji Yoshimoto, Hirofumi Kishi, Susumu Yamaguchi, Daiju Matsumura, Kazuhisa Tamura, Akihiro Hori, Yousuke Horiuchi, Alexey Serov, Kateryna Artyushkova, Plamen Atanassov, Hirohisa Tanaka, NiO/Nb2O5/C hydrazine electrooxidation catalysts for anion exchange membrane fuel cells, Journal of the Electrochemical Society, 164(4) (2017) F229-F234.
2. Tomokazu Sakamoto, Hirofumi Kishi, Susumu Yamaguchi, Daiju Matsumura, Kazuhisa Tamura, Akihiro Hori, Yousuke Horiuchi, Alexey Serov, Kateryna Artyushkova, Plamen Atanassov, Hirohisa Tanaka, Mechanism study of hydrazine electrooxidation reaction on nickel oxide surface in alkaline electrolyte by in-situ XAFS, Journal of the Electrochemical Society, 163 (10) (2016) H951-H957.
3. 坂本 友和，岸 浩史，山口 進，田中 裕久，松村 大樹，田村 和久，西畑 保雄，アニ オン形燃料電池用非白金系電極触媒の開発，表面科学 37 (2016) 78-83.
4. Tomokazu Sakamoto, Daiju Matsumura, Koichiro Asazawa, Ulises Martinez, Alexey Serov, Kateryna Artyushkova, Plamen Atanassov, Kazuhisa Tamura, Yasuo Nishihata, Hirohisa Tanaka, Operando XAFS study of carbon supported Ni, NiZn, and Co catalysts for hydrazine electrooxidation for use in anion ex-change membrane fuel cells, Electrochimica Acta 165 (2015) 116-122. (Editor’s choice)
5. 坂本 友和，ディーワンサイ ペンサイ，朝澤 浩一郎，津島 将司，平井 秀一郎，田中 裕 久，軟X線ラジオグラフィーを用いた水加ヒドラジンを燃料とするアニオン形燃料電池 のその場可視化，自動車技術会論文集 46 (2015) 621-626.
6. Tomokazu Sakamoto, Phengxay Deevanhxay, Koichiro Asazawa, Shohji Tsushima, Shuichiro Hirai, Hirohisa Tanaka, In-situ visualization of N2 evolution in operating direct hydrazine hydrate fuel cell by soft X-ray radiography, Journal of Power Sources 252 (2014) 35-42.
7. Tomokazu Sakamoto, Koichiro Asazawa, Jean Sanabria-Chinchilla, Ulises Martinez, Barr Halevi, Plamen Atanassov, Peter Strasser, Hirohisa Tanaka, Combinatorial discovery of Ni-based binary and ternary catalysts for hydrazine electrooxidation for
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use in anion exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources 247 (2014) 605-611.
8. Tomokazu Sakamoto, Koichiro Asazawa, Ulises Martinez, Barr Halevi, Toshiyuki Suzuki, Shigeo Arai, Daiju Matsumura, Yasuo Nishihata, Plamen Atanassov, Hirohisa Tanaka, Electrooxidation of hydrazine hydrate using Ni-La catalyst for anion exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources 234 (2013) 252-259.
9. Tomokazu Sakamoto, Koichiro Asazawa, Koji Yamada, Hirohisa Tanaka, Study of Pt-free anode catalysts for anion exchange membrane fuel cells, Catalysis Today 164 (2011) 181-185.
10. Tomokazu Sakamoto, Teruyuki Masuda, Masaki Kamakura, Koji Yoshimoto, Takuya Omata, Hirofumi Kishi, Susumu Yamaguchi, Akihiro Hori, Yousuke Horiuchi, Tomoaki Terada, Alexey Serov, Kateryna Artyushkova, Plamen Atanassov, Hirohisa Tanaka, Highly durabule anion exchange membrane fuel cell using hydrazine hydrate, Journal of Power Sources.（投稿中）
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発表論文（共著，査読有り）
1. Shogo Kusano, Daiju Matsumura, Koichiro Asazawa, Hirofumi Kishi, Tomokazu Sakamoto, Susumu Yamaguchi, Hirohisa Tanaka, Jun’ichiro Mizuki, Study of catalytic reaction at electrode/electrolyte interfaces by newly developed CV-XAFS, The Minerals, Metals & Materials Society, DOI: 10.1007/s11664-016-5259-x.
2. Tristan Asset, Aaron Roy, Tomokazu Sakamoto, Monica Padilla, Ivana Matanovic, Kateryna Artyushkova, Alexey Serov, Frederic Maillard, Marian Chatenet, Koichiro Asazawa, Hirohisa Tanaka, Plamen Atanassov, Highly active and selective nickel molybdenum catalysts for direct hydrazine fuel cell, Electrochimica Acta 215 (2016) 420-426.
3. 岸 浩史，坂本 友和，朝澤 浩一郎，田中 裕久，松村 大樹，田村 和久，西畑 保雄，
セロフ アレクセイ，アタナソフ プラメン，Ptフリー液体燃料電池の電極触媒開発軟，
自動車技術会論文集 46 (2015) 361-366.
4. Ulises Martinez, Santiago Rojas-Carbonell, Barr Halevi, Kateryna Artyushkova, Boris Kiefer, Tomokazu Sakamoto, Koichiro Asazawa, Hirohisa Tanaka, Abhaya Datye, Plamen Atanassov, Ni-La electrocatalysts for Direct Hydrazine Anionic Fuel Cells, Journal of the Electrochemical Society, 2014 161(13) H3106 - H3112.
5. Alexey Serov, Monica Padilla, Aaron J. Roy, Plamen Atanassov, Tomokazu Sakamoto, Koichiro Asazawa Hirohisa Tanaka, Anode Catalysts for Direct Hydrazine Fuel Cells: From Laboratory Test to an Electric Vehicle, Angew. Chem., Int. Ed. 126 (2014) 10504 - 10507.
6. Jean Sanabria-Chinchilla, Koichiro Asazawa, Tomokazu Sakamoto, Koji Yamada, Hirohisa Tanaka, Peter Strasser, Noble Metal-Free Hydrazine Fuel Cell Catalysts:
EPOC Effect in Competing Chemical and Electrochemical Reaction Pathways, Journal of the American Chemical Society, 133 (2011) 5425-5431.
7. Koichiro Asazawa, Tomokazu Sakamoto, Susumu Yamaguchi, Koji Yamada, Hirotoshi Fujikawa, Hirohisa Tanaka, Keisuke Oguro, Study of Anode Catalysts and Fuel Concentration on Direct Hydrazine Alkaline Anion-Exchange Membrane Fuel Cells, Journal of the Electrochemical Society, 156(4) (2009) B509-B512.
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発表論文（査読無し論文，総説）
1. 坂本 友和，岸 浩史，山口 進，液体燃料を蓄電媒体とする白金フリー燃料電池自動車
～“Love Local” 誰からも身近に愛される燃料電池自動車の実現を目指して～，
Nanotech Japan Bulletin, Vol.9, No.1.
http://nanonet.mext.go.jp/magazine/1255.html
2. 坂本 友和，朝澤 浩一郎，田中 裕久，水加ヒドラジンを燃料とするアニオン形燃料電 池自動車の開発，触媒 57 (2015) 27-32.
3. Hirohisa Tanaka, Koichiro Asazawa, Tomokazu Sakamoto, Non-platinum group metal catalysts of direct hydrazine anionic membrane fuel cells for automotive applications, SPring-8 Research Frontiers 2014.
4. Wiebke Germer, Dario Dekel, Jochen Kerres, John Varcoe, Tomokazu Sakamoto International experts meet in Germany to discuss trends in anion exchange membranes, Fuel Cells Bulletin 2014 (2014) 12 - 15.
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出版本
1. Hirohisa Tanaka, Koichiro Asazawa, Tomokazu Sakamoto, Automotive applications of alkaline membrane fuel cells, Chapter 11 WILEY-VCH Non noble metal fuel cell catalysts.
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学会発表
1. 坂本 友和，液体燃料を用いるアニオン形燃料電池自動車用電極触媒の開発，第118回触 媒討論会，2016年9月23日／岩手大学.（依頼講演）
2. 坂本 友和，液体燃料を蓄電媒体とする白金フリー燃料電池自動車，JSTフェア2015－
科学技術による未来の産業創造展，平成27年8月27日（木）～28日（金）／東京ビッ グサイト 西3ホール.（ポスター発表）
3. 坂本 友和，アニオン交換型自動車用液体燃料電池の開発，平成26年度 文部科学省ナノ テクノロジープラットフォーム事業 微細構造解析プラットフォーム 第2回放射光利用 研究セミナー，2015年3月30日（月）／科学技術振興機構 東京本部別館1階ホール.
（依頼講演）
4. Tomokazu Sakamoto, Koichiro Asazawa, and Hirohisa Tanaka, Operand XAFS Study of Hydrazine Oxidation Catalysts for Use in Anion Exchange Membrane Fuel Cells, 226nd ECS Meeting, October 7, 2014 / Cancun, Mexico. (Oral presentation)
5. 坂本 友和，アニオン交換膜形燃料電池用電極触媒の放射光解析，SPring-8 利用推進協 議会 第2回グリーンサスティナブルケミストリー研究会，2014年7月4日（金）／研 究社英語センタービル.（依頼講演）
6. Tomokazu Sakamoto, Koichiro Asazawa, Takeshi Kato, Susumu Yamaguchi, Hirohisa Tanaka, Precious metal free anion exchange membrane fuel cell vehicles, Workshop on Ion Exchange Membrane Applications, 17th-18th, June 2014 / Bad Zwischenahn, Germany. (Invited talk)
7. 岸 浩史，坂本 友和，朝澤 浩一郎，田中 裕久，松村 大樹，田村 和久，西畑 保雄，Serov Alexey, Atanassov Plamen, Ptフリー液体燃料電池の電極触媒開発，2014 自動車技術 会 春季大会，5月21日（水） / パシフィコ横浜.（口頭発表）
8. 坂本 友和，ディーワンサイ ペンサイ，朝澤 浩一郎，津島 将司，平井 秀一郎，田中 裕 久，軟X線ラジオグラフィーを用いた水加ヒドラジンを燃料とするアニオン形燃料電池 のその場可視化，2014 自動車技術会 春季大会，5 月 21 日（水） / パシフィコ横浜.
（口頭発表）