その後、「量子ダイナミクス理論（Naniwa）」は水素以外の元素および固体内部に拡張され、超高速計算アルゴリズムを搭載した「量子第一原理計算（Hyper-Naniwa ）」として確立し、その応用範囲は一挙に拡大しました。今回、これらの成果を究極のエコ電池として期待されている固体高分子形燃料電池 〔PEFC〕 に適用し、燃料電池内の反応すべてが量子反応であることを突き止め、これに基づく燃料電池の知的設計手法の構築に成功しました（関連特許：出願8件、うち国内登録が2件、米国登録が1件）。

本成果は、水素・燃料電池の研究開発と製造技術に関する第9回 国際 水素・燃料電池展（9th Int'l Hydrogen & Fuel Cell Expo）の研究発表大会（2月28日）とポスター展示（2013年2月27日～3月1日）にて発表されます。

現在、世界が直面する環境・エネルギー問題の解決に向けて、化石燃料に代わるクリーンな燃料電池の普及が期待されています。自動車用・家庭用燃料電池としての実用化が始まり、普及拡大が最も期待されている固体高分子形燃料電池は、燃料水素から電子を取り出す「燃料極（酸化反応 ）」と、電子が取られた水素イオンを選択伝導させる「高分子電解質膜」と、水素イオンと電子と酸素が結合する「空気極（還元反応 ）」とからなるサンドイッチ構造（スタック構造と呼ばれる）から構成されています。

「燃料極」の反応活性と耐久性を高めるために、経験的に白金（Pt）等の貴金属 が電極触媒として用いられます。しかし、その反応メカニズムは原子スケールで解明されておらず、燃料極の触媒反応向上や触媒使用量削減の設計方法は確立していませんでした。また、「固体高分子膜」に用いられるナフィオン （Nafion）膜 の水素イオン伝導は、含水率に依存することが実験的に知られています。しかし、その伝導メカニズムは原子スケールで解明されておらず、固体高分子膜の設計指針は明確ではありませんでした。さらに、「空気極」の酸素の解離吸着反応 は遅く、反応活性化のために白金が電極触媒として用いられています。しかし、その反応メカニズムも原子スケールで解明されておらず、空気極の触媒反応向上の設計方法は確立していませんでした。

本研究では、世界に先駆けて確立した「量子ダイナミクス理論（Naniwa）」と「量子第一原理計算（Hyper-Naniwa）」を、固体高分子形燃料電池に適用した知的設計手法「CMD 」を構築し、以下の反応メカニズム解明と知的設計に成功しました。

1) 燃料極の反応メカニズムと知的設計手法：水素分子の解離吸着メカニズムは水素分子のトンネル効果であることを見出しました。知的設計手法の一例として、白金（Pt）より格子定数が大きい金属表面に白金をコーティングした触媒を用いれば、引っ張り応力のかかった白金（111）表面が水素分子の解離吸着を促進し、同時にCO被毒 を抑制します。

2) 空気極の反応メカニズムと知的設計手法：酸素分子の解離吸着メカニズムは酸素分子のトンネル効果であることを見出しました。知的設計手法の一例として、磁性を有する鉄（Fe）の（001）表面に白金（Pt）二原子層を堆積したPt/Pt/Fe(001) 触媒を用いれば、酸素分子の解離吸着が促進します。

3) 固体高分子膜の反応メカニズム： 白金表面からナフィオン 側鎖への水素イオン移動メカニズムは水素イオンのトンネル効果によるものであることを見出し、ナフィオン側鎖間の水素イオン移動にはH ₂ OとH ₃ O ⁺ を介した量子反応であることを解明しました。

本研究により、燃料電池の反応メカニズムはトンネル効果が本質的に寄与するものであり、燃料電池とは最先端の量子反応デバイスであることが明らかになりました。しかも、質量が非常に小さく量子効果が顕著に現れる水素だけではなく、酸素の量子効果をも考慮する必要性が明確になりました。これらの成果を利用して燃料電池を設計・開発するならば、高性能・ローコストな究極のエコ電池が実現可能になり、省エネルギー・低炭素社会の実現に大きく貢献すると思われます。

図1　固体高分子形燃料電池の構造と動作メカニズム

図2(a) 反応メカニズム

図2(b) 知的設計例

図2　燃料極の反応メカニズムと知的設計の一例

図3(a) 反応メカニズム

図3(b) 知的設計例

図3　空気極の反応メカニズムと知的設計の一例