【研究領域課題番号】21H01258 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 電極

【研究成果の概要】

本年度は，まずオペランド観察で得られるレーザー顕微鏡画像の機械学習による超解像の高精度化に向けて，代表的なセマンティックセグメンテーションアルゴリズムであるEncoder-decoderネットワークおよびU-netと，敵対的生成ネットワーク（GAN）との比較を行った．同一箇所のレーザー顕微鏡画像と電子顕微鏡画像を用意し，それを教師データとしてネットワークを教育した．その後，教育に用いないデータセットにより，ネットワークを検証した．検証の結果，それぞれのネットワークのPC accuracy，IoU score，BF scoreは，Encoder-decoderは0.936，0.867，0.723，U-netは0.941，0.872，0.714，GANは0.941，0.879，0.695であった．ここで，PC accuracyは各ラベルで正確にラベル付けされたピクセルの割合を表す．IoU scoreは全ての正解ラベルおよび予測ラベルの内正しく分類された割合を示す．BF scoreは，予測境界と真の境界の類似性を示す．三つのネットワークはいずれも高い数値を示しており，いずれのネットワークを用いてもレーザー顕微鏡画像の電子顕微鏡画像並みの超解像が可能であることが分かった．
また，ニッケルに鉄あるいは銅等を合金化したパターン電極で分極させると，合金によって電解質基板上の動的な形態変化に違いが観察された．具体的には，銅を合金化した場合にもっともニッケル合金の移動が促進され，鉄を合金化すると移動が抑制されることが明らかになった．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究領域課題番号】18H01376 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 電極

【研究成果の概要】

固体酸化物形燃料電池（SOFC）の燃料極材料として，Ni-YSZが広く用いられているが，Niへの炭素析出や硫黄被毒，Niの粗大化等の課題が報告されている．長期耐久性を向上させるために，ニッケルを用いないニッケルフリー燃料極が研究されているが，ニッケルの代替材料としてLaxSr1-xCryMn1-yO3-δ（LSCM）に代表されるペロブスカイト化合物が注目されている．炭素析出や硫黄被毒耐性だけでなく，酸化還元サイクル下での安定性も報告されている．本研究では，LSCM-GDC燃料極を対象とした実験を行い，焼結温度，燃料極厚みや混合割合等の設計パラメータについて系統的な評価を実施した．

【研究の社会的意義】

固体酸化物形燃料電池（SOFC）および電気分解セル（SOEC)は，燃料電池の中でも最も高効率であること，多様な燃料に対応できることから，次世代の電気と化学エネルギー変換において不可欠なデバイスである．その普及に向けて最大の課題とも言えるのが，燃料極に用いられているニッケルの運転中の移動や凝集であり，この課題を克服するために世界的に熾烈な競争が繰り広げられている．本研究は，その鍵となるニッケルフリー燃料極の特性を系統的に明らかにしたものである．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究領域課題番号】18H03841 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 無機有機コンポジット / 電極 / 中温 / 界面 / エネルギー / 低炭素 / 電解質膜 / 触媒 / 機有機コンポジット / イオノマー / 無加湿 / 固体酸

【研究成果の概要】

本課題では、150℃以上無加湿条件下で作動する次世代中温無加湿型燃料電池の開発を目指す。これを実現するために、耐熱性の高いポリベンゾイミダゾールに、無機系フィラーを添加した独自のコンポジット電解質膜を開発し、特性評価を行った。検討の結果、湿式ミリング法で作製した硫酸水素塩-ヘテロポリ酸系複合体、液相から熱処理によって合成したピロリン酸チタンなどが有効な無機フィラーとして機能することがわかった。さらに電解質・白金触媒・カーボン担体からなる電極三相界面を設計し、固体酸複合体アイオノマーを導入し、Pt＠TiO2コアシェル粒子や還元型酸化グラフェン用いることで過電圧低減と耐久性向上を行った。

【研究の社会的意義】

燃料電池は、石油に代表される化石燃料と水素の両者を燃料として高効率な発電を行うことができ、水素エネルギーに基づく低炭素社会の実現を担う重要なシステムである。本研究の目的は、150℃以上の中温無加湿条件下で作動可能な高性能燃料電池を開発し、低炭素社会の実現に貢献することにある。中温無加湿燃料電池が実現すれば、高価な白金触媒の使用量を低減できる。また、排熱の有効利用や発電システムのコンパクト化が可能となり、家庭用、車両用、建機、ドローンなど用途も広がる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】17201027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フラーレンナノウィスカー / フラーレンナノチューブ / フラーレン / カーボン60 / 液-液界面析出法 / ラマン / 液-液法 / リチウムイオン電池 / 燃料電池 / ナノチューブ / 常温合成 / 電極

【研究成果の概要】

フラーレンナノチューブ(FNT)とは、C60やC70などのフラーレン分子からなる中空の単結晶ナノファイバーである。2001年に、本研究代表者は中空でないフラーレン分子から成る多結晶ナノファイバーであるフラーレンナノウィスカー(FNW)を発見した。FNWとFNTは、液-液界面析出法(液-液法)によって常温で合成することができる。FNTの合成は、典型的にはフラーレンのピリジン溶液とイソプロピルアルコールを用いた液-液法によって合成することができるが、再現性に問題があった。しかし、紫外光や可視光で照射したC60飽和ピリジン溶液を用いることによって、C60NTの合成再現性が著しく向上した。しかも、C60NTの収率は、C60NTに照射する光の波長に応じて変化することを発見した。特に、固体C60の吸収が弱い700nm程度の波長の光の照射によって、高い収率でC60NTが合成できることを見出した。C60NTとC70NTは合成したてのものは溶媒を含む六方晶であるが、乾燥により溶媒を失うと面心立方晶に変化することを発見した。面心立法構造のC60結晶においては、C60分子はファン・デル・ワールス結合によって緩く結合しているので、C60NTはトルエンなどの有機溶媒に溶解させて、C60分子を回収し、再利用することが可能となる。C60NTは半導体であり、C60NTを用いた電界効果トランジスタの合成も可能であることを見出した。さらに、多孔質アルミナ基盤を用いて、C60チューブを基盤に垂直に配向成長させる技術の確立に成功した。C60NTは熱処理によって、導電性の多孔質の非晶質カーボンナノチューブに変化することを見出した。熱処理したFNTは、燃料電池やリチウムイオン電池などの電極材料としての用途が期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】42,640千円 (直接経費: 32,800千円、間接経費: 9,840千円)

【研究分野】化学工学

【研究領域課題番号】01470115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体電解質 / 燃料電池 / YSZ / スパッタリング / 走査型トンネル顕微鏡(STM) / 薄膜 / 電極 / 三相帯 / アニ-ル / 電極反応抵抗

【研究成果の概要】

新しい代替エネルギ-として注目されている固体電解質燃料電池の作製には種々の方法が検討されているが、大出力を達成するために電解質の厚さをできるだけ薄くする必要があり、スパッタリング法の利用が有望視された。我々は同方法を用いて厚さ10μm程度のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)の電解質膜からなる燃料電池を作製し、その起電力特性について検討を行った。
電池の特性は電極反応に大きく依存しており、電極表面の構造とそこでの化学種の移動過程および反応過程が重要である。これらを検討するために、等価回路モデルを用いた電極インピ-ダンス解析の方法と走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いた表面観察の方法を採用した。
スパッタリング法により形成された電極/電解質界面には、反応に関与する三相帯が比較的広く分布しており、これにより電極反応抵抗を大いに減少させることが可能となった。この点は焼成法では得られない特長であり、焼成による再結晶化が三相帯を減少させ、電極特性を劣化させる要因になっていることを明らかにしたしたことになる。さらに、電極を多孔質体により固体化することにより、高温下でより安定した電極特性が得られることがわかり、三相帯の変化を抑えることが電池性能を向上させることに結びつくものと判断された。電池の起電力を理論起電力に近づけるためには、ピンホ-ルの無い緻密な電解質膜を形成する必要があり、膜を保持するための基板の表面粗さや孔径、また電解質膜厚が表面構造に及ぼす影響を明らかにすることができた。
以上の結果は、高性能固体電解質燃料電池の作製法を向上させることに大いに貢献するものと考えられる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1989 - 1990

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)