【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】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】17H03149 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体酸化物形燃料電池 / 焼結 / トモグラフィー / マルチスケール / 多孔構造 / 界面 / キネティックモンテカルロ / 微細構造 / 多孔質 / 有限要素法 / 離散要素法 / FIB-SEM / 燃料電池 / 機械材料・材料力学

【研究成果の概要】

近年，固体酸化物形燃料電池の低コストな製造プロセスとして，電解質基板と電極とを同時に焼結させる一体焼結法が注目されているが，一体焼結法は収縮速度が異なる材料を同時に焼結させる複雑なプロセスのため，焼結後の電極の微細構造・機械的性質・マクロな変形特性は十分明らかとなっていない．そこで本研究では，集束イオンビーム走査型電子顕微鏡を用いて，一体焼結中の空気極／電解質界面近傍の微細構造変化を定量的に明らかにした．また，一体焼結体の弾性的性質や変形特性を予測できるキネティックモンテカルロ焼結解析コードを開発した．

【研究の社会的意義】

固体酸化物形燃料電池の低コスト化を実現するためには，一体焼結製造プロセスの理解と制御が必要不可欠である．本研究では，トモグラフィー技術を駆使することで，一体焼結中に三次元的な内部構造が変化する様子を初めて明らかにした．さらに，一体焼結プロセス中の変形特性や機械的特性を予測できるシミュレーション技術の基礎を構築した．得られた知見と技術を発展させれば，一体焼結プロセスの最適化，高性能な電池製造の実現につながる．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】反応・分離工学

【研究領域課題番号】14750614 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リン酸二水素セシウム / 硫酸水素セシウム / 多孔質シリカ粒子 / 無機複合プロトン導電体 / 固体電解質膜 / 燃料電池 / 界面 / シリカ / プロトン伝導体 / 個体電解質膜

【研究成果の概要】

本研究は、中温度領域(200-300℃)で動作可能な固体電解質型燃料電池の実現化を目指し、プロトン導電性無機材料とセラミクスの混合体による複合電解質膜の開発を日的とした。硫酸水素セシウムと多孔質シリカ粒子(CHS/silica)またはリン酸二水素セシウムと多孔質シリカ粒子(CDP/silica)から構成される複合材料を検討し、本年度はプロトン導電率のさらに高い値の実現化のために、合成法の検討を中心に研究を行った。合成法は、1)粒子を機械的に混合する「固相混合法」、2)材料を水に件濁さ乾燥させて試料を得る「蒸発乾固法」によって行った。CHS、CDP共にシリカ粒子と混合することによって、単体と比較してそれらの導電率が上昇した。また、CHS/silicaおよびCDP/si1ica共に、機械混合法に比べ蒸発乾固法によって作成した試料の方が、特に低温相において導電率の上昇が大きいことがわかった。CHS/silicaに関しては、蒸発乾固法による導電率の上昇は著しく、80℃から140℃の低温領域において、導電率は単体のそれに比べて3桁以上高い値を示した。以上の現象は、試料の粉末X線回折およびラマン分光の測定結果から以下のように推察した。蒸発乾固法により、プロトン導電材料であるCHSとCDPがシリカ粒子の細孔内に浸透する。浸透したプロトン導電材料の結晶構造が崩れ、プロトン導電材料は細孔中で微結晶化もしくはアモルファス化する。この無秩序化した結晶相がプロトン拡散を促進し、その結果、全体の導電率増加が観測されたと考えた。プロトン導電は、結晶内の硫酸イオンやリン酸イオンの束縛回転運動と密接な関係があると考えられている。ラマンスペクトル線形の温度変化から、シリカ多孔質内の無秩序化した結晶相では、より低温から硫酸イオンやリン酸イオンの束縛回転運動が誘起され、プロトン導電率が上昇したと考えられる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)