【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】17H03381 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物 / ガラス / イオン / イオン伝導 / プロトン / プロトン伝導 / 結晶化 / 分相 / 燃料電池 / 希土類元素 / アルカリイオン

【研究成果の概要】

250～500℃の中温域で作動する燃料電池(中温域 FC)に搭載可能な高いプロトン伝導度を示す電解質の開発を目指した。ガラス中のアルカリイオンをプロトンに置換する独自の手法(APS法)を用い、これまで検討してきた希土類元素含有リン酸塩ガラスの組成の絞り込みと、高いプロトン伝導度の長時間維持の2つの課題に取り組んだ。その結果、310℃で0.002S/cmの伝導度を500時間維持できたが、その後は分相、結晶化が進行し、伝導度が低下した。一方、四重極型質量分析法で見積もったガラスからの水分子の離脱温度は450℃以上であったことから、更なる組成改良による伝導特性の向上が期待される。

【研究の社会的意義】

従来、電解質としてのガラスは結晶材料に比べて劣ると認識されてきたが、申請者らは独自に開発したプロトン導入法により、これを覆す成果を得ており、本研究はその基礎をなすものである。本研究の実施によって得られる プロトン伝導体は、中温域燃料電池の実現だけでなく水蒸気電解や水素分離へも応用可能であり、その効果はエネルギー関連技術全体へと波及する。本研究の成果は、エネルギーシステム構築に必要な基盤技術とそれを支える基礎科学に大きな進展をもたらし、学術上はもちろんのこと、エネルギー問題に直面する社会の未来に対しても有益な礎を築くことが期待される。

【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】無機材料・物性

【研究領域課題番号】24656383 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メカノケミカル / 無機有機 / ハイブリッド / プロトン / 混合アルカリ / 燃料電池 / 核酸塩基 / アゾール

【研究成果の概要】

本研究では、メカノケミカル法を用いて新規なプロトン伝導性無機－有機ハイブリッドを合成し、その特性評価を行った。硫酸水素セシウム-トリアゾール（CHS-Tz）系ハイブリッドでは、40～160℃の幅広い温度範囲において、無加湿条件下で高いプロトン伝導性を維持することを明らかにした。また、リン酸二水素セシウム（CDP）に核酸塩基のグアニンやウラシルを複合化することでCDP 単体よりも3桁高い導電率を得ることができた。CHS-Tzを添加したポリベンズイミダゾール(PBI)系ハイブリッド電解質膜が150℃無加湿条件でも非常に優れた発電特性を示すことを実証した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】23360286 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / 中温 / メカニカルミリング / プロトン / 無機有機 / コンポジット / ポリベンズイミダゾール / 発電特性 / 中温領域 / 無機有機複合体 / 固体酸 / 芳香族高分子 / 固体電解質 / 膜・電極複合体

【研究成果の概要】

本研究では、メカノケミカル法を用いて、中温無加湿で高いプロトン伝導性を示す無機固体酸ナノ複合体粒子を合成し、これに耐久性の優れた芳香族ポリマーを融合させた新しい中温作動燃料電池用電解質膜を開発し、燃料電池の中温無加湿発電試験を行った。
硫酸塩-ヘテロポリ酸系無機固体酸ナノ複合体粒子をポリベンズイミダゾールに添加し、リン酸をドープしたコンポジット電解質膜が、150℃以上の中温領域において、無加湿条件下でも、非常に優れた発電特性を800時間以上維持ことを実証した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】21655075 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メカノケミカル / プロトン / 固体酸 / 電解質 / 燃料電池 / 無機-有機 / 複合体 / メカノケミカル処理 / 硫酸塩 / リン酸塩 / ヘテロポリ酸 / グアニン / アゾール / 水素結合 / 導電率 / NMR

【研究成果の概要】

本研究では、種々の硫酸水素塩とリンタングステン酸(WAP)やケイタングステン酸(WSiA)を遊星型ボールミルを用いて複合化し、複合体の導電率の温度・組成依存性を系統的に調べた。CsHSO_4-WPA系と同様、KHSO_4-WAP系とNH_4HSO_4-WPA系では、硫酸水素塩含量が90mol%付近で導電率の極大が認められた。ミリング処理によって、WPAのプロトンの一部が一価カチオンによって置換され、ヘテロポリ酸の面間隔が小さくなっていることや、硫酸水素アニオンとヘテロポリ酸の間に新たな水素結合が形成されていることがわかった。導電率の対数値とH^^1 MAS NMRスペクトルのケミカルシフトから求めた水素結合距離の間に良好な相関を確認した。また50H_4SiW_12O_40・50CsHSO_4複合体をポリベンズイミダゾール(PBI)に混合することでPBI-50Si50Cs系コンポジット膜を作製した。シングルセル発電試験(無加湿160℃)の結果、コンポジット膜は非常に優れた発電特性を示した。これは無機固体酸複合体が分散することで、プロトンのホッピングが容易になったためと考えられる。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】3,370千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 270千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】16360103 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

燃料電池 / プロトン / 水分輸送 / MRI計測 / 高性能化

【研究成果の概要】

固体高分子形燃料電池は、出力電流密度が高いためコンパクトで、高効率でかつCO_2を排出しない運転が可能であることから、地球環境保全とエネルギー有効利用のための次世代自動車用動力源として期待されている。
供給する水素は、膜の水素極側の触媒でプロトンと電子に分離し、プロトンは固体高分子により構成された膜の中を酸素極側に移動するが、プロトンが膜内を移動するメカニズムがわかれば、プロトンに伴い水分子が膜の中を移動する現象が明らかになり、上記の水分の入力経路とあわせて電解質膜内で生じている反応を伴う物資輸送現象が統合して明らかになる。しかし、プロトンがどのような機構により電解質膜内を水素極側から酸素極側へ移動しているのか、すなわち、プロトンが単純な移流により移動しているのか、それともプロトンが電解質膜を構成する固体高分子と電子交換をしながらプロトンホッピングと呼ばれるものにより移動しているのかもわかっていない。
そこで、このプロトン移動のメカニズムを明らかにするために、最初、水素(H_2)を供給して定常発電状態にある燃料電池に対して、ある時刻から水素を重水素(D_2)に切り替えて供給し、電解質膜内水分布の時間変化をMRIにより計測を行った。 MRI計測においては、水素原子核を計測各種とした場合、重水素核からの信号が計測されないことを利用して、電解質膜内に水素原子核が浸透する過程の時間変化を計測することに成功した。その結果、電解質膜内のプロトン移動機構は、ホッピング機構が支配的であることが実験的に明らかになった。
また、ガス拡散層の水分輸送について、格子ボルツマン法を用いた数値計算を実施し、ガス拡散層の空孔率や燃料電池の発電量が水分輸送、特にフラッディングに及ぼす影響について調べた。その結果、空孔率と発電量はフラッディングについて大きな影響を及ぼすが、空孔のスケールは及ぼさないことを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】15,100千円 (直接経費: 15,100千円)