電子―プロトン混合パーコレーション伝導体の創製と電極触媒能

• Project/Area Number: 22686062
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Structural/Functional materials
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 青木 芳尚 Hokkaido University, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50360475)
• Project Period (FY): 2010 – 2012
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥20,930,000 (Direct Cost: ¥16,100,000、Indirect Cost: ¥4,830,000); Fiscal Year 2011: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2010: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
• Keywords: 燃料電池 / プロトン伝導体 / 混合伝導体 / 薄膜 / パーコレーション / 有限サイズ効果 / 水素透過膜

Research Abstract

Brφnsted酸性電子-プロトン混合伝導体(EPmix)薄膜を創出するのための検討課題は以下の2点である。第一に高い酸性度と混合伝導率をもつEPmix複合酸化物薄膜の合成方法を最適化すること。第二に高いシート伝導度と垂直水素透過速度を同時に満たす、混合パーコレーション伝導体の設計方法を確立することである。本研究ではNb-P-Co混合アルコキシド溶液を用いた多層スピンキャスト法により、400℃ドライ雰囲気下で高い垂直混合伝導率を示すNb_<1.2>Co_<1.4>P_2O_x-アモルファス複合酸化物薄膜を合成することに成功した。この薄膜(100nmd)は明らかな水素透過能を示し、水素輸送に関する活性化エネルギーは約0.4eVと比較的小さな値を示した。また400℃における水素透過率は約10^<-7>molm^<-2>Pa^<-0.5>オーダーであり、これは燃料電池において2.0Acm^2の電流密度を生成するのに十分な値である。
水素透過Pd合金をアノード基板、アモルファスZrP_<2.6>O_x薄膜(130nmd)を電解質膜、およNb_<1.2>Co_<1.4>P_2O_x-EPmix薄膜(200nmd)をカソードに用いた薄膜燃料電池を作製し、出力特性を調べた。薄膜燃料電池は350℃において理論値に匹敵する開回路電圧1.05V、最高出力2mWcm^<-2>を示した。セル抵抗の主な原因はアノードにおける分極であることが分かった。来年以降は、電極界面における分極抵抗低減とセル発電効率のさらなる向上を目指し研究を進める予定である。

Research Products

• [Journal Article] Proton-conductivity of amorphous aluminum phosphate thin films under anhydrous conditions (2011)
  • Author(s): Y.Aoki, S.Hirata, H.Habazaki
  • Journal Title: Journal of Electrochemical Society Volume: Vol.158 Pages: 41-45
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Finite size effect of proton-conductivity of amorphous silicate thin films based on mesoscopic fluctuation of glass network (2011)
  • Author(s): Y.Aoki, et al.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 133 Pages: 3471-3479
  • Peer Reviewed
• [Presentation] アモルファスリン酸ジルコニウム電解質薄膜とPdアノードからなる薄膜燃料電池の発電特性 (2010)
  • Author(s): 福永悠希、青木芳尚、幅崎浩樹
  • Organizer: 第51回電池討論会
  • Place of Presentation: 愛知県産業労働センター(名古屋)
  • Year and Date: 2010-11-09
• [Presentation] Proton conductivity transition of amorphous zirconium phosphate thin film and its application to thin film fuel cell (2010)
  • Author(s): Y.Aoki, Y.Fukunaga, S.Yamaguchi, H.Habazaki
  • Organizer: E-MRS 2010, Fall Meeting
  • Place of Presentation: ワルシャワ工科大学(Warsaw、Poland)
  • Year and Date: 2010-09-15
• [Presentation] アモルファスアルミノシリケート薄膜のAl/Si組成比によるプロトン伝導率スケーリング変化 (2010)
  • Author(s): 原田明寿、青木芳尚、幅崎浩樹
  • Organizer: 2010年電気化学会秋季大会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学(厚木)
  • Year and Date: 2010-09-02
• [Remarks]
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/elechem/