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無機ナノシート積層型燃料電池の創製

Research Project

Project/Area Number 23H00314
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

伊田 進太郎  熊本大学, 産業ナノマテリアル研究所, 教授 (70404324)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 畠山 一翔  熊本大学, 産業ナノマテリアル研究所, 助教 (30773965)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥47,710,000 (Direct Cost: ¥36,700,000、Indirect Cost: ¥11,010,000)
Fiscal Year 2025: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
Fiscal Year 2023: ¥24,180,000 (Direct Cost: ¥18,600,000、Indirect Cost: ¥5,580,000)
Keywords燃料電池 / ナノシート / プロトン伝導 / 酸化物 / 水酸化物 / ナノシート自立膜 / 水素 / 酸化物ナノシート / 自立膜
Outline of Research at the Start

燃料電池は,エンジンと異なりカルノーサイクルの制約を受けないため,発電効率が高くCO2を排出しない電力源である。電解質の種類に応じて固体酸化物形燃料電池(SOFC)(動作温度:800~1000℃)、固体高分子形燃料電池(PEFC)(室温~80℃)などがあり、それぞれの長所に応じて研究が進展してきた。しかしながら、室温~200℃で動作する小型化可能な電解質の開発は、PEFCとSOFC両者とも、従来材料の延長では解決は難しいと考えられており、電解質材料を大きく変えるなどの抜本的な開発が求められている。本研究ではこれらの課題に対して、酸化物ナノシートを電解質に用いた新しい燃料電池の開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

燃料電池は,エンジンと異なりカルノーサイクルの制約を受けないため,発電効率が高くCO2を排出しない電力源である。電解質の種類に応じて固体酸化物形燃料電池(SOFC)(動作温度:800~1000℃)、固体高分子形燃料電池(PEFC)(室温~80℃)などがあり、それぞれの長所に応じて研究が進展してきた。しかしながら、室温~200℃で動作する小型化可能な電解質の開発は、PEFCとSOFC両者とも、従来材料の延長では解決は難しいと考えられており、電解質材料を大きく変えるなどの抜本的な開発が求められている。本年度はこれらの課題に対して、無機ナノシートを電解質に用いた新しい燃料電池を開発するための基盤技術の構築を典型的な酸化物ナノシートを用いて取り組んだ。具体的には、カリウムカルシウムニオブからなる層状酸化物であるKCa2Nb3O10を作製した後、硝酸による酸処理により、層状体層間のカリウムをプロトンに交換した。その後、テトラブチルアンモニウムヒドロキシル水溶液を用いて、層状構造を剥離しCa2Nb3O10ナノシートを得た。その他にもペロブスカイト層数を制御した酸化物ナノシートや有機無機複合ナノシートを合成した。遠心分離法を用いて得られたナノシート分散溶液を精製して、ほぼ単層のナノシートが分散する分散溶液を作製した。この分散溶液から吸引濾過法を用いて、ナノシート自立膜を得た。プロトン伝導度を室温~100℃の範囲で測定したところ、最大で0.0001S/cm2の伝導度を示した。作製したナノシートプロトン伝導膜を用いて水素燃料電池を作製したところ、起電力として約1Vであり、作製したナノシートプロトン伝導膜が燃料電池の電解質として機能することを明らかにした。来年度以降は、開発したナノシート膜作製技術と発電技術を基盤として、高出力のナノシート積層型燃料電池の開発に取り組む。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画通りナノシートプロトン伝導体の開発基盤と燃料電池発電技術の基盤が構築できたため。

Strategy for Future Research Activity

Ruddlesden-Popper相を持つ層状体やDion-Jacobson相を持つ層状体から単層のナノシートを合成するプロセスと、ナノシート自立膜を作製するプロセスを開発するとともに、開発したナノシート自立膜を燃料電池の電解質に適用して更なる高出力化に取り組む。また、プロトン伝導メカニズムの解明にも取り組む計画である。

Report

(2 results)
  • 2023 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2023

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Controlling Thickness of Aurivillius Phase Perovskite Nanosheets Obtained by Delaminating Bi2SrNan-2NbnO3n+3 (n = 2-5) Layered Crystal2023

    • Author(s)
      Awaya Keisuke、Hatakeyama Kazuto、Ida Shintaro
    • Journal Title

      Chemistry of Materials

      Volume: 35 Issue: 24 Pages: 10524-10532

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.3c02062

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Morphology Control of Two dimensional (2D) Metal Organic Framework Nanosheets via 1?nm Thick Hexagonal Hydroxide Nanosheets through Variable Reaction Parameters2023

    • Author(s)
      Pathak Agamoni、Hatakeyama Kazuto、Ida Shintaro
    • Journal Title

      Advanced Materials Interfaces

      Volume: 10 Issue: 23 Pages: 2300335-2300335

    • DOI

      10.1002/admi.202300335

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Bandgap Tunable Metal Oxynitride Nanosheets and Functions of Oxynitride/Oxide Superlattices-Like Hybrids2023

    • Author(s)
      Shintaro Ida and Kazuto Hatakeyama
    • Organizer
      2023 MRS Fall Meeting
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Preparation of metal oxynitride nanosheets and flexible oxynitride nanosheet films for sustainable energy2023

    • Author(s)
      Shintaro Ida
    • Organizer
      KJ-Ceramics37
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 無機ナノシート構造制御と機能創出の新しい展開2023

    • Author(s)
      伊田進太郎
    • Organizer
      2023電気化学秋季大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited

URL: 

Published: 2023-04-13   Modified: 2025-04-17  

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