2016 Fiscal Year Research-status Report

固体電解質膜型燃料電池アノードにおける水素同位体効果に関する研究

Research Project

Project/Area Number	15K06670
Research Institution	Sophia University
Principal Investigator	大井隆夫上智大学, 理工学部, 教授 (90168849)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords	酸素同位体効果 / 燃料電池 / 同位体分離係数 / 分子軌道計算 / 蒸気圧同位体効果
Outline of Annual Research Achievements	実験として，昨年度作成した燃料電池装置を用いて，酸素極側での酸素同位体効果を測定した。昨年度との装置上の主な変更点は，1) 酸素ガス採取用のガスサンプラー（同位体比測定時に内部の圧力を上げることができるようガス導入口を設けた）を導入したこと，2) 25℃での実験のため，クールプレートを装着したこと，である。酸素同位体効果に関し，3系列の実験を行った。1) 温度35℃，ロード5 W，2) 温度35℃，ロード4 W，3) 温度25℃，ロード4 W，で，それぞれで酸素流量を変えて実験を行った。酸素流量と酸素同位体比からS = (18O/16O)未反応 / (18O/16O)反応済みで定義される酸素同位体分離係数を算出した。得られたS値は以下のようにまとめることができる。なお，本研究は，燃料電池において酸素同位体効果を観測した世界初の研究であるといえる。1) 重い同位体が廃棄酸素側に濃縮する。2) 実験条件の範囲内でS値は温度やロードに依存しない。3) S値は酸素利用率に依存する。酸素利用率が18％から68％の範囲で，Sはほぼ一定値（平均値1.027）を示し，酸素利用率がそれよりも大きくても小さくても減少する。 O2-H2O間の酸素同位体交換反応の平衡定数値（計算値）は25℃で1.017，35℃で1.016であり，Sの実測値はこれより大きい。今後白金触媒上での酸素化学種の換算分配関数比を計算し，酸素極における酸素同位体効果の理論的研究を進めていく必要があるが，本研究の酸素同位体効果には，反応速度の同位体効果が関与している可能性が考えられる。水素同位体効果の理論面に関連して，フルオロフォルムの蒸気圧同位体効果に関する理論計算を行った。同位体効果の絶対値の正確な再現には至らなかったが，同位体効果の温度依存性を再現でき，論文として公表することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 昨年度の“今後の指針方策”で予定していた，酸素同位体効果の測定を行うことができた。予定していた白金触媒上での酸素化学種の換算分配係数比の計算には至らなかった。しかし，水素同位体効果に関連するフルオロフォルムの蒸気圧同位体効果の研究が進展し，研究論文として公表することができたので，全体として研究は順調に進展しているといえる。
Strategy for Future Research Activity	平成29年度，研究代表者は特別契約教授となり，大学院生，卒業研究生がいなくなるため，実験実施は難しい状況になる。しかし，28年度までの研究で，水素，酸素同位体効果の実測には成功したので，今後は計算化学的側面を中心に研究を進展させる。特に，白金触媒上での酸素化学種の換算分配関数比の計算を進める予定である。また，フルオロフォルムに続いて二フッ化メタンの蒸気圧同位体効果の解明に向けた研究を推進する予定である。研究の最終年度であるため，研究全体を総括する。
Causes of Carryover	平成28年度の当初予算は800,000円であり，支出は912,878円であった。前年度未使用分が137,516円あったため，Ｂ－Ａがわずかに0より大きくなったが，ほぼ0とみなしてよい金額である。酸素同位体比測定料が水素に場合に比べかなり高額であった。
Expenditure Plan for Carryover Budget	計算化学関連の支出（＋旅費）が中心となる。