ステンレスの使用が可能な高性能中温域動作酸化物形燃料電池用電極材料創製

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16F16761
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 森 利之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 上席研究員 (80343854)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): REDNYK ANDRII 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2016-10-07 – 2019-03-31
• Keywords: 酸化物薄膜 / 蒸着 / 界面活性化 / 酸化物燃料電池 / 中温域動作 / アノード

Outline of Annual Research Achievements

多様な燃料を用いて高効率発電を可能にする酸化物形燃料電池を、ステンレスの使用を可能にする650℃から700℃の温度において動作させる取り組みが、全世界で検討されている。
これまでの研究では、カソード反応の速度が遅く、カソード活性化過電圧が大きいことから、主として、高性能カソードの探索研究や、酸化物固体電解質薄膜の作成研究に主眼がおかれ、検討がなされてきた。
本研究では、NIMSの森グループのこれまでの研究成果と、外国人特別研究員がこれまで実施してきた薄膜触媒研究実績を融合し、アノード層のうえに、1nmから数nmの厚みの、白金族金属酸化物をスパッタ法により蒸着し、そののちこれを水素還元処理することで、アノード層全域に、活性な白金族金属ナノ粒子を拡散させ、活性な界面を多数、アノード層内に形成させる取り組みを実施している。そのために、外国人特別研究員が、その学位論文の研究で構築した、活性な酸化物薄膜形成のノウハウをすべて、森グループに開示し、そのノウハウと、森グループが保有する燃料電池作成技術を融合することで、ほぼアノード層内全域に、10mg/kg程度の超微量白金族金属ナノ粒子を拡散させることに成功した。こうして得られた燃料電池デバイスの発電性能は、白金族金属酸化物を蒸着していない燃料電池デバイスの性能を大きく超える（IR-freeの値の比較において、2倍以上）結果を確認した。
さらに、その界面の欠陥構造に関しても、外国人特別研究員が有する、表面に形成される金属・酸化物界面構造に関する専門知識を、森グループに提供し、闊達な議論を行うことで、森グループで実施された表面界面会合欠陥クラスターモデルづくりに貢献した。
本研究成果は、異分野の研究経験をうまく融合させることにより、従来の燃料電池材料研究にはない、極めて独創的な研究成果を生み出すことができた例であると考える。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

昨年度秋に赴任をし、そののちすでに１回国内で発表を行い、現在、ホスト研究者である森上席研究員ほかの共同研究者と連名で、国際誌への論文投稿を行っている（外国人特別研究員筆頭論文投稿）。ホスト研究者の勤務する研究所に赴任して、わずか１年以内に、明確な成果をあげ、その成果を口頭発表ならびに、論文発表につなげることができたことから、顕著な進捗があったと考える。
さらに、本年度８月末には、京都大学で開催される国際会議でも、外国人特別研究員がみずから、最新の研究成果を口頭発表する予定であり、本年度末には２報目の論文の投稿も可能であると考えられることから、上記のように、当初の計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

ホスト研究者である森上席研究員と連携し、1種類の白金族金属酸化物蒸着だけでなく、複数種類の白金族金属酸化物の同時蒸着効果を検討する。こうした取り組みを行う際、通常は、白金族金属酸化物の組み合わせが多く考えられることから、最適な蒸着膜組成の検討に多大の時間を必要とすることが多いが、森上席研究員と外国人特別研究員の間で、頻繁に、得られた実験結果に関する意見交換を行い、最小の試行回数で、最大の効果を上げる取り組みを実施する予定でいる。
また、平成２９年度は、白金族金属酸化物だけではなく、それまでの実験結果をもとに、典型元素酸化物のごく微量蒸着効果についても検討を行う予定である。
この場合も、外国人特別研究員が博士課程の研究において培ってきた酸化物薄膜触媒の活性化手法や、その研究における経験をもとに、森上席研究員の燃料電池材料研究の発展的展開を可能にするための意見交換を頻繁に行うことを通して、最適な典型元素酸化物蒸着膜組成や蒸着膜形成条件を見出し、燃料電池デバイス性能の向上を可能にする研究を推進してゆく。

Research Products

• [Presentation] Design of high quality anode layer in Solid Oxide Fuel Cells by deposition of PtOx thin film catalysts (2016)
  • Author(s): Andrii REDNYK, 森利之, Shipra CHAUHAN, 鈴木彰, 山本春也, 伊藤滋啓, 伊坂紀子, 山本悠太, 石田高史, 丹司敬義
  • Organizer: 第26回日本MRS年次大会
  • Place of Presentation: 横浜情報文化センター,横浜市関内
  • Year and Date: 2016-12-19 – 2016-12-22
• [Presentation] 高性能中温動作SOFC作製に資する微細構造観察結果を基にした極微小量白金とアノード界面の設計 (2016)
  • Author(s): 森利之, Andrii REDNYK, 伊藤滋啓, 鈴木彰, 大久保弘, 山本春也, 山本悠太, 石田高史, 伊坂紀子, 丹司敬義
  • Organizer: 第26回日本MRS年次大会
  • Place of Presentation: 横浜情報文化センター,横浜市関内
  • Year and Date: 2016-12-19 – 2016-12-22