2019 Fiscal Year Annual Research Report
Stabilization of proton carriers in rare-earth elements containing glasses; new developments of intermediate-temperature fuel cells
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17H03381
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
西井 準治 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60357697)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤岡 正弥 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40637740)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ガラス / プロトン / イオン伝導 / 燃料電池 / 結晶化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者らは、希土類含有リン酸塩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)を用いて、中温域で0.01S/cm以上の伝導度を発現するガラス電解質の開発を目指した。昨年度までに、Na濃度が30at%の30NaO1/2-3RO-7REO3/2-3GeO2-57PO5/2ガラス(R=アルカリ土類,RE=希土類)に対してAPSを実施し、プロトン伝導特性を調べた。
今年度は、Na濃度を35at%に高めた、35NaO1/2－2RO－5REO3/2－5GeO2－53PO5/2ガラスに対してAPSを施し、得られたガラスのプロトン伝導特性の評価を継続した。その結果、結晶化に対して最も高い安定性を示したのは、R=Ba、RE=Gdの組み合わせであった。このガラスは、ガラス転移点が約163℃であり、20℃/時間の昇温条件では、360℃においてプロトン伝導度0.01S/cmを示した。また、四重極型質量分析によってガラス中のプロトンは505℃までガラス中に留まることを確認した。一方、一定温度での伝導度の長時間測定を実施したところ、プロトン伝導度0.003S/cmを500時間以上維持できることを確認した。それ以上の時間が経過すると、ガラス内部で分相が始まり、その後、Geが多く含まれる結晶が析出した。
また、ガラス転移点とプロトン伝導度との間に相関があることが分かった。すなわち、ガラス転移点の低下と共に、その温度におけるプロトン伝導度が上昇することから、軟化点まで温度上げなくても高い伝導度を実現できる可能性がある。そのためには、プロトンの濃度と移動度の両方を高めるための組成開発が重要であり、例えばNa成分を40mol%以上含み、現在と同レベルの熱的安定性のガラスを得ることができれば、高い伝導度を長時間維持できる可能性がある。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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[Journal Article] Thermal stability and proton conductivity of densely proton injected phosphate glasses containing rare-earth elements2020
Author(s)
Atsushi Miyazaki, Takuya Kinoshita, Takashi Tatebayashi, Tong Fang, Yang Ren, Tomohiro Ishiyama, Takuya Yamaguchi, Takahisa Omata, Masaya Fujioka, Kaiju Hideo, Gaoyang Zhao and Junji Nishii
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Journal Title
Journal of Non-Crystalline Solids
Volume: 541
Pages: 120064
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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