2019 Fiscal Year Annual Research Report
アルミニウム合金上への高耐食性、高導電性ヘテロ構造皮膜の創製
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19H02482
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
芹澤 愛 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (90509374)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石崎 貴裕 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50397486)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 導電性皮膜 / 耐食性皮膜 / アルミニウム合金 / ヘテロ構造 / 燃料電池用金属セパレータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
安価で高効率な電池の開発には、電池全体の軽量化および低コスト化が必須である。セパレータは燃料電池スタック重量の80％程度を占めることから、軽量化効果が最も高い部位である。一方、強酸環境下でも耐え得る極めて高い耐食性ならびに発生した電流を隣接したセルに高効率で流すための導電性も必須である。このような材料要請の下、セパレータには表面処理を施した薄肉の鉄鋼材料が利用されてきたが、低炭素化、軽量性の観点から、セパレータへの軽金属材料の適用が期待されている。しかし、軽金属材料への導電性を有する耐食性皮膜を形成するための技術が確立されていないことから、軽金属製セパレータは実現していない。本研究では、鉄鋼材料の3分の1の密度を有するアルミニウム合金基材の導電性の向上に資する技術開発および合金基材上に高耐食性と高導電性を兼ね備えた皮膜を形成するための技術開発を行うこととした。研究指針としては、申請者らの開発してきた水蒸気プロセスで形成される高耐食性皮膜中にカーボンナノ粒子を適切に分散させるための水蒸気プロセスを構築する。
本年度は、①アルミニウム合金の導電率向上技術の開発、および②金属水酸化物およびカーボン粒子の合成技術の開発に着手した。①の研究項目においては、基材として用いたアルミニウム合金自体の水蒸気プロセス前後の導電率の変化を調べた。水蒸気プロセスの温度、処理時間、圧力、溶液pHを変化させて処理を行い、処理後のアルミニウム合金の抵抗率を測定した結果、プロセス温度および処理時間が支配因子であることを明らかにした。②の研究項目においては、水蒸気プロセスを用いて水酸化物およびカーボン粒子から構成されたヘテロ構造皮膜を作製するため、蒸気源として複数の分子構造や官能基の異なる分子を用いた。その結果、最も均一性の高いヘテロ構造皮膜を作製できる物質を特定することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、①アルミニウム合金の導電率向上技術の開発、および②金属水酸化物およびカーボン粒子の合成技術の開発に着手した。①の研究項目においては、基材として用いたアルミニウム合金自体の水蒸気プロセス前後における導電率の変化を調べた。水蒸気プロセスの温度、処理時間、圧力、溶液pHを変化させて処理を行い、処理後のアルミニウム合金の抵抗率を測定した結果、プロセス温度および処理時間が支配因子であることを明らかにした。したがって、研究計画をすべて実施した上で、来年度以降研究を進めていく際に不可欠な知見を得られた。②の研究項目においては、水蒸気プロセスを用いて金属水酸化物およびカーボン粒子から構成されたヘテロ構造皮膜を作製するため、蒸気源として複数の分子構造や官能基の異なる分子を用いた。その結果、最も均一性の高いヘテロ構造皮膜を作製できる物質を決定することができ、当初の計画以上に研究が進展した。さらに、水蒸気プロセスのプロセス因子のうち、水蒸気源となる溶液のpHはヘテロ構造皮膜の成長速度に影響を及ぼすことを初めて見出した。これは、本技術を用いてセパレータ等の電池材料を製造する際アドバンテージとなることが考えられ、学術的にも産業的にも重要な知見であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までに、いくつかのカーボン源を導入することで、水酸化物とカーボン生成物から成るヘテロ構造皮膜の作製に成功した。したがって、来年度は、下記の①～③の研究項目を実施する。
①ヘテロ構造皮膜の作製に最適なカーボン源の選択：カーボン源によってヘテロ構造化の可否、さらにはカーボン粒子の生成状態は大きく変化することを明らかにしたことから、来年度はカーボン源の最適化を図る。その際、水溶性であり水蒸気プロセスとの相性がよい、耐熱性が低いために容易に揮発する、水中の溶存酸素と結合することで強い権限性が発現される、といった条件を満たしたカーボン源を10種類程度検討し、高導電性のカーボン生成物を形成するのに適した原料種を特定する。
②カーボン粒子の分散技術の開発：本研究で既に見出した、ヘテロ構造化が実現するカーボン材料として本年度決定した物質を選択し、水蒸気源へ添加することでヘテロ構造皮膜を作製する。水蒸気プロセスのみに限定せず、例えば水熱合成法を組み合わせたプロセス等を柔軟に検討することで、通常の方法では界面を形成しづらい水酸化物／カーボン粒子ヘテロ構造皮膜の作製を行う。
③高耐食性・高導電性皮膜作製技術の開発：皮膜の形成過程中にナノカーボンをin situで形成させることで、耐食性を担保しつつ導電性を確保することをめざす。また、カーボン粒子の構造解析を行い、カーボンの種々の形態の中でも導電性の高い構造を有するカーボン粒子の選択、さらにはカーボン源の材料選択も行う。導電性に関しては、合成した皮膜内のナノカーボンの分散状態や含有量と耐食性および導電性の関連性を調査する。耐食性に関しては、電気化学測定および強酸溶液への浸漬試験を用いた評価を行う。
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