2019 Fiscal Year Research-status Report
量子ビーム散乱と計算シミュレーションを併用した燃料電池材料の局所構造乱れの解明
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19K05070
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
井川 直樹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (60354833)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
樹神 克明 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (10313115)
飯久保 智 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (40414594)
田口 富嗣 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員(定常) (50354832)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 局所構造解析 / 中性子回折法 / 第一原理計算 / 水素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃料電池を広く社会に普及させるためには出力密度の向上、耐久性の向上、高信頼性といった性能や小型化、低コスト化など利便性の向上が必要であり、電池を構成しているイオン伝導性材料のより一層の高度化を目指した材料開発が重要となる。そのためには、材料の構造変化やキャリアイオンの挙動の解明が必要である。本課題は、X線や中性子線などの量子ビームによる散乱実験・解析といった結晶構造解析手法と第一原理計算手法を組み合わせることで、燃料電池用の固体電解質材料中への水素の導入によって発生する材料の局所構造乱れとそれを反映した水素の結晶位置と伝導経路変化を解明することを目的とする。
令和元年度は、燃料電池用固体電解質材料であるBaY1-xSnxO3-dやBaSc0.5Sn0.5O2.75に着目し、BaOやSnO2、Sc2O3といった粉末状原料を用いた固相反応法の合成条件最適化を実施した。粉末X回析を用いて性状評価を実施したところ、本最適化によって中性子線による散乱実験に必要な単相試料が合成できたことが分かった。X線回折／リートベルト法解析により、BaSc0.5Sn0.5O2.75は格子定数a=4.1412Å、BaY0.25Sn0.75O3-dはa=4.1797Åの、BaIn0.5Sn0.5O2.75と同様の比較的単純な空間群Pm-3mの立方晶ペロブスカイト構造であることが分かった。一方、BaY0.5Sn0.5O3-dは格子定数a=6.0067Å, b=8.4785Å, c=6.0045Åで空間群Pnmaの直方体系の、比較的構造が複雑な歪んだペロブスカイト構造をとることが分かった。
また、材料中の局所構造乱れや、水素の位置と伝導経路を評価するための第一原理計算システムおよび解析条件等の整備を行い、計算シミュレーション実験の準備が整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
中性子散乱による局所構造解析を実施するために必要な単相試料の合成に成功したこと、また、第一原理計算による計算シミュレーション実験を実施する見通しがついたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
合成した単相試料に重水素を導入する実験を進める。得られた試料用いた中性子散乱実験によって、固体電解質材料中の平均結晶構造や局所構造を解析し、水素の導入による材料の局所構造変化と水素状態の変化を評価する。さらに、第一原理計算によって固体電解質材料の結晶構造の計算シミュレーション解析を実施する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の影響によって、出席を予定していた様々な学会が中止・延期になり、本課題の実施に必要な情報収集ができなかったこと、また、実験や計算シミュレーションの実施・検討のための出張が延期されたため、これらを次年度以降に実施することとしたため。
令和２年度に実施が予定されている学会等に参加して情報収集や意見交換討論のための旅費等や固体電解質合成実験や中性子散乱実験・計算シミュレーション実験に参加するための旅費に使用する。
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