二酸化炭素排出削減に資するナノヘテロ組織構造制御による家庭用燃料電池デバイス設計

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22310053
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 森 利之 独立行政法人物質・材料研究機構, 燃料電池材料センター, 副センター長 (80343854)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 李 致朋 独立行政法人物質・材料研究機構, 燃料電池材料センター, NIMSポスドク研究員 (30568324) ; 戸ヶ崎 寛孝 独立行政法人物質・材料研究機構, 燃料電池材料センター, NIMSジュニア研究員 (50537230) ; 府金 慶介 独立行政法人物質・材料研究機構, 燃料電池材料センター, NIMSジュニア研究員 (70537232) ; YAN Pengfei 独立行政法人物質・材料研究機構, 燃料電池材料センター, NIMSポスドク研究員 (20596556)
• Keywords: ナノヘテロ界面構造解析 / ドープドセリア / 固体電解質 / マイクロドメイン / アノード界面 / カソード界面 / 薄膜燃料電池 / シミュレーション

Research Abstract

初年度にあたる平成22年度は、アノード支持Gdドープセリア薄膜及びアノード支持Yドープセリア薄膜の合成を行い、得られた膜中におけるアノード/固体電解質界面及びアノード内界面の微細構造の精密ナノ構造解析と、燃料電池発電性能試験を行い、燃料電池内界面構造が、中温作動酸化物燃料電池の性能に与える影響の検討を開始した。
アノードとドープドセリア界面では、アノード側からNiが、固体電解質側から、Ceとドーパント元素が、相手側に、同じ距離で拡散しあう"相互拡散"現象が明瞭に観察された。
この"相互拡散"の幅は、数十nmの幅をもち、この拡散域内では、第2相の生成はないものの、酸素欠陥が秩序化した超格子構造の形成が、明瞭に確認された
また、アノード内のNi粒子とドープドセリア粒子界面においても、ほぼ同様な"相互拡散"現象が観察され、このことが、電極内の電荷移動と、イオンの拡散を抑制していることが分かった。しかしこうした相互拡散は、異なる材料の界面においては、必ず起こることであり、それを無くすことはできない。そこで、相互拡散を起こした界面においても、高い電極性能を持たせる取り組みとして、界面にPt-O-Ce結合を有するPt-CeOx電極のアノード及びカソード性能を検討し、相互拡散領域が広がる界面が形成されているにも関わらず、高いアノード性能(プロトン生成反応)及びカソード性能(4電子酸素還元反応)が確認できることを明らかにし、あわせて、この界面構造を精査し、その特徴を明らかにした。来年度は、このヘテロ界面を、燃料電池内に作製し、電極/電解質界面での損失低減をはかるとともに、シミュレーションにより、より詳細な界面欠陥構造の解明を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Effect of nickel diffusion on the microstructure of Gd-doped ceria (GDC) electrolyte film supported by Ni-GDC cermet anode (2010)
  • Author(s): Ye F, Mori T, Ou D R, Zou J, Drennan J, Nakayama S, and Miyayama M
  • Journal Title: Solid State Ionics Volume: Vol.181(13-14) Pages: 646-652
  • DOI: DOI: 10.1016/j.ssi.2010.03.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nano-structure design of doped ceria solid electrolytes for intermediate temperature operation of solid oxide fuel cell (2010)
  • Author(s): Mori T, Ou D R, Ye F, Zou J, Drennan J, and Cormack A N
  • Journal Title: Transactions of the Materials Research Society of Japan Volume: Vol.35(3) Pages: 431-441
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microstructures and mechanical properties of Ce_<1-x>Ca_xO_<2-y> (x=0.05,0.1,0.2) with different sintering temperatures (2010)
  • Author(s): M.Yan, T.Mori, J.Zou, H.Huang, J.Drennan
  • Journal Title: Journal of the European Ceramic Society Volume: Vol.30(3) Pages: 669-675
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pt and Sn doped sputtered CeO_2 catalysts for fuel cell applications (2010)
  • Author(s): V.Matolin, M.Cabala, I.Mato-linova, M.Skoda, M.Vaclavu, K.C.Prince, T.Skala, K.Prince, T.Skala, T.Mori, H.Yoshikawa, Y.Yamashita, S.Ueda, K.Kobayashi
  • Journal Title: Fuel Cells Volume: Vol.10(1) Pages: 139-144
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser-assisted three-dimensional atom probe analysis of dopant distribution in Gd-doped CeO_2 (2010)
  • Author(s): F.Li, T.Ohkubo, Y.M.Chen, M.Kodzuka, F.Ye, D.R.Ou, T.Mori, K.Hono
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: Vol.63(3) Pages: 332-335
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microstructural and chemical aspects of working temperature aged Cadoped CeO_2 (2010)
  • Author(s): M.Yan, T.Mori, J.Zou, J.Drennan
  • Journal Title: Journal of the European Ceramic Society Volume: Vol.30(12) Pages: 2505-2513
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Platinum-doped CeO_2 thin film catalysts prepared by magnetron spuutering (2010)
  • Author(s): V.Matolin, I.Matolinova, M.Vaclavu, I.Khalakhan, M.Vorokhta, R.Fiala, I.Pis, Z.Sofer, J.Poltierova-Vejpravova, T.Mori, V.Potin, H.Yoshikawa, S.Ueda, K.Kobayashi
  • Journal Title: Langmuir Volume: Vol.26(10) Pages: 12824-12831
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dislocation associated incubational domain in lightly gadolinium doped ceria (2010)
  • Author(s): Z.LI, T.Mori, F.Ye, D.R.Ou, J.Zou, J.Drennan
  • Journal Title: Solid State Ionics, Fundamental Researches and Technological Applications Pages: 912-921
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 酸化物-金属界面を利用した電極触媒材料開発 (2010)
  • Author(s): 森利之, 戸ヶ崎寛孝, 府金慶介, 増田卓也, 魚崎浩平, 吉川英樹, 小林啓介, 松村大樹, 田村和久, 西畑保夫, 山本春也, 前川康成
  • Organizer: 第2回量子ビームを駆使した燃料電池システム用 キーマテリアルの開発
  • Place of Presentation: 原子力科学研究所(茨城県)
  • Year and Date: 2010-12-16
• [Presentation] 燃料電池用材料開発における量子ビームの利用 (2010)
  • Author(s): 森利之, 戸ヶ崎寛孝, 府金慶介, 増田卓也, 魚崎浩平, 吉川英樹, 小林啓介, 松村大樹, 田村和久, 西畑保夫, 山本春也, 前川康成
  • Organizer: 第5回 高崎量子応用研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 高崎シティーギャラリー(群馬県)
  • Year and Date: 2010-10-14
• [Presentation] Design of nano-structure and nano-interface of fuel cell materials (2010)
  • Author(s): T.Mori
  • Organizer: 1st NIMS-Ewha Womans University Workshop
  • Place of Presentation: 物質・材料研究機構(茨城県)
  • Year and Date: 2010-08-19
• [Presentation] Design of nano-structural features in doped ceria solid electrolytes for fuel cell application (2010)
  • Author(s): T.Mori
  • Organizer: The 20th Anniversary, KSIEC Spring Annual Meeting, Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan(韓国)
  • Year and Date: 2010-05-13
• [Patent(Industrial Property Rights)] 電極用粉末材料、その製造方法及び高分子形燃料電池 (2010)
  • Inventor(s): 森利之, 戸ヶ崎寛孝, 府金慶介, 鈴木彰
  • Industrial Property Rights Holder: 物質・材料研究機構
  • Industrial Property Number: 特許、出願番号2010-192026
  • Filing Date: 2010-08-30