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有機-無機界面の高速プロトン伝導現象を利用した固体高分子形燃料電池の開発

研究課題

研究課題/領域番号 11J09213
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 反応工学・プロセスシステム
研究機関東京工業大学

研究代表者

小川 敬也  東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2011 – 2013
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワード固体高分子形燃料電池 / 有機-無機界面 / プロトン伝導電解質膜 / 量子化学計算 / 水素結合ネットワーク / 無加湿運転 / プロトン伝導機構 / 酸性基高密度化 / プロトン伝導 / 細孔フィリング膜
研究概要

前年度に解明した、スルホン酸基を密集させることで発現する界面現象を解析し、酸高密度構造であればどのような種類でも起こる現象であることを突き止め、新たにPacked-acid mechanismと名づけた。これまで合成してきた材料ではPacked-acid mechanismが発現しているものの、支配的であるとは言えない材料であった。
Packed-acid mechanismがより支配的になる材料の合成を目的として、Packed-acid mechanismがより発現しやすい条件を量子化学計算で解析し、その条件の詳細を突き止めた。バルク水モデルを用いて、プロトンドナーは水素結合を1つ介して隣り合った場合でもPacked-acid mechanismを生じることを示し、水和水λ=3程度の酸高密度構造でPacked-acid mechanismが支配的になることを解明している。さらに、酸官能基や酸官能基が修飾された骨格分子の、Packed-acid mechanismへの影響を解析している。これによって、よりPacked-acid mechanismを引き起こしやすい材料設計指針として、4.1Å以内に酸が存在すること、水和水λ=3程度、リン酸基(-PO_3H_2)の利用が望ましいことを示している。
そして上記材料設計指針を基に、Packed-acid mechanismが支配的になる新たな材料Zirconium Hydroxyethylidinediphosphonate (ZrHEDP)の合成を行った。合成条件を制御することによって、-PO_3H_2の存在量が多い材料の合成に成功した。-PO_3H_2の存在量が多いZrHEDPはλ=2~4となり、特異的なプロトン伝導性を示した。通常のプロトン伝導体であれば湿度に対して指数的に依存するプロトン伝導性に対して、ZrHEDPは線形的な依存となり、95%RHから40%RHに変化させても伝導性が60%程度にしか減少しなかった。他の伝導体に比べて湿度依存性が非常に低いと言える。Packed-acid mechanismが支配的な場合に現れる実験的物性を示している。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

報告書

(3件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2014 2013 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (12件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Non-humidified proton conduction between a Lewis acid-base pair2013

    • 著者名/発表者名
      Ogawa, T., Ohashi, H., Tamaki, T., Yamaguchi, T.
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 15 号: 33 ページ: 13814-13817

    • DOI

      10.1039/c3cp51697k

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 固体高分子形燃料電池に向けた酸高密度構造における高プロトン伝導性の発現と伝導機構の解明2014

    • 著者名/発表者名
      小川敬也、青沼尭、田巻孝敬、大橋秀伯、牛山浩、山下晃一、山口猛央
    • 学会等名
      電気化学会第81回大会
    • 発表場所
      大阪(関西大学)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 固体高分子形燃料電池に向けた酸高密度構造における高プロトン伝導性の発現と伝導機構の解明2014

    • 著者名/発表者名
      小川敬也、青沼尭、田巻孝敬、大橋秀伯、牛山浩、山下晃一、山口猛央
    • 学会等名
      化学工学会第79年会
    • 発表場所
      岐阜(岐阜大学)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 電解質膜プロトン伝導性向上に向けたLewis酸・塩基における伝導の解明2013

    • 著者名/発表者名
      小川敬也、田巻孝敬、大橋秀伯、山口猛央
    • 学会等名
      日本膜学会第35回年会
    • 発表場所
      東京(早稲田大学)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 電解質膜における有機-無機界面高速プロトン伝導現象の発現と解明2013

    • 著者名/発表者名
      小川敬也、青沼尭、田巻孝敬、大橋秀伯、牛山浩、山下晃一、山口猛央
    • 学会等名
      日本膜学会第35回年会
    • 発表場所
      東京(早稲田大学)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 酸高密度構造における高速プロトン伝導現象の発現と解明2013

    • 著者名/発表者名
      小川敬也、青沼尭、田巻孝敬、大橋秀伯、牛山浩、山下晃一、山口猛央
    • 学会等名
      第3回CSJ化学フェスタ
    • 発表場所
      東京(タワーホール船堀)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 有機-無機界面高速プロトン伝導現象の発現と解明2013

    • 著者名/発表者名
      小川敬也・青沼尭・田巻孝敬・大橋秀伯・牛山浩・山下晃一・山口猛央
    • 学会等名
      電気化学会 第80回大会
    • 発表場所
      東北大学
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Fast Proton Conduction at the interface of Zr particle and electrolyte polymer2012

    • 著者名/発表者名
      Takaya Ogawa, Takanori Tamaki, Hidenori Ohashi, Hiroshi Ushiyama, Koichi Yamashita, Takeo Yamaguchi
    • 学会等名
      The 10th International Symposium on Electrokinetic Phenomena
    • 発表場所
      Tsukuba University, Japan
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 有機-無機界面高速プロトン伝導現象を利用した固体高分子形燃料電池の開発2012

    • 著者名/発表者名
      小川敬也・田巻孝敬・大橋秀伯・牛山浩・山下晃一・山口猛央
    • 学会等名
      化学工学会第44回秋季大会
    • 発表場所
      東北大学
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical Studies of Proton Transfer on Surface of Strong Acidic Nanoparticles for Polymer Electrolyte Fuel Cells2011

    • 著者名/発表者名
      Takaya Ogawa, Takanori Tamaki, Hidenori Ohashi, Hiroshi Ushiyama, Koichi Yamashita, Takeo Yamaguchi
    • 学会等名
      International Society of Electrochemistry
    • 発表場所
      Toki Messe
    • 年月日
      2011-09-11
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 異相界面高速プロトン伝導のための無機ナノ粒子表面における伝導機構の解明2011

    • 著者名/発表者名
      小川敬也・田巻孝敬・大橋秀伯, 牛山浩・山下晃一・山口猛央
    • 学会等名
      化学工学会札幌大会2011
    • 発表場所
      北海道大学工学部
    • 年月日
      2011-08-25
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical Studies of Proton Transfer on Surface of Strong Acidic Nanoparticles for Polymer Electrolyte Fuel Cells2011

    • 著者名/発表者名
      Takaya Ogawa, Takanori Tamaki, Hidenori Ohashi, Hiroshi Ushiyama, Koichi Yamashita, Takeo Yamaguchi
    • 学会等名
      International Congress on Membranes and Membrane Processes (ICOM2011)
    • 発表場所
      the RAI in Amsterdam
    • 年月日
      2011-07-26
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Noble proton transfer membranes using interface and pore-filling technologies for low humidityhigh temperature PEFCs2011

    • 著者名/発表者名
      Takeo Yamaguchi, Ju-Myeung Lee Takaya Ogawa, Takanori Tamaki, Hidenori Ohashi
    • 学会等名
      220th ECS Meeting
    • 発表場所
      Westin Boston Waterfront and the Boston Convention and Exhibition Center
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.res.titech.ac.jp/~zairyosys/yamaguchilab/j/presentation.html

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

URL: 

公開日: 2011-12-12   更新日: 2024-03-26  

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