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アルミナをベースとした超高温用水素イオン(プロトン)導電性固体電解質の開発

研究課題

研究課題/領域番号 13450308
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 金属生産工学
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

武津 典彦  名古屋工業大学, 工学研究科, 教授 (80029355)

研究分担者 栗田 典明  名古屋工業大学, 工学研究科, 助手 (20242901)
栗田 典明  名古屋工業大学, 工学研究科, 助手 (20292401)
大橋 照男  名古屋工業大学, 工学部, 教授 (70024263)
研究期間 (年度) 2001 – 2003
研究課題ステータス 完了 (2003年度)
配分額 *注記
14,800千円 (直接経費: 14,800千円)
2003年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2002年度: 7,900千円 (直接経費: 7,900千円)
2001年度: 4,400千円 (直接経費: 4,400千円)
キーワードα-アルミナ / プロトン導電 / 水素溶解度 / 固体電解質 / 水素センサー / プロトン伝導体 / 水素濃淡電池 / OH伸縮振動 / プロトン電導 / スピネル
研究概要

まず、プロトン溶解を引き起こすドーパントの選定を行った。Mg、Ni、Co、Tiについて調査したが、Mgが最もプロトン導入に効果的であることがわかった。ただMgをドープしたアルミナは熱衝撃に弱いことが明らかになり、これを緩和するためにCr、Y、B、Sm、Nd、La、Ceなどの第3元素の添加を行ったが、顕著な改善は認められなかった。ついで、Mgをドープした単結晶についてプロトンの結晶内での溶解位置を知るため、偏向赤外線を用いてIR吸収測定を行い、吸収強度の入射方向および結晶方位依存性を詳細に調べた。その結果、水素は酸素8面体の酸素-酸素間に水素結合を形成して溶解するが、4種類の間隔の異なる稜のうち、酸素-酸素間の距離が272pmの稜に優先的に入ることを明らかにした。この優先性はTiをドープしたアルミナにおいても同じであることを確認した。次に、Mgをドープした単結晶について電気伝導度のH/D同位体効果を調べることにより、低酸素分圧下では溶解したプロトンが主要な電荷担体となることを明らかにした。また、電気伝導度にも異方性があり、C軸に対して垂直な方向に電場を印加した場合に電導度が最も高いことが認められた。この異方性は水素の溶解位置から理論的に説明できることを明らかにした。このようにMgをドープしたアルファアルミナが良好なプロトン導電体であることが認められたのでMgが主要な不純物である市販の焼結体アルミナの保護管を用いて水素濃淡電池を作成し起電力の測定を行った。この起電力の値を欠陥構造モデルに基づいて解析し、起電力と両端の水素ポテンシャルの関係を示す式とその式に含まれるパラメータの値を決定した。Mgをドーパントとして採用する場合、アルミナに対するMgの溶解量が少ないことから、普通Mgを不純物として含むアルミナには第2相として、マグネシウム・アルミネート・スピネルが常に共存する。そこでマグネシウム・アルミネート・スピネル相の単結晶および燒結体について、電気化学的特性を調べた。その結果、水素が溶解し、可動であることが認められたが、Mgイオンが大きな電導度を持ち、輸率的にはプロトン伝導が無視できることが明かとなった。

報告書

(4件)
  • 2003 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 2002 実績報告書
  • 2001 実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2003 2002 2001 その他

すべて 雑誌論文 (12件) 文献書誌 (17件)

  • [雑誌論文] Incorporation of hydrogen into magnesium doped α-alumina.2003

    • 著者名/発表者名
      N.Fuka t su, N.kurita, Y.Oka, S.Yamamoto
    • 雑誌名

      Solid State Ionics 162-163

      ページ: 147-159

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Hydrogen concentration cell using a-alumina as a solid electrolyte.2003

    • 著者名/発表者名
      N.Kurita, N.Fukatsu, N.Miyamoto, M.Takada, M.Kato, T.Ohashi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics 162-163

      ページ: 135-145

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Incorporation of hydrogen into magnesium doped α-alumina.2003

    • 著者名/発表者名
      N.Fukatsu, N.Kurita, Y.Oka, S.Yamamoto
    • 雑誌名

      Solid State Ionics Vol.162-163

      ページ: 147-159

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Hydrogen concentration cell using α-alumina as a solid electrolyte.2003

    • 著者名/発表者名
      N.Kurita, N.Fukatsu, N.Miyamoto, M.Takada, M.Kato, T.Ohashi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics Vol.162-163

      ページ: 135-145

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Incorporation of hydrogen into magnesium aluminate spinel.2002

    • 著者名/発表者名
      N.Fukatsu, N.Kurita, H.Shiga, Y.Murai, T.Ohashi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics 152-153

      ページ: 809-817

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Measurements of hydrogen permeation through fused silica and borosilicate glass by electrochemical pumping using oxide protonic conductor2002

    • 著者名/発表者名
      N.Kurita, N.Fukatsu, H.Otsuka, T.Ohashi
    • 雑誌名

      Solis State Ionics 146

      ページ: 101-111

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Analysis of defect structure of the proton conducting oxide CaZr_<0.9>In_<0.1>O_<3-d> by DC-polarization technique.2002

    • 著者名/発表者名
      N.Kurita, N.Fukatsu, T.Kawahara, T.Ohashi
    • 雑誌名

      Journal of the Electrochemical Society 149

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Incorporation of hydrogen into magnesium aluminate spinel.2002

    • 著者名/発表者名
      N.Fukatsu, N.Kurita, H.Shiga, Y.Murai, T.Ohashi
    • 雑誌名

      Solid State Ionics Vol.152-153

      ページ: 809-817

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Measurements of hydrogen permeation through fused silica and borosilicate glass by electrochemical pumping using oxide protonic conductor.2002

    • 著者名/発表者名
      N.Kurita, N.Fukatsu, H.Otsuka, T.Ohashi
    • 雑誌名

      Solis State Ionics Vol.146

      ページ: 101-111

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Analysis of defect structure of the proton conducting oxide CaZr_<0.9>In_<0.1>O_<3-d> by DC-polarization technique.2002

    • 著者名/発表者名
      N.Kurita, N.Fukatsu, T.Kawahara, T.Ohashi
    • 雑誌名

      J.Electrochem.Soc. Vol.149

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] プロトン導電性酸化物とその高温化学への応用2001

    • 著者名/発表者名
      武津典彦
    • 雑誌名

      溶融塩および高温化学 44

      ページ: 167-185

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Proton conducting oxides and their applications to high-temperature physical chemistry.2001

    • 著者名/発表者名
      N.Fukatsu
    • 雑誌名

      Molten Salt Vol.44

      ページ: 167-185

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2003 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Fukatsu, N.Kurita, Y.Oka, S.Yamamoto: "Incorporation of hydrogen into magnesium doped α-alumina"Solid State Ionics. 162/163. 147-159 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] N.Kurita et al.: "Hydrogen concentration cell using α-alumina as a solid electrolyte"Solid State Ionics. 162/163. 135-145 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] 奥山勇治, 栗田典明, 武津典彦: "アルミナ過剰の不定比マグネシウム・アルミネートスピネルの欠陥構造"日本金属学会講演概要. 133. 481-481 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] 奥山勇治, 栗田典明, 武津典彦: "アルミナ過剰の不定比マグネシウム・アルミネートスピネルの欠陥構造"固体イオニクス討論会講演要旨集. 29. 152-153 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] 堀田和宏, 栗田典明, 武津典彦: "鉄基合金の表面に生じたアルミナ膜の起電力特性"日本金属学会講演概要. 132. 160-160 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] 栗田典明, 堀田和宏, 武津典彦: "アルミナ表面酸化膜の電気化学的特性"日本金属学会講演概要. 134(発表予定). (2004)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] N.Fukatsu et al.: "Incorporation of Hydrogen into Magnesium Aluminate Spinel"Solid State Ionics. 152-153C. 809-817 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] N.Kurita et al.: "Measurements of Hydrogen Permeation through Fused Silica and Borosilicate Glass by Electrochemical Pumping using Oxide Protonic Conductor"Solid State Ionics. 146巻. 101-111 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] N.Kurita et al.: "Anlysis of Defect Structure of the Proton Conducting Oxide CaZr_<0.9>In_<0.1>O_<3-δ> by DC-Polarization Technique"J.Electroche.Soc.. 149巻. D104-D111 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] N.Fukatsu et al.: "Incorporation of Hydrogen into Magnesium Doped α-alumina"Extended Abstract of 11^<th> International Conference on Solid State Protonic Conductors. PA2 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] N.Kurita et al.: "Hydrogen Concentration Cell using α-Alumina as a Solid Electrolyte"Extended Abstract of 11^<th> International Conference on Solid State Protonic Conductors. PA3 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] N.Fukatsu, N.Kurita: "Hydrogen Sensor Based on Oxide Proton Conductors and its Application to Metallurgical Engineering"Extended Abstract of 9^<th> Euro Conference on Ionics. 28-29 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] N. Fukatsu et al.: "Incorporation of Hydrogen into Magnesium Aluminate Spinel"Extended Abstract of International Conference on Solid State Ionics, SSI 2001. 200-200 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] 栗田典明 他: "プロトン導電体としてのα-アルミナ"日本金属学会講演概要(2001年秋季大会). 129巻. 256-256 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] 栗田典明 他: "α-アルミナを固体電解質とした溶融銅用水素センサーの開発"資源・素材2001(札幌) 一般発表(C)、(D) 講演資料. 195-196 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] 武津典彦: "プロトン導電性酸化物とその高温物理化学への応用"溶融塩および高温化学. 44巻3号. 167-185 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] 栗田典明 他: "α-アルミナを電解質としたガルバニ電池型水素センサーの開発"日本金属学会2002年春季大会. 130回(発表予定). (2002)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書

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公開日: 2001-04-01   更新日: 2016-04-21  

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