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希土類元素含有ガラス中のプロトンキャリアの超安定化;中温域燃料電池の新展開

研究課題

研究課題/領域番号 17H03381
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 無機材料・物性
研究機関北海道大学

研究代表者

西井 準治  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60357697)

研究分担者 藤岡 正弥  北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40637740)
海住 英生  北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (70396323)
小俣 孝久  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80267640)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2019年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2018年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2017年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円)
キーワード酸化物 / ガラス / イオン / イオン伝導 / プロトン / プロトン伝導 / 結晶化 / 分相 / 燃料電池 / 希土類元素 / アルカリイオン
研究成果の概要

250~500℃の中温域で作動する燃料電池(中温域 FC)に搭載可能な高いプロトン伝導度を示す電解質の開発を目指した。ガラス中のアルカリイオンをプロトンに置換する独自の手法(APS法)を用い、これまで検討してきた希土類元素含有リン酸塩ガラスの組成の絞り込みと、高いプロトン伝導度の長時間維持の2つの課題に取り組んだ。その結果、310℃で0.002S/cmの伝導度を500時間維持できたが、その後は分相、結晶化が進行し、伝導度が低下した。一方、四重極型質量分析法で見積もったガラスからの水分子の離脱温度は450℃以上であったことから、更なる組成改良による伝導特性の向上が期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来、電解質としてのガラスは結晶材料に比べて劣ると認識されてきたが、申請者らは独自に開発したプロトン導入法により、これを覆す成果を得ており、本研究はその基礎をなすものである。本研究の実施によって得られる プロトン伝導体は、中温域燃料電池の実現だけでなく水蒸気電解や水素分離へも応用可能であり、その効果はエネルギー関連技術全体へと波及する。本研究の成果は、エネルギーシステム構築に必要な基盤技術とそれを支える基礎科学に大きな進展をもたらし、学術上はもちろんのこと、エネルギー問題に直面する社会の未来に対しても有益な礎を築くことが期待される。

報告書

(4件)
  • 2019 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2020 2019 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 3件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 8件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] 西安理工大学(中国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [国際共同研究] 西安理工大学(中国)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] Thermal stability and proton conductivity of densely proton injected phosphate glasses containing rare-earth elements2020

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Miyazaki, Takuya Kinoshita, Takashi Tatebayashi, Tong Fang, Yang Ren, Tomohiro Ishiyama, Takuya Yamaguchi, Takahisa Omata, Masaya Fujioka, Kaiju Hideo, Gaoyang Zhao and Junji Nishii
    • 雑誌名

      Journal of Non-Crystalline Solids

      巻: 541 ページ: 120064-120064

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Proton transport properties of proton-conducting phosphate glasses at their glass transition temperatures2019

    • 著者名/発表者名
      T. Omata, T. Yamaguchi, S. Tsukuda, T. Ishiyama, J. Nishii, T. Yamashita and H. Kawazoe
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 21 号: 20 ページ: 10744-10749

    • DOI

      10.1039/c9cp01502g

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Surface relief hologram formed by selective SiO2 deposition on soda-lime silicate glass2019

    • 著者名/発表者名
      D. Sakai, K. Harada, H. Shibata, K. Kawaguchi, and J. Nishii
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: 14 号: 1 ページ: e0210340-e0210340

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0210340

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書 2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Proton-conducting phosphate glass and its melt exhibiting high electrical conductivity at intermediate temperatures2018

    • 著者名/発表者名
      T. Yamaguchi,S. Tsukuda,T. Ishiyama,J. Nishii,T. Yamashita,H. Kawazoe,T. Omata
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 6 号: 46 ページ: 23628-23637

    • DOI

      10.1039/c8ta08162j

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dense proton injection into phosphate glasses using corona discharge treatment2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kinoshita, A. Miyazaki, K. Kawaguchi, D. Sakai, T. Yamaguchi, T. Omata, T. Ishiyama, M. Fujioka, H. Kaiju, J. Nishii
    • 雑誌名

      Applied Surface Science

      巻: 428 ページ: 718-722

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2017.09.186

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mobility of Proton Carriers in Phosphate Glasses Depends on Polymerization of Phosphate Framework2017

    • 著者名/発表者名
      T. Yamaguchi, T. Kataoka, S.Tsukuda, T. Ishiyama, J. Nishii, T. Yamashita, H. Kawazoe, T. Omata
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 19 号: 43 ページ: 29669-29675

    • DOI

      10.1039/c7cp05241c

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Formation of Amorphous H3Zr2Si2PO12 by Electrochemical Substitution of Sodium Ions in Na3Zr2Si2PO12 with Protons2017

    • 著者名/発表者名
      S. Tsukuda, K. Miyake, T. Yamaguchi, M. Kita, T. Ishiyama, J. Nishii, T. Yamashita, H. Kawazoe, T. Omata
    • 雑誌名

      Inorganic Chemistry

      巻: 56 号: 22 ページ: 13949-13954

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.7b02060

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of F/Ba ratio of precursor solution on the properties of solution-processed YBCO superconducting films2017

    • 著者名/発表者名
      W. Bian, Y. Chen, W. Huang, G. Zhao, J. Nishii, H. Kaiju, M. Fujioka, L. Li, N. Li, F. Yan
    • 雑誌名

      Ceramics International

      巻: 43 号: 11 ページ: 8433-8439

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2017.03.193

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effect of alkaline-earth species in phosphate glasses on mobility of proton carriers2017

    • 著者名/発表者名
      T. Yamaguchi, Y. Saito, Y. Kuwahara, H. Yamashita, T. Ishiyama, J. Nishii, T. Yamashita, H. Kawazoe, T. Omata
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 5 号: 24 ページ: 12385-12392

    • DOI

      10.1039/c7ta01475a

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nano-imprinting of surface relief gratings on soda-aluminosilicate and soda-lime silicate glasses2017

    • 著者名/発表者名
      N. Kubo, N. Ikutame, M. Takei, B. Weibai, S. Ikeda, K. Yamamoto, K. Uraji, T. Misawa, M. Fujioka, H. Kaiju, G. Zhao, J. Nishii
    • 雑誌名

      Optical Materials Express

      巻: 7 号: 5 ページ: 1438-1445

    • DOI

      10.1364/ome.7.001438

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Thermal Stability of Proton Conductive Phosphate Glasses2019

    • 著者名/発表者名
      Tong Fang, Yang Ren, Melbert Jeem, 藤岡正弥, 小野円佳, 西井準治
    • 学会等名
      The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies(PACRIM13)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 希土類元素を含有するプロトン伝導リン酸塩ガラスの熱的安定性2019

    • 著者名/発表者名
      Tong Fang, Yang Ren, Melbert Jeem, 藤岡正弥, 小野円佳, 西井準治
    • 学会等名
      令和元年度 日本セラミックス協会 東北北海道支部研究発表会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Effect of GeO2 additive on the properties of phosphate proton conductors prepared by alkali-proton substitution approach2019

    • 著者名/発表者名
      Yang Ren, Masaya Fujioka, Melbert Jeem, Takuya Kinoshita, Tong Fang, Yasuhito Tanabe,Gaoyang Zhao, Junji Nishii
    • 学会等名
      The 20th RIES-HOKUDAI International Symposium
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 希土類含有リン酸塩ガラスのプロトン伝導性と熱的安定性2019

    • 著者名/発表者名
      舘林 尭、Fang Tong、Fang Xinxiong、藤岡 正弥、海住 英生、Zhao Gaoyang、西井 準治
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2019年年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 希土類及びアルカリ土類含有リン酸塩ガラスのプロトン伝導度の長時間維持2019

    • 著者名/発表者名
      舘林 尭、Fang Xinxiong、藤岡 正弥、海住 英生、Zhao Gaoyang、西井 準治
    • 学会等名
      化学系学協会北海道支部2019年冬季研究発表会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Thermal stability of high-proton-conductive phosphate glasses containing rare earth elements2018

    • 著者名/発表者名
      T. Tatebayashi, X. Fang, M. Fujioka, H. Kaiju, G. Zhao, J. Nishii
    • 学会等名
      The 19th RIES-HOKUDAI International Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nb添加リン酸塩ガラスにおける高プロトン伝導性の長時間維持2018

    • 著者名/発表者名
      舘林 尭、Fang Xinxiong、藤岡 正弥、海住 英生、Zhao Gaoyang、西井 準治
    • 学会等名
      平成30年度日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] リン酸塩ガラスにおけるプロトン伝導特性と含有プロトン濃度の相関2018

    • 著者名/発表者名
      舘林 尭, Fang Xinxiong, Bian Weibai, 藤岡 正弥, 海住 英生, Zhao Gaoyang, 西井 準治
    • 学会等名
      化学系学協会北海道支部2018年冬季研究発表会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Effect of alkaline-earth and rare-earth ions on proton conductivity of phosphate2017

    • 著者名/発表者名
      T. Tatebayashi, T. Yamaguchi, M. Fujioka, H. Kaiju, T. Omata, J. Nishii
    • 学会等名
      The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] リン酸塩ガラスのプロトン伝導におけるアルカリ土類及び希土類イオンの影響2017

    • 著者名/発表者名
      舘林 尭, Bian Weibai, 山口 拓哉, 藤岡 正弥, 海住 英生, 小俣 孝久, 西井 準治
    • 学会等名
      第49回日本セラミックス協会ガラス部会夏季若手セミナー
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] リン酸塩ガラスのプロトン伝導におけるアルカリ土類及び希土類イオンの影響2017

    • 著者名/発表者名
      舘林 尭, Bian Weibai, 藤岡 正弥, 海住 英生, 西井 準治, 山口 拓哉, 小俣 孝久
    • 学会等名
      日本化学会北海道支部2017年夏季研究発表会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2023-03-16  

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