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中温型燃料電池を実現するプロトン伝導性ガラスとプロトン電子混合伝導性電極の開発

研究課題

研究課題/領域番号 17J07530
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 無機材料・物性
研究機関東北大学

研究代表者

山口 拓哉  東北大学, 環境科学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード燃料電池 / プロトン・電子混合伝導体
研究実績の概要

本研究ではプロトン・電子混合伝導性ガラスのカソード(空気極)材料としてのポテンシャルを探るため、プロトン・電子混合伝導性を有する35HO1/2-20WO3-45PO5/2ガラスをカソードとする燃料電池の単セルを作製しASR(面積で規格した分極抵抗)を評価した。電解質にはプロトン伝導性の36HO1/2-4NbO5/2-2BaO-4LaO3/2-4GeO2-1BO3/2-49PO5/2ガラスを用いた。ガラスカソード、ガラス電解質は、Na+イオンを含有するガラスを前駆体としNa+イオンを電気化学的にプロトンへと置換する手法により作製した。作製したこれらのガラスを接触させながら350℃に3~8時間加熱することで、ガラスカソードをガラス電解質に接合した。ガラス電解質のもう一方の面にはPd膜を成膜し、Pd膜をアノード、35HO1/2-20WO3-45PO5/2ガラスをカソードとする単セルを形成した。アノードに100%H2ガスを、カソードに21%O2/79%N2ガスをそれぞれ供給し、280℃におけるI-V測定、およびセルのインピーダンスの解析からカソードのASRを算出したところ、その値は約7.5Ωcm2となった。カソードの集電は目の粗い80メッシュのPtを押し付けただけの集電機能の低い構造であるため、より集電機能の高い構造とすることで実効的な反応面積が増大し、ASRが低減されることが予想される。そこで粒径5~8μmのAgの微粒子をホットプレスによりカソードに押し付け集電体としたところ、カソードのASRは約4Ωcm2まで低減した。集電機能をより一層高めることで、カソードのASRは最終的に1Ωcm2以下にまで低減されると予想されることから、プロトン・電子混合性ガラスはカソード材料として非常に高いポテンシャルを有していることが明らかとなった。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

報告書

(1件)
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [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] 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] 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
  • [学会発表] プロトン伝導性リン酸塩ガラスのプロトンキャリアの移動度2018

    • 著者名/発表者名
      山口拓哉、佃諭志、小俣孝久、片岡拓也、斎藤泰久、桑原泰隆、山下弘巳、石山智大、西井準治、山下俊晴、川副博司
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2018年年会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 中温域で高いプロトン伝導度を発現するリン酸塩ガラス2018

    • 著者名/発表者名
      山口拓哉、佃諭志、小俣孝久、石山智大、西井準治、山下俊晴、川副博司
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2018年年会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Phosphate glass exhibiting high proton conductivity at intermediate temperatures2017

    • 著者名/発表者名
      山口拓哉
    • 学会等名
      The 3rd Tohoku Univ. & GREEN Joint Symposium (The 16th GREEN Symposium)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] プロトン伝導性リン酸塩ガラス電解質に用いたパラジウム電極の性能解析2017

    • 著者名/発表者名
      石山智大、岸本治夫、山地克彦、山口拓哉、佃諭志、小俣孝久
    • 学会等名
      第43回固体イオニクス討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 中温域で高いプロトン移動度を発現するリン酸塩ガラス2017

    • 著者名/発表者名
      山口拓哉、片岡拓也、斎藤泰久、西井準治、山下俊晴、川副博司、石山智大、小俣孝久
    • 学会等名
      第17回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] リン酸塩ガラス電解質を用いた中温作動型燃料電池の実現に向けた材料開発2017

    • 著者名/発表者名
      石山智大、岸本治夫、山地克彦、山口拓哉、佃諭志、小俣孝久
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第30回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] リン酸塩ガラスのプロトン移動度に及ぼすアルカリ土類金属イオンの影響2017

    • 著者名/発表者名
      山口拓哉、斎藤泰久、桑原泰隆、山下弘巳、石山智大、西井準治、山下俊晴、川副博司、小俣孝久
    • 学会等名
      第13回固体イオニクスセミナー
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] アルカリ-プロトン置換法で作製するリン酸塩ガラスのプロトン輸送特性2017

    • 著者名/発表者名
      石山智大、岸本治夫、山地克彦、山口拓哉、佃諭志、小俣孝久
    • 学会等名
      第13回固体イオニクスセミナー
    • 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、Weibai Bian、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] The effect of alkaline earth ion species on the proton mobility in phosphate glasses2017

    • 著者名/発表者名
      山口拓哉
    • 学会等名
      東北イオニクス研究会第5回合同ゼミ合宿
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Proton conducting phosphate glass exhibiting high conductivity at intermediate temperatures2017

    • 著者名/発表者名
      T. Yamaguchi, J. Nishii, T. Yamashita, H. Kawazoe, T. Ishiyama, T. Omata
    • 学会等名
      21st International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mobility of proton carriers in phosphate glasses2017

    • 著者名/発表者名
      T. Omata, T. Yamaguchi, S. Tsukuda, J. Nishii, T. Yamashita, H. Kawazoe, T. Ishiyama
    • 学会等名
      21st International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Proton transport property of phosphate glass fabricated by alkali-proton substitution2017

    • 著者名/発表者名
      T. Ishiyama, T. Yamaguchi, S. Tsukuda, J. Nishii, T. Yamashita, H. Kawazoe, T. Omata
    • 学会等名
      21st International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Proton carrier injection into Na3Zr2Si2PO12 by electrochemical alkali-proton substitution at high temperture2017

    • 著者名/発表者名
      S. Tsukuda, K. Miyake, T. Yamaguchi, T. Ishiyama, J. Nishii, T. Yamashita, H. Kawazoe, T. Omata
    • 学会等名
      21st International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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