| 研究課題/領域番号 |
20H02428
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
西井 準治 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60357697)
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| 研究分担者 |
小野 円佳 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (20865224)
石山 智大 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (30760194)
小俣 孝久 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80267640)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
2022年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2021年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2020年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
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| キーワード | ガラス / プロトン / 伝導度 / NMR / リン酸 / イオン交換 / 酸化物 / イオン伝導 / リン酸塩 / MAS-NMR / ラマン散乱スペクトル / 燃料電池 / 結晶化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
250～500℃の無加湿雰囲気で作動する中温作動型燃料電池(ITFC)は、次世代燃料電池として期待されているが、現状ではそれを実現できる固体電解質が存在しない。本課題では、代表者らのグループが開発したアルカリープロトン置換法(APS法)を駆使して、希土類元素や遷移金属元素を含有する様々な組成のプロトン伝導性ガラスを作製し、APS処理後のガラスにおいてプロトン移動度を律する因子を探求する。得られた知見を基に、耐熱性や耐候性の向上も視野に入れた更なる組成改良を進め、高濃度のプロトンを含有するガラスの伝導特性を向上させ、ITFCの実現へと導く。
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| 研究成果の概要 |
中温域燃料電池への応用を目指して、Na+を電気化学的にほぼ完全にプロトンに置換したケイリン酸塩(HSP)およびアルミノリン酸塩(HAP)ガラスを作製し、その構造と伝導特性との相関を調べた。
MAS-NMRよりSi、Al共に6配位で、PO4構造も類似していた。しかしながら、置換後のNAPのプロトン伝導度はNSPよりも20倍高く、350℃付近で0.008 S/cmであった。この原因はSiおよびAlとPO4ユニットの結合距離の違いにあり、後者の場合は、Siに結合した2つのPO4ユニット間の距離が短く、そこにプロトンがトラップされて長距離移動が阻害され、Alの場合はトラップされないことが明らかになった。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
本研究は、プロトン伝導ガラスの創製と評価を目的としており、中温域燃料電池の固体電解質への応用を目的としている。ガラス中におけるプロトン伝導の研究は1960年代から始まったが、当時はプロトンが本当に伝導するかが議論の的であった。リン酸塩ガラス中のプロトン伝導が実証されたのは1970年代であるが、プロトン濃度は数モル％に留まり、固体電解質として応用するには伝導度が低すぎた。本研究では数十モル%におよぶプロトンを含有するリン酸塩ガラスの創製に成功しており、その学術的意義は大きい。また、世界中が脱炭素社会の実現に向けて動いている中、省エネ、創エネのための新奇な酸化物材料の開発は社会的にも意義がある。
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