| 研究課題/領域番号 |
21K05246
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分36020:エネルギー関連化学
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| 研究機関 | 千葉工業大学 (2022-2023)
大阪工業大学 (2021) |
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研究代表者 |
松田 泰明 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (10731101)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
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| キーワード | プロトン導電体 / 中温作動 / 機能性セラミックス / リン酸塩 / 固体電解質 / 結晶構造 / 燃料電池 / 新規物質 / 中性子 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
次世代エネルギーインフラの基幹技術として切望されている150-200℃付近を作動温度とする燃料電池の実現は、中低温の広域温度帯で作動するプロトン固体電解質の開発にかかっている。本研究は、室温から500℃の温度域で高プロトン導電率を発現するトンネル型リン酸塩KNi1-xH2x(PO3)3・yH2Oを合成し、この物質優れた熱安定性とプロトン導電性の発現に関する結晶学的知見を得る。①骨格構成カチオンのサイズと相転移温度との相関、②プロトン量と結晶水の最適比率とプロトン導電率の最高値③プロトンの情報まで結晶構造を決定し、イオン拡散経路のエネルギー障壁を見積もり、プロトン拡散の律速過程を明らかにする。
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| 研究成果の概要 |
本研究では、室温から500°Cの温度域で高プロトン導電率を発現する複合カチオンリン酸塩の開発と、その熱的安定性とプロトン導電特性を発現する結晶学的知見の抽出を目指した。サイズの異なるカチオンを連続的に置換したリン酸塩を開発した結果、室温から500度で10-2 Scm-1に到達するプロトン導電率を示すトンネル型リン酸塩KNi1-xH2x(PO3)3yH2Oを見出すとともに、他の新規プロトン導電性結晶相を見出した。これらリン酸塩の骨格の熱安定性は、構成カチオンに依存し、PO4四面体が連結または隣接した配列は、プロトン拡散経路となる結晶水鎖の鋳型となることを見出した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
次世代エネルギーインフラとして切望されている150-300°Cで作動温度する燃料電池の実現は、中温域でプロトン導電体の熱安定性と高プロトン導電率を両立するプロトン固体電解質の開発にかかっているが、これは未だ困難な課題である。本研究では、200度付近で高プロトン導電率を発現するリン酸塩に着目し、その結晶構造を、骨格、プロトン拡散経路と分けて物質設計、開発することで、室温から500度で作動する新規プロトン導電体群を開発するとともに、その熱安定性とプロトン導電特性の発現要因を結晶学的視点から提示した。これにより、次世代エネルギーデバイスおよびその構成材料開発の加速化が期待される。
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