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2015 年度 実績報告書

電気化学的なプロトン注入とH+ダイナミクスの解明及びガラスの新機能発現

研究課題

研究課題/領域番号 15H04124
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

大幸 裕介  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70514404)

研究分担者 早川 知克  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00293746)
吉田 智  滋賀県立大学, 工学部, 准教授 (20275168)
武藤 浩行  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20293756)
村井 俊介  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20378805)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードプロトン注入 / プロトン伝導性ガラス / クリープ / 圧子圧入 / 燃料電池
研究実績の概要

我々の研究グループは混合アルカリ組成のリンケイ酸塩ガラスは、溶融直後はOH基がほとんど観測されないにも関わらず水素雰囲気下でプロトン輸率tH = 1を発現することを見出した。さらに独自改良したFT-IR測定から、燃料電池雰囲気下(水素雰囲気、通電条件)においてプロトン濃度が増加することを発見した。これより、水素ガスより電極反応によってガラス中にH+が注入され、そのプロトンがキャリアとして電気伝導を担っている可能性が示された。他方、シリカガラスにおいて、Si-O-Si結合の切断に伴い、機械的特性が変化することが報告されており、本ガラスでも同様に、プロトン導入に伴うP-O-P結合の切断がその機械的特性に影響を与えることが予想される。プロトン導入条件下で連続的に機械的特性を測定した例は無い。そこで本年度に圧子圧入試験機を改良してクリープ試験を行い、H+注入によるガラスの機械的特性変化について調べた。圧子自体を電極として利用することで、水素雰囲気通電下でH+注入が生じているまさにその条件下でのクリープ測定が可能となった。水素雰囲気では窒素中などと比較して明らかにクリープ変位が大きくなり、また緩和に窒素中と比べて2~3倍の長時間を要した。さらに1%程度の相対湿度においても緩和時間が大きく増大し、加湿によるH+注入量の増大とそれに伴うガラスの軟化が示唆された。またクリープ緩和時間とH+注入速度との関係について定性的な知見を得た。in-situ赤外分光装置も改良を重ね、圧子圧入試験と同一条件でのOH基の時間変化を捉えることが可能となり、次年度は両者の時定数の相違について詳しく解析する。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度(初年度)はH+注入量と注入速度を定量化するためのin-situ FTIR装置およびH+注入条件でのガラスの機械的特性を評価するin-situ 圧子圧入装置のセットアップを主目的とした。これまで厳密に雰囲気(ガス、真空、相対湿度、電極への印加電圧)や温度を制御したFTIR測定はできていなかった。そこで本年度は上記条件を任意に制御して自動測定する赤外分光系を整備し、設計・納品から組み上げまで全て順調に終了した。水素雰囲気でPtなど活性電極に1 V程度の電圧を印加することでOH基濃度が時間と供に増大した。電極形状は有限要素法を用いて赤外線ビーム径との関係から最適と思われるものを設計した。
他方、球形圧子自体を電極に用いて白金リング電極の中心に圧入し、FTIRと同様に水素雰囲気中で電極間に通電することにより、H+注入条件での圧子圧入試験が可能となった。この独自装置によりH+注入条件でクリープ挙動が大きく変化することを明らかにした。

今後の研究の推進方策

ガラスの種類を系統的に変化させてH+注入速度と注入量の定量評価を行う。また加湿の効果も加味できるようになったことから、湿度変化させた際の注入量変化などを定量する。P=O二重結合とH+伝導性との関係を以前に報告しており、H+注入の生じやすいガラス構造について数式に基づき解析する。またクリープ緩和時間とH+注入速度との関係について、同じく数値解析して時定数の相似を検証する。
共同研究者(光班)と協力してH+注入前後のガラスの光学特性変化についても今年度に調べる。H+は軽く効果は未知であるが屈折率変化やまた吸光係数変化に注目する。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] レンヌ大一大学(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      レンヌ大一大学
  • [雑誌論文] Indentation-induced stress distribution and pressure effect on the resistivity of YSZ2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Daiko, E. Takahashi, Y. Gueguen, H. Muto, A. Matsuda, T. Yazawa, T. Rouxel, Y. Iwamoto
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 286 ページ: 96-101

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.ssi.2015.12.026

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] プロトン伝導性ガラスへの電界H+注入とクリープ挙動のその場計測2016

    • 著者名/発表者名
      加藤淳揮、大幸裕介、本多沢雄、岩本雄二、Tanguy Rouxel
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2016年年会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [学会発表] プロトン伝導性からみた溶融法とゾル-ゲル法2015

    • 著者名/発表者名
      大幸裕介
    • 学会等名
      1.日本ゾル-ゲル学会 第13回討論会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2015-11-19
    • 招待講演
  • [学会発表] GPa-order high pressure impedance measurement for ion conducting glasses utilizing an indentation-induced local stress field2015

    • 著者名/発表者名
      J.Kato, Y.Daiko, S.Honda, Y.Iwamoto
    • 学会等名
      第56回ガラス及びフォトニクス材料討論会
    • 発表場所
      ウインク愛知
    • 年月日
      2015-11-12 – 2015-11-13
    • 国際学会
  • [学会発表] 圧子圧入による局所応力を利用した弾塑性および高圧電気抵抗のリアルタイム計測2015

    • 著者名/発表者名
      加藤淳揮、大幸裕介、本多沢雄、岩本雄二
    • 学会等名
      第28回秋季シンポジウム
    • 発表場所
      富山大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [学会発表] リン酸塩ガラスへの電気化学的なH+注入と機能誘起2015

    • 著者名/発表者名
      大幸裕介、村井俊介、吉田智、武藤浩行、早川知克
    • 学会等名
      第28回秋季シンポジウム
    • 発表場所
      富山大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [学会発表] 分相・結晶化によるガラスの高機能化2015

    • 著者名/発表者名
      大幸裕介
    • 学会等名
      第47回ガラス部会夏季若手セミナー
    • 発表場所
      メルパルク松山
    • 年月日
      2015-08-03 – 2015-08-05
    • 招待講演

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公開日: 2017-01-06  

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