| 研究課題/領域番号 |
15H04124
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| 研究機関 | 名古屋工業大学 |
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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)
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| 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), 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, 工学研究科, 助教 (20378805)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| 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 / 圧子圧入法 / 燃料電池 / マイヤー硬度 / ラマン分光法 |
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| 研究実績の概要 |
初年度に設計・組み上げたin-situ FTIR分光評価システムを用いて、当研究室で合成したリンケイ酸塩ガラスのH+注入ダイナミクスを評価した。このシステムでは、温度、水蒸気分圧、ガス雰囲気(H2およびN2)、印加電圧とFTIRスペクトルの取得間隔を自動制御できる。薄片に研磨したガラスの両面に半リング電極を互い違いに白金をスパッタ成膜して、リング中心を赤外孔が透過するように試料をセットする。水素(4%H2-96%Ar)雰囲気中で白金電極に電圧印加すると、アノード側でH2→2H+ + 2e- 反応が、また対極で逆反応が生じる。このシステムより、各種条件でのプロトン(OH基)濃度の時間変化を測定した。その結果、N2中およびH2中において通電の有無に関わらずOH基濃度に変化は見られなかった。一方、相対湿度換算で0.1%程度とわずかでも水分が存在すると、水素雰囲気通電下でOH基濃度は電圧印加時間とともに増加することを明らかにした。加湿下であっても窒素ガス中ではそのような反応は生じなかった。水分子がH+に随伴して移動する電気浸透によって、ガラスのP-O-Pネットワークが加水分解反応のように切断され、これが-OH基増大のメカニズムであることを、Ramanスペクトル解析を併用して明らかにした。他方、同様の水素雰囲気加湿条件で電圧印加する評価システムを当研究室で独自に作製した圧子圧入試験機にも導入してガラスの粘弾性とH+注入との関係を調べた。電気導電性を有する硬質圧子をカソード側に用いることで、圧子直下のH+濃度が上昇する。この装置によってH+注入に伴いガラス表面の硬度が低下すること、またクリープ測定においてH+注入に伴いクリープ変位が著しく増大することを明らかにした。
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| 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
初年度から評価システムの立ち上げ(制御・解析プログラミングを含む)とH+注入ダイナミクス測定を計画的に進め、ガラス中に注入されるH+のダイナミクス評価が可能となった。それによって加湿の効果とその反応速度に及ぼす影響を明らかにした。また独自の圧子圧入試験機も同じ改良によってFTIR測定と同様のin-situ測定条件で実験可能となり、H+注入速度やH+注入量と同条件でのクリープ変位との関係を定量的に議論できるようになった。~400℃までの温度域において電気特性+赤外線分光+力学特性の3つを統一的に評価するシステムはこれまでに報告例は無く、オリジナルな成果が期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでH+が注入されやすい(燃料電池出力の高い)ガラスに対してH+注入の時間変化を評価した。OH基濃度の時間変化の解析より、リン酸塩ガラスへのプロトン注入はP-O-Pネットワークの切断を伴う一次反応式で表されることが分かり、250℃における反応速度定数kは1.1×10-6 sec-1と求められた。またリン酸鎖に2価カチオンが配位したガラスではkの値は先の値と比較して小さくなり、kと配位カチオンの種類に相関が見られている。今後はガラス組成と注入ダイナミクスとの関係を定量的に明らかにする。また1 mm2程度の範囲にのみH+注入することが可能となり、注入領域の構造変化はラマンマッピングより明らかにした。共同研究班(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、引き続き今年度に調べる。プロトンは軽く効果の実証が難しいが屈折率変化やまたガラスの吸光係数の変化に注目している。
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