| 研究課題/領域番号 |
17H03381
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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 |
海住 英生 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (70396323)
藤岡 正弥 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40637740)
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) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ガラス / プロトン / イオン伝導 / 燃料電池 / 結晶化 |
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| 研究実績の概要 |
申請者らは、希土類含有リン酸塩ガラス中のアルカリイオンをプロトンに置換する独自の手法(APS)を用いて、中温域で0.01S/cm以上のプロトン伝導度を発現するガラス電解質の開発を目指している。これまでに、Na濃度が30at%の30NaO1/2-3RO-7REO3/2-3GeO2-57PO5/2ガラス(R=アルカリ土類,RE=希土類)に対して同様なAPSを実施したが、今年度は、Na濃度を35at%に高めた、35NaO1/2－2RO－5REO3/2－5GeO2－53PO5/2ガラスに対してAPSを施し、得られたガラスのプロトン伝導特性について調べた。結晶化に対して最も高い安定性を示したのは、R=Mg、RE=Laの組み合わせと、R=Sr、RE=Gdの組み合わせであった。これらのガラスは、ガラス転移点が約180℃であり、20℃/時間の昇温条件では、400℃においてプロトン伝導度0.01S/cmを示し、それ以上の温度ではガラスが軟化して測定困難であった。また、本研究で購入した四重極型質量分析でガラス中のプロトンの熱的安定性について調べたところ、450℃までガラス中に留まり、それ以上の温度では水分子として脱離することを確認した。
一方、プロトン伝導性ガラスを燃料電池の固体電解質として用いる場合は、一定温度での伝導度の長時間維持が必須である。本研究では、プロトン伝導度0.003S/cmを示す310℃での長時間維持を行ったところ、R=Mg、RE=Laの組み合わせのガラスにおいて500時間以上、伝導度を一定に維持することに成功した。しかしながら、それ以上の時間では金属電極との界面あるいはガラス内部において結晶が析出する現象が見られた。今後は、更なる長時間維持を目指して組成改良を継続すると同時に、ガラスの薄板化によって発電特性の評価を実施する。
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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
プロトンキャリア濃度を35at%に高めることで、当初目標のプロトン伝導度0.01S/cm(20℃／時間の昇温条件)を400℃において達成し、さらに、310℃で0.003S/cmの伝導度を500時間維持することにも成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、更なる結晶化に対する熱的安定性の向上と、燃料電池セルとしての評価に取り組む。
1.ガラス組成の探索
アルカリをプロトンに置換したガラス材料のプロトン伝導度の長時間測定を継続し、結晶化の要因を系統的に調べ、更なる組成改良を進める。これまでに、不均一核生成がトリガーであることが明らかになっており、今年度は核生成を抑えるための微量添加物の検討に取り組む。また、昨年度の研究において、アルカリ土類イオンの種類によって水素が脱離し始める温度が異なることを見出したが、その要因は明らかになっていない。今年度は、ラマン分光やNMRを駆使して、ガラス組成とプロトンの熱的安定性との相関をより詳しく解析し、組成の最適化に反映させる。
2.燃料電池セルの評価
得られたプロトン伝導体を用いて燃料電池セルを試作する。電解質の体積抵抗の低減のためには、ガラスの薄膜化が必須であるが、多成分ガラスであるため、スパッタ法等を用いることは困難である。そこで本研究では、プレス成型機によるガラスの薄板化を実施する。既に、プレス条件の絞り込みに着手しており、今年度の前半で最適化できる見込みである。その後は、パラジウム等の金属電極の形成と伝導度および発電特性の長時間評価を実施する。
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