| 研究課題/領域番号 |
18H03841
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| 研究機関 | 豊橋技術科学大学 |
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研究代表者 |
松田 厚範 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70295723)
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| 研究分担者 |
河村 剛 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10548192)
小暮 敏博 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50282728)
大幸 裕介 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70514404)
中嶋 直敏 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 特任教授 (80136530)
打越 哲郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (90354216)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 燃料電池 / 電解質膜 / 機有機コンポジット / 電極 / 触媒 / 中温 / 界面 |
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| 研究実績の概要 |
我々は、これまで無機固体酸複合体と芳香族系有機ポリマーからなる無機－有機コンポジット電解質膜の研究を行ってきた。本課題では、コンポジット電解質膜を用いた中温燃料電池発電特性を高性能化することを目的として、以下の項目について検討を行っている。
①コンポジット電解質膜の高性能化、
②電極/触媒/電解質三相界面の設計、
③膜・電極複合体連続発電試験と三相界面の反応・劣化機構解析
特に今年度（2020年度）は、（１）ピロリン酸チタン（TiP2O7）粒子、ピロリン酸スズ（SnP2O7）粒子の添加によってリン酸-PBI系コンポジット電解質膜の160℃無加湿条件における発電特性を向上させた。湿式ミリング処理で微細化を行ったSnP2O7粒子添加PBI膜では、160℃発電時の最大電力密度を373 mWcm-2まで増大させることに成功した。（２）Al-Mg系層状複水酸化物（LDH）をKOH-PBIに添加したアルカリ伝導膜形燃料電池(AEMFC)の構築にも取組んだ。また、リン酸ドープPBI膜燃料電池（PEMFC）では還元型酸化グラフェン（rGO）の表面官能基がリン酸の保持に重要な役割を果たしていることがわかった。一方、rGOの応用に関するレビュー論文を波及効果の大きな学術論文誌（Materials Today: IF=31.04）に公表することができた。（３）電極作製においては、超音波照射を用いた触媒インクの均質性向上やホットプレスによる電極の表面の平滑化に取り組んで進歩があった。（４）さらに、遷移金属化合物（NiO/Co3O4、Mn3O4-Fe2O3/Fe3O4）を担持したrGOがスーパーキャパシタとして優れた特性を示すことを実証した。
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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
2020年度は、特にSnP2O7の検討において重要な知見を得ており、おおむね順調に進捗していると判断される。SnP2O7はH3PO4溶液中にSnO2を混ぜ、攪拌した後に焼結することで作製することができた。得られたSnP2O7の圧粉体は160oCで2.8×10-7 Scm-1の導電率を示し、無水状態ではほとんどプロトン伝導性を示さないが、リン酸ドープ(PADL8mol)したPBI-2wt.%SnP2O7の160oCにおける導電率は6.2 mScm-1であり、pure PBI (1.1 mScm-1) と比べて、約6倍高いことがわかった。さらに、水蒸気を用いたリン酸浸出試験では、pure PBIのリン酸保持量(約13%)と比べてPBI-2wt.%SnP2O7では約31%と酸浸出の抑制も達成することができた。湿式ミリング処理による粒径の微細化を行いうことでSnP2O7粒子分散性を改善し、160℃発電時の最大電力密度を373 mWcm-2まで増大させることに成功した。rGOが種々の電気化学素子の電極材料として有用であることを明らかにし、研究分野の広がりを見せると共に、学術論文として公表することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
① コンポジット電解質膜の高性能化に関しては、今回、導電率の低い無機粒子TiO2、TiP2O7、SnP2O7においても、PBI膜への添加によって、リン酸の保持率、膜導電率の向上、出力の増大が見られ、さらにミリング処理で微粒子化することが有効であることがわかったので、無機多孔質材料であるZeoriteなどの酸化物についても同様の検討を行う。
② 電極/触媒/電解質三相界面の設計については、アイオノマーの選択が重要であることが明らかになっている。Pt@TiO2コアシェル粒子の電気化学表面積測定を行うと共に、アイオノマーを選択して、発電特性を評価する。
③ 膜・電極複合体連続発電試験を行し、活性化過電圧の変化を系統的に調べ、三相界面のインピーダンス解析を行う。また、rGO、マルチウォールカーボンナノチューブ（MWCN）など新奇炭素系電極材料の電気化学素子への応用可能性を検討する。
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