| 研究課題/領域番号 |
18K04092
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| 研究機関 | 九州産業大学 |
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研究代表者 |
今坂 公宣 九州産業大学, 理工学部, 教授 (40264072)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | パルスパワー / 表面改質 / ナノカーボン / 固体高分子型燃料電池 / オゾン / カルボキシル基 / アミノ基 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、パルスパワー技術を用いてカーボンナノチューブ（CNT）等のナノカーボン材料の表面改質を行うことにより高機能化し、固体高分子型燃料電池(PEFC)の電極材料として応用する。また、表面改質技術をさらたに深化させ、極性の異なる親水性官能基で修飾された水溶性ナノカーボンを創製し、PEFCの動作特性における出力向上を目指す。さらに燃料電池の等価回路モデルを構築して実験と理論の両面より本研究の有用性を検討することを目的としている。
本年度は、ナノカーボン材料として多層CNTとカーボンナノホーン(CNH)を用いた。これらのナノカーボン材料を用いて酸素雰囲気中でのバリア放電を利用してオゾンを生成し、表面改質を行った。酸素流量1L/minで放電時間を60分、周波数100Hzとした。バリア放電の電圧は約6.5kV、最大パルス電流は約2Aで、オゾン濃度は約100-120ppmであった。オゾン暴露前後のナノカーボン材料を水中に懸濁して分散性を観察した結果、オゾン暴露後のCNTとCNHはどちらも数週間分散性が維持された。特に、CNHの方がCNTよりも分散性が高かった。また、XPSを用いて表面の酸素結合量を分析した結果、オゾン暴露後のCNTでは約2.4倍、CNHでは約3倍ほど増加したことがわかった。このことは、CNHが水中分散性が高いことを示唆している。XPSスペクトルの波形分離により化学的な結合状態を分析した結果、カルボキシル基等の酸素を含む数種類の官能基が導入されていることが明らかとなった。さらに、これらのナノカーボン材料を用いてPEFCの電極を作製し、PEFCの出力特性実験を行なった。その結果、水素極に表面改質されたCNT、CNH を用いることにより、PEFCの出力電力がCNTでは約2倍、CNHでは約3倍向上できることがわかった。
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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
本研究の目的を達成するために重要となる平成30年度の研究計画項目を継続して遂行した。具体的には、(1) 種々のナノカーボン材料の表面改質と表面分析並びに表面観察、(2)固体高分子型燃料電池の動作特性試験についての研究である。(1)については、ナノカーボン材料として新たにCNHを用いた。平成30年度以降、CNT、カーボンブラック(CB)、ケッチェンブラック(KB)を用いて酸素雰囲気中でのバリア放電で生成したオゾンによる表面改質および窒素ガス中でのプラズマ暴露による表面改質を行った。その結果、表面改質法やナノカーボン材料の種類によって表面改質状態に差異があることがわかりつつある。(2)については、PEFCの出力特性における電極材料の最適な組み合わせを検討するために表面改質CNTと未処理CNTを用いて出力特性試験を行っている。これまでの成果として、PEFCの水素極に表面改質したナノカーボン材料を用いることが効果的であることが示唆されている。
このように研究計画項目(1)に対して、当初の計画を概ね達成できている。しかし、ナノカーボン材料の種類によって表面改質効果が異なる結果が得られたため、継続して調査する予定である。研究計画項目(2)に対しては、電極作製の高効率化のために自動塗布装置を導入した。作製した電極を用いてPEFCの出力特性試験を行ったが再現性があまり認められなかったため、作製条件等を継続して検討する予定である。このようにパルスパワー技術を用いたナノカーボン材料の表面改質技術の深化と固体高分子型燃料電池への展開のための方策を徐々に確立できており、本研究を進展できていると評価する。
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| 今後の研究の推進方策 |
バリア放電を用いたナノカーボン材料の表面改質およびPEFCの出力向上の観点より、特に表面改質法(オゾン暴露法とプラズマ暴露法)およびナノカーボン材料の種類に着目して、研究計画項目(1)極性の異なる官能基による表面改質法、(2)PEFCの動作特性試験、(3)表面改質ナノカーボンの効果および物理現象の解明についての研究を行う予定である。
研究計画項目(1)については、酸素ガス中でのバリア放電により生成したオゾンによる表面改質(オゾン暴露法)と窒素ガス中での表面改質(プラズマ暴露法)を継続して行う。前者は、オゾン処理によって表面に導入される酸素を含む官能基で溶液中で負極性を示す傾向がある。後者は、窒素ガス中でのプラズマによりナノカーボン材料を直接的に表面改質する方法で、アミノ基の導入により正極性を示す傾向がある。両者の比較によりどちらの表面改質技術が効果的かを検討するためである。
研究計画項目(2)については、これまでの研究成果より表面改質したCNTだけでなく、CNHでもPEFCの電極材料として用いる際に酸素極と水素極での組み合わせがPEFCの出力特性に影響することが明らかになっため、ナノカーボン材料のPEFCの出力特性における効果を検討するためである。
研究計画項目(3)の表面改質ナノカーボン材料の効果については、PEFCの出力特性に対する表面官能基の導入条件や表面改質ナノカーボンと燃料電池電極系との最適な組み合わせの検討、並びに表面官能基と白金担持量の相関性、電極作製法の検討を通して考察する。また、PEFCの動作特性における物理現象の解明については、燃料電池の電圧電流特性試験やインピーダンス測定(Cole-Colo プロット)等の電気化学的な手法により、実験と理論との比較により検討する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度は、酸素雰囲気中でのバリア放電により生成したオゾンによる2種類のナノカーボン材料としてCNTと新たにCNHを購入して表面改質およびバリア放電現象の観察、オゾン濃度測定、表面改質状態の観察および分析を行った。これら一連の研究で、オゾン暴露法による2種類のナノカーボン材料の表面改質、それらの表面状態の分析やPEFCの電極作製に時間を費やしたため、実施予定であった他のナノカーボン材料の種類(CB、KB)との比較検討の実験が遂行できなかった。また、プラズマ暴露法によるアミノ基導入実験では、バリア放電用放電容器内に設置する電極系の改良も必要であることがわかった。そのため、これらの研究を次年度以降も遂行するために、消耗品等の購入物品を研究に支障のない範囲で金額を抑えたことなどにより次年度使用額が生じた。
次年度使用額の主な用途は、ナノカーボン材料(CNT、CNH、CB、KB等)、バリア放電用放電容器内に設置するアミノ基導入のための電極系材料、オゾン生成のための酸素ガス、アミノ基導入のための封入ガス(窒素、アルゴン、ヘリウム等)、燃料電池電極材料であるナノカーボン材料等の購入に用いる予定である。
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