新規高イオン伝導性層状複水酸化物を電解質とした次世代型全固体AFCの開発

2021 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05682
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分36020:エネルギー関連化学
• 研究機関: 奈良工業高等専門学校
• 研究代表者: 山田 裕久 奈良工業高等専門学校, 物質化学工学科, 准教授 (90469073)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 燃料電池 / AFC / 固体電解質 / 層状複水酸化物 / LDH

研究成果の概要

「脱炭酸-尿素法」を用いて合成したNO3-型Mg(II)-Al(III)系層状複水酸化物(LDH)を固体電解質とした全固体アルカリ形燃料電池(AFC)の開発とその発電特性について評価した。
NO3-型において、イオン伝導度の活性化エネルギーは18.8 kJ/mol とOH伝導型のアニオン交換膜の値と近い値を示したことからOH-が主なイオン伝導種である可能性が示唆された。一方で熱分析より、120℃までの熱的安定性は高く、優れた熱耐性を有していることがわかった。また、60℃H2-O2燃料電池単セル試験において、発電試験が可能であったことから電池としてLDH電解質が利用可能であることがわかった。

自由記述の分野

電気化学

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では粘土鉱物である我々の研究室で開発したLDHのワンポッド合成法である「脱炭酸尿素法」を改良し、これまで困難であったMgを2価金属としたLDHのワンポッド合成に成功した。Mgを2価金属として用いることで電位窓を水素発生電位よりも卑な電位にすることができる利点がある。合成したMg系LDHの層間アニオンを硝酸型とすることで著しくイオン伝導度が増加することがわかった。また、この特異的なイオン伝導機構について熱分析を用いて検討した結果、層間水のモル当たりの束縛エネルギーはNO3-型において最も低くなることを見出した。また、単セル発電試験も実施し、AFC用電解質として利用可能であることも実証した。