圧子圧入によるＧＰａ級高圧インピーダンス測定法の確立と新規ガラス電解質の開発

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23686095
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 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)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: イオン伝導 / 分相 / 圧子圧入法 / インデンテーション / アンビルセル / 高圧インピーダンス / 燃料電池 / 活性化体積

研究概要

我々は水素ガス雰囲気において、溶融法で作製したガラス内にプロトンが導入されることを新たに見いだし、またこのガラスを用いて500℃での水素/酸素燃料電池発電に成功した。固体電解質のイオン伝導機構の検討には，活性化エネルギーと活性化体積(ΔV)の両方を評価することが有効である。しかし固体の場合は超高圧装置が必要であり，ΔVに関する報告例は極めて少ない。また従来の装置では水素ガスや酸素ガス雰囲気での測定など、雰囲気可変が難しいなどの問題もある。
球形圧子などを材料に圧入する圧子圧入試験では，圧子直下にGPa級の高圧場が発生し，様々な材料の力学特性評価に用いられている。そこで本研究では，圧子圧入時の応力場を利用した新しい高圧インピーダンス測定法を確立し、固体電解質のイオン伝導メカニズムの詳細を明らかにすることを目的としている。昨年度はすでにΔVが明らかになっている標準試料(YSZ)のΔV評価に着手した。弾性変形領域の範囲において、圧子先端近傍に数GPaの応力が発生すること、また高い再現性で迅速・簡便にΔVが算出可能であることを明らかにした。ただし局所加圧であるために、静水圧条件での測定値と比べてΔVを大きく見積ってしまう点が問題であった。本年度はこの点の検証・改良に注力した。電極配置を変化させて実験を行い、当該装置(局所加圧)を用いても静水圧条件での測定値に近い活性化体積値を得られることを理論的に実証した。また有限要素計算を利用して、解の確かさについても検証した。また研究目的であるガラス試料に対しても高圧インピーダンス測定を行い、活性化体積を決定した。ガラスは昇温において塑性変形しやすく、一方で弾性変形領域(低温度域)では導電率が低く、導電率の決定が現状困難である。プロトン導入量と活性化体積の相関について明らかにしたい。

現在までの達成度 (区分)

理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] High-Pressure (GPa) impedance measurements based on an indentation-induced local stress field (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Daiko, Eri Takahashi, Norio Hakiri, Hiroyuki Muto, Atsunori Matsuda, Tanguy Rouxel, J-C. Sangleboeuf, Atsushi Mineshige, Tetsuo Yazawa
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 254 ページ: 6-10
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.10.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton infiltration of phosphosilicate glass-electroltes for intermediate temperature fuel cell (2013)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Daiko, Takeshi Yamada, Atsushi Mineshige, Tetsuo Yazawa
  • 雑誌名: MRS proceedings 巻: 1495 ページ: -
  • DOI: 10.1557/opl.2013.9
  • 査読あり
• [雑誌論文] The state of P=O non-bridging oxygen and proton incorporation in binary MOP2O5 (M=Ca, Mg) phosphate glasses (2013)
  • 著者名/発表者名: Yawara Takamatsu, Yusuke Daiko, Shinji Kohara, Kentaro Suzuya, Atsushi Mineshige, Tetsuo Yazawa
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 245-246 ページ: 19-23
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.05.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton conduction glasses prepared via sol-gel and melting techniques (2013)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Daiko
  • 雑誌名: Journal of Ceramic Society of Japan 巻: 121 ページ: 539-543
  • DOI: 10.2109/jcersj2.121.539
  • 査読あり
• [学会発表] The study of advanced high pressure impedance measurement for YSZ utilizing an indentation-induced local stress field (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Takahashi, Y. Daiko, N. Hakiri, H. Muto, A. Matsuda, A. Mineshige, T. Yazawa
  • 学会等名: The 15th IUMRS-International Conference in Asia
  • 発表場所: 福岡大学
  • 年月日: 20140824-20140830
• [学会発表] The actication volume of Yttria-stabilized zirconia estimated utilizing indentation-induced local stress field (2013)
  • 著者名/発表者名: E. Takahashi, Y. Daiko, N. Hakiri, H. Muto, A. Matsuda, A. Mineshige, T. Yazawa
  • 学会等名: International Symposium on EcoTopia Science 2013
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20131213-20131215
• [備考] 名古屋工業大学 環境材料工学科
  • URL: http://chempro.web.nitech.ac.jp/