プロトン伝導性酸化物における界面イオン伝導機構に関する研究

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23760629
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 金属物性
• 研究機関: 一般財団法人ファインセラミックスセンター
• 研究代表者: 桑原 彰秀 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 研究員 (30378799)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• キーワード: 固体酸化物燃料電池 / プロトン伝導体 / 第一原理計算 / 点欠陥 / 拡散

研究概要

固体酸化物燃料電池のプロトン伝導性電解質の性能はプロトンの溶解反応、物質移動などの欠陥反応に支配される。そのため点欠陥形成挙動を定量的に把握し、材料設計を行うことが重要である。本研究では代表的な酸化物プロトン伝導体であるBaZrO3に着目し、第一原理計算を用いて雰囲気、温度の変化に伴う熱平衡濃度の定量的な算出を行った。BaZrO3のプロトン濃度は、化学量論組成に大きく依存するため陽イオン比の適切な制御が必要であることが定量的に示され。またアクセプター添加元素の違いによりプロトンの束縛エネルギーが大きく変化し、元素の選択によりプロトン伝導に寄与する有効キャリア濃度が大きく減少することが示された。

研究成果

• [雑誌論文] Defect Chemistry of Rutile TiO_2 from First Principles Calculations (2013)
  • 著者名/発表者名: T. S. Bjørheim, A. Kuwabara, T. Norby
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 117 ページ: 5919-5930
  • DOI: 10.1021/jp304146e
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-Principles Study of Point Defect Formation in AgNbO_3 (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Moriwake, C. A. J. Fisher, A. Kuwabara, D. S. Fu
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 52 ページ: 09KF08
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.09KF08
  • 査読あり
• [雑誌論文] Defects at the (110) surface of rutile TiO_2 from ab initio calculations (2012)
  • 著者名/発表者名: T. S. Bjørheim, A. Kuwabara, C. E. Mohn, T. Norby
  • 雑誌名: Int. J. Hydrogen Energy 巻: 37 ページ: 8110-8117
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.12.165
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computer simulation of coherent BaZrO_3/MgO interfaces (2011)
  • 著者名/発表者名: C. A. J. Fisher, A. Kuwabara, H. Moriwake
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Jpn 巻: 119 ページ: 861-866
  • DOI: 10.2109/jcersj2.119.861
  • 査読あり
• [学会発表] 第一原理計算によるプロトン伝導性BaZrO_3における欠陥会合状態の解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 桑原彰秀
  • 学会等名: 第39回固体イオニクス討論会
  • 発表場所: くまもと県民交流館パレア
  • 年月日: 20131120-22
• [学会発表] First Principles Calculations of defect chemistry of doped BaZrO_3 systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Akihide Kuwabara
  • 学会等名: Materials Science & Technology 2013 Conference (MS&T'13)
  • 発表場所: Quebec, Canada
  • 年月日: 20131027-31
• [学会発表] 第一原理計算を用いた電池材料における欠陥形成挙動とイオンダイナミクスの解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 桑原彰秀
  • 学会等名: 第144回電子セラミック・プロセス研究会
  • 発表場所: 湘南工科大学
  • 年月日: 2013-12-14
• [学会発表] First Principles Calculations of Thermal Equilibrium Defect Formation in Acceptor-doped BaZrO_3 (2012)
  • 著者名/発表者名: Akihide Kuwabara
  • 学会等名: The 5th International Symposium on Designing, Processing and Properties of Advanced Engineering Materials
  • 発表場所: Toyohashi, Japan
  • 年月日: 20121105-08
• [学会発表] First Principles Calculations of Point Defect Formation in Solid State Ionics Materials (2012)
  • 著者名/発表者名: Akihide Kuwabara
  • 学会等名: Nonstoichiometric Compounds V
  • 発表場所: Sicily, Italy
  • 年月日: 20120923-28
• [学会発表] Theoretical Modeling of Defect Formation Behavior in Acceptor-doped BaZrO_3 using DFT calculations (2012)
  • 著者名/発表者名: Akihide Kuwabara
  • 学会等名: Solid State Proton Conductors 16
  • 発表場所: Grenoble, France
  • 年月日: 20120910-14
• [学会発表] 第一原理計算を用いた固体イオニクス材料における欠陥化学とダイナミクスの理論解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 桑原彰秀
  • 学会等名: 第8回固体イオニクスセミナー
  • 発表場所: 信貴山玉蔵院
  • 年月日: 20120902-04
• [学会発表] プロトン伝導型固体電解質BaZrO_3における熱平衡欠陥濃度の第一原理計算 (2011)
  • 著者名/発表者名: 桑原彰秀
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第24回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 20110907-08