コンポジット電解質膜を用いた中温無加湿作動燃料電池システムの構築と信頼性評価

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26249097
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 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)
• 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), 助教 (10548192) ; 武藤 浩行 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20293756) ; 服部 敏明 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80198762) ; 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) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 燃料電池 / 電解質膜 / コンポジット / 中温 / 信頼性 / リン酸 / 触媒 / イオノマー

研究実績の概要

本課題では、コンポジット電解質膜を独自設計し、100℃を超える中温領域において無加湿条件でも作動する燃料電池を構築して実用化に向けた課題抽出を行い、研究開発を発展させることを目的としている。また、燃料電池、センサ、キャパシタなど電気化学素子への応用を視野に入れた電極材料の基礎検討も行った。
当該最終年度では、PBI電解質膜の更なるプロトン伝導性向上のため、乾式ミリングで合成した硫酸水素セシウム-ケイタングステン酸複合体(CHS-WSiA)をN,Nジメチルアセドアミド中で湿式ミリング処理して添加することで、PBIコンポジット電解質膜中にCHS-WSiAを均一に添加することを試みた。加えて、PBIコンポジット電解質膜がリン酸をより長期間保持できるように、リン酸と高い親和性を有するTiO2ナノ粒子を電解質膜へ添加した。電解質膜・電極接合体を作製した後、150℃、無加湿の条件で水素酸素燃料電池を構成し測定を行った。CHS-WSiA PBI電解質膜はpure PBI電解質膜と比較し、約1.3倍の出力特性が得られ、更に湿式ミリング処理でCHS-WSiAの粒径を1ミクロン以下に調整することで2倍以上の出力特性が得られた。PBI電解質膜内に添加されたCHS-WSiAの水素結合を介し、新たなプロトン伝導パスが形成され、微粉砕を行うことで有効表面積が増加し高性能化が達成されたものと考えられる。一方、TiO2ナノ粒子を添加したPBI電解質膜はpure PBI電解質膜と比較し、2倍以上の出力特性が得られた。またTiO2ナノ粒子を添加することでリン酸の浸出が抑えられていることが確認された。さらに、CHS-WSiAとTiO2を共添加したコンポジットPBI電解質膜を作製し、非常に優れた発電性能を有することが確認された。150℃無加湿環境下において0.2 Acm-2の定電流で200時間を超えて安定して発電することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

平成29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

平成29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] Structural phase transition of spinel to hematite of as-prepared Fe2+-Cr nanoferrites by sintering temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Elshater R.E.、Kawamura G.、Fakhry F.、Meaz T.、Amer M.A.、Matsuda A.
  • 雑誌名: Measurement 巻: 132 ページ: 272～281
  • DOI: 10.1016/j.measurement.2018.09.021
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Novel palladium-guanine-reduced graphene oxide nanocomposite as efficient electrocatalyst for methanol oxidation reaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Ng Jen Chao、Tan Chou Yong、Ong Boon Hoong、Matsuda Atsunori、Basirun Wan Jefrey、Tan Wai Kian、Singh Ramesh、Yap Boon Kar
  • 雑誌名: Materials Research Bulletin 巻: 112 ページ: 213～220
  • DOI: 10.1016/j.materresbull.2018.12.029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Rapid Nucleation of Reduced Graphene Oxide-Supported Palladium Electrocatalysts for Methanol Oxidation Reaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Ng Jen Chao、Tan Chou Yong、Ong Boon Hoong、Matsuda Atsunori、Basirun Wan Jefrey、Tan Wai Kian、Singh Ramesh、Yap Boon Kar
  • 雑誌名: Journal of Nanoscience and Nanotechnology 巻: 19 ページ: 7236～7243
  • DOI: 10.1166/jnn.2019.16717
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of antibiotic Ofloxacin drug in urine using electrochemical sensor based on synergistic effect of different morphological carbon materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Elfiky Mona、Salahuddin Nehal、Hassanein Amera、Matsuda Atsunori、Hattori Toshiaki
  • 雑誌名: Microchemical Journal 巻: 146 ページ: 170～177
  • DOI: 10.1016/j.microc.2018.12.034
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication of Electrochemical Sensor Based on Layered Double Hydroxide/Polypyrrole/Carbon Paste for Determination of an Alpha-adrenergic Blocking Agent Terazosin (2018)
  • 著者名/発表者名: Hassanein A.、Salahuddin N.、Matsuda A.、Hattori T.、Elfiky M.
  • 雑誌名: Electroanalysis 巻: 30 ページ: 459～465
  • DOI: 10.1002/elan.201700321
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cell performance enhancement with titania-doped polybenzimidazole based composite membrane in intermediate temperature fuel cell under anhydrous condition (2018)
  • 著者名/発表者名: KYAW ZAY YA、KUMAZAWA Keisuke、KAWAMURA Go、MUTO Hiroyuki、MATSUDA Atsunori
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 126 ページ: 789～793
  • DOI: 10.2109/jcersj2.18084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of biosensor based on Chitosan-ZnO/Polypyrrole nanocomposite modified carbon paste electrode for electroanalytical application (2017)
  • 著者名/発表者名: Hassanein Amera、Salahuddin Nehal、Matsuda Atsunori、Kawamura Go、Elfiky Mona
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: C 巻: 80 ページ: 494～501
  • DOI: 10.1016/j.msec.2017.04.101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Synthesis Methods on Methanol Oxidation Reaction on Reduced Graphene Oxide Supported Palladium Electrocatalysts (2017)
  • 著者名/発表者名: Ng J.C.、Tan C.Y.、Ong B.H.、Matsuda Atsunori
  • 雑誌名: Procedia Engineering 巻: 184 ページ: 587～594
  • DOI: 10.1016/j.proeng.2017.04.143
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Application of Montmorillonite Clay and Mesoporous Carbon as Modifiers to Carbon Paste Electrode for Determination of Amoxicillin Drug (2017)
  • 著者名/発表者名: Abdel-Galeil Mohamed M.、El-Desoky Hanaa S.、Ghoneim Enass M.、Matsuda Atsunori
  • 雑誌名: Journal of The Electrochemical Society 巻: 164 ページ: H1003～H1012
  • DOI: 10.1149/2.0361714jes
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] PBIコンポジット電解質膜の高出力化と中温無加湿燃料電池特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 熊澤圭祐・河村剛・服部敏明・武藤浩行・松田厚範
  • 学会等名: 第56回セラミックス基礎科学討論会
• [学会発表] Performance enhancement of medium-temperature anhydrous fuel cells by incorporation of proton conductive material to the three-phase interface (2018)
  • 著者名/発表者名: 前川啓一郎・Kyaw Zay Ya・河村剛・服部敏明・武藤浩行・松田厚範
  • 学会等名: 42ND International conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites、Conference Program、 ICACC-GYIF-008-2018
• [学会発表] 湿式ミリングによる無機固体酸高分散コンポジット電解質膜の作製と燃料電池特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松原直大・前川啓一郎・熊澤圭祐・Kyaw Zay Ya・河村剛・武藤浩行・松田厚範
  • 学会等名: 電気化学学会第85回大会
• [学会発表] 湿式メカノケミカル法による無機固体酸高分散コンポジット電解質膜の作製と特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松原直大・前川啓一郎・Kyaw Zay Ya・河村剛・武藤浩行・松田厚範
  • 学会等名: 日本セラミックス協会東海支部 第56回東海若手セラミスト懇話会2018年夏期セミナー
• [学会発表] Design Nanocomposite Membranes for Next Generation High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsunori Matsuda
  • 学会等名: The 4th International Conference on Innovative and Sustainable Material Engineering (ISME2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mixed Alkali Metal Ions in Hydrogen Sulfate-Phosphotungstic Acid Composites for Proton Conduction for Fuel Cell Application (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Nbelayim・K. Z. Ya・G. Kawamura・W. K. Tan・H. Muto・A. Matsuda
  • 学会等名: 山梨大学第8回国際燃料電池ワークショップ2018
  • 国際学会
• [学会発表] Cs+-Substituted Silicotungstic Acid Prepared by Wet Mechanical Milling and its Doping to PBI Membranes for High Temperature PEFCs (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Z. Ya・W. K. Tan・G. Kawamura・H. Muto・A. Matsuda
  • 学会等名: 山梨大学第8回国際燃料電池ワークショップ2018
  • 国際学会
• [学会発表] 中温無加湿燃料電池の高性能化に向けた無機複合体の電極三相界面への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 前川啓一郎・熊澤圭祐・河村剛・服部敏明・武藤浩行・松田厚範
  • 学会等名: 日本セラミックス協会東海支部 第54回東海若手セラミスト懇話会2017年夏期セミナー
• [学会発表] Development of High Performance PBI-Composite Electrolyte Fuel Cells Operating at Medium Temperatures under Anhydrous Condition (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsunori Matsuda
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies (IUMRS) The 15th International Conference on Advanced Materials (ICAM) 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プロトン伝導性無機固体酸の三相界面応用による中温無加湿燃料電池の高性能化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 前川啓一郎・.K. .Zay Ya・河村剛・服部敏明・武藤 浩行・松田 厚範
  • 学会等名: 2017年電気化学秋季大会
• [学会発表] Fabrication of biosensor based on layered double hydroxide/Polypyrrole/carbon paste electrode for determination of anti-hypertensive and prostanic hyperplasia drug Terazosin (2017)
  • 著者名/発表者名: Hassanein, N.Salahuddin, A.Matsuda, T.Hattori, M. Elfiky
  • 学会等名: 2017 2nd International Conference on Materials Technology and Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Comparison on proton conduction of CsHSO4-H4SiW12O40 composite composite materials prepared by dry and wet mechanical ball milling (2017)
  • 著者名/発表者名: Kyaw zay Ya,・河村剛・武藤浩行・松田厚範
  • 学会等名: The 34th International Japan-Korea Seminar on Ceramics
  • 国際学会
• [学会発表] 湿式微粉砕処理による無機固体酸高分散コンポジット電解質膜の作製と燃料電池特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松原直大・熊澤圭祐・前川啓一郎・Kyaw Zay Ya・河村剛・武藤浩行・松田厚範
  • 学会等名: 平成29年度日本セラミックス協会東海支部学術研究発表会
• [学会発表] Advanced Materials for Next Generation Power Sources (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsunori Matsuda
  • 学会等名: Regional Conference on Materials & ASEAN Microscopy Conference 2017 (RCM & AMC 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 「イオン伝導性複合体：第35章、pp.346-358 担当」ゾル-ゲルテクノロジーの最新動向 (2017)
  • 著者名/発表者名: 監修幸塚広光（分担執筆：松田厚範）
  • 総ページ数: 416
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4-7813-1258-3
• [備考] 豊橋技術科学大学 松田・武藤・河村研究室
  • URL: http://ion.ee.tut.ac.jp/
• [備考] 豊橋技術科学大学教員紹介 電気・電子情報工学系 松田厚範
  • URL: https://www.tut.ac.jp/university/faculty/ee/214.html