研究紹介- 高村 仁 -


酸素透過性セラミックスによる天然ガスからの水素製造

家庭用燃料電池の普及のためには、一酸化炭素等を含まない高純度水素ガスを大量かつ高効率に製造・供給する技術が不可欠です。我々は、豊富で安定供給が望める天然ガスから高純度水素を製造する新しい方法として、酸素透過性セラミックスによる部分酸化法とプロトン伝導体による水素分離技術を融合した高効率天然ガス改質システムの開発を行っています。 酸素透過性セラミックスは、酸素イオンと電子を同時に伝導できる混合導電体と呼ばれる緻密な材料であり、この材料を透過しうるのは酸素のみです。この酸素輸送のためには電圧印加は必要なく、単に酸素ポテンシャル勾配が存在すればよいことが特徴です。すなわち、酸素透過性セラミックスは、天然ガス改質に必要な純酸素を必要な量だけメタンガス中に供給しうるインテリジェント材料といえます。
URLhttp://ceram.material.tohoku.ac.jp/takamuraken/node/4


固体酸化物形燃料電池の低温作動化

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)は高い発電効率と燃料の多様性から最も実用化が望まれているエネルギー変換デバイスです。現在、この特長を維持したまま作動温度を低下させる研究が精力的に展開されています。SOFCの低温作動化においては種々の課題がありますが、特に空気極(カソード)の過電圧特性の改善が重要とされています。そこで、本グループでは高い酸素イオン・電子混合導電性を有する酸素透過セラミックス薄膜をカソードに適用したデバイスの開発を行っています。図は、多孔質支持体上にセリウム酸化物と混合導電体であるLa-Sr-Co-Fe系酸化物を薄膜として作製した試料の断面SEM像です。混合導電体電極には、セリア系複合体の適用も検討しています。これに加えて、より高い酸素イオン導電性を発現する新規材料の探索も実施しています。
URLhttp://ceram.material.tohoku.ac.jp/takamuraken/node/3


リチウムイオン電池のための固体電解質の開発

リチウムイオン二次電池は「エネルギー密度が高い」、「サイクル特性に優れる」などの利点から携帯電話やノートパソコン等の携帯電子機器の電源として広く普及しています。現在市販されているリチウムイオン二次電池の多くは正極にコバルト酸リチウム(Li1-xCoO2)、負極にグラファイト(LixC6)を使用しており、電圧は水の分解電圧(室温で約1.23V)を大きくこえてしまいます。そのため電解質には水溶液を使用することができず、一般的には有機溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)などのリチウム塩を溶解させたものが用いられています。現在のリチウムイオン電池は通常使用時において危険はありませんが、何らかの理由で内部短絡が生じてしまうと大きな発熱が生じます。とりわけ有機溶媒は可燃性なので、この発熱を引き金として発火する危険性があり、安全性の確保が困難であるという課題が指摘されています。現在、この安全性の課題を解決する方法として、固体電解質が注目されています。電解質に固体であるリチウムイオン伝導体を使用することで発火リスクを低減でき、安全性の向上が期待されます。
 私たちの研究グループはリチウム・ボロハイドライド(LiBH4)の115℃以上で生じる高温相がリチウム超イオン伝導性を示すことを発見しました。さらに、このリチウム・ボロハイドライドはリチウムイオンの輸率が1に近い(固体中でリチウムイオンだけが動く)ため優れたリチウムイオン二次電池用固体電解質としての応用が期待されます。私たちの研究室ではこのリチウム・ボロハイドライドの伝導度を更に上げるため、研究を行っています。
URLhttp://ceram.material.tohoku.ac.jp/takamuraken/node/538
   
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