固体酸化物形燃料電池の構成材料の開発と電極反応解析

Research Project

Project/Area Number	21F20736
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	外国
Review Section	Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	松井敏明 (2022) 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90378802) 江口浩一 (2021) 京都大学, 工学研究科, 名誉教授 (00168775)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	ZHANG WENWEN 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
Project Period (FY)	2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000) Fiscal Year 2021: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords	空気極 / プロトン伝導セラミック燃料 / 混合伝導体 / プロトン伝導セラミック燃料電池
Outline of Research at the Start	プロトン伝導セラミック燃料電池(PCFC)は、600℃以下で高いエネルギー変換効率を達成する可能性を有することから注目されているが、空気極の過電圧が大きいことが課題とされている。そこで本研究では高い性能と化学的安定性を両立する空気極材料を開発し、空気極の設計指針を確立することを目的とする。具体的には、ペロブスカイト型酸化物をもとに元素置換による物性の改変や、異なる物性を有する材料を組み合わせた複合材料の開発により空気極性能の向上を目指す。また、広い反応場を有する電極微構造を形成するために電極の作製手法にも着目する。
Outline of Annual Research Achievements	酸素還元反応の向上には、ガス／イオン伝導体／電子伝導体が接する三相界面の増加や、イオン－電子混合伝導体を用いた反応場の拡大が有効である。BaCe0.5Pr0.3Y0.2O3-δ（BCPY）はプロトン・酸化物イオン・電子の混合伝導体であることが知られているが、BCPYの低い酸素還元反応（ORR）活性が問題となっている。そこで、BCPYへ高活性触媒を含浸することで、そのORR活性の向上を試みた。これまでに、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3表面上にPrNi0.5Mn0.5O3とPrOxナノ粒子の薄層を形成することでORR活性と安定性が大幅に向上することが報告されている。さらに、PrOxナノ粒子は、高濃度の酸素空孔を介してORR速度を劇的に向上させる可能性があることが示唆されている。また、酸化物イオン伝導体を電解質とした固体酸化物形燃料電池の高活性な空気極触媒であるPrCoO3において、Coの一部をNiに置換するとプロトン伝導の移動障壁が減少し、プロトン伝導性が向上することが報告されている。そこで今年度は、Pr(Ni,Mn)O3およびPr(Ni,Co)O3を含浸法によりコーティングしたBCPY複合空気極材料を開発し、そのORR活性や物性の評価を実施した。その結果、適量のPr(Ni,Co)O3を含浸すると性能が向上するとともに、CO2耐性の向上も確認された。修飾電極の高いORR活性は、主にBCPY担体とPNCナノ粒子の相乗効果に起因し、PNCナノ粒子は表面の酸素交換と水蒸気の吸脱着を促進すると考えられた。また、PNC修飾BCPYカソードを用いた単セルでは、700℃において0.79 W cm-2の高いピーク出力密度を示し、600℃で200時間の安定動作が可能であった。
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。