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Rapid and high efficiency operation of high temperature elelctrochemical devices assisted by millimeter-wave irradiation

Research Project

Project/Area Number 23K21039
Project/Area Number (Other) 21H01623 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

岸本 昭  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (30211874)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 須田 聖一  静岡大学, 工学部, 教授 (50226578)
寺西 貴志  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (90598690)
近藤 真矢  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 助教 (20890205)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Keywordsミリ波加熱 / 高温電気化学デバイス / 非熱効果 / 高温酸化物形燃料電池 / 高温水蒸気電解 / 迅速起動 / 電気化学的インピーダンス
Outline of Research at the Start

ミリ波照射下で動作する高温酸化物形燃料電池(SOFC)を作製する。昇温したときの電流-電圧特性から燃料電池の発電効率を評価する。このときの昇温を通常の電気炉およびミリ波照射加熱で行い、発電効率を比較する。
発電効率の向上が認められる系について以下の電気化学評価を行う。まず、電気化学的インピーダンス(EIS)測定を行い、全抵抗から界面抵抗(アノード、カソード)を分離する。電解質、二種類の電極の抵抗減少から、発電効率向上への寄与を定量的に評価する。得られた知見をフィードバックスし、アノードの組成やカソード物質の最適化を行い、更なる発電効率向上を図る

Outline of Annual Research Achievements

蛍石蛍石型およびペロブスカイト型酸化物セラミックスのイオン伝導度を、ミリ波照射加熱時と通常の電気炉加熱時で比較したところ、同じ温度でも前者の導電率が高いことを見出した。このイオン伝導促進により、これまでの作動温度で運転した場合、オーム損失の少ない固体電解質からなるデバイスを構成できる可能性が示された。また、電解質部の導電率を保ったまま作動温度を低下させることも可能であり、電解質のみの選択加熱効果を考慮すれば、電解質以外の構成部品を更に低温に保つことができる。
本研究は、高温で動作する電気化学デバイスの加熱方式をミリ波照射に変更することにより、選択加熱効果および導電率向上による加熱エネルギーおよびオーム損失の低減を図り、エネルギー効率向上の可能性を探ることを目的としている。高温電気化学デバイスとしてまず、ミリ波照射下で動作する高温酸化物形燃料電池(SOFC)を作製した。電解質にはこれまでに最適化されたジルコニア系酸化物イオン伝導体を用い、アノード(水素極)にはNi-YSZ系サーメット、カソードとしてはLa0.8Sr0.2MnO3(LSM)をそれぞれ用いる。昇温したときの電流-電圧特性から燃料電池の発電効率を評価した。このときの昇温を通常の電気炉およびミリ波照射加熱で行い、発電効率を比較した。
発電効率の向上が認められる系について電気化学評価を行った。具体的には電気化学的インピーダンス(EIS)測定を行い、全抵抗から界面抵抗(アノード、カソード)を分離したミリ波加熱方式のSOFCのトータルの性能として、選択加熱による効率の向上やミリ波の発振効率も含めトータルのエネルギー効率を評価した。
SOFCセルの水素極側に水蒸気を導き、電気分解により水素を製造した。この時の通電量と水素製造量の関係を通常電気炉とミリ波昇温で比較し、水素製造効率の評価を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高温酸化物形燃料電池のみならず高温水蒸気電解セルにおいてもミリ波照射による電解効率の向上を見出し、論文発表した。また、律速段階とされるカソードでの電気化学インピーダンス測定を行いミリ波照射下での抵抗値の現象を見出した。電解質のイオン伝導促進に加え、酸素原子の拡散促進を見出した。

Strategy for Future Research Activity

ジルコニア系高温酸化物形燃料電池、並びに高温水蒸気電解セルにおいてミリ波照射下での特性向上が認められたので、電解質をセリアに変更した同様に高温電気化学デバイスの特性評価を行うとともに電気化学インピーダンス法により反応を切り分け評価する。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (11 results)

  • [Journal Article] Change in the Performance of High Temperature Electrochemical Devices on Irradiation of Millimeter-wave as a Reaction Facilitating Field2023

    • Author(s)
      FUJIWARA Takuro、TERANISHI Takashi、KISHIMOTO Akira、SUDA Seiichi
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy

      Volume: 70 Issue: 9 Pages: 387-391

    • DOI

      10.2497/jjspm.23-00013

    • ISSN
      0532-8799, 1880-9014
    • Year and Date
      2023-09-15
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Thermal Shock Resistance of Layered Ceramics Constitute of Composite Surface Layers with Dispersoids Showing Negative Thermal Expansion2023

    • Author(s)
      UENO Takaya、KONDO Shinya、TERANISHI Takashi、KISHIMOTO Akira
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy

      Volume: 70 Issue: 8 Pages: 376-379

    • DOI

      10.2497/jjspm.23-00011

    • ISSN
      0532-8799, 1880-9014
    • Year and Date
      2023-08-15
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Ceria-based solid electrolyte exhibits superior mechanical and electric properties compared to zirconia-based solid electrolyte2022

    • Author(s)
      Kishimoto Akira、Umemura Taiga、Kondo Shinya、Teranishi Takashi
    • Journal Title

      Ceramics International

      Volume: 48 Issue: 15 Pages: 21824-21831

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2022.04.166

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation of superplastic-foamed zirconia-based ceramics using foaming agent and a superplasticity facilitator derived from rice husk2022

    • Author(s)
      Kishimoto Akira、Tanaka Kentaro、Teranishi Takashi
    • Journal Title

      Journal of Porous Materials

      Volume: 29 Issue: 1 Pages: 153-159

    • DOI

      10.1007/s10934-021-01156-3

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrafast charge transfer at the electrode-electrolyte interface via an artificial dielectric layer2021

    • Author(s)
      Teranishi Takashi、Kozai Kaisei、Yasuhara Sou、Yasui Shintaro、Ishida Naoyuki、Ishida Kunihiro、Nakayama Masanobu、Kishimoto Akira
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: 494 Pages: 229710-229710

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2021.229710

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Ultrafast Ion Transport via Dielectric Nanocube Interface2021

    • Author(s)
      T. Teranishi, R. Yamanaka, K. Mimura, M. Yoneda, S. Kondo, K. Kato, A. Kishimoto
    • Journal Title

      Advanced Materials Interfaces

      Volume: 8 Issue: 4 Pages: 2101682-2101687

    • DOI

      10.1002/admi.202101682

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] イットリア添加量が異なるBaZrO3基電解質積層体の電気・機械特性2023

    • Author(s)
      小峯 大哉,近藤 真矢,寺西 貴志,岸本 昭
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2023年度春季大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] セリア基電解質のミリ波照射による還元強化とSOFCへの応用2023

    • Author(s)
      湊 晴貴, 近藤 真矢, 寺西 貴志, 岸本 昭
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2023年度春季大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 水和に伴うプロトン伝導性電解質の機械特性変化2023

    • Author(s)
      上野鳳也, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2023年度秋季大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] プロトン伝導性セラミックスの水和反応に伴う強度変化2023

    • Author(s)
      上野鳳也, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • Organizer
      セラミックス基礎科学討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] セリアセラミックスの還元強化と各種希土類添加による諸特性変化2023

    • Author(s)
      上原大河, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • Organizer
      セラミックス基礎科学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ミリ波昇温時のランタンガレート基SOFCのカソード抵抗変化2023

    • Author(s)
      清水宏敦,寺西貴志,近藤真矢,岸本昭
    • Organizer
      セラミックス基礎科学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 各種希土類添加セリアセラミックスの還元処理前後の電気・機械特性変化2022

    • Author(s)
      上原大河, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2022年度秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ランタンガレート基SOFCのカソード抵抗成分に及ぼすミリ波昇温の影響2022

    • Author(s)
      清水宏敦,寺西貴志,近藤真矢,岸本昭
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2022年度秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 水蒸気処理中のBaZrO3基セラミックスの過渡的特性変化2022

    • Author(s)
      宮本湧也,北堀悠大、近藤真矢, 寺西貴志、岸本昭
    • Organizer
      セラミックス基礎科学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 水蒸気処理によるBaZrO3基セラミックスの強化2021

    • Author(s)
      宮本湧也,近藤真矢, 寺西貴志、岸本昭
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2021年度秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] セラミックス点字実現のための超塑性発泡法の利用2021

    • Author(s)
      大内崇弘,近藤真矢, 寺西貴志 、岸本昭
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2021年度秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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