プロトンセラミックス燃料電池空気極のプロトン活性領域可視化と高性能電極への展開
Publicly Offered Research
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
19H05044
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中村 崇司 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (20643232)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | プロトン伝導性セラミックス / 燃料電池空気極 / 酸素還元反応 / プロトン伝導セラミックス燃料電池 / 空気極 / XAFS / プロトンセラミックス燃料電池 / プロトンセラミックス型燃料電池 / 電極反応場 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究ではクリーンで高効率な次世代型エネルギー変換デバイスとして期待されるプロトンセラミックス燃料電池（PCFC）の高性能空気極創製に向け、PCFC実電極を適切にモデル化したモデルパターン電極および放射光X線を用いた「Operando計測技術」を駆使することで、PCFC空気極におけるプロトン活性領域の分布を明らかにし、電極の反応活性の起源を明らかにする。これにより学術的知見に基づいた材料選択、電極設計および開発指針を提案し、高性能かつ高信頼性なPCFCの実現を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では高効率エネルギー変換可能なプロトン伝導性セラミックス燃料電池の空気極における反応領域および反応機構を明らかにして、高性能空気極の設計指針を確立することを目的としている。それに向け、今年度は酸化物イオン-プロトン-電子混合導電性材料(Ba,Gd,La)2Co2O6を対象に、電極/電解質の二相界面の寄与と電極/電解質/気相の三相界面の寄与を別々に評価することが可能なパターンモデル電極を作製し、二相界面と三相界面のどちらが主要な反応場として機能するのかを検討した。
当初の予想通り、(Ba,Gd,La)2Co2O6は十分なプロトン伝導性を有しており、二相界面が反応場として機能することが電気化学特性評価より明らかになった。これは(Ba,Gd,La)2Co2O6電極がプロトンセラミックス燃料電池空気極として高い電極特性を示す理由の一つであると考えられる。また電極内に三相界面を導入することで電極特性がやや向上することから、(Ba,Gd,La)2Co2O6電極では電極/電解質の二相界面だけでなく、電極/電解質/気相の三相界面でも空気極反応が進行することを明らかにした。
また空間分解能を有したマイクロX線吸収分光測定により、酸素ポテンシャル分布（酸素の反応駆動力）が界面から数マイクロメートル広がっていることを明らかにした。これは電極/電解質の二相界面反応が予想よりも拡張していないことを示す結果であり、酸化物イオン-プロトン-電子混合導電性材料であっても、ある程度の三相界面を確保することが高性能化につながることを示唆している。
以上をまとめると、十分なプロトン伝導性を有した混合伝導性材料であっても、電解質とコンポジット化するなど、ある程度の三相界面を確保することが高性能化につながると考えられる。
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
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[Presentation] Evaluation of the electrode reaction mechanismin an La0.6Sr0.4CoO3-δ PCFC cathode2019
Author(s)
K. Nishidate, Y. Shinomiya, K. Mizuno, Y. Kimura, T. Nakamura, K. Yashiro, T. Kawada, Y. Mikami, S. Onuma, T. Kuroha, N. Taniguchi, Y. Tsuji, K. Amezawa
Organizer
22nd International Conference on Solid State Ionics
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Int'l Joint Research
