プロトン導電性セラミックスの水素ポンプ機能とその応用に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10305048
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 岩原 弘育 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 教授 (80023125)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松本 広重 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 助手 (70283413) ; 志村 哲生 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 助手 (30273254)
• Keywords: プロトン導電性セラミックス / 水素ポンプ / 水素分圧制御装置 / 電気化学的除湿 / 水素センサ / 電極反応 / 窒素酸化物の除去 / 水素関連工業

Research Abstract

本研究は、プロトン導電性セラミックスの電気化学的水素ポンプ機能を解明し、これを水素関連の工業プロセスや科学装置に活用するための工学的指針を得ること、各種ディバイスに水素ポンプを活用すること、ならびに各種の新しいプロトン導電性セラミックスを合成して水素ポンプに使用できる材料に多様性をもたせることを目的として行われたものである。
本研究により、高温型プロトン導電性セラッミクスを用いた電気化学水素ポンプのアノードおよびカソードにおける水素電極反応と電極挙動について詳細な知見を得ることができた。また、水素ポンプ機能を十分に発揮させるために必要な電極構造やガス中の水分量、作動温度などの諸条件を究明できた。これらの知見をもとに、ポンプ電流密度1Acm^<-2>以上でも電流効率ほぼ100%で作動する水素ポンプを試作することに成功した。
さらに、プロトン導電性セラミックスのこのような水素ポンプ機能と電気化学的な起電機能を組み合わせて、混合ガス中の水素分圧を任意の値に制御できる水素分圧制御装置を試作し、これが都合よく作動することを実証した。また、水素ポンプ機能を利用した電気化学的除湿装置や基準ガスを必要としない起電力式水素センサをつくりうることも実証できた。水素ポンプ機能に関する本研究の成果は、水素ポンプを用いた排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元除去装置の開発研究にも活かされた。
このほか、本研究ではこのような水素ポンプ機能を有する幾種かのプロトン導電性酸化物を創製することができた。すなわち、Sr_2YTaO_6、LaSrAlO_4、La_<5.8>WO_<11.7>、La_3NbO_7、LaScO_3、SrZrO_3などを母体としその組成を一部ずらすか特定のドーパントで部分置換することにより、高温、水素雰囲気でプロトン導電性を示すことを新たに見出した。

Research Products

• [Publications] H.Matsumoto 外2名: "Automatic regulation of hydrogen partial pressure using a proton conducting ceramic based on SrCeO_3"Solid State Ionics. 116. 99-104 (1999)
• [Publications] H.Iwahara: "Hydrogen pumps using proton-conducting ceramics and their applications"Solid State Ionics. 125. 271-278 (1999)
• [Publications] H.Matsumoto 外2名: "Current efficiency of hydrogen pomp using a high temperature proton conductors SrCe_<0.95>Yb_<0.05>O_<3-α>"Solid State Ionics. 127. 345-349 (2000)
• [Publications] H.Matsumoto 外3名: "Transient phenomena of electrochemical hydrogen pump using SrC eO_3-based proton conductor"Solid State Ionics. 129. 209-218 (2000)
• [Publications] T.Kobayashi 外3名: "Reduction of Nitrogen Oxide Using a Perovskite -type Protonic Conductor SrCe_<0.9>Yb0.10_<3-α>"Electrochemistry. 68. 494-498 (2000)
• [Publications] H.Iwahara 外2名: "Electrochemical dehumidification using proton conducting ceramics"Solid State Ionics. 136-137. 133-138 (2000)
• [Publications] R.V.Kumar and H.Iwahara: "Solid Electrolytes"Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths Vol 28. 55 (2000)