2018 Fiscal Year Annual Research Report
イオン・電子輸送に基づく動的構造制御とエネルギー貯蔵型燃料電池の開発
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17H00801
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大友 順一郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (90322065)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 低炭素社会 / 燃料電池 / イオン伝導体 / 酸化還元反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギー貯蔵型燃料電池の開発を目的とし、H30年度は、これまで開発を進めてきたCaTi1-xFexO3（CTFO：鉄ドープカルシウムチタネート）を基とした酸素キャリア粒子を合成し、水素生成反応速度の評価を行った。FeTiO3（IL：イルメナイト）とCaを反応させることで作製したCa改質イルメナイト（Ca-IL）は、内部にCTFOとILのドメインを有しており、酸化物イオン・電子混合伝導性を有する複合型酸素キャリアとして、水素還元後の水蒸気との再酸化による水素生成反応速度の評価に用いられた。純ILと比較してCa-ILによる水素生成反応速度の向上が観測された。さらに、流動層内での律速過程について検討を行ったところ、温度上昇に対して表面反応律速から物質移動律速への移行が確認された。
続いて基礎デバイスとなるエネルギー貯蔵型燃料電池の単セルの開発を行った。前年度の電解質材料の輸送特性評価の結果に基づき、プロトン伝導性固体酸化物であるタングステン酸ランタン（LWO）を電解質に用いた単セルの性能評価を行った。電解質と電極間の反応を防止する中間層を導入することで、その単セル性能に与える影響評価を行った。具体的には、LWOを電解質に用いた単セルについて、中間層に用いたガドリニアドープセリア（GDC）が電極反応に与える影響について評価を行った。電子顕微鏡および界面の組成分析の結果から、GDCを中間層に用いることで電極・電解質界面が安定に保持されることが明らかになった。また、GDCの低プロトン伝導性がセル性能に与える影響は限定的であることもわかった。アノード支持型セルによる起電力測定の結果より、LWOのホール伝導を考慮した理論起電力に一致する起電力が観測されたことから、LWOを薄膜電解質に用いたエネルギー貯蔵型燃料電池の高効率エネルギー変換の実現可能性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
エネルギー貯蔵型燃料電池の活物質である酸化物イオン・電子混合伝導性を有する複合型酸素キャリア（Ca改質イルメナイト:Ca-IL）の合成を行い、今年度は、水蒸気との再酸化による水素生成反応速度の向上を観測することができた。複合酸素キャリア内に生成したカルシームチタネートのドメインとイルメナイトのドメイン間の界面において水素生成反応が促進したと考えられ、高性能活物質の一つとしてCa-ILの利用の可能性が示唆された。さらに、流動層反応器の速度論解析から、表面反応から気泡とエマルジョン相間の物質移動に至る反応器内の律速過程を定量的に示すことができた。この結果は、提案するシステムの性能評価に対する重要な知見になる。また、これまで検討を行ってきた酸素キャリア粒子の酸化還元時の形態変化についての観測成果を投稿論文にまとめ公開した。
燃料電池のセル化については、これまでの湿式プロセスからパルスレーザーデポジション（PLD）装置による乾式プロセスに移行することで、タングステン酸ランタン（LWO）を薄膜電解質に用いた単セルを作製することができた。さらに、PLDによりガドリニアドープセリア（GDC）の中間層も安定に成膜することができるようになり、電解質薄膜と中間層間の輸送現象の議論を行えるようになった。観測したセル起電力も、LWOのホール伝導度を考慮した理論起電力と概ね一致しており、今後の理論解析にも適用できるセル開発を行うことができた。ただし、観測されたセル電圧の低下は、電極抵抗が主要因であるため、電極性能の改善が必要である。さらに、GDCに代わる中間層としてプロトン伝導体であるランタンセレートの薄膜も合成することができるようになり、次年度からより高効率な電極支持型のプロトン伝導性固体酸化物形燃料電池の作製が可能である。従って、総じて研究目的に対し有益な成果が得られたと判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
エネルギー貯蔵型燃料電池の性能向上に向けて、異相接合型プロトン伝導性固体電解質薄膜の輸送特性の観測を行う。PLDを用いた混合伝導体の異相接合薄膜を作製し、異相界面における起電力上昇の機構を解明するために界面構造のキャラクラリゼーションを実施し、電気化学測定による界面のポテンシャル変化と輸送特性の解明を行う。
PLD装置およびRFスパッタリング装置を用いて積層型セル化技術の構築を行う。バリウムセレート系やタングステン酸ランタン系を中心に電解質材料の検討を行う。また、酸化物イオン伝導体を用いた異相接合型の電解質についても併せて検討する予定である。異相接合界面形成と電極界面のイオン輸送現象の解明を進めると共に界面構造の最適化を行うことで、高性能セルの検討を行う。また、発電実験と共に水蒸気電解時の電極特性の評価も実施する。
さらに、電極活物質である酸素キャリア粒子の反応速度と反応器特性の相関について検討する。水蒸気電解で生成した水素による酸素キャリア粒子の還元反応と水蒸気による再酸化に基づく水素製造プロセスについて、酸素キャリア粒子の反応速度解析を行い、その反応速度の情報に基づく反応器の設計と性能評価を実施する。並行して水蒸気電解セルの数値モデルによる評価を行い、最終年度に向けたシステム全体のモデル評価を進める。
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