2021 Fiscal Year Annual Research Report
大規模二酸化炭素資源化のための金属基板固体酸化物電気分解セルスタックの開発
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19H02807
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
加藤 之貴 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (20233827)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高須 大輝 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (00833922)
佐伯 功 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (50235090)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 二酸化炭素資源化 / 電気分解 / 一酸化炭素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素(CO2)を資源として循環する炭素循環エネルギーシステムの産業実装による産業の革新的な低炭素化が本研究のゴールである。CO2の還元・資源化がキーテクノロジーであり、本研究では固体酸化物電気分解セル（Solid Oxide Electrolysis Cell、SOEC）を用いたCO2還元によるCO2資源化を目指している。社会実装に必要な大量還元の大面積化を実現するため、金属基板上にSOECを製膜した新たな金属基板支持SOEC (MS-SOEC)の開発を進め、セルの大面積化、大規模CO2還元の可能性を示し、合わせて、積層化（スタック化）のための技術課題の解決を目指した。
SOECの構造は既に実用が進んでいる固体酸化物燃料電池（SOFC）と同等の構成を有している。技術のボトルネックはセルの大面積化である。そこで金属基板上にSOECを製膜した金属基板支持SOEC (Metal Supported-SOEC, MS-SOEC)を開発した。本研究ではMS-SOECの大面積化、スタック化の課題の特定と解決を進め、大容量CO2還元の概念実証を目的とする。大面積セルの製作パラメータは金属基板構造、大気圧プラズマ溶射にそれぞれにあり、これらの製作パラメータの最適化を行い性能向上を計った。MS~SOECによるCO2電気分解そして一酸化炭素（CO）、酸素生成の実証に成功している。他に事例が見られず独自性の高い成果と判断された。COは炭素材料の素材物質として有用である。本研究ではMS-SOECの製作と実験的検討を行い、MS-SOECの有用性を検討することとした。
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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
SOECの構造は固体酸化物燃料電池（SOFC）と同等の構成を有している。技術のボトルネックはセルの大面積化である。金属基板上にSOECを製膜した金属基板支持SOEC (Metal Supported-SOEC, MS-SOEC)を開発した。大面積セルの製作パラメータは金属基板構造、大気圧プラズマ溶射にそれぞれにあり、これらの製作パラメータの最適化を行い性能向上を計った。MS~SOECによるCO2電気分解そして一酸化炭素（CO）、酸素生成の実証に成功した。他に事例が見られず独自性の高い成果と判断された。COは炭素材料の素材物質として有用である。当初製作したセルには電極間の気体の透過が見られた。電解質層の空隙の存在が原因とわかり、電解質層の緻密化を目指した。溶射原料の粒子径を小さくする、さらに溶射条件の調整で透過量の削減、反応効率の増大を確認できた。得られた成果を基に産業応用を想定し、MS-SOECを利用した能動的炭素循環エネルギーシステム(ACRES)の低炭素化貢献性を定量的に検討した。MS-SOECの導入により直接還元式製鉄であれば、一次エネルギー源である石炭の3割程度の削減が期待できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
原理実証に成功した金属基板SOEC（MS-SOEC）の製作方法を確立し、MS-SOECの大面積化とMS-SOECの積層化（スタック化）のための課題抽出と解決を進める。セル成膜条件のさらなる最適化を進める。知見を基に大面積セルの製作パラメータの最適化を行い性能向上を計る。MS-SOECの積層化（スタック化）のためにインターコネクタ、多段層間の封止技術等の基礎検討を進める。得られた成果を基に産業応用を想定しMS-SOECを利用したACRESの低炭素化貢献性を定量的に示す。
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