Elucidation of the mechanism of inhibition of electrochemical reactions by adsorption of trace gases in intermediate-temperature fuel cells

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02437
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 畑田 直行 京都大学, 工学研究科, 助教 (00712952)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: プロトン伝導セラミックス型燃料電池 / PCFC / 二酸化炭素 / 二酸化硫黄 / 過電圧

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、プロトン伝導セラミックス型燃料電池（PCFC）の酸素極へ実際の空気を供給した際に起こる微量ガス種（CO2, SO2など）の吸着現象・副反応と、それが電極反応へ及ぼす影響を、電気化学測定および熱力学解析を駆使して明らかにすることを目的としている。また、その結果に基づき、微量ガス種による電気化学反応阻害を防止し、空気を用いて安定的に発電するためのPCFC電極・電解質の材料選択指針および動作条件指針を提案し、実証することを目指している。
令和3年度は熱重量測定 (TG) 装置を用い、空気極材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF6428) 粉末と濃度1000 ppm のCO2ガスとの、ごく微量の反応量の経時変化の測定に成功した。500 ℃および800 ℃において、LSCF6428粉末上への供給ガスをArからAr-1000 ppm CO2に切り替えると、LSCF6428粉末の重量が数分で0.2 - 0.3 % 急激に増加した後、緩やかに減少した。従ってCO2の初回導入時にはLSCF6428表面上で少なくとも2種類の反応が連鎖的/競合的に起こっていると考えられる。その後、CO2濃度を0 ppmおよび1000 ppmの切り替えるたびに、0.02 %程度の微量の重量増減が数分で起こり、それは可逆的に繰り返された。この数分での重量変化は、令和2年度に確認された空気極対称セルへのCO2含有ガス供給時のセル抵抗増大と対応していると考えられ、この反応式が特定できればセル抵抗増大のメカニズムが解明できると期待される。しかし、上記のTG測定前後でLSCF6428試料のX線回折 (XRD) パターンに変化はみられず、生成物はごく微量であるか非晶質であると考えられ、具体的な反応式の特定には至らなかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和3年度は、当初予定していた研究内容である「100時間以上の長期的なCO2, SO2とLSCFとの反応挙動と電極反応への影響の解明」には至らなかった一方で、「研究実績の概要」に示したように短期的な反応のメカニズム解明の手掛かりとなる有意義な成果が得られたことから、総合的な進捗状況はおおむね順調であると自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度は、電極材料の表面でCO2との間で起こる反応の詳細を明らかにし、その反応抑制のための知見を得ることを目指す。具体的には、LSCFの構成元素の濃度が異なる試料およびまったく別の電極材料を用いて、CO2供給時の重量変化を調査し、CO2との反応に主に寄与する固体成分を明らかにする。また、熱重量測定装置の前後にO2、CO2ガスセンサーを設置し、反応にかかる気相側の物質収支を押さえる。これらにより、電極材料表面で起こる2種類の反応の反応式を推定する。