2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of Solid Oxide Fuel Cells resistant for oxidation and reduction
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20K15392
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| Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
山口 真平 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 研究員 (40761002)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 固体酸化物形燃料電池 / 酸化・還元耐性 / 再生可能エネルギー / バイオマス / 水素 / エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、①Ni-Al-Zr系複合酸化物（NAZO）の酸化・還元による結晶構造変化および機械強度、②燃料極支持SOFCの作製手法の確立、③高燃料利用率のバイオマスガス化ガスにおけるSOFCの実用性能の検討、ならびに④Zn-Mn-Ni系導電性複合酸化物（ZMNO）を含む燃料極を備えたSOFCの電気化学特性ならびに再生機能について検討した。
①について、酸化・還元により結晶が再生するNiAl2O4を含む酸化物（NAO）を還元した触媒は、活性金属であるNiの凝集を抑制でき、炭化水素の改質活性に優れるが、成型時の圧壊強度が低かった。NAOにZrを添加した酸化物（NAZO）は、再生機能および炭化水素改質活性に優れるだけでなく、NAZO成型体はNAOより約5倍以上の圧壊強度を有することが明らかとなった。
②について、より実用的なSOFCの性能を評価するため、燃料極および電解質の酸化物粒子を圧粉成型および焼成することにより、安定した燃料極支持SOFCの作製手法を確立した。
③について、部分燃焼により調整した高燃料利用率のバイオマスガス化ガスをボタンセルに供給することにより、スタックの性能予測を検討した。約77%の燃料利用率の調製ガスにおけるセルの特性から、スタックの性能を予測した。
④について、共沈法により合成したZn-Mn-Ni系複合酸化物（ZMNO）、NiO、ならびにYSZを複合化した燃料極（ZMNO-NiO-YSZ）を備えたSOFCを作製し、電気化学特性および酸化・還元耐性を調べた。ZMNO-NiO-YSZの電気化学特性はNiO-YSZよりも優れるが、使用に伴って構造が変化することで性能が大幅に低下することが明らかとなった。
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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
①計算熱力学による安定な複合酸化物組成の解明、②酸化・還元耐性の高いセルの作製条件の解明、③実用条件に近いガス雰囲気での燃料極の電気化学特性の解明について順調に進捗した。
①について、Ni-Al-Zr複合酸化物（NAZO）について、熱力学計算および文献調査により結晶相を調べた。Zrは、単斜晶および正方晶のZrO2としてNiAl2O4と独立して存在していることが明らかとなった。また、Zn-Mn-Ni系の複合酸化物は、導電性を有するZnMn2O4にNiが含まれ、還元によりNiが結晶から解離・析出することが示唆された。これらの材料について、電極としての観点から、電解質との反応性、熱安定性、酸化・還元耐性について総合的に検討した。
②について、NAZOは還元時にNiAl2O4から5-10 nmのNi粒子が析出し、活性点が多く形成されるため、高い炭化水素改質活性を示した。NAZOは酸化・還元による再生機能を有するだけでなく、成型体の圧壊強度はNAOの約5倍高いことが明らかとなった。NAOを加えたNiO-YSZ燃料極は微細なNAO粒子が分散しており、燃料極の酸化時の膨張応力を緩和する可能性が示唆された。また、SOFCの実用性能を評価するために、圧粉法により燃料極支持SOFCを作製する手法を確立した。
③について、ZMNO、NiO、ならびにYSZを複合化した燃料極（ZMNO-NiO-YSZ）を備えたSOFCの作製および特性評価を行った。ZMNO-NiO-YSZにおいて、導電性を有するZnMn2O4は燃料極の三相界面を拡張するため、電極活性を向上したが、性能は低下することが示唆された。また、より実用的なスタックの性能を調べるため、高燃料利用率に調整した模擬バイオマスガス化ガスにおけるボタンセルの電気化学特性を評価することでスタックの性能をシミュレートした。
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| Strategy for Future Research Activity |
酸化・還元耐性に優れたSOFCの開発に向け、①計算熱力学による安定な複合酸化物組成の解明、②酸化・還元耐性の高いセルの作製条件の解明、③実用条件に近いガス雰囲気での燃料極の電気化学特性の解明について研究を継続する予定である。
①について、ZMNO-NiO-YSZ燃料極の構造が変化する原因の調査および構造変化の抑制方法について検討を進める。また、電子伝導性およびイオン伝導性を有し、電解質との反応性が低く、酸化・還元耐性があり、Niを取り込める複合酸化物を探索する。候補物質を実際に合成することにより諸特性を明らかにする予定である。
②について、再生機能を有する酸化物を加えた燃料極支持セルを作製し、セルの酸化・還元耐性、電気化学特性、および構造について検討を進める。特に燃料極の強度は、材料成型体の圧壊強度試験を行うことで明らかにする。また、燃料極の構造は集束イオンビーム－走査型電子顕微鏡複合装置などを用いて詳細に調べる予定である。
③について、より実用的な評価を行うために、電解質支持に加えて燃料極支持SOFCの作製および評価を進める。また、燃料利用率を調製した燃料ガスにおけるボタンセルの評価を行うことでより実用的なシチュエーションにおいて電気化学特性を評価する。そのうえで、再生する酸化物を含む燃料極を備えたセルの酸化・還元耐性、電気化学特性、および課題を総合的に明らかにする予定である。
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| Causes of Carryover |
本年度は、熱力学計算ソフト（CaTCalc Xe）の更新や計算のためのデータベース作成に必要な更新費用が発生しなかった。また、参加を予定していた会議がオンライン開催となったため、参加費や渡航費などが予定よりも少なくなった。さらに、本年度は採用の遅れにより任用期間が短くなったため、人件費の支出も予定よりも少なくなった。以上の理由により、発生した次年度使用額を、次年度に必要な消耗品の購入予算や人件費に使用する計画である。
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Research Products
(6 results)
