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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Design of proton-conducting solid oxide electrolysis cells and electrochemical reactors for ammonia electrosynthesis systems

Research Project

Project/Area Number 22KJ0807
Allocation TypeMulti-year Fund
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

岡崎 萌  東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Keywordsアンモニア電解合成 / 窒素還元 / プロトン伝導セラミック電解セル / 固体酸化物 / エネルギーキャリア
Outline of Annual Research Achievements

令和5年度にはアンモニア電解合成に向けたプロトン伝導性セラミック電解セル(PCEC)における電気化学的触媒促進効果の反応機構に基づいたセル開発と水蒸気を直接利用する新たなシステムの提案と実証を目指し、セルの開発および電気化学評価を実施した。まず、昨年度実施したカソード電極開発において、鉄電極と電解質の界面で拡散によるセリア系反応層が形成することを確認したが、その層の影響は解明されていなかった。本年度には、その結果から着想したセリアと鉄の混合電極を開発し、セリアと鉄の相互作用によるアンモニア生成の促進を実現した。一方で、反応機構を探るために昨年度装置改造を行った拡散反射型赤外分光測定については、セルに電圧を印加させるその場測定は可能となったが、固体セルを用いた高温での窒素等の吸着測定は技術的に困難であることが示された。また、二室型セルを用い、アノード電極で水蒸気電解を直接行う系を検討した。従来、PCECによるアンモニア電解合成ではアノードに水素ガスが供給され、その水素を製造するために別途水電解の過程が必要とされる。そこで、水蒸気電解を直接アノードで行い、アンモニア生成反応の競合反応として生成する水素をカソードにリサイクルする想定で、水蒸気電解と電気化学的触媒促進効果を一体化させる新たなシステムを提案した。また実験ではアノードで直接水蒸気電解を行い、カソードの水素分圧を増加させることにより、電気化学的触媒促進効果によりアンモニア生成速度が非ファラデー的に上昇する様子を確認し、水蒸気電解のみを用いる既往研究と比較すると20倍以上のアンモニア生成速度の向上を達成した。令和4年度と5年度の研究実績の総括として、本研究ではアンモニア電解合成の電気化学的触媒促進効果に適した電極開発を行い、また作動温度の低減と、水蒸気を直接利用する系のシステム提案と実験での実証に成功した。

  • Research Products

    (6 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Electrode-Supported Protonic Ceramic Electrolysis Cells for Electrochemically Promoted Ammonia Synthesis at Intermediate Temperatures2023

    • Author(s)
      Okazaki Moe、Otomo Junichiro
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 8 Pages: 40299~40308

    • DOI

      10.1021/acsomega.3c04478

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] プロトン伝導性セラミック電解セルによるアンモニア電解合成における水素分圧の影響2024

    • Author(s)
      岡﨑萌, 大友順一郎
    • Organizer
      電気化学会第91回大会
  • [Presentation] Electrode-Supported Protonic Ceramic Electrolysis Cells for Ammonia Electrosynthesis at Intermediate Temperatures2023

    • Author(s)
      Moe Okazaki, Junichiro Otomo
    • Organizer
      243rd ECS Meeting with the 18th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells (SOFC-XVIII)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] アンモニア電解合成に向けた拡散反射フーリエ変換赤外分光法による窒素還元のその場測定2023

    • Author(s)
      岡﨑萌, 大友順一郎
    • Organizer
      化学工学会第54回秋季大会
  • [Presentation] Towards a Combined Water Electrolysis and Ammonia Synthesis Device Based on Protonic Ceramic Conductors2023

    • Author(s)
      Moe Okazaki, Junichiro Otomo
    • Organizer
      21st International Conference on Solid-State Protonic Conductors (SSPC-21)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 大友研究室ホームページ(東京工業大学)

    • URL

      https://www.tse.ens.titech.ac.jp/~otomolab/index.html

URL: 

Published: 2024-12-25  

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