2023 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of rapid start-up and high-efficiency high-temperature electrochemical device using millimeter-wave irradiation
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21H01623
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
岸本 昭 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (30211874)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
須田 聖一 静岡大学, 工学部, 教授 (50226578)
寺西 貴志 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (90598690)
近藤 真矢 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 助教 (20890205)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ミリ波加熱 / 高温酸化物形燃料電池 / 高温水蒸気電解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
蛍石蛍石型およびペロブスカイト型酸化物セラミックスのイオン伝導度を、ミリ波照射加熱時と通常の電気炉加熱時で比較したところ、同じ温度でも前者の導電率が高いことを見出した。このイオン伝導促進により、これまでの作動温度で運転した場合、オーム損失の少ない固体電解質からなるデバイスを構成できる可能性が示された。また、電解質部の導電率を保ったまま作動温度を低下させることも可能であり、電解質のみの選択加熱効果を考慮すれば、電解質以外の構成部品を更に低温に保つことができる。
本研究は、高温で動作する電気化学デバイスの加熱方式をミリ波照射に変更することにより、選択加熱効果および導電率向上による加熱エネルギーおよびオーム損失の低減を図り、エネルギー効率向上の可能性を探ることを目的としている。高温電気化学デバイスとしてまず、ミリ波照射下で動作する高温酸化物形燃料電池（SOFC）を作製した。電解質にはこれまでに最適化されたジルコニア系酸化物イオン伝導体を用い、アノード（水素極）にはNi-YSZ系サーメット、カソードとしてはLa0.8Sr0.2MnO3（LSM）をそれぞれ用いる。昇温したときの電流－電圧特性から燃料電池の発電効率を評価した。このときの昇温を通常の電気炉およびミリ波照射加熱で行い、発電効率を比較した。
発電効率の向上が認められる系について電気化学評価を行った。具体的には電気化学的インピーダンス（EIS）測定を行い、全抵抗から界面抵抗（アノード、カソード）を分離したミリ波加熱方式のSOFCのトータルの性能として、選択加熱による効率の向上やミリ波の発振効率も含めトータルのエネルギー効率を評価した。
SOFCセルの水素極側に水蒸気を導き、電気分解により水素を製造した。この時の通電量と水素製造量の関係を通常電気炉とミリ波昇温で比較し、水素製造効率の評価を行った。
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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
高温酸化物形燃料電池のみならず高温水蒸気電解セルにおいてもミリ波照射による電解効率の向上を見出し、論文発表した。また、律速段階とされるカソードでの電気化学インピーダンス測定を行いミリ波照射下での抵抗値の現象を見出した。電解質のイオン伝導促進に加え、酸素原子の拡散促進を見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ジルコニア系高温酸化物形燃料電池、並びに高温水蒸気電解セルにおいてミリ波照射下での特性向上が認められたので、電解質をセリアに変更した同様に高温電気化学デバイスの特性評価を行うとともに電気化学インピーダンス法により反応を切り分け評価する。
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