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

Research Project

Project/Area Number	20H02437
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	Hatada Naoyuki 京都大学, 工学研究科, 助教 (00712952)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000) Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000) Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000) Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
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 / 空気極 / 酸素極 / 被毒 / プロトン伝導セラミックス型燃料電池
Outline of Research at the Start	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。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。
Outline of Final Research Achievements	CO2 is identified as the main cause of the short-term increase in overpotential when air is supplied to the cathode of a proton-conducting ceramic fuel cell (PCFC) with La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF6428) cathode and BaZr0.8Y0.2O3-δ (BZY20) electrolyte. In the operating temperature range of PCFCs (500-600°C), a trace amount of CO2 was found to be adsorbed on the surfaces of LSCF and BZY (the amount corresponds to about a monolayer assuming uniform adsorption).
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究の成果である空気中の微量成分の酸素極への影響とそのメカニズムは、PCFCの酸素極で空気をそのまま利用し安定的に発電することにつながる先駆的な知見である。将来的にはPCFCの実用化と水素社会の実現に貢献することが期待される。また、高温の雰囲気制御下において粉末表面での微量の気固反応を捉える本研究の手法は、他の基礎研究にも応用できる可能性がある。