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	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
Project Status	Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000) 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 / 空気極 / 酸素極 / 被毒 / PCFC / 二酸化炭素 / 二酸化硫黄 / 過電圧
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 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2年度は電解質にBaZr0.8Y0.2O3-δ (BZY20) 焼結体、空気極にLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF6428)を用いた空気極対称セルを作製し、500℃、Ar-20%O2-1.5%H2O雰囲気において一方の電極の雰囲気に微量ガス種(CO2またはSO2)を混合し、その濃度を変化させて電気化学測定を行った。その結果、500ppm CO2(大気中濃度と同程度)を供給した場合には数分でセル抵抗が増大したが、40ppb SO2 (大気中濃度の約10 倍) を導入したセルでは大きな変化はなかった。微量ガス種を供給し24時間経過後に電流遮断測定を行ったところ、CO2を導入したセルで電極過電圧の増大が認められた。したがって、500℃において24時間程度の短期スケールでは、LSCF空気極への空気供給時の過電圧増大の主因はCO2であり、SO2の影響は小さいことが分かった。一方、熱力学計算によれば空気中のSO2とLSCFが反応してSrSO4が生成することが熱力学的に安定であり、高温XRD測定でも空気中500℃でSrSO4の生成が確認された。さらに、ガス吸着測定やXPS測定により、LSCFとCO2, SO2の反応は速度論の影響を強く受けており100時間もしくはそれ以上の長期スケールで進行することがわかった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和2年度は、当初予定していた研究内容である、空気極過電圧に影響を及ぼす反応物の特定について、「研究実績の概要」に示したように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	今年度は、実用上重要となる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を解明する。そのため、反応量の経時変化の連続的な測定や加速試験を試みる。これらにより空気極に対するCO2, SO2の影響の評価基準を確立し、次年度以降は空気中で安定に動作可能なPCFC実現に向けた種々の電極材料・動作条件の検討を行う。