第一原理欠陥濃度計算によるPCFC空気極材料の探索
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22K05307
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
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Principal Investigator |
田口 綾子 (小西) 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 研究員 (80759572)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | プロトン伝導体 / 第一原理計算 / PCFC / 熱平衡点欠陥濃度計算 / 空気極材料 / プロトン / 点欠陥 |
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| Outline of Research at the Start |
プロトン伝導性セラミックス燃料電池(PCFC)空気極にプロトン・電子混合伝導体材料を用いた場合、反応領域が増えることで性能が向上すると期待されている。導電率は濃度に依存することから、本研究課題では電荷キャリア濃度に着目し、第一原理計算を用いてペロブスカイト型酸化物空気極候補材料を母材とした熱平衡濃度欠陥を解析して各種ドーパント添加時の電荷キャリア濃度を評価する。その結果をもとに理論的にPCFC作動温度で高プロトン・高電子濃度となる母材とドーパントの組み合わせを探索し、PCFC空気極材料の設計指針を獲得することを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
中温度域で作動する低コスト・高効率の次世代燃料電池として期待されているプロトン伝導性セラミックス燃料電池（PCFC）は、空気極材料での大きな過電圧が実用化の障壁の一つとなっている。プロトン-電子混合伝導体を空気極に用いることで、反応領域が拡大し性能が向上することが期待されている。本研究では、理論的にPCFCの作動温度で高いプロトンおよび電子濃度を持つドーパントと母材の組み合わせを探索し、空気極材料の設計指針を確立することを目的としている。プロトン伝導率はドーパントの種類やプロトン濃度に依存するため、これらを最適化することでプロトン伝導率の向上が期待できる。例えば、置換固溶したドーパント近傍は相対的に負に帯電している。そのため、正電荷を帯びたプロトンはドーパント近傍で安定し、トラップされやすくなる。すなわち、ドーパントとの会合エネルギーを最小化し、フリープロトン濃度が最大になるようにすることでプロトン伝導率を向上させることが期待出来る。本研究では、ドーパントごとの会合強さを解析するために、アクセプター元素であるSrおよびBaとプロトンが近接位置に存在し、LaCoO3の単位格子を2x2x1に拡張した120原子を含むスーパーセル内に存在する会合体モデルを構築し、ドーパント近傍でのプロトントラッピングの影響を解析するために、水酸化物イオンおよび酸化物イオン空孔とドーパントの単純な欠陥会合エネルギーを計算した。その結果、SrおよびBaの両方のドーパントにおいて、水酸化物イオン欠陥とドーパントとの距離が第一近接である場合に、最も強く会合することが示された。
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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
本年度に予定していたドーパントと水酸化物イオン欠陥の複合欠陥構造計算を実施しており、研究は概ね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
添加されるドーパントにより、プロトン伝導体の電気化学的特性は大きく変化することが知られている。本研究では、SrおよびBaドーパントを含む熱平衡欠陥濃度の温度および分圧依存性を解析し、熱平衡欠陥濃度解析を通じてドーパント添加時のプロトン量および電荷キャリア量を評価することを試みる。得られた結果を基に、材料設計指針を確立することを目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
