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アンモニア電解合成システムに向けたプロトン伝導型固体セルと電気化学反応器の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0807
補助金の研究課題番号 22J11546 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分64030:環境材料およびリサイクル技術関連
研究機関東京大学

研究代表者

岡崎 萌  東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード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 / プロトン伝導性セラミック電解セル
研究開始時の研究の概要

アンモニアは高いエネルギー密度や水素含有率を持つため、エネルギー貯蔵・運搬への利用が期待されている。従来のハーバー・ボッシュ法によるアンモニア合成では環境負荷が課題であるが、水と空気中の窒素からアンモニアを電気化学的に合成する電解合成法は、再生可能エネルギーの出力変動にも迅速に対応可能である。本研究では、プロトン伝導型固体酸化物電解セルを用い、電極構造やセル構造の工夫などにより、アンモニア電解合成の反応機構に基づいたセル性能の向上と作動温度の低下を目指す。すなわち、高速かつ高効率なアンモニア電解合成を実現する電気化学セルと反応器を開発し、それらを基に新しい電解合成システムを構築する研究である。

研究実績の概要

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。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Electrode-Supported Protonic Ceramic Electrolysis Cells for Electrochemically Promoted Ammonia Synthesis at Intermediate Temperatures2023

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Moe、Otomo Junichiro
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 8 号: 43 ページ: 40299-40308

    • DOI

      10.1021/acsomega.3c04478

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Iron-Based Electrode Structures for Ammonia Electrosynthesis Cells with Proton-Conducting Ceramic Electrolytes2022

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Moe、Otomo Junichiro
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 109 (13) 号: 13 ページ: 3-12

    • DOI

      10.1149/10913.0003ecst

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      岡﨑萌, 大友順一郎
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Electrode-Supported Protonic Ceramic Electrolysis Cells for Ammonia Electrosynthesis at Intermediate Temperatures2023

    • 著者名/発表者名
      Moe Okazaki, Junichiro Otomo
    • 学会等名
      243rd ECS Meeting with the 18th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells (SOFC-XVIII)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      岡﨑萌, 大友順一郎
    • 学会等名
      化学工学会第54回秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Towards a Combined Water Electrolysis and Ammonia Synthesis Device Based on Protonic Ceramic Conductors2023

    • 著者名/発表者名
      Moe Okazaki, Junichiro Otomo
    • 学会等名
      21st International Conference on Solid-State Protonic Conductors (SSPC-21)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] プロトン伝導性セラミック電解セルによる電気化学的触媒促進効果を用いたアンモニア合成システムの評価2022

    • 著者名/発表者名
      岡﨑萌、大友順一郎
    • 学会等名
      化学工学会第53回秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Iron-Based Electrode Structures for Ammonia Electrosynthesis Cells with Proton-Conducting Ceramic Electrolytes2022

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Moe、Otomo Junichiro
    • 学会等名
      242nd ECS Meeting (The Electrochemical Society)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrochemical Ammonia Synthesis Using a Bimetallic Catalyst on a Proton-Conducting Ceramic Electrolyte2022

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Moe、Otomo Junichiro
    • 学会等名
      6th International Symposium on Innovative Materials and Processes in Energy Systems (IMPRES)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Ammonia Electrosynthesis at Intermediate Temperatures using Proton-Conducting Ceramic Electrolysis Cells2022

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Moe、Otomo Junichiro
    • 学会等名
      2nd Energy and Informatics International Forum (Tokyo Institute of Technology Academy of Energy and Informatics)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 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

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 大友研究室ホームページ(東京工業大学)

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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