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ミリ波照射を援用した迅速起動・高効率高温電気化学デバイスの構築

研究課題

研究課題/領域番号 23K21039
補助金の研究課題番号 21H01623 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分26020:無機材料および物性関連
研究機関岡山大学

研究代表者

岸本 昭  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (30211874)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2024年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2021年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
キーワードミリ波加熱 / 高温電気化学デバイス / 非熱効果 / 高温酸化物形燃料電池 / 高温水蒸気電解 / 迅速起動 / 電気化学的インピーダンス
研究開始時の研究の概要

ミリ波照射下で動作する高温酸化物形燃料電池(SOFC)を作製する。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する。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、発電効率を比較する。
発電効率の向上が認められる系について以下の電気化学評価を行う。まず、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)を分離する。電解質、二種類の電極の抵抗減少から、発電効率向上への寄与を定量的に評価する。得られた知見をフィードバックスし、アノードの組成やカソード物質の最適化を行い、更なる発電効率向上を図る

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件)

  • [雑誌論文] 外場としてのミリ波を援用した高温電気化学デバイスの特性変化2023

    • 著者名/発表者名
      FUJIWARA Takuro、TERANISHI Takashi、KISHIMOTO Akira、SUDA Seiichi
    • 雑誌名

      粉体および粉末冶金

      巻: 70 号: 9 ページ: 387-391

    • DOI

      10.2497/jjspm.23-00013

    • ISSN
      0532-8799, 1880-9014
    • 年月日
      2023-09-15
    • 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] 負膨張材料を分散させた表面層を持つセラミックス積層体の耐熱衝撃性2023

    • 著者名/発表者名
      UENO Takaya、KONDO Shinya、TERANISHI Takashi、KISHIMOTO Akira
    • 雑誌名

      粉体および粉末冶金

      巻: 70 号: 8 ページ: 376-379

    • DOI

      10.2497/jjspm.23-00011

    • ISSN
      0532-8799, 1880-9014
    • 年月日
      2023-08-15
    • 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] Ceria-based solid electrolyte exhibits superior mechanical and electric properties compared to zirconia-based solid electrolyte2022

    • 著者名/発表者名
      Kishimoto Akira、Umemura Taiga、Kondo Shinya、Teranishi Takashi
    • 雑誌名

      Ceramics International

      巻: 48 号: 15 ページ: 21824-21831

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2022.04.166

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of superplastic-foamed zirconia-based ceramics using foaming agent and a superplasticity facilitator derived from rice husk2022

    • 著者名/発表者名
      Kishimoto Akira、Tanaka Kentaro、Teranishi Takashi
    • 雑誌名

      Journal of Porous Materials

      巻: 29 号: 1 ページ: 153-159

    • DOI

      10.1007/s10934-021-01156-3

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast charge transfer at the electrode-electrolyte interface via an artificial dielectric layer2021

    • 著者名/発表者名
      Teranishi Takashi、Kozai Kaisei、Yasuhara Sou、Yasui Shintaro、Ishida Naoyuki、Ishida Kunihiro、Nakayama Masanobu、Kishimoto Akira
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 494 ページ: 229710-229710

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2021.229710

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast Ion Transport via Dielectric Nanocube Interface2021

    • 著者名/発表者名
      T. Teranishi, R. Yamanaka, K. Mimura, M. Yoneda, S. Kondo, K. Kato, A. Kishimoto
    • 雑誌名

      Advanced Materials Interfaces

      巻: 8 号: 4 ページ: 2101682-2101687

    • DOI

      10.1002/admi.202101682

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] イットリア添加量が異なるBaZrO3基電解質積層体の電気・機械特性2023

    • 著者名/発表者名
      小峯 大哉,近藤 真矢,寺西 貴志,岸本 昭
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2023年度春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] セリア基電解質のミリ波照射による還元強化とSOFCへの応用2023

    • 著者名/発表者名
      湊 晴貴, 近藤 真矢, 寺西 貴志, 岸本 昭
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2023年度春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 水和に伴うプロトン伝導性電解質の機械特性変化2023

    • 著者名/発表者名
      上野鳳也, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2023年度秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] プロトン伝導性セラミックスの水和反応に伴う強度変化2023

    • 著者名/発表者名
      上野鳳也, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • 学会等名
      セラミックス基礎科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] セリアセラミックスの還元強化と各種希土類添加による諸特性変化2023

    • 著者名/発表者名
      上原大河, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • 学会等名
      セラミックス基礎科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ミリ波昇温時のランタンガレート基SOFCのカソード抵抗変化2023

    • 著者名/発表者名
      清水宏敦,寺西貴志,近藤真矢,岸本昭
    • 学会等名
      セラミックス基礎科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 各種希土類添加セリアセラミックスの還元処理前後の電気・機械特性変化2022

    • 著者名/発表者名
      上原大河, 近藤真矢, 寺西貴志, 岸本昭
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2022年度秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ランタンガレート基SOFCのカソード抵抗成分に及ぼすミリ波昇温の影響2022

    • 著者名/発表者名
      清水宏敦,寺西貴志,近藤真矢,岸本昭
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2022年度秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 水蒸気処理中のBaZrO3基セラミックスの過渡的特性変化2022

    • 著者名/発表者名
      宮本湧也,北堀悠大、近藤真矢, 寺西貴志、岸本昭
    • 学会等名
      セラミックス基礎科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 水蒸気処理によるBaZrO3基セラミックスの強化2021

    • 著者名/発表者名
      宮本湧也,近藤真矢, 寺西貴志、岸本昭
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2021年度秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] セラミックス点字実現のための超塑性発泡法の利用2021

    • 著者名/発表者名
      大内崇弘,近藤真矢, 寺西貴志 、岸本昭
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2021年度秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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