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プロトンセラミックス燃料電池空気極のプロトン活性領域可視化と高性能電極への展開

公募研究

研究領域ハイドロジェノミクス:高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
研究課題/領域番号 19H05044
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関東北大学

研究代表者

中村 崇司  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (20643232)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワードプロトン伝導性セラミックス / 燃料電池空気極 / 酸素還元反応 / プロトン伝導セラミックス燃料電池 / 空気極 / XAFS / プロトンセラミックス燃料電池 / プロトンセラミックス型燃料電池 / 電極反応場
研究開始時の研究の概要

本研究ではクリーンで高効率な次世代型エネルギー変換デバイスとして期待されるプロトンセラミックス燃料電池(PCFC)の高性能空気極創製に向け、PCFC実電極を適切にモデル化したモデルパターン電極および放射光X線を用いた「Operando計測技術」を駆使することで、PCFC空気極におけるプロトン活性領域の分布を明らかにし、電極の反応活性の起源を明らかにする。これにより学術的知見に基づいた材料選択、電極設計および開発指針を提案し、高性能かつ高信頼性なPCFCの実現を目指す。

研究実績の概要

本研究では高効率エネルギー変換可能なプロトン伝導性セラミックス燃料電池の空気極における反応領域および反応機構を明らかにして、高性能空気極の設計指針を確立することを目的としている。それに向け、今年度は酸化物イオン-プロトン-電子混合導電性材料(Ba,Gd,La)2Co2O6を対象に、電極/電解質の二相界面の寄与と電極/電解質/気相の三相界面の寄与を別々に評価することが可能なパターンモデル電極を作製し、二相界面と三相界面のどちらが主要な反応場として機能するのかを検討した。
当初の予想通り、(Ba,Gd,La)2Co2O6は十分なプロトン伝導性を有しており、二相界面が反応場として機能することが電気化学特性評価より明らかになった。これは(Ba,Gd,La)2Co2O6電極がプロトンセラミックス燃料電池空気極として高い電極特性を示す理由の一つであると考えられる。また電極内に三相界面を導入することで電極特性がやや向上することから、(Ba,Gd,La)2Co2O6電極では電極/電解質の二相界面だけでなく、電極/電解質/気相の三相界面でも空気極反応が進行することを明らかにした。
また空間分解能を有したマイクロX線吸収分光測定により、酸素ポテンシャル分布(酸素の反応駆動力)が界面から数マイクロメートル広がっていることを明らかにした。これは電極/電解質の二相界面反応が予想よりも拡張していないことを示す結果であり、酸化物イオン-プロトン-電子混合導電性材料であっても、ある程度の三相界面を確保することが高性能化につながることを示唆している。
以上をまとめると、十分なプロトン伝導性を有した混合伝導性材料であっても、電解質とコンポジット化するなど、ある程度の三相界面を確保することが高性能化につながると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (6件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] La0.8Sr0.2Co1-xNixO3-δ as the Efficient Triple Conductor Air Electrode for Protonic Ceramic Cells2020

    • 著者名/発表者名
      Wang Ning、Toriumi Hajime、Sato Yuki、Tang Chunmei、Nakamura Takashi、Amezawa Koji、Kitano Sho、Habazaki Hiroki、Aoki Yoshitaka
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 4 号: 1 ページ: 554-563

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c02447

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of the Electronic and Local Structure of Mn in Proton-Conducting Oxide, Ca(Zr,Mn)O3?δ, To Elucidate a Direct Hydrogen Dissolution Reaction2019

    • 著者名/発表者名
      Oishi Masatsugu、Nakamura Takashi、Watanabe Iwao、Yamamoto Takashi、Doi Takuya、Ina Toshiaki、Nitta Kiyofumi、Amezawa Koji、Okuyama Yuji
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 123 号: 26 ページ: 16034-16045

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.9b03897

    • NAID

      120006942556

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] パターン緻密膜モデル電極を用いたSOFC空気極の反応機構の検討2020

    • 著者名/発表者名
      雨澤浩史、今泉貴明、木村勇太、中村崇司、新田清文、関澤央輝、井口史匡、湯上 浩雄、八代圭司、川田達也
    • 学会等名
      第46回固体イオニクス討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Soft X-ray absorption spectroscopic studies on hydrogenated titanium dioxide2020

    • 著者名/発表者名
      T. Nakamura, R. Shimizu, T. Hitosugi, N. Nagatsuka, K. Fukutani
    • 学会等名
      14th International Symposium Hydrogen & Energy
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of cathodic reaction of proton-conducting ceramics fuel cells by using model pattern electrodes2019

    • 著者名/発表者名
      T. Nakamura, K. Nishidate, Y. Kimura, K. Yashiro, T. Kawada, Y. Mikami, S. Onuma, T. Kuroha, Y. Tsuji, K. Amezawa
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of the electrode reaction mechanismin an La0.6Sr0.4CoO3-δ PCFC cathode2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nishidate, Y. Shinomiya, K. Mizuno, Y. Kimura, T. Nakamura, K. Yashiro, T. Kawada, Y. Mikami, S. Onuma, T. Kuroha, N. Taniguchi, Y. Tsuji, K. Amezawa
    • 学会等名
      22nd International Conference on Solid State Ionics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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