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高温型プロトン導電体を用いた電気化学セルに水素同位体を導入するとその同位体の種類に応じて起電力が生じるという水素同位体電池について検討を行い、本年度は以下の知見を得た。
純粋な軽水素と重水素の組み合わせで生じる水素同位体電池の起電力については、これまでに電解質中のプロトン(軽水素イオン)とデューテロン(重水素イオン)の移動度の違いおよび軽水素と重水素の電極反応平衡の差に基づく理論式を構築した。電解質にカルシウムジルコネート系高温型プロトン導電体を用い、軽水素と重水素の混合ガスおよびそれを不活性ガスにより希釈したガスを導入したときに生じる起電力を詳細に検討した結果、上記理論式に気相の水素同位体平衡を加味して導かれる理論式に一致した起電力を得た。このことから、上記の二つの項の寄与から本電池が起電力を生じていることが定量的に明らかになった。また、この起電力は水素同位対比と水素同位体総分圧の二つの寄与に分解できることが分かり、その水素同位体センサへの適用の可能性が示された。
次年度に行う水素同位体センサの検討への予備的な実験として電解質にジルコニア系酸化物イオン導電体を用いたときの水素同位体電池の起電力を測定し、水素同位体総分圧のみに依存する起電力を得た。この結果は、水素同位体混合ガス中の酸素分圧から予想される起電力の値とは異なったものであったが、プロトン導電体セルとの組み合わせにより水素同位対比と水素同位体総分圧とを同時に決定できるセンサとして機能することを示唆するものである。酸化物イオン導電体セルについては、今のところその起電力応答がガス流速に依存してしまう結果が得られており、その詳しい解析あるいは他の電解質の適用については次年度において検討する。
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