| 研究課題/領域番号 |
18H05349
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
伊原 学 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (90270884)
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| 研究分担者 |
長谷川 馨 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (50644944)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2022-03-31
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| キーワード | 工学 / 総合工学 / エネルギー学 / エネルギー生成・変換 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、「カーボン空気二次電池」という新しい概念の実現性や優位性を、固体酸化物型電気化学デバイス、二次電池双方のアプローチから検討し、さらにシ ステム全体を設計しその実現性、優位性を検討する。本提案の基本概念の成立に必要なのは、1. 一定量以上の炭素析出が継続して起こること、2. 充電/放電反応が可逆的に起こること、である。電気化学反応と高温の熱平衡反応を組み合わせて利用することで、電気化学的な反応だけでは実現困難な「C+O2の酸化還元によるストレージ法」を「カーボン空気二次電池」として提案し、基本概念を実証して、カーボン空気二次電池の可能性を明確にすることを目的とする。
2018年度までには固体酸化物型セルでのCO2電解による固体炭素生成と、ダイレクトカーボン燃料電池(DCFC)の可逆動作を実証した。
2019年度は、固体酸化物型セルでのCO2電解による炭素生成と、DCFCの可逆動作において、特に研究例の少ないCO2電解による炭素生成に関するメカニズムの電気化学的検討を行った。充電反応の過程において変化するCO/CO2比ごとに電気化学反応と熱平衡反応がどのように推移するのかを明らかにするため、電気化学的に解析を行い、CO2電解によるCO生成、CO電解によるC生成及び、CO/CO2比に応じたBoudour平衡反応による炭素の生成または消失からなる、電気化学反応と熱化学反応が組み合わさった充電反応メカニズムが示唆された。
また、本研究で提案するシステムの、リチウムイオン電池など従来の二次電池に対する優位性を議論した。充放電を行うSOFC/ECデバイス部分と炭素を貯蔵する部分を仮想的に設計し、その体積比率と重量あたり/体積当たりのエネルギー密度/出力密度の関係を検討した。
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| 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
2018年度の結果において、電気化学反応と熱化 学反応を組合わせた炭素析出方法が実現できることが実証できた。
2019年度は、特に充電時の反応機構に対して重点的に考察した。充電では電気化学反応と熱化学反応 を組合わせた炭素析出方法として、優先的に生じる電気化学反応：CO2+2e-→CO+O2-によりCO分圧をBoudourd平衡分圧より大きくすることで平衡を傾けて Boudouard反応：2CO→C+CO2により炭素を析出させることを考えている。
充電の進行によるCO/CO2分圧の変化に伴って端子電圧が2段階で増大した。最初はCO2の電解が主反応となり、第1のステップではCOの電解による炭素の生成と、Boudourd反応によって炭素の消費しCOが生成する熱化学反応が考えられる。第２のステップではCO2/CO比がBoudourd平衡に達し、炭素の析出が起こったと考えられる。同時に、燃料極への炭素析出に起因すると考えられる燃料極過電圧の増大が示唆された。よって、CO/CO2比が大きい条件下での特性が高い電極の開発が今後重要となる。
また、炭素を活物質とする新規な二次電池システムの、リチウムイオン電池など従来の二次電池に対する優位性を議論した。システムとして充放電を行うSOFC/ECデバイス部分と炭素を貯蔵する部分を仮想的に設計し、その体積比率によって変化する重量あたり/体積当たりのエネルギー密度/出力密度を検討した。炭素貯蔵部を80％で1.37×103 Wh L-1 と、既存のリチウムイオン電池を上回る体積エネルギー密度がえられ、出力部を既存のSOFCに近い1000 mW cm-2とすることでNaS電池等と同程度の出力が得られることが示唆された。
以上のことから、設定した課題に対して、「おおむね順調に進展している」と判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
2019年度の検討を通じて、本システムにおいては電極三相界面上への炭素の析出による電気化学反応速度の低下を抑制し、三相界面以外の箇所への炭素析出を促進するといった、炭素析出を選択的に制御することが主課題の一つとなることが示唆された。
よって、2020年度はその選択的な炭素析出の制御に関して、電極材料及びシステム両面で検討を行う。電極としては、本研究室でのDCFCやドライメタン発電に関する研究においてプロトン伝導性酸化物の添加が、電極上の炭素析出に有効であることが示唆されており、その応用も候補となる。
同時に、電極（金属及び酸化物）や電解質材料に関しても、電解に関する文献調査を踏まえて複数の組み合わせを引き続き検討する。研究代表者らが提案した、酸素活量を軸とした三相界面上の反応モデルを用いることにより、電極表面、界面の状態と反応の関係性を定量的に議論できると考えている。 システムとしては、電極外に炭素を析出しやすくすることによる解決方法を検討する。
並行して、本提案の「カーボン空気二次電池」のシステム全体を設計し、他の蓄電デバイス、システムに対してどういった優位性があるかの検討を継続して行う。
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