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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Oxygen isotope-labelling imaging for high current density operation of solid oxide fuel cells

Research Project

Project/Area Number 16K14171
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

花村 克悟  東京工業大学, 工学院, 教授 (20172950)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2018-03-31
Keywords固体酸化物燃料電池 / 同位体原子ラベリング / 同位体酸素拡散 / クエンチ法
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、固体酸化物燃料電池の酸素イオンの輸送を、酸素同位体を導入した原子ラべリング法により測定し、その輸送過程を第一原理計算への有用な情報として提供し反応過電圧の要因を明らかにしようとするものである。本研究において独自に考案されたヘリウムガス衝突噴流式冷却システム内蔵型発電装置により、ボタン型燃料電池を800℃で発電中に、酸素同位体を導入後、300℃まで1秒以内に冷却し、2次電子イオン質量分析により、空間分解能50nm以下で酸素同位体の濃度分布マッピングを取得することに成功した。これにより、粒子径2ミクロン程度のScSZ粒子(酸素イオン伝導体)とLSM粒子(電子伝導体および酸素イオン生成触媒)により構成される酸素極において、YSZ電解質から離れた位置では、互いに隣接するLSM内電子とScSZ内空孔を介して、ScSZ内の酸素と気体中の同位体酸素との交換が速くまた拡散係数も大きいため、ScSZ内部はほぼ均一な同位体酸素分布となることが分かった。しかしLSM内部には同位体酸素が拡散しないことから、この領域では上記の交換が支配的であり正味の電荷移動電流は小さいことが明確となった。一方、電解質に近い、その界面から数ミクロンの領域では、むしろScSZ内の同位体酸素の濃度が薄く、電解質方向へ拡散していることが明らかとなった。さらにこの領域では電解質に近いLSM粒子ほどその内部にも同位体酸素が多く拡散することが、実電極としては世界で初めて明らかとなった。すなわち、発電時において、Ni/YSZ燃料極の酸素イオンが消費され空孔が生成されると、機構は明らかではないがその情報が酸素極に伝搬され、電解質に近い領域から酸素極三相界面近傍の空孔内に酸素イオンが生成される。このとき電荷移動電流が生じ、いわゆる酸素極過電圧の要因となることが示唆された。

  • Research Products

    (10 results)

All 2017

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Microstructure-scaled active sites imaging of a solid oxide fuel cell composite cathode2017

    • Author(s)
      Tsuyoshi Nagasawa, Katsunori Hanamura
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: Vol. 367 Pages: 57-62

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Imaging Technique of Ionic Diffusion in LSM-based Composite Cathode of Solid Oxide Fuel Cell2017

    • Author(s)
      Tsuyoshi Nagasawa, Katsunori Hanamura
    • Organizer
      21st International Conference Solid State Ionics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Preparing of High Performance Solid Oxide Cells by Electrochemical Switching Method under Pure Carbon Dioxide2017

    • Author(s)
      Chanthanumataporn Merika, Katsunori Hanamura
    • Organizer
      The Sixth International Education Forum on Environment and Energy Science
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A sustainable conversion systems through nano/micro scaled phenomena2017

    • Author(s)
      Katsunori Hanamura
    • Organizer
      Seminar in Johns Hopkins Unversity
    • Invited
  • [Presentation] QUENCHING OF CHEMICAL SPECIES TRANSPORT IN SOFC BY He IMPINGING JET FOR VISUALIZATION OF OXIDE ION PATH IN COMPOSITE ELECTRODES2017

    • Author(s)
      Tsuyoshi Nagasawa, Katsunori Hanamura
    • Organizer
      TFEC9
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nano-micro scaled active site imaging of porous composite cathode in solid oxide fuel cell by quenching and oxygen isotope labeling2017

    • Author(s)
      Tsuyoshi Nagasawa, Katsunori Hanamura
    • Organizer
      9th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Particle-scaled Visuallization of Active Sites in LSM/ScSZ Composite Cathode of SOFC through Oxygen Isotope Labeling2017

    • Author(s)
      Tsuyoshi Nagasawa, Katsunori Hanamura
    • Organizer
      15th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells(SOFC-XV)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Thermal engineering approach for high efficiency energy conversion systems using nanoscaled technologies2017

    • Author(s)
      Katsunori Hanamura
    • Organizer
      Seminar in St. Andrews University
    • Invited
  • [Presentation] SOFC多孔質電極における電気化学反応:吸着種領域モデル及び反応サイトイメージングに基づく研究2017

    • Author(s)
      長澤 剛, 花村 克悟
    • Organizer
      第26回SOFC研究発表会
  • [Presentation] 同位体ラベリングによるSOFC空気極の酸素イオンパス粒子スケール可視化2017

    • Author(s)
      長澤 剛, 花村 克悟
    • Organizer
      第54回日本伝熱シンポジウム

URL: 

Published: 2018-12-17  

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