電気化学的促進効果による窒素・炭素循環利用プロセスの構築と電気化学反応装置の開発

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電気化学的促進効果を利用した電気化学反応装置の開発を目的として、2年目である令和4年度は、プロトン伝導性セラミック燃料電池（PCFC）による電気化学セルの作製を行うとともに、窒素および二酸化炭素の電解合成の実験を行った。今年度はアンモニアの電解合成反応を中心に検討を進めた。通常のPCFCは500℃～600℃で作動するが、400℃近傍で作動させるために電解質の膜厚を薄くした電極支持型PCFCを新たに作製し、作動温度の低温化を試みた。電極支持型PCFCによる電解セルは、イットリウムドープセリア酸バリウムあるいはイットリウムドープジルコン酸バリウムを電解質膜に用いて作製した。支持体である電極部分にはニッケルとイットリウムドープジルコン酸バリウムの混合体である多孔質電極を用いた。カソード側に窒素と水素の混合ガスを流通させて400℃でアンモニア電解合成を行ったところ、カソード分極とともにアンモニア生成速度が上昇し、印加電圧-1 Vにおいて約1×10-8 mol s-1 cm-2 のアンモニア生成速度が観測された。この測定結果は、550℃での電解質支持型セルによる観測結果とほぼ同等であり、電極支持型電解セルにより低温化を実現できた。電流―電圧曲線との比較から、アンモニア生成反応の電気化学的促進効果は、電極界面のプロトン流束の増加よりもむしろカソード分極の影響が大きいと考えられる。さらに、電極支持型電解セルの性能向上を目指し、パルスレーザー堆積法を用いてバリウム系およびランタン系プロトン伝導体を用いた電解質積層形PCFCを作製した。その結果、ホール伝導に起因する電解質内部のリーク電流の抑制がモデル計算と実験結果から示唆された。さらに、水蒸気電解反応を想定したシステム評価の研究も実施した。以上の検討を通じて、電気化学的促進効果を利用した電解セルの設計にむけた指針が得られた。