Creation of rapid start-up and high-efficiency high-temperature electrochemical device using millimeter-wave irradiation

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蛍石蛍石型およびペロブスカイト型酸化物セラミックスのイオン伝導度を、ミリ波照射加熱時と通常の電気炉加熱時で比較したところ、同じ温度でも前者の導電率が高いことを見出した。自己発熱をもたらし対象物質のみを昇温できるミリ波加熱は、エネルギー効率の高い加熱方法として知られていた。加えて今回見出されたイオン伝導促進により、これまでの作動温度で運転した場合、オーム損失の少ない固体電解質からなるデバイスを構成できる可能性が示された。また、電解質部の導電率を保ったまま作動温度を低下させることも可能であり、電解質のみの選択加熱効果を考慮すれば、電解質以外の構成部品を更に低温に保つことができる。本研究は、高温で動作する電気化学デバイスの加熱方式をミリ波照射に変更することにより、選択加熱効果および導電率向上による加熱エネルギーおよびオーム損失の低減を図り、エネルギー効率向上の可能性を探ることを目的としている。ミリ波照射下での電解質の特性について評価した。安定化ジルコニア、セリア、ランタンガレートについてミリ波加熱促進効果を確認した。高温電気化学デバイスとしてまず、通常電気炉で動作する高温酸化物形燃料電池（SOFC）を作製した。電解質にはこれまでに最適化されたジルコニア系酸化物イオン伝導体を用い、アノード（水素極）にはNi-YSZ系サーメット、カソードとしてはLa0.8Sr0.2MnO3（LSM）をそれぞれ用いる。昇温したときの電流－電圧特性から燃料電池の発電効率を評価した。燃料電池をミリ波照射下で作動させ、電気炉昇温の時に比べ発電効率が向上していることを見出した。電気炉昇温電気化学評価を行った。具体的には電気化学的インピーダンス（EIS）測定を行い、全抵抗から界面抵抗（アノード、カソード）を分離することができた。