Time-spacial multiscale operand measurements of potential distribution in all solid-state electrochemical devices

本研究では，固体イオン伝導体を電解質に用いる全固体電気化学デバイスを高性能化・高耐久性化するために，その中でイオン輸送の駆動力となり，また材料の化学安定性を決定する主要因ともなる「可動化学種の化学ポテンシャルの位置・時間分布」を把握することを目的とする。「可動化学種の化学ポテンシャルの位置・時間分布」を実験的に評価する手法はこれまでに確立されていない。そこで本研究では，申請者によって独自に提案・開発されたポテンシャルプローブ技術とオペランド計測技術を併用することで，全固体電気化学デバイスにおける化学ポテンシャル分布を時分解マルチスケールで実験的に明らかにする。二年目である今年度は，前年度に確立された「オペランド放射光X線吸収微細構造（XAFS）測定による化学ポテンシャル分布の実験的評価手法」を，固体酸化物形燃料電池（SOFC）に適用した。モデル系として，電解質にイットリア安定化ジルコニア，電極に多孔質Ptを用い，電解質中には酸素化学ポテンシャルを検知するプローブイオンを少量添加した。このモデル系を用いることで，作動下のSOFC電解質における酸素化学ポテンシャル分布を実験的に評価した。前年度までは定常状態での評価が主であったが，今年度は手法の高速化（高時間分解能化）を図ることで，作動条件を変化させた際の分布の経時変化の評価にも成功した。また，電解質における酸化物イオンと電子の両極性拡散を仮定し，SOFC電解質における酸素化学ポテンシャル分布およびその変化を数値シミュレーションした。シミュレーションと実験で結果を比較したところ，両者は定量的に良い一致を見た。これは，全固体電気化学デバイスの電解質におけるわずかな電子伝導が，電解質における可動化学種の化学ポテンシャル分布・変化に大きな影響を及ぼすことを明確に示した初めての実験結果である。

本研究では，固体イオン伝導体を電解質に用いる全固体電気化学デバイスを高性能化・高耐久性化するために，その中でイオン輸送の駆動力となり，また材料の化学安定性を決定する主要因ともなる「可動化学種の化学ポテンシャルの位置・時間分布」を把握することを目的とする。「可動化学種の化学ポテンシャルの位置・時間分布」を実験的に評価する手法はこれまでに確立されていない。そこで本研究では，申請者によって独自に提案・開発されたポテンシャルプローブ技術とオペランド計測技術を併用することで，全固体電気化学デバイスにおける化学ポテンシャル分布を時分解マルチスケールで実験的に明らかにする。二年目である今年度は，前年度に確立された「オペランド放射光X線吸収微細構造（XAFS）測定による化学ポテンシャル分布の実験的評価手法」を，固体酸化物形燃料電池（SOFC）に適用した。モデル系として，電解質にイットリア安定化ジルコニア，電極に多孔質Ptを用い，電解質中には酸素化学ポテンシャルを検知するプローブイオンを少量添加した。このモデル系を用いることで，作動下のSOFC電解質における酸素化学ポテンシャル分布を実験的に評価した。前年度までは定常状態での評価が主であったが，今年度は手法の高速化（高時間分解能化）を図ることで，作動条件を変化させた際の分布の経時変化の評価にも成功した。また，電解質における酸化物イオンと電子の両極性拡散を仮定し，SOFC電解質における酸素化学ポテンシャル分布およびその変化を数値シミュレーションした。シミュレーションと実験で結果を比較したところ，両者は定量的に良い一致を見た。これは，全固体電気化学デバイスの電解質におけるわずかな電子伝導が，電解質における可動化学種の化学ポテンシャル分布・変化に大きな影響を及ぼすことを明確に示した初めての実験結果である。