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Elucidation of the mechanism of inhibition of electrochemical reactions by adsorption of trace gases in intermediate-temperature fuel cells

阐明中温燃料电池中微量气体吸附抑制电化学反应的机制

基本信息

批准号：
20H02437
负责人：
畑田直行
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、プロトン伝導セラミックス型燃料電池（PCFC）の酸素極へ実際の空気を供給した際に起こる微量ガス種（CO2, SO2など）の吸着現象・副反応と、それが電極反応へ及ぼす影響を、電気化学測定および熱力学解析を駆使して明らかにすることを目的としている。また、その結果に基づき、微量ガス種による電気化学反応阻害を防止し、空気を用いて安定的に発電するためのPCFC電極・電解質の材料選択指針および動作条件指針を提案し、実証することを目指している。令和4年度は、O2分圧とCO2分圧を制御したAr-O2-CO2混合ガスをフローしながらLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF6428) 試料の熱重量測定を行い、試料の上流側および下流側のO2とCO2の濃度を同時に測定することで、LSCF6428とガスとの反応にかかる物質収支を詳細に調査した。具体的には、900℃から500℃まで100℃ごとに降温する過程で、CO2を含まない雰囲気では、LSCF6428中の酸素濃度の増大に由来すると思われる重量増加が見られた(過去の報告と同程度)。一方、CO2を1000 ppm含む雰囲気では、700℃以下において、0.1重量%以下の微量ではあるがより大きな重量増加がみられ、これはLSCF6428とCO2の反応に由来すると考えられる。このように、O2分圧とCO2分圧に応じて、LSCF6428中の酸素濃度の変化とLSCF6428とCO2との反応の両方が起こることを明らかにし、それらを分離して定量することができた。なお、LSCF6428とCO2の反応量は、LSCF6428表面にCO2がたかだか1分子層程度均一に付加する量に相当し、これはX線回折やEPMAなどの分析手法では検出が難しい微量であり、精密な熱重量測定により初めて検出できたものである。

This study aims to investigate adsorption phenomena of trace species (CO2, SO2), secondary reactions, electrode reactions, and influence of oxygen on the air supply during acid electrode reaction in PCFC, electrochemical measurements, and thermodynamic analysis. As a result, the PCFC electrode and electrolyte material selection guidelines and operating condition guidelines were proposed and verified. In order to control the Ar-O2-CO2 mixture in 2004, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF6428) was measured by thermogravimetric method, and the concentration of O2 and CO2 on the upstream side and downstream side of the sample was simultaneously measured. Specific reasons for the increase in acid concentration in LSCF6428 and the increase in weight are as follows (same degree as reported in the past). One square meter, CO2 <1000 ppm, CO2 <700℃, CO2 <0.1 wt %, CO2 <700 ℃, CO2 <0.1 wt %, CO2 <0. The concentration of acid in LSCF6428 and the concentration of CO2 in LSCF 6428 are different. LSCF6428 and CO2 reflectance, LSCF6428 surface CO2 molecular layer level is equal to the amount added, X-ray reflection and EPMA analysis methods are difficult to detect trace amounts, precision thermogravimetric measurement, initial detection and detection.