Performance evaluation of electrodes in intermediate-temperature solid oxide fuel cells with consideration of internal current leakage in proton-hole mixed conducting electrolytes

考虑质子空穴混合导电电解质内漏电流的中温固体氧化物燃料电池电极性能评估

• 批准号: 20J10149
• 负责人: 植野 雄大
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J10149/
• 关键词: 燃料電池; 漏れ電流; 空気極; プロトン伝導体

当該年度は、プロトン/ホール混合伝導性電解質を用いた中温型燃料電池における電極抵抗の過小評価を数値解析手法によって明らかにした。Y-doped BaZrO3 (BZY) に代表されるBa系ペロブスカイト型酸化物は、酸化雰囲気下でプロトン/ホール混合伝導性を発現する。しかし、中温型燃料電池の電極性能の評価では電解質を純イオン伝導体と暗にみなした解析が慣習的に行われている。本研究では、加湿酸化雰囲気下でプロトンとホールが同等程度に伝導する電解質をモデルとし、有限要素法とNewton-Raphson法によって電解質中の電荷担体の濃度・電位分布の過渡解析を実施し、電流遮断測定 (CI) や開回路電圧下での交流インピーダンス測定 (EIS) で得られる見かけの電極抵抗の信頼性を議論した。その結果、両極ともに加湿酸化雰囲気に曝される空気極対称セルでは、電極抵抗を80 % 程度過小評価することが明らかとなった。また、電解質の一方が加湿還元雰囲気、一方が加湿酸化雰囲気に曝される発電型セルでは、EISに比べて発電側でのCIによって電極抵抗の過小評価が抑制される結果が得られた。以上より、空気極抵抗をより正確に評価するためには、発電型セルを用いた発電側でのCIが望ましいと言える。また、過小評価のない空気極抵抗を得るには、ホール伝導の無視できる温度域での電気化学測定が不可欠である結果も得られた。したがって、真に優れたPCFC空気極の精選のためには、500℃以下での評価が最も適切だと結論づけられた。本研究の成果は、2021年度中に学会誌にて論文発表の予定である。

This year, a numerical analysis method for evaluating the electrode resistance of intermediate temperature fuel cells using mixed conductive electrolytes has been developed. Y-doped BaZrO3 (BZY) represents the development of mixed conductivity in Ba system acidified compounds and acidified compounds. Evaluation of electrode performance of intermediate and intermediate temperature fuel cells includes analysis of electrolyte purity, conductor quality and behavior. In this study, we discussed the reliability of electrode resistance obtained from the finite element method and Newton-Raphson method for transient analysis of charge carrier concentration and potential distribution in electrolyte under humidified and acidified conditions. The result is that the electrode resistance is 80% too low. The results show that the electrolyte has been humidified and acidified, and the electrode resistance has been inhibited by the CI of the EIS. The above is the correct evaluation of the resistance of air and electricity. The results of electrochemical measurements in the temperature domain were obtained. The most appropriate conclusion is that the temperature of PCFC is below 500℃. The results of this study are expected to be published in the journal of the Chinese Academy of Sciences in 2021.