低温作動固体酸化物燃料電池用高性能電極に関する研究

低温运行固体氧化物燃料电池高性能电极研究

• 批准号: 06650942
• 负责人: 内田 裕之
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: University of Yamanashi
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1994
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1994 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-06650942/
• 关键词: 固体酸化物燃料電池; SOFC; ジルコニア固体電解質; 過電圧; 混合導電体; 高分散触媒

燃料電池は高効率かつ環境にやさしい発電手段である。安定化ジルコニア(YSZ)などの固体電解質を用いる固体酸化物燃料電池(SOFC)は原理的に総合変換効率が最も高い。しかし、現在開発中のものは約1000℃という高温運転のため、材料特性の劣化が避けられず材料選択も制限される。もし、800℃程度の低温作動が可能なれば、これらの問題も解決され実用化に拍車がかかる。SOFCの低温作動化には、1)固体電解質の薄膜化あるいは高イオン導電性電解質の開発によるオーム抵抗の低減、2)分極ロスが小さな高性能電極の開発 が重要課題であり、高機能性材料の開発研究が強く望まれている。本研究では、SOFCの電極特性を支配する因子を明確にするとともに、新しい設計概念に基づいて低温作動SOFC用高性能電極を開発した。1.SOFCにおける燃料極特性支配因子の解明低温作動下でも高性能な電極の開発指針を得るために、ガス電極反応における電解質と電極材の役割について検討した。種々のイオン導電率を有するジルコニア電解質上の白金電極の分極特性を調べたところ、電解質導電率が高いほど燃料極の分極が減少することを見出した。電極反応機構の機構の検討の結果、固体電解質から燃料極反応場への酸化物イオン供給能が電極特性を支配していることを解明できた。すなわち、高イオン導電性電解質の使用により単にオーム損失を小さくできるばかりでなく、電極性能も大幅に改善できるため、低温作動SOFCの高性能化に非常に重要である。この成果は全く新しいものであり、学会発表および研究論文に対して国内外から非常に高い評価を受けた。2.貴金属微粒子触媒高分散担持によるSOFC用電極の活性化電子-イオン混合導電体をYSZ電解質に電極として取り付け、その上に極微量の貴金属微粒子触媒を高分散担持した新しい電極構造により、高性能化させることを試みた。まず、燃料極担体に用いる混合導電体SDC,(CeO_2)_<1-X>)SmO_<1.5>)_Xの組成の最適化を行った。その結果、SDC内のイオンおよび電子導電率の両方が最も高いX=0.2の組成で、電極表面への酸化物イオンの供給と反応で生成する電子の移動が最もスムーズに進行して、最高の電極活性を示すことを明らかにした。そして、電極表面への酸化物イオンの供給能を向上させるようにSDC電極層の微細構造の最適化を行い、800-900℃の作動温度において単味のSDC電極の飛躍的な高性能化に成功した。この改良されたSDC電極層にRu微粒子触媒を高分散担持する事により、従来にない非常に高い出力電流密度を得ることができた。ペロブスカイト型酸化物LSM酸素極にも、白金微粒子担持によって高性能化することができた。

The fuel cell has a <s:1> high efficiency,, the environment にやさ, and the means of power generation である. Stabilization ジ ル コ ニ ア (YSZ) な ど の solid electrolyte を with い る solid acid content of fuel cell (SOFC) は principle に が 総 close - in sharper rate most high も い. し か し, now open 発 の も の は about 1000 ℃ と い う heat transport planning の た め, material properties, degradation の が avoid け ら れ sentaku ず material limitations も さ れ る. <s:1> が, at 800℃, <s:1> low-temperature operation が is possible なれば, <s:1> れら <s:1> the problem <e:1> is solved され practical に shooting car が が る る. SOFC の low actuation is changed に は, 1) solid electrolyte の film あ る い は high イ オ ン conductive electrolytes の open 発 に よ る オ ー ム の low resistance reduction, 2) points ロ ス が small さ な high-performance electrode の open 発 が important topic で あ り, high functional material の 発 looking strong research が く ま れ て い る. This study で は, SOFC の electrodes feature を dominate す る factor を clear に す る と と も に, new し い design concept に base づ い て actuation SOFC at low temperature with high performance electrode を open 発 し た. 1. SOFC に お け る fuel extreme features dominate factor の interpret under low temperature actuation で も high-performance な electrode の open 発 pointer を る た め に, ガ ス electrode reverse 応 に お け る electrolyte と electrode material cutting に の service つ い て beg し 検 た. Kind of 々 の イ オ ン conductivity を have す る ジ ル コ ニ ア electrolyte の の on platinum electrode polarization feature を adjustable べ た と こ ろ, electrolyte conductivity high が い ほ ど fuel extremely の points が reduce す る こ と を shows し た. Beg の electrode against various institutions の 応 の 検 results, solid electrolyte か ら fuel very anti 応 へ の acidification content イ オ ン supply can dominate し が electrode properties を て い る こ と を interpret で き た. す な わ ち, high イ オ ン conductive electrolytes の use に よ り 単 に オ ー ム losses small を さ く で き る ば か り で な く, electrode も に significantly improve performance で き る た め moving, low temperature SOFC の high-performance に very important で に あ る. こ の results は く all new し い も の で あ り, learn 発 table お よ び research paper に し seaborne て at home and abroad か ら に い very high rating 価 を by け た. 2. The precious metal catalyst particles highly dispersed bear hold に よ る SOFC with の activeness electrodes - イ オ ン mixed conductive を YSZ electrolyte に electrode と し て り pay け, そ の trace の に extremely precious metal catalyst particles on を highly dispersed bear hold し た new し い electrode structure に よ り, high-performance さ せ る こ と を try み た. に use い ま ず, fuel polar bear body る mixed conductive SDC, (CeO_2) _ < > 1 - X) SmO_ < 1.5 >) _X の line optimal composition の を っ た. そ の results, SDC の イ オ ン お よ び electronic conductivity の が struck party of the most high も い X = 0.2 の で, electrode surface へ の acidification content イ オ ン の supply と anti 応 で generated す る electronic の mobile が most も ス ム ー ズ に for し て and highest の electrode active を す こ と を Ming ら か に し た. そ し て, electrode surface へ の acidification content イ オ ン の can supply を upward さ せ る よ う に SDC electrode layer の fine-structure の optimization を い, 800-900 ℃ temperature に の actuation お い て 単 flavour の SDC electrode の leap high な performance-based に successful し た. こ の improved さ れ た SDC electrode layer に Ru catalyst particles を highly dispersed bear hold す る matter に よ り, 従 に な を have very high に い い output current density る こ と が で き た. The ペロブスカ type ト acidate LSM acidin pole に <e:1> and platinum microparticle support によって high performance する とがで とがで た た た た た た た.

项目成果

Masahiro WATANABE: "High Performance Catalyzed Reaction Layer for Medium Temperature Operating Solid Oxiide Fuel Cells III.Effects of Composition and Morphology on Performance of Anode and Cathode Layers." Proceedings of 4th International Symposium on Sol

Masahiro WATANABE：“中温运行固体氧化物燃料电池的高性能催化反应层 III.成分和形态对阳极和阴极层性能的影响”。

Hiroyuki UCHIDA: "Effects of lonic Conductivity of Zirconia Solid Electrolytes on Anodic Polarization Properties in SOFC" Proceedings of 4th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells. (印刷中). (1995)

Hiroyuki UCHIDA：“氧化锆固体电解质的离子电导率对 SOFC 阳极极化特性的影响”第四届固体氧化物燃料电池国际研讨会论文集（1995 年）。

Hiroyuki UCHIDA: "Effects of lonic Conductivities of Zirconia Electrolytes on Polarization Properties of Platinum Anodes in Solid Oxide Fuel Cells" The Journal of Physical Chemistry. 99. 3282-3287 (1995)

Hiroyuki UCHIDA：“氧化锆电解质的离子电导率对固体氧化物燃料电池中铂阳极极化性能的影响”《物理化学杂志》。