Design of proton-conducting solid oxide electrolysis cells and electrochemical reactors for ammonia electrosynthesis systems

令和4年度には、アンモニア電解合成に向けたプロトン伝導性セラミック電解セル(Protonic Ceramic Electrolysis Cell; PCEC)の「反応機構に基づいたセルの高性能化」と「作動温度の低温化」の目標に対して、PCECの電極構造とセル構造の観点からセルの開発及び電気化学評価を行った。カソード側の雰囲気を窒素のみから窒素と水素の混合雰囲気に変更することによってアンモニア生成速度は加速するが、その反応機構及び反応場の解明は課題となっている。本研究ではまず、窒素と水素を共供給した一室装置において、電解質支持型セルの電極構造に着目することで、反応場に関する議論を行った。三相界面を多く有するサーメット電極に比べ、触媒金属のみを含む電極でもアンモニア生成速度が同等に加速されたことから、電解質材料・触媒材料・供給ガスが接する三相界面以外にも電極上に反応場があると示唆された。さらに、電極の膜厚の観点からは、電解質近傍の限られた領域のみが電気化学的に有効であることを確認した。これらの反応場に関する知見を基に、更なるカソード電極の改善及びセルの高性能化が見込まれる。また、セル構造の検討を通して、作動温度の低温化を実現した。PCECを用いて高いアンモニア生成速度を得るには従来550 °C以上が必要とされていたが、本研究では薄膜電解質を有する電極支持型セルを利用することによって、今まで報告されているアンモニア生成速度の最大値と同レベルの生成速度を400 °Cで観測した。電極支持型セルの電気化学特性評価から、カソード電極に分極が十分にかかること、すなわち、アノード電極と電解質由来の抵抗を抑えることがアンモニア生成速度上昇の理由だと示唆された。アンモニア電解合成用PCECの低温化は、将来の社会導入に向けて、変動する再生可能エネルギーへの適応性や熱力学的な観点から重要になる。

令和4年度には、アンモニア電解合成に向けたプロトン伝導性セラミック電解セル(Protonic Ceramic Electrolysis Cell; PCEC)の「反応機構に基づいたセルの高性能化」と「作動温度の低温化」の目標に対して、PCECの電極構造とセル構造の観点からセルの開発及び電気化学評価を行った。カソード側の雰囲気を窒素のみから窒素と水素の混合雰囲気に変更することによってアンモニア生成速度は加速するが、その反応機構及び反応場の解明は課題となっている。本研究ではまず、窒素と水素を共供給した一室装置において、電解質支持型セルの電極構造に着目することで、反応場に関する議論を行った。三相界面を多く有するサーメット電極に比べ、触媒金属のみを含む電極でもアンモニア生成速度が同等に加速されたことから、電解質材料・触媒材料・供給ガスが接する三相界面以外にも電極上に反応場があると示唆された。さらに、電極の膜厚の観点からは、電解質近傍の限られた領域のみが電気化学的に有効であることを確認した。これらの反応場に関する知見を基に、更なるカソード電極の改善及びセルの高性能化が見込まれる。また、セル構造の検討を通して、作動温度の低温化を実現した。PCECを用いて高いアンモニア生成速度を得るには従来550 °C以上が必要とされていたが、本研究では薄膜電解質を有する電極支持型セルを利用することによって、今まで報告されているアンモニア生成速度の最大値と同レベルの生成速度を400 °Cで観測した。電極支持型セルの電気化学特性評価から、カソード電極に分極が十分にかかること、すなわち、アノード電極と電解質由来の抵抗を抑えることがアンモニア生成速度上昇の理由だと示唆された。アンモニア電解合成用PCECの低温化は、将来の社会導入に向けて、変動する再生可能エネルギーへの適応性や熱力学的な観点から重要になる。