Development of highly efficient hydrogen-permeable metal-supported fuel cells using proton pumping

利用质子泵开发高效氢渗透金属支撑燃料电池

• 批准号: 21J11926
• 负责人: 鄭 成佑
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J11926/
• 关键词: 燃料電池; プロトン伝導性酸化物; 中温作動; プロトンポンピング; 水素透過膜; 酸素還元反応; 反応機構; 反応経路

本研究では，プロトンポンピングを活用した材料の高機能化を図るため，アクセプター（Sc）を高濃度ドープした物質を水素透過膜支持型燃料電池の新規電解質材料として検討し，酸素欠損濃度がプロトンポンピングに及ぼす影響を調べた。検討組成は，BaZr0.8Sc0.2O3 (Sc20)およびBaZr0.5Sc0.5O3 (Sc50)の２つである。熱重量分析によって，Sc50はSc20よりも酸素欠損が多いことがわかった。また，数値計算の結果，酸素欠損の多いSc50はSc20よりもプロトンポンピングがより顕著に現れ，カソード近傍でのプロトンの界面移動をより促進できることが予想された。この予想を実証するとともに高効率に発電できる燃料電池を開発するために，両組成からなる水素透過支持型セルを作製し，その発電特性評価した。その結果，Sc50からなるセルはSc20のセルよりも400℃で76％高い出力を示すことがわかった。その原因を電気化学インピーダンス分光法によって分析したところ，Sc50からなるセルはSc20のセルよりも電解質抵抗が小さく，なおプロトンポンピングによる分極抵抗の低減がより大きいことが高出力の原因であることを明らかにした。Sc50のセルの出力は，400℃で約0.43 W cm-2の高い値となり，従来報告された固体酸化物形燃料電池よりも遥かに高い性能を達成することができた。また，本研究では水素透過膜支持型でカソード反応が促進されるメカニズムを明らかにした。水素透過膜型支持型セルでは，なぜか従来のカソード材料を用いても従来のセルよりも低い分極抵抗が得られるが，その原因は長らくわからなかった。本研究では，燃料電池のカソード反応を時定数分布解析および定常状態近似によって分析して反応の律速段階を決定して反応経路を推定し，これを基にカソード反応機構モデルを構築した。

在这项研究中，为了提高利用质子泵浦的材料的功能，我们研究了一种高浓度掺杂受体（Sc）的材料，作为氢渗透膜支持的燃料电池的新型电解质材料，并研究了其对材料的影响。研究的两种成分是 BaZr0.8Sc0.2O3 (Sc20) 和 BaZr0.5Sc0.5O3 (Sc50)。热重分析表明Sc50比Sc20具有更多的氧空位。此外，数值计算表明，具有许多氧空位的Sc50比Sc20表现出更明显的质子泵浦作用，有望促进阴极附近的质子界面运动。为了验证这一预测并开发能够高效发电的燃料电池，我们制造了具有两种成分的透氢支撑电池并评估了其发电特性。结果表明，由 Sc50 制成的电池在 400°C 下的输出比由 Sc20 制成的电池高 76%。当使用电化学阻抗谱分析其原因时，发现由Sc50制成的电池的电解质电阻低于由Sc20制成的电池，并且高输出的原因是由于极化电阻的更大降低。我成功了。 Sc50 电池在 400°C 时的输出约为 0.43 W cm-2，实现了比之前报道的固体氧化物燃料电池更高的性能。此外，本研究还阐明了氢渗透膜支持型中促进阴极反应的机制。由于某种原因，即使使用传统的阴极材料，氢渗透膜支撑电池也能够实现比传统电池更低的极化电阻，但其原因长期以来仍不清楚。在本研究中，我们利用时间常数分布分析和稳态近似分析了燃料电池的阴极反应，确定了反应的速率决定步骤，估计了反应路径，并在此基础上构建了阴极反应机理模型。

项目成果

Proton Pumping Modifies the Nature of Triple-Phase Boundaries at Cathode and Enables Fast Reaction of Fuel Cells at Low Temperatures

质子泵浦改变了阴极三相边界的性质并实现了燃料电池在低温下的快速反应

• 发表时间: 2021
• 作者: SeongWoo Jeong;Sho Kitano;Hiroki Habazaki;Yoshitaka Aoki
• 通讯作者: Yoshitaka Aoki

Metal/Oxide Heterojunction Boosts Fuel Cell Cathode Reaction at Low Temperatures

• DOI: 10.1002/aenm.202102025
• 发表时间: 2021-08-26
• 期刊: ADVANCED ENERGY MATERIALS
• 影响因子: 27.8
• 作者: Jeong, SeongWoo;Wang, Ning;Aoki, Yoshitaka
• 通讯作者: Aoki, Yoshitaka