固体酸化物形燃料電池の構成材料の開発と電極反応解析

固体氧化物燃料电池构成材料的开发及电极反应分析

• 批准号: 21F20736
• 负责人: 松井 敏明
• 金额: $ 1.47万
• 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: 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-21F20736/
• 关键词: 空気極; プロトン伝導セラミック燃料; 混合伝導体; プロトン伝導セラミック燃料電池

酸素還元反応の向上には、ガス／イオン伝導体／電子伝導体が接する三相界面の増加や、イオン－電子混合伝導体を用いた反応場の拡大が有効である。BaCe0.5Pr0.3Y0.2O3-δ（BCPY）はプロトン・酸化物イオン・電子の混合伝導体であることが知られているが、BCPYの低い酸素還元反応（ORR）活性が問題となっている。そこで、BCPYへ高活性触媒を含浸することで、そのORR活性の向上を試みた。これまでに、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3表面上にPrNi0.5Mn0.5O3とPrOxナノ粒子の薄層を形成することでORR活性と安定性が大幅に向上することが報告されている。さらに、PrOxナノ粒子は、高濃度の酸素空孔を介してORR速度を劇的に向上させる可能性があることが示唆されている。また、酸化物イオン伝導体を電解質とした固体酸化物形燃料電池の高活性な空気極触媒であるPrCoO3において、Coの一部をNiに置換するとプロトン伝導の移動障壁が減少し、プロトン伝導性が向上することが報告されている。そこで今年度は、Pr(Ni,Mn)O3およびPr(Ni,Co)O3を含浸法によりコーティングしたBCPY複合空気極材料を開発し、そのORR活性や物性の評価を実施した。その結果、適量のPr(Ni,Co)O3を含浸すると性能が向上するとともに、CO2耐性の向上も確認された。修飾電極の高いORR活性は、主にBCPY担体とPNCナノ粒子の相乗効果に起因し、PNCナノ粒子は表面の酸素交換と水蒸気の吸脱着を促進すると考えられた。また、PNC修飾BCPYカソードを用いた単セルでは、700℃において0.79 W cm-2の高いピーク出力密度を示し、600℃で200時間の安定動作が可能であった。

为了改善氧还原反应，增加气体/离子导体/电子导体接触的三相界面的数量并使用混合离子-电子导体扩大反应场是有效的。 BaCe0.5Pr0.3Y0.2O3-δ（BCPY）被认为是质子、氧离子和电子的混合导体，但BCPY的低氧还原反应（ORR）活性已成为一个问题。因此，我们尝试通过用高活性催化剂浸渍 BCPY 来提高 BCPY 的 ORR 活性。此前，有报道称，在La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3表面上形成PrNi0.5Mn0.5O3和PrOx纳米颗粒薄层可显着提高ORR活性和稳定性。此外，有人认为 PrOx 纳米粒子可以通过高浓度的氧空位显着提高 ORR 率。此外，据报道，在使用氧化物离子导体作为电解质的固体氧化物燃料电池的高活性空气电极催化剂PrCoO3中，用Ni取代部分Co可降低质子传导的迁移势垒并提高质子传导性。改善。因此，今年我们通过浸渍法开发了Pr(Ni,Mn)O3和Pr(Ni,Co)O3包覆的BCPY复合空气电极材料，并评价了其ORR活性和物理性能。结果表明，浸渍适量的Pr(Ni,Co)O3不仅可以改善性能，而且可以改善耐CO2性能。修饰电极的高ORR活性主要归因于BCPY载体和PNC纳米颗粒的协同作用，并且PNC纳米颗粒被认为可以促进表面氧交换和水蒸气吸附/解吸。此外，使用PNC修饰的BCPY阴极的单电池在700℃下表现出0.79 W cm-2的高峰值功率密度，并且可以在600℃下稳定运行200小时。

项目成果

Changchun Institute of Applied Chemistry(中国)

长春应用化学研究所（中国）

Effectively Enhanced Oxygen Reduction Activity and Stability of Triple-conducting Composite Cathodes by Strongly Interacting Interfaces for Protonic Ceramic Fuel Cells

通过强相互作用界面有效增强质子陶瓷燃料电池三导复合阴极的氧还原活性和稳定性

• DOI: 10.1016/j.cej.2023.142056
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 15.1
• 作者: Wenwen Zhang; Hiroki Muroyama; Yuichi Mikami; Qingshi Liu; Xiaojuan Liu; Toshiaki Matsui; Koichi Eguchi
• 通讯作者: Koichi Eguchi

Effectively Enhanced Oxygen Reduction Activity and Stability of Triple-conducting Composite Cathodes by Strongly Interacting Interfaces for Protonic Ceramic Fuel Cells

通过强相互作用界面有效增强质子陶瓷燃料电池三导复合阴极的氧还原活性和稳定性

• 发表时间: 2022
• 作者: Wenwen Zhang;室山広樹;見神祐一;Qingshi Liu;Xiaojuan Liu;松井敏明;江口浩一
• 通讯作者: 江口浩一