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。

今年，我们利用数值分析方法阐明了使用混合质子/空穴导电电解质的中温燃料电池中电极电阻的低估问题。以 Y 掺杂 BaZrO3 (BZY) 为代表的 Ba 基钙钛矿氧化物在氧化气氛中表现出混合质子/空穴导电性。然而，在评估中温燃料电池的电极性能时，通常会进行隐式假设电解质是纯离子导体的分析。在本研究中，我们模拟了在潮湿氧化气氛中质子和空穴传导程度相同的电解质，并使用有限元法和牛顿拉夫森法对电解质中载流子的浓度和电势分布进行了瞬态分析，并分析了电流。我们讨论了开路电压下通过中断测量（CI）和交流阻抗测量（EIS）获得的视在电极电阻的可靠性。结果发现，在两个电极都暴露于潮湿氧化气氛的空气电极对称电池中，电极电阻被低估了约80%。另外，在电解质的一侧暴露于加湿的还原气氛而另一侧暴露于加湿的氧化气氛的发电电池中，与EIS相比，发电侧的CI抑制电极电阻的低估。由上可知，为了更准确地评价空气极电阻，优选使用发电电池的发电侧的CI。结果还表明，为了获得不可低估的空气电极电阻，在可以忽略空穴传导的温度范围内进行电化学测量至关重要。因此，得出结论，在低于500℃的温度下进行评估最适合选择真正优秀的PCFC空气电极。这项研究的结果计划于 2021 年在学术期刊上发表。