Yokohama National University, Araki Takuto 교수, Lee Kunho 조교수, IAS, Shimada Hiroyuki 수석 수석 연구원 Shimada Hiroyuki, Extreme Functional Materials Research Division, Mizutani Yasunobu의 국립 고급 산업 과학 및 기술 연구소, Miyazaki, Miyazaki, National University 교수양성자 전도성 세라믹 바카라 게임 전지 (PCFC)의 발전 성능이 크게 향상되었으며 실험 데이터를 재현 할 수있는 계산 모델이 구성됩니다발전 효율70% 이상이 달성 될 수 있음이 밝혀졌습니다
PCFC는 이론적으로 다른 바카라 게임 전지보다 더 높은 발전 효율을 가질 수 있습니다 그러나 실제 PCFC에서 전해질은 구멍을 수행합니다내부 단락발전 효율을 줄이는 단점이 있습니다 이번에는 전해질의 내부 단락을 억제하고 전해질 박막을 감소시켜 고성능 PCFC를 달성했습니다 정확도와 편의성으로 PCFC의 효율을 예측할 수있는 계산 모델을 구성하고 실험 결과를 재현함으로써 PCFC의 최적 구성 및 작동 조건을 발견하여 70% 전력 효율성을 달성 할 수 있습니다
이 기술 중 일부는 2023 년 9 월 27 일에 출시 될 것입니다에너지 변환 및 관리"에 게시되었습니다
그림 1 : 바카라 게임 전지 발전 효율의 변화
바카라 게임 전지는 수소와 같은 바카라 게임에서 전기 에너지로 화학 에너지를 직접 변환 할 수있어 열 발전 및 기타 필드에 사용되는 열 엔진보다 발전 효율이 높아질 수 있습니다 그 중에서도 세라믹 재료로 구성됩니다소프트 산화물 바카라 게임 전지 (SOFC)55% (낮은 미적분학(LHV) 표준)이 달성되고 있으며 그 인기가 진행되고 있습니다 그러나 산화물 이온 (O2 -)의 전도로 인해, 발전 동안 바카라 게임 측 전극 (바카라 게임 전극)에서 수증기가 생성되어 바카라 게임를 희석하고 사용할 수 없었다 대조적으로, 양성자 (수소 이온, H+)가있는 PCFC에서는 공기 측 전극 (공기 전극)에서 수증기가 생성되므로 바카라 게임는 희석되지 않고 사용될 수 있으며 발전 효율의 추가 개선이 예상됩니다
Nedo의 "새로운 에너지 및 환경 기술 (2017-2018)을위한 주요 연구 프로그램"이 발표되었습니다양성자 전도성 전해질 물질, PCFC 제조 공정 기술의 개발에 대한 기본 물리적 특성 평가를 수행했으며 이론적 값 (Aisode Press 2018 년 7 월 4 일 발표)
PCFC는 다른 바카라 게임 전지보다 발전 효율이 높을 것으로 예상됩니다 그러나 문제는 전해질이 양성자뿐만 아니라 구멍을 전도하여 내부 단락을 유발하여 발전 효율을 감소 시킨다는 것입니다 또한, 기존의 PCFC의 발전 효율을 계산할 때, 전해질 필름 두께 및 내부 단락 회로에 대한 다른 구조의 효과를 정확하게 평가하기가 어려웠다
이번에는 NEDO의 "산업-아카데미아 정부 협업 연구 및 개발 프로젝트가 크게 확장되는 바카라 게임 전지 등을위한 일반적인 문제를 해결하기위한"의뢰를 받았으며, 내부 회로를 억제 할 수있는 PCFC를 개발했으며, 내부 회로를 포함하여 Exputiental Data를 재현 할 수있는 계산 모델을 구축했습니다
전해질이 얇아지면 PCFC의 내부 단락이 더욱 두드러집니다 따라서, 높은 양성자 전도도를 갖는 Ytterbium 도핑 바륨 지르코 네이트 (BAZR0.8yb0.2O3-δ, bzyb)는 전해질로 선택되었고, 재료 조성 및 기타 요인을 제어함으로써 구멍 전도의 효과가 감소되었다 또한, BZYB 전해질의 제조 공정을 최적화함으로써, 우리는 약 5μm의 전해질로도 내부 단락을 억제 할 수있는 밀도가 높은 박막 기술을 확립했습니다 또한, 나노 복합 전극 기술 (바카라 규칙 AIST : 수소의 대규모 생산을 가능하게하는)를 적용함으로써, 전력 밀도는 550 ° C의 작동 온도에서도 대략 06 w/cm2를 보여주는 PCFC를 개발했습니다 (그림 2)
그림 2 : PCFC (왼쪽) 및 스캐닝 전자 현미경 이미지의 전도도 전기 전해질 (오른쪽)
내부 단락은 전해질 필름 두께 등에 따라 다르며 발전 효율에 큰 영향을 미칩니다 따라서, 우리는 내부 단락의 효과를 전극 반응 및 전해질 내에서 질량 전달을 표현하는 수학 공식에 통합함으로써 PCFC의 전력 밀도 및 발전 효율을 재현 할 수있는 계산 모델을 구성했다 또한, 상기 계산 모델로 실험을 통해 얻은 양성자 전도 전해질의 재료 특성을 입력함으로써,보다 정확한 계산이 가능해졌다 이 계산 모델을 사용함으로써, 대규모 시연 실험을 수행하지 않고 다양한 조건에서 PCFC의 발전 효율을 쉽게 예측할 수 있으며, 이제 전해질 필름 두께와 같은 PCFC의 최적 구성 및 작동 조건을 추정 할 수 있습니다
이번에 개발 된 PCFC의 측정 값과 측정 된 값에서 계산 된 값은 높은 정확도와 일치합니다 계산 모델, 전해질 필름 두께, 작동 온도 및
바카라 게임 활용률와 같은 조건을 설정 한 후 발전 특성을 추정했으며 개발 된 PCFC가 70% 이상의 발전 효율을 달성 할 수 있음을 발견했습니다 (그림 3)
그림 3 : 실험 데이터를 기반으로 한 계산 모델에서 얻은 PCFC의 발전 효율
이 계산 모델에서, PCFC는 500 ° C의 작동 온도에서 발전 효율 70%를 달성 할 수 있음이 밝혀졌습니다 앞으로, 우리는 전극 재료를 개선하여 고효율 전력 생성이 실제로 500 ° C에서 달성 될 수 있으며, PCFC의 사회적 구현을 진행할 것임을 입증 할 것입니다
이 결과는 NEDO의 계약 작업, "바카라 게임 전지의 공통 문제를 해결하기위한 산업-아카데미아 정부 협업 연구 및 개발 프로젝트를 통해 얻어졌다
게시 된 잡지 :에너지 변환 및 관리
종이 제목 : Protonic Ceramic Fuel Cells의 초강성 전력 밀도 및 고 에너지 효율 : 수치 및 실험 결과
저자 : Li Kunto, Shimada Hiroyuki, Okuyama Yuji, Mizutani Yasunobu, Araki Takuto
doi : 101016/jenconman2023117678