現在、新しい世界的なコンセンサスが徐々に形成されつつあります。水素エネルギーは、さまざまなエネルギー システム間の相互リンクとして機能し、将来の低炭素放出エネルギー システムの中核となります。間違いなく、クリーンな再生可能エネルギーの開発は、世界のエネルギー消費インフラストラクチャを最適化するための長期的な影響をもたらします。これは、エネルギーの節約と排出削減に向けた持続的な推進力です。
潜在的なクリーン エネルギー システムとして、燃料電池は、放出された化学エネルギーを、電気の利用とは異なる目的で電気エネルギーに直接変換できます。従来の内燃発電システム (ディーゼル ピストン発電機など) とは異なり、放出される化学エネルギーは、電極触媒還元酸化 (レドックス) 反応から得られます。
さらに、燃料電池は、NOx の有害な排出と比較してゼロエミッションを示します。 またはSOx 従来のガソリンまたは石炭システムの燃焼から。したがって、変換効率と環境への優しさの両方において、従来のエネルギー技術よりも潜在的な優位性を示しています。
現在、支配的なエネルギーシステムを交換することは、最初の燃料選択やエネルギー生成メカニズムを変更するだけではもはや簡単ではありません。伝送とアプリケーションのための全体的なインフラストラクチャのアップグレードも考慮に入れる必要があります。これらの激しい電力問題により、決して偶然ではなく、固体酸化物型燃料電池 (SOFC) が燃料電池ファミリーの競争力のある候補として浮上しました。 40~60% または 70% まで)。それらは必ずしも伝統的なカルノーサイクルの熱力学的法則に従う必要はなく、主に O2, によって供給される高速な酸化還元反応のみに依存しています。 酸化剤。
熱電コージェネレーションの伝熱システムと組み合わせれば、エネルギー変換効率はさらに85％まで高めることができます。これらの機能により、世界のエネルギー市場における SOFC の重要な地位が確固たるものになります。 2017 年まで、SOFC の世界市場は約 4 億 340 万ドルに達し、2025 年には 11 億の世界市場シェアに急速に拡大すると予想されます。
日常生活の消費にエネルギーを供給するだけでなく、システム内生物循環型の再生型 SOFC は、航空宇宙産業でのアプリケーション向けの組み込み型の再生可能発電としても機能します。最近、「Lunar-Palace-One-Project」と呼ばれる中国の深宇宙探査機に SOFC を適用することが提案されました。 」。 SOFC が選択された理由は、月の極限環境での宇宙飛行士の生活ニーズに十分なエネルギーを最適に供給する能力と、生物学的内部リサイクル システムをサポートする高品質の水と熱をさらに生成する能力があるためです。
高速イオン伝導体
SOFC のコア コンポーネントである電解質は、電圧損失を低減し、電気的性能を決定する電子絶縁を備えた高速イオン輸送を確保する必要があります。従来、これは通常、800°Cを超える高い使用温度でのSOFCでのみ確保できました。したがって、SOFC のより広い用途とさらなる開発を達成するために、高い動作温度とそれに対応する高コストというボトルネックの問題を打破するために、私たちは技術の中核部分である電解質に焦点を当てています。
あらゆる材料の結晶構造の本質的な特徴として、固有の欠陥、特に熱によって駆動されるアニオン フレンケル (a-Fr) ペアの形成は、イオン伝導の開始であると考えられてきました。別の電解質候補、La2 に関する以前の研究 Hf2 O7, そのような視点も証明しています。しかし、格子内に一定量の a-Fr ペアが形成された場合にのみ、イオン伝導を機器で調べることができました。ここでは、密度汎関数理論 (DFT) 計算を使用して、a-Fr ペア形成とイオン伝導の完全なプロセスを監視する新しい信頼できる方法として、新しいその場および非接触発光法を報告します。これは、イオン伝導メカニズムを完全に理解するために重要であり、材料の特性を制御して低温で高い伝導性を実現するのにさらに役立ちます。
低温 SOFC に適した電解質材料を探す中で、La2 に触発されました。 Mo2 O9 2001年に高速イオン伝導体であることが発見された（かなり高いOイオン伝導率を持つアモルファス状の酸化物化合物）。 La2 中の a-Fr ペア (ネイティブ可溶化剤) および Bi ドーパント (競合阻害剤) Mo2 O9 デリバティブ。
ドーパントによる陰イオン フレンケル欠陥
DFT 計算内で、La2 の異なる位置にある a-Fr 欠陥の形成エネルギー コスト Mo2 O9 Bi ドープされた La2 のモデルと比較して計算されています。 Mo2 O9 .これらの結果は、結晶構造にドーパントを採用すると、a-Fr 欠陥の形成エネルギー コストが大幅に増加したことを示唆しています。逆に、a-Fr 欠陥が存在すると、材料に Bi を採用することの難しさが低下します。言い換えれば、a-Fr 欠陥とドーパント Bi 原子の間の相互作用は、それぞれ「ネイティブ可溶化剤」と「競合阻害剤」の関係を示しています。
その結果、Ｂｉドーパントは、ドーピング限界まで、結晶構造におけるａ－Ｆｒ欠陥の形成を大幅に抑制する。この結果、ドーパントの Bi 濃度が特定のポイントまで増加すると、a-Fr ペアの形成が大幅に抑制されるため、イオン伝導率の増加が停止するか、減少し始めることさえあります。希土類ベースのアップコンバージョン (UC) ルミネッセンス実験でも、Bi ドーパントの濃度に応じてそのようなイオン伝導性挙動が変化することが証明されました。 Bi ドーパント濃度の低いサンプルでは 150 ºC でイオン伝導率の変化が観察されており、これは a-Fr 形成開始温度の計算と一致しています。
私たちの研究チームがこの分野で前進するにつれて、低温SOFCのより多くの可能な候補材料を選別するためにそのような方法を適用するためのフォローアップ研究を行う予定です.長期的には、材料スクリーニングのための体系的な計算パラメータを構築することが非常に緊急であり、エネルギー材料の調査に有益です.
これらの調査結果は、Nano Energy に最近掲載された、低温 SOFC における酸化物イオン伝導の調査というタイトルの記事で説明されています。 、影響力の大きい学術雑誌。この作業は、華南理工大学の Qian He、Qinyuan Zhang、Shi Ye、桂林工科大学の Xiaojun Kuang と協力して、香港理工大学の Mingzi Sun と Dr. Bolong Huang によって実施されました。
