横滨国立大学，荒木拓人教授，IAS助理教授李昆博，米乐m6官方网站（AIST），极端功能材料研究部，高级首席研究员岛田博之，客座研究员水谷康信，国立大学法人宫崎大学教授奥山雄二质子传导陶瓷燃料电池（PCFC）的发电性能并建立了一个可以重现实验数据的计算模型。发电效率我们透露可以达到 70% 以上。
PCFC理论上比其他燃料电池具有更高的发电效率。然而，在实际的PCFC中，电解质传导空穴。内部短路但是，它有降低发电效率的缺点。这次，我们通过抑制电解液内部短路和使电解液更薄，实现了高性能PCFC。通过建立一个可以轻松准确地预测 PCFC 效率的计算模型并重现实验结果，我们发现了可实现 70% 发电效率的 PCFC 的最佳配置和运行条件。
请注意，部分技术将于 2023 年 9 月 27 日发布。能量转换和管理
图1燃料电池发电效率的变化
燃料电池可以直接将氢等燃料的化学能转化为电能，从而比火力发电中使用的热机具有更高的发电效率。其中，由陶瓷材料制成固体氧化物燃料电池 (SOFC)发电效率达55%（较低的热值（LHV）标准）已经实现，其使用正在取得进展。然而，氧离子 (O2−)的传导，发电时在燃料侧电极(燃料电极)处产生水蒸气，导致燃料被稀释而无法用完的问题。另一方面，质子（氢离子，H+)进行的PCFC中，在空气侧电极(空气电极)处产生水蒸气，使得可以在不稀释燃料的情况下用完燃料，这有望进一步提高发电效率。
迄今为止，在NEDO“能源与环境新技术领先研究计划（2017-2018）”质子传导电解质材料的基本物理特性，开发了PCFC制造工艺技术，并利用理论值估算了PCFC的发电效率。2018 年 7 月 4 日 AIST 新闻稿）。
PCFC预计比其他燃料电池具有更高的发电效率。但问题是电解质不仅传导质子，还传导空穴，导致内部短路并降低发电效率。此外，在传统的PCFC发电效率计算中，很难准确评估电解质膜厚度和其他配置对内部短路的影响。
这次，我们受 NEDO 委托进行“产学官合作研究开发项目，以解决大幅扩大燃料电池等的使用的常见问题”。并开发了可以抑制内部短路的PCFC。我们还建立了一个可以重现实验数据（包括内部短路的影响）的计算模型，并计算了PCFC的发电效率。
当电解质制成薄膜时，PCFC 中的内部短路变得更加明显。因此，掺镱锆酸钡（BaZr0.8Yb0.2O3−δ，BZYb)作为电解质，通过控制材料组成来降低空穴传导的影响。此外，通过优化BZYb电解质的制造工艺，我们建立了即使使用约5μm电解质也能抑制内部短路的致密薄膜技术。此外，纳米复合电极技术（AIST 新闻公告 2016 年 11 月 9 日)，即使在550℃的工作温度下，功率密度也约为06W/cm2（图2）。
图2 PCFC示意图（左）和质子传导电解质的扫描电子显微镜图像（右）
内部短路取决于电解质膜厚度，对发电效率有很大影响。因此，我们建立了一个计算模型，通过将内部短路的影响纳入表达电极反应和电解质内传质的数学方程中，可以重现 PCFC 的输出密度和发电效率。此外，通过将实验获得的质子传导电解质的材料特性输入到上述计算模型中，可以进行更精确的计算。通过使用该计算模型，无需进行大规模示范实验就可以轻松预测各种条件下PCFC的发电效率，并且可以估计PCFC的最佳配置和运行条件，例如电解质膜厚度。
根据计算模型计算出的值与新开发的PCFC的测量值具有高精度匹配。根据计算模型，电解质膜厚度、工作温度、
燃料利用率等条件来估算发电特性，结果发现所开发的PCFC可以实现70%以上的发电效率（图3）。
图3 基于实验数据的计算模型得到的PCFC发电效率
该计算模型表明，PCFC在500℃的工作温度下可以实现70%的发电效率。未来，我们将通过改进电极材料，论证在500℃下真正实现高效发电，推动PCFC的社会化落地。
该成果是通过NEDO的委托工作“解决大幅扩大燃料电池等的使用的常见问题的产学官合作研究开发项目/开发解决常见问题的基础技术/超高效率质子传导陶瓷燃料电池装置的研究和开发”而获得的（JPNP20003）''。
出版的杂志：能量转换和管理
论文标题：质子陶瓷燃料电池的超高功率密度和高能效：数值和实验结果
作者：Kunbo Lee、Hiroyuki Shimada、Yuji Okuyama、Yasunobu Mizutani、Takuto Araki
DOI：101016/jenconman2023117678