産総研など、実用サイズのプロトン導電性セラミック燃料電池セル作製に成功

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試作した80mm角平板のプロトン導電性セラミック燃料電池セル(PCFC)

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と産業技術総合研究所(産総研)は2018年7月4日、NEDO事業において、産総研などによる研究グループが、世界で初めて実用サイズのプロトン導電性セラミック燃料電池セル(PCFC)の作製に成功したと発表した。

燃料電池は発電効率が高いことで知られているが、その中でもセラミック材料で構成される固体酸化物形燃料電池(SOFC)は最も発電効率が高い。SOFCの主要構成部材としては従来、酸化物イオン導電体の安定化ジルコニアが用いられてきた。しかし近年、これを選択的プロトン透過セラミックス膜へ代替することで理論的に発電効率が飛躍的に向上し、発電効率75%で発電できることが報告された。これにより、電解質層にプロトン導電性セラミックスを適用したプロトン導電性セラミック燃料電池(PCFC)実現への期待が高まっているが、これまで50mm角以上の実用サイズに適用できる焼結技術は開発されておらず、また電子リークにより電圧効率が低下するなどの課題もあった。

今回、産総研とパナソニック、ノリタケカンパニーリミテドなどによる研究グループは、まず、プロトン導電性セラミックスの拡散焼結法を開発した。プロトン導電性セラミックスは難焼結材料で、焼結に1700℃以上の高温焼成が必要であり、実用サイズのPCFCセル作製技術も開発されていなかった。同研究グループでは、焼結挙動について分析を進め、焼結助剤を含む燃料極支持体と薄層電解質を共焼成する過程で遷移金属を優先的に電解質中に完全固溶させる拡散焼結法を考案。これにより1500℃での焼結率が100%(密度99%以上)で、ガスリークが無い電解質層を得ることに成功し、実用サイズのPCFCの作製を実現した。

さらに今回、燃料極側にCO2への化学安定性の面で有利なBaZrO3系材料の薄層電解質を選択し、また空気極側に高いプロトン導電性をもつ電子リークブロック薄層を積層化させる方法を考案。CO2耐久性と電子リーク抑制を両立させることに成功している。

積層電解質を有する開発中のPCFCにおける破断面電子顕微鏡写真

評価用に作製した50mm角平板のPCFCを用いて、発電特性の実証を行ったところ、700℃近傍で作動させる実用サイズの従来型SOFCの発電特性が、作動温度700~750℃、0.85V作動で電流密度が0.2~0.3A/cm2程度に対し、開発したPCFC発電セルでは、100℃低い600℃においても0.85V付近で電流密度0.3A/cm2であり、SOFCより発電特性が優れていることが確認された。

今後同研究グループでは、単セルショートスタックの効率評価による課題抽出を行い、産学官の連携研究をさらに推めて行く。

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