九大と三井金属、中低温で動作する酸化物イオン伝導固体電解質型デバイスを開発――ガスセンサー、酸素分離膜、SOFCの作動温度低下に期待

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九州大学は2018年11月7日、三井金属鉱業と共同で、600℃以下の中低温領域で動作する酸化物イオン伝導固体電解質型デバイスの開発に成功したと発表した。

固体電解質型デバイスは、電場を加えることでイオンを移動させることができる固体である固体電解質と電極から構成されている。そして、現在の固体電解質型デバイスでは、電極に白金、固体電解質には酸化物イオン伝導性であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が主に利用されている。

しかし、この固体電解質型デバイスは600℃以上の作動温度が必要であり、より低温で作動するデバイスの実現には、高性能な電極材料と固体電解質の開発および、これら材料の接合部での界面形成技術の改善が必要だった。

そこで、今回の研究では、三井金属が開発した高い酸化物イオン伝導率を示す配向性アパタイト型固体電解質に、九州大学が開発した高い酸素活性と混合伝導性を有するペロブスカイト型構造の酸化物電極材料の設計技術と界面形成技術を適用。中低温領域での作動に有利な固体電解質型デバイスの開発に成功した。

三井金属が開発した固体電解質の酸化物イオン伝導率は、600℃でYSZの10倍以上、300℃で1000倍程度の高い性能を有する。また、九州大学が開発した電極材料は、400℃以下での高い酸素活性と良好な混合伝導性を有す。これらの材料を組み合わせて作製したデバイスは、600℃の条件下で直流0.5Vを印加したときに161mA/cm2の電流値を記録。この電気特性は、従来のデバイスと比べ、約27倍高い値となっており、作動温度領域が200℃程度低くなることを実証した。

研究グループは、この開発により、固体電解質型ガスセンサーや酸素分離膜、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の低コスト化、低消費電力化の実現や、新規デバイスへの応用が期待されるとしている。

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