プロトン伝導セラミック燃料電池の発電性能が飛躍的に向上――発電効率70％以上が実現可能横浜国立大学ら

横浜国立大学は2023年10月10日、同大学と産業技術総合研究所（産総研）、宮崎大学の共同研究チームが、プロトン伝導セラミック燃料電池（PCFC）の発電性能を飛躍的に向上させることに成功したと発表した。実験データを再現できる計算モデルにより、発電効率70％以上が実現可能であることが判明している。

セラミックス材料を用いた固体酸化物形燃料電池（SOFC）は、家庭用発電機として発電効率55％（低位発熱量基準）に達しており、普及が進んでいる。ただし、酸化物イオン（O²⁻）の伝導により、発電中に燃料側の電極で水蒸気が生じ、燃料が希釈されて使い切れなくなる点が課題となっている。

一方、プロトン（水素イオン、H⁺）が伝導するPCFCは、水蒸気が空気側の電極で生じる。このため、燃料が希釈されず、発電効率のさらなる向上が期待できる。

同共同研究チームは今回、高いプロトン伝導性を有するイッテルビウム添加ジルコン酸バリウム（BaZr_0.8Yb_0.2O_3−δ、BZYb）を電解質に選定した。材料組成などの制御により、正孔伝導の影響を抑制している。

また、BZYb電解質の製造プロセスの最適化などにより、約5μmの電解質でも内部短絡を抑制できる緻密薄膜化技術を確立した。さらに、ナノ複合電極技術を用いて、作動温度が従来より100～150℃低い550℃でも、出力密度約0.6W/cm²を示すPCFCを開発した。

（左）PCFC の模式図
（右）プロトン伝導性電解質の走査型電子顕微鏡像

電解質膜厚などに依存する内部短絡は、発電効率に大きな影響を与える。そこで、電極反応や電解質内の物質移動を表す数式に、内部短絡の影響を組み込み、PCFCの出力密度や発電効率を再現できる計算モデルを構築した。

加えて、実験により取得したプロトン伝導性電解質の材料物性などを入力し、計算の正確性をさらに高めている。

同計算モデルを用いることで、さまざまな条件下でのPCFCの発電効率が容易に予測可能となった。電解質膜厚など、PCFCの最適な構成や作動条件を推定できる。

今回開発したPCFCの測定値を計算モデルから算出した値と比較したところ、高精度で一致した。そこで、電解質膜厚や燃料利用率、作動温度といった条件を設定して同計算モデルで発電特性を推定した結果、今回開発したPCFCは、作動温度500℃で70％超の発電効率にまで達成可能であることが判明した。

同共同研究チームは今後、電極材料の改良などを進め、実際に500℃で高効率発電できることを実証する計画を立てている。

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