燃料電池向け高反応率/低稼働温度の空気極材料開発――SOFCの稼働温度を200℃低減 中部大学

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新規空気極の反応機構と電極構造

中部大学は2019年4月22日、従来よりも反応率が高く、かつ低温稼働が可能な、燃料電池向けの空気極材料を開発したと発表した。

燃料電池には、主に固体高分子型燃料電池(PEFC)と固体酸化物形燃料電池(SOFC)の2種類がある。いずれもエネファームとして家庭用に製品化されているが、車載用にはPEFCが先行している。PEFCは稼働温度が約80℃と低く、SOFCは約750℃と稼働温度が高いが、効率はSOFCが優れているなどの特徴がある。

従来SOFCの空気極は、電極表面すべてが反応場となる「酸素イオン-電子混合導電体」が高性能化の要件とされてきた。今回開発した空気極は、空気雰囲気中で酸素イオンがほとんど導電しないランタン・ニッケル酸化物(LaNiO3)に、酸素イオン導電体であるガドリニウム添加酸化セリウム酸化物(GDC)を複合化したものだ。

酸素をイオン化して取り込む反応場は、GDCとLaNiO3と気相の三相界面となるため、酸素イオンがほとんど導電しないLaNiO3の使用は一見不利のようだが、電極反応活性が極めて高いために、従来材料(ランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄酸化物(LSCF))と比較して、550℃で10倍以上、500℃で18倍以上の電極性能を示すことを確認した。さらに今後、作製条件の最適化によって、500℃台でも、LSCFの750℃での電極性能と同等以上に高められるという。

また、今回開発した空気極材料を用いると、稼働温度を500℃台まで下げられる。これにより安価なフェライト系ステンレスの使用が可能になり、コストダウンも可能になる。さらに、稼働温度低下に伴い始動性も高まるので、航空機用非常補助電源(APU)や、EVのレンジエクステンダー(航続距離延長を目的とした小型発電機システム)へのSOFCの応用も視野に入ってくるという。

今後は、他の研究機関や企業などとも協力し、今回開発した空気極材料と固体電解質、燃料極を組み合わせた500℃台で稼働する移動体用SOFCの開発を目指す。

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