産総研

プロトン導電性セラミック燃料電池説の実用サイズ作製に成功

　産業技術総合研究所（産総研）は、ＮＥＤＯの委託事業「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム」で、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。拡散焼結技術を開発し、量産可能なプロセスによって実用的な８０ミリメートル角サイズのＰＣＦＣを作製。また、電解質を多層化することで電圧効率も大幅に向上。超高効率電源のコア技術を開発したことにより、再生可能エネルギーと組み合わせたバーチャル発電ネットワークや、政府の「水素基本戦略」にある水素社会向けの超高効率電源の実現が期待される。

　今回、電解質材料としてバリウム（Ｂａ）系のペロブスカイト材料（ＢａＺｒＯ３）系組成を用いた。Ｂａ系ペロブスカイト材料の中にはＣＯ２との反応性が高い組成の材料があるが、発電燃料の一種であるメタンなど炭化水素の改質ガス中にはＣＯ２が含まれる。そのため、ＣＯ２との反応性が非常に低いＢａＺｒＯ３系組成を選択している。実用サイズの燃料電池セルを作製するため、詳細な焼結挙動を調べて、拡散焼結という技術を開発した。これは、焼結助剤を含む燃料極支持体と薄層電解質を共焼成し、その過程で遷移金属を優先的に電解質中に完全固溶させる技術で、遷移金属は粒界偏析しない。

　通常の焼結では、１５００度では５０％程度の焼結率で、ほとんど焼結が進行しないが、拡散焼結法では焼結率が１００％（密度９９％以上）に達し、無駄な燃料消費の原因となるガスリークがない緻密な電解質層が作製できた。拡散焼結法によって、量産化が可能な押出成形法やテープ成形法での燃料極基材作製と、ディップコーティングやスクリーン印刷での成膜と焼成による電解質層や空気極層の形成により、チューブ型や平板型の各種形状の燃料電池セルが試作できるようになった。

　評価用に作製した５０ミリメートル角型の平板単セルでは、定格作動電圧０.８５Ｖにおいて、６００度、７００度ではそれぞれ実電流値５.３Ａ（出力値＝４.５Ｗ）、６Ａ（同５.１Ｗ）を示した。

　これは、エネファームなどに使用できるＣＯ２耐久性を持つＰＣＦＣとしては、実用サイズの単セルでの初の実証データである。
　７００度付近で作動させる実用サイズの従来型ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）の発電特性が７００―７５０度、０.８５Ｖ作動で電流密度０.２―０.３Ａ／平方センチメートルなのに対し、今回開発したＰＣＦＣ発電セルでは１００度低い作動温度６００度でも０.８５Ｖ付近で電流密度０.３Ａ／平方センチメートルと、ＳＯＦＣより発電特性が優れていたとしている。