日本全球首次制作成功实用尺寸的质子导电性陶瓷燃料电池单元

新技术 2018年07月11日
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在日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的业务中,产业技术综合研究所(以下简称产综研)全球首次成功制作了实用尺寸的质子导电性陶瓷燃料电池单元(PCFC)。

PCFC理论上有望实现75%的发电效率,能超越以往所有的发电元件,但制作质子导电性陶瓷需要在1700℃以上的高温下烧制,此前一直难以实现大型化。此次,产综研通过开发能应用于量产工艺的扩散烧结技术,成功制作出了实用尺寸的80mm见方PCFC。

质子导电性陶瓷燃料电池单元

图1:此次试制的80mm见方平板质子导电性陶瓷燃料电池单元(PCFC)

研究成果

【1】质子导电性陶瓷的扩散烧结法

质子导电性陶瓷属于难烧结材料,要想烧结需要进行1700℃以上的高温烧制,不仅如此,由于未开发出实用尺寸的PCFC单元制作技术,还需要开发用于量产制造工艺的烧结技术。

此次,产综研通过对烧结动作进行详细分析,开发了扩散烧结法,即在共同烧制含烧结助剂的燃料极支持体和薄电解质层的过程中,没有进行晶界偏析,而是优先将过渡金属完全固溶到电解质中。利用这种烧结法,在1500℃的温度下,烧结率达到100%(密度达到99%以上),成功获得了没有漏气的精密电解质层,制作出了实用尺寸的PCFC(图1、图2)。

质子导电性陶瓷燃料电池单元

图2:试制的电池单元
(上:100mm长管型,左下:80mm见方平板型,中下:50mm见方平板型,右下:以往尺寸的25mm直径硬币型)

【2】利用电解质薄膜的多层化提高电压效率

可用于燃料电池、具备离子导电性的质子导电性陶瓷有Ba基钙钛矿结构的材料,考虑到针对二氧化碳还需具备化学稳定性,需要选择BaZrO3成分的材料,但此前在燃料电池的工作环境下会发生电子泄露,因此抑制电子泄露,即提高质子迁移数成为课题。

此次,产综研开发了在燃料极侧采用BaZrO3基材料薄电解质层,并在空气极侧层积具备高质子导电性的薄电子泄露块层的方法,由此,在提高二氧化碳耐久性的同时,成功抑制了电子泄露(图3)。

质子导电性陶瓷燃料电池单元

图3:具备积层电解质,正在开发中的PCFC的断裂面电子显微镜照片

【3】验证实用尺寸PCFC的发电特性

此次,产综研利用专为评测用途制作的50mm见方平板PCFC,验证了发电特性(图4)。作为可用于家用燃料电池“ENE-FARM”等、具备二氧化碳耐久性的PCFC,此次获得的数据是实用尺寸单个单元的首个评测数据。在700℃左右的温度下工作的实用尺寸传统固体氧化物燃料电池(SOFC)的发电特性方面,工作温度为700~750℃,以0.85V电压工作时的电流密度约为0.2~0.3A/cm2,而此次开发的PCFC发电单元,在工作温度比SOFC低100℃的600℃下,以0.85V左右的电压工作时,电流密度也达到0.3A/cm2,可以确认发电特性优于SOFC。

质子导电性陶瓷燃料电池单元

图4:50mm见方的评测用平板PCFC外观和发电特性(工作温度为600℃和700℃)

文 客观日本编辑部

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