科学研究 - 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

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。

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）。

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）。

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。