水素エネルギーシステム Vo 1 .3 7, N o . 2( 2 0 1 2 ) 特集 ナノ構造制御による高出力固体電 解質 燃料電池の開発 石原達己 1 ・朱容完 1 ・ 洪 鍾 恩 1 九州大学大学院工学研究院応用化学部門 干8 19-0395 福岡県福岡市元岡 744 HighPowerS o l i dO x i d eF u e lC e l lbyNanoS t r u c t u r eC o n t r o l TatsumiIshihara, 1 YongWanJu2 , Jong-EunHong3 F a c u l t yo fEngineering, KyushuU n i v e r s i t y 744Motooka, N i s h i k u, Fukuoka, 8190395 圃 Developmento fs o l i do x i d ef u e lc e l l s (SOFCs) u s i n gLaGa03basedo x i d et h i nf i l m was i n t r o d u c e d .P r e p a r a t i o no fLaGa03e l e c t r o l y t ef i l mwass t u d i e dbyu s i n gtwom e t h o d s ;onei s c o n v e n t i o n a ls c r e e np r i n t i n gmethodf o l l o w e dbys i n t e r i n g,andt h eo t h e ri sp u l s e dl a s e r d e p o s i t i o n(PLD)method. I nc a s eo fc o n v e n t i o n a lwetp r o c e s s, byu s i n gT is i n t e r i n ga g e n tf o r LadopedCe02a sab u f f e rl a y e rbetweenLaGa03andNiO,s i n t e r i n go fLadopedCe02was o a c h i e v e da t1300C . Thec e l lpreparedbywetp r o c e s sshowsr e a s o n a b l epowerd e n s i t yo fc a . o 2 1 .0W/cm a t700C . Ont h eo t h e rhand,p o r o u sN i -Feb i m e t a ls u b s t r a t ewass u c c e s s f u l l y o b t a i n e d by PLD method. I n t r o d u c t i o no fS m o . 5 S r o . 5 C o 0 3 / C e o . s S m o . 2 0 2d o u b l e columnar i s e f f e c t i v ef o rhighpowerd e n s i t yo fSOFCandt h emaximumpowerd e n s i t yo f2 . 2and0 . 1 5 o 2 W/cm werea c h i e v e da t700and400C, r e s p e c t i v e l y . Keywords:LaGa03, Nanoc o n eshape,Cathode, DoubleColumnar, MetalSupport はじめに ボトミングサイクルで、の複合発電も可能で、あり、また、 羽畷L の有効利用も行し、やすく、化石エネルギーを総合的 現在、気候変動問題や化石エネルギー資源枯渇の問題 などから、エネルギーへの関心が非常に高まっている O に利用する上で、非常に優れた特長がある [ 1 叶 。 現在、 SOFC は家庭用の電気-索引井産デノミイスとして とくにエネルギーのほとんどを輸入に頼っている日本で 普及が始まっているが、解決しなくてはいけない課題も は、エネルギー問題は深刻で、まじめに取り組む必要の まだ、依然として多い。現在のSOFC の最も大きな課題 ある課題である。水素はクリーンで、高効率なエネルギー は価格の低減と発電機としての信頼性の向上と考えられ 媒体であり、現在、有効に利用されていない多くのエネ る。このような観点から、 SOFC の高出力化によるスタ ルギーを水素という形で回収できると、新しいエネルギ ック中のセル数の削減や、低温作動による安価な金属の ーの利用形態を切り開くことが可能であり、再生可能エ 使用、長期的な安定性の向上による長寿命化などが重要 ネルギーの有効利用などの観点からも、水素エネルギー な課題となりつつある O 科高では現在、筆者達が検討し 媒体への期待は大きい。燃料電池は水素の電気への変換 ている高酸素イオン伝導体のLaGa 0 3 系酸化物を電解質 デバイスして期待されるとともに、電気の水素への変換 としたSOFC において、高出力化、低温作動化のための デ、パイスとしても大きく期待される技術である。燃料電 La Ga03 系電解質の薄膜化や電極のナノ構造制御による 池のなかでも固体酸化物燃料電池( S O F C )はエネルギ一 高出力化の現状を紹介する。 変換効率が、とくに高く、高品位の封畷佐放出するので、 9 5 (7) 水素エネルギーシステム Vo1 .37, NO.2( 2 0 1 2 ) 2 . 特集 La~系電解質の湿式法による薄膜化 LSGM l O Oト La Ga03系酸化物は1 9 9 4 年に開発された高酸素イオン ~ 1 手 , _ 、 , 5 ]。格子中 伝導を示すぺロブスカイト型酸化物である μ LDC 9 0 ,~ も ・4 ・醐 ~ をSrとMg で、置換することで、酸素欠陥を導入し、大きな 副 8 0 匂 担 当 h ; : : : 酸素イオン伝導の達成を行った固体割卒質で、あり、酸素 号 p : 中から水素中まで、の広い酸素分圧下で安定に酸素イオン 7 0 6 0 の電解質とし 伝導を示す。一方、伝導度は現在、 SOFC て一般に使用されている Y 2U 3安定化zr{hに比べると約 1 3 0 0 。 / 1 4 0 0 1桁ほど高く、低温作動型SOFCの電解質として非常に 優れた特長がある。そこで、現在、このLa Ga03を電解 1 5 0 0 1 6 0 0 l 7 0 0 l 8 0 0 'i n g,tempel 'a t u n '(K) S i n t el 図1.白山0. 4 U 2 ( i l l C) と L a o . 9 B r u . 1 G伽 訓goρ3ωG M) 6 , 7 ]。一方で、こ 質に用いたセルの開発が行われている [ のJ焼結体の相対密度の焼結温度依存性 のLa Ga03は構成元素として価格の高いGaを含むことか ら、価格の低減と高出力化という観点で、薄膜化が重要 図2 J乙は印Cへの添加物がLDCの焼結特性に及ぼす影 な課題となっている [ 8 ] 。本稿では主にレーザーアプレー の焼結 響を示した。図に示すように添加物により、 LDC ( p 印)法という手法で、の数 μ m 割支の薄膜の作成 特性を大きく向上できることが分かる。焼結助剤で一般 を紹介するが、本節では、より工業的なスクリーンプリ 的に使用される五仏やMgOなどを添加すると焼結はむ ント法と呼ばれる湿式法によるLaGa 03系酸化物の薄膜 GM ヤ I ' i U 2 , CaO などを しろ阻害された。これに対し、lS 化について、紹介する倒。 添加すると低温での焼結性が大きく向上し、 1 2 5 0Cでも ション 0 La Ga03系酸化物は一般的な基板材料であり、アノー 十分な脳吉密度に達することが分かる。 ドとして使用されるNiOとの反応性があり、湿式法では 製膜後の高温焼結時に、基板との反応により、界面に HW LSGM.!JK Ul2N i 0 4としづ高抵抗相が析出するので、現在までに薄 膜化により高出力なセルの開発は行われていない。 G∞denough ら の グ ル ー プ は L a を 添 加 し た C心 2 ( 1 白山0. 4 U 2 , LDC)~土LaGa03 と NiOのいずれとも反 応せず、良好な緩衝層になることを報告している [ 1 0 ]。 1 . ) 0 >~ t ; " " " 窓側 部 g 信 却 さ 70 帯 そこで、、湿式法で、のLa Ga03 系酸化物薄膜の作成で、は一般 を界面に挿入後に、製膜を行うのが一般的であ 的にLDC る。ところが、 LDC は伝導度が十分高くなく、焼結性も 低いことからLa Ga03 系電解質内へのNi 2t-の拡散を完全 創 認 ( ; 1 ) , 島 、 九 ".. 50 1200 1400 1 5 0 0 1M 紛 170U 1 8 t H J 揖t ! lr c(K) 'fempcr に抑制ができない。筆者達のグループでは印Cの低温焼 結とLaGaOs系酸化物の湿式法による薄膜化を目的に検 1300 χ : r L D C 図2 . LDC への納日物がLDC の焼結特性に及ぼす影響 言すを千子っている。 図1.にはLDCと L a o . 9 B n n G a o . sM g o . 必3 ω G M)の焼結体 そこで、官添力目.D Cを緩衝層として導入して、膜厚 の相対密度の焼結温度依存性を示した。従来、凶GM で ω阿n程度の凶GM膜をスクリーンプリント法で作成し は、協結に 1 則。Cが必要で、あったが、微立子の合成により、 た。図3 .にはSEl¥1写真を示した。図に示すように 1 3 5 0C 1 筑 泊 。Cでも焼結を行うことが可能である。一方、 LDCは での最終焼結でありながら、十分徽密な凶GM 膜を得る .に示すように 1 反泊℃で焼結を行 焼結を生じにくく、図 1 相も十分焼結を行うことができ ことができており、 LDC . 9 1と低い。そこで、 LDC っても、到達できる相対密度は0 の焼結助剤として有 たことが分かる。そこで¥官はLDC を低温で焼結できるようになると Niとの反応を抑制で 効である。凶GMの鵬享は約55~で、あり、ほぼ目的とし き、良好な発電特性を示す凶GM 膜の作成が期待できる。 た目奥享のIβGM 膜を得ることができた。 0 96 (8) 水素エネルギーシステム Vo 1 .37, No. 2( 2 0 1 2 ) 特集 得られた凶 GM 電解質を用いて S m o . B 8 r o . 5 < SSC ) を ω 'OS 製膜を行えるので、コストはかかるものの、極めて高出 空気極として焼きつけたセルを作成して、発電特性の測 力な SOFC セルの開発が行えるとともに、析出する膜の J こは作成したセルのI V , I P 特性の温度 定を行った。図4 の電 形態を制御することが可能で、新しい概念の SOFC 依存性を示す。十分徽密で、電子伝導のない薄膜が湿式 極の作成が可能になる。現在、 SOFC は比較的、大型の 法でも得られたことから、し 1ずれの温度においてもほぼ、 発電機を志向した開発が中心ではあるが、逆に SOFC で 2 程度、 日泊。 C 理論起電力を示すとともに、 7∞℃で、 lW/cm は燃料の制約を受けにくいので、直接炭化水素型で、低 でも 150mW/cm程度の出力を示すセルが得られること 温まで、十分大きな出力を示すセルが開発で、きると、マイ が分かった。そこで、湿式法でも、十分、大きな出力を クロ SOFCとして、パソコンやハンデ、イーカムなどの移 示す凶 GM 薄膜を用いたセルの開発が行えることが分か 動用デノくイスの電源として、優れた特長が期待できる。 る。内部抵抗の詳細な検討から、内部抵抗は依然として 加筑泊。 Cの温度範囲で作動できるマイクロ そこで、 2 R損が主であるが、 R損はカソード側が大きいことから、 SOFCの開発も魅力的なテーマである。 2 の開発をレーザーアプ 低温で作動可能な高出力 SOFC を低減することで、セルの出力の大きな向上が期待でき レーション法を用いて検討した。まず、基板として金属 る 今後、カソード側のR損の低減やカソード電極の過電圧 基板の応用を検討した。 図 5.~ こは金属基板の作成方法を 示した。従来、金属基板にはステンレス鋼が一般的に使 用され、粉末焼結か、レーザー加工で多孔質化する。 し かし、金属と電解質の剰彰張係数の違いや、ステンレス αの相互拡散により、電極の失活を生じるのが 鋼からの i の還元速度が違うこ 課題である。一方、筆者達はFeとN とを利用して、多孔質金属の作成を検討した。図5 J こ示 で、 コートしたNiO 粒子を焼結して作った すように、 Fぱ )4 の薄膜をレザーアプレーション法で 徽密基板上にIβGM 作成し、基板を還元して多孔質金属を作成することを行 図3 .T i 添 み 日LDC を緩衝層として導入して、スクリーン った。この際に還元膨張により、基板の体積が変化する 膜の SE l V I 写真 プリン ト法で作成した凶 GM と、析出した薄膜電解質にクラックを生じることから、 還元時の基板のサイズ変動を抑制するために、 F8 3 U 4 を導 1 . 2 t . 2 入した。図5 .に示すようにNiO が先に還元され、還元時 にN H ま多孔質化する。この際にF e はまだ酸化状態で、あり、 1 .0 1 1 . 8ヤE ,、 , ". G . ( , ζB 形成しているので、体積変化は7%砲支と抑制することが 事 でき、割卒質膜はクラックが発生することなく、金属基 司 0. 4 ~ 。 r : o . 0 . 2 7 7 3K 0 . 5 I I 1 . 1 1 .5 ‘ 2 . 0 2 . 5 3 . 0 i F e 合金を形成するが、N i はすでに骨格を くり還元し、 N - " ' g O . O A . . 0. 0 基板のサイズの変化を抑制する。その後、酸イ印 e がゆっ J0 . 0 3. 5 板に担持した、 薄膜電解質SOFC を得ることができる。 Jこは作成した金属基板と還元後のセルの破断面の 図6 ‘ SE l V I 写真を示す。金属基板として、気孔率加%程度の多 図4 . 作成したセノレのI 叩 p 特性の温度依存性 孔質基板が得られているが、細孔は大きさがほぼそろっ 正: Url"(' Ul ' d l ' nity(Al 'n t ・ ' ) ており、細孔径も 5 仙 m 程度と非常に小さし、ことが分か 3 . 金属基板に担持された薄膜型S(F C る。一方、図 6 ( b )には電解質も析出させた後に、還元し た金属基板セルを示している。界面には反応の抑制を目 前節では湿式法による凶 GM の薄膜化を紹介した。 一 的に4 仙 m のSDC の薄膜を入れてあるが、とくに界面等 電解質を作成するには、レーザー 方、さらに部、凶 GM は見ることができず、十分、徽密な凶 GM 薄膜(鵬享5 川 アプレーション法などの気相成長法が有効で、低温での を得ることができている。 9 7 (9) ﹁ ・ 水素エネルギー システム Vo 1 .37 , N o . 2( 20 12 ) ︻│ 〆 7W4 一 説 ヤハ ws ω e F 向上出 叩析 をに 君 "以 焼結と電解 質膜の析出 特集 の析出が可能であり、図 8 .に示すようなナノサイズのコ ーン状のS S C 薄膜を得ることができた[ 1 1 ]。 この薄膜は 電解質膜 突起状の形状に起因して、非常に大きな有効表面積を提 崎水素還元 供できるので、電極としては理想的と考えられる。 t . 2 崎 NiOは還元され るが、 FeOの還元は 遅い 2. 0 崎 1 .8 1 . 6匂 1. 4S 5 FeOも還元されて NトFe多孔質金属 1. 2 アノードになる。 、 za3 0. 8 5 図5 . 選手応窒元法による金属基板の作成方法 0. 6 a ω 』 叫 0 . 4 7 7 3K 0 . 0 o 1 0 . 2 2 3 . S 0 . 0 6 1 Cu r r e n tD c n s it yIAcm. FL A 向 制 叫 凶膜附 2 n u s d 4-VIE-v . レーザーアプレーション法で作成したLSGM 図7 薄膜 劃 i -E を用いる S O F C 単セルのI V , I P 曲線。図中2n d は鮪腫後 の発電特性 図6 . 作成した金属基板と還元後のセルの破断面のS 凹 写真 図7 .にはレーザーアプレーション法で作成したIβGM 薄膜を用いる S OFC 単セルのI V , I P 曲線を示した。いずれ の温度でもほぼ理論起電力が達成できており 、選択還元 法で作成したセルが、十分、徽密で、割卒質の漏れ等が 無いことが分かる。一方、出力密度については、1 男享が 薄いこともあり 、極めて高出力を得ることができた。図7 図8 .PLDで作成したナノサイズの コー ン状のS S C カソ 2 に示すように 7 ∞℃において、最大出力密度は1 .8W/cm ード薄膜のSEM イメ ージ 、 ( 心表面、 ( b )断面 としづ、比較的、大きな出力密度を示 し 、 反泊。 Cでの最 大出力は筑旧ImW/cm 者呈度で、 あった。内部抵抗は先の湿式 そこで、図9 .にはナノコーン状の S S Cをカソード界面 法で、 得たセルと同様にカソード側のR損が主であり、カ に析出したセルのほ泊℃でのI V , I P 特性を示した。図中に ソー ドと割手質の界面抵抗が大きいものと推定される。 は異なる駒享のS S C 薄膜を析出したセルの発電特性の膜 そこで、カソード界面の抵抗が低減できると、さらに高 厚依存性を示した。図に示すようにナノコーン状S S C の 出力化が期待できる。そこで、カソード界面の精密構造 鵬享とともに、出力が向上し、 5 仙 m の鵬享になるよう 制御を試みた。 にナノコーン状S S Cを析出すると、最大出力は550mW/cm2 という大きな出力を示すことが分かった。そこで、カソ 4. レーザーアブレーション法によるナノ構造制御SCf C ードへの形態制御はS OFCの高出力化においてきわめて 興味ある成果を与えることが分かる。 図7 .のセルではカソードはスクリーンプ リント法で作 さらにカソー ドの高出力化を目的に、カソードへのダ 成したので、焼き付け温度が低く、界面の機械的強度が ブルカラムナー構造の界面層の導入を検討した。図1 0に 低いと推定された。そこで、カソード材料のS S Cもレー はWangらが報告したダ、 ブルカラムナーのイメージを示 ザ、 ーアプレーション法で作成した。酸素分圧を低くして、 す。ダブルカラムナー状カソードは凶 C / S D Cを用いて得 析出温度を低温化するとカラムナーと呼ばれる樹脂状態 られることが、 Wangらにより提案されている [ 1 2 ] 。図1 . 98 (10) 水素エネルギーシステム Vo1 .37,NO. 2( 2 0 1 2 ) 特集 にはWangらの結果を示したが、ダブルカラムナー構造 の導入を検討した。SDCとSSC の酸化物コンポジッ トを の導入に より、発電特性は向上すると報告されている。 ターゲ 、 ツ トに用いて、析出を行った。その結果、数 1 白田1 1 .に示すように報告されたセルの発電特性は しかし、図 1 の樹脂状析出物から構成されるコンポジッ ト膜を得るこ 必ずしも大きくはなく 、調製法や組成の最適化が求めら とができた。図1 2 .には作成 したダブルカラムナーをカソ れている。 ー ド界面層とするセルの発電特性を示す。 図 9. ~ こ示すナ ノコーン状界面層と 比べても 、出力密度は向上し、7 ∞。 C k ート 明 1 . 0 . 2 W / c m V¥う大きな出力を示すことが分かった。 │でこ、の2ような出力の向上は、カソー ド過電圧の低減による 2~ i t h o u tベ ト 司30 0 r u nーや-4( ) ( ) m n . . .< J一一寸、 0 . に示すような構造で ことがわかっている。そこで、図1 0 . 8 ε は、活性点となる2 相界面が、3 次元的に拡張 し 、 反応場 , 匙 e 0 . 6 が拡張するので、濃度過電圧を生じにくく 、拡散が律速 ~ 過程になりやすい高温で出力が大きく向上したと 推定さ 0. 4 れる。一方、4OOCでは逆に、最大出力密度は低下した。 0 0 . 2 これは低温では電解質抵抗が大きく、電極反応を律速す ベ r 6 00mnー〈 トー ' 700mn 一寸一500nmー , O.O~I 0 . 0 0 . 2 0 .4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 I J0. 0 1 . 6 るので、単に反応場を拡張したのみでは、過電圧を低減 C u r r e n tD e n s i l y(Mcm) できないことを示唆 している。そこで、4OOC程度での 図9 . 異なる 1 劃享のナノコーンSSC 膜をカソード界面に 作動を実現するには、さらに高活性な謝亙触媒の開発が 析出したセルの反泊。 CでのI V , I P 特性 2 必要である。しかし、現状のセルでも、 4OOCで" 150mW/cm 0 0 という大きな出力を示しているので、従来は作動温度と が4 加反則℃とし 、 して以泊℃以上が考えられてきた SOFC う温度域でも運転を行える可能性が見えてきたと考えて いる。 1 . 8 < C ' 図1 0 . Wangらが報告したダブルカラ ムナーのイメ ージ ; i [ 1 2 ] 寸 ω t 12 0 . 4仏 0 . 2 t母 a : . a Q$ 1 . . o 臨 3 4 5 0 . 0 C u r r e n tD e n s 均(A/ c m ・ 2 2 2 ) 験 J M 図1 2 .S S C l SDCダブルカラ ムナーをカソード界面層とす 悉 04 薄膜セルの発電特性 る凶 GM , ) :0 0 . 5 ta Hi 20 C u r r e n tD el " l 事i t y (A l cm ち 図11 . Wangらが報告したダブルカラムナーを有するセ ルの発電特性[ 1 2 ] 5 . おわりに 材高では筆者達の研究成果を中心にSOFC の低温作動、 は現在、日本、米国な 高出力の現状を紹介した。SOFC どで、普及が始まっているが、本格的な普及を行うため そこで、筆者達も SD C l SSCを用いてダ、ブルカラムナー には、価格が重要な因子になるので、高出力化によるモ 9 9 (11) 水素エネノレギーシステム Vo 1 .37, No.2( 2 0 1 2 ) 特集 ジュール内のセル数の削減はコストの低減や故障に対す る信頼性の向上などに有効であり、今後、さらに材料的 な開発が望まれるとともに、性能を向上させる上で、電 極触媒のナノレベルで、の形態制御も重要になると考えら が普及すると れる。ナノテクノロジーを応用した SOFC 期待している。 セルはあまり また、日本では金属基板を用いたSOFC 検討されていないが、セラミック固有の脆弱性という課 題を克服し、より信頼性の高いセルを開発する上で、金 属基板は重要であり、今後、移動用のセル開発などに研 究が展開すると、活発に研究が行われるようになると考 えている。分散発電は、スマートエネルギー利用社会を 実現し、再生可能エネルギーを普及させる上で、も重要な は ので、小型でありながら高効率発電を実現する SOFC 今後、重要な僻リを担い、大きく普及すると期待してい る 。 参考文献 1 .N .Q .M i n h ,; & l i d ぬ 島1 0m 同1 7 4 , 2 7 1 2 7 7倣ゆ. 2 .T . I s l 世 田r aed" P e r o v s k : i : 飴 O x i d ef o rS o l i dO x i d eF U e l仇 n s " , Sp白金~r (2010) 3 .S .C .Si n g h a l ,; & l i d S t a t e 1 0 m 何1 5 2 ・1 5 3 , 4 0 5 ・ 4 1 0( 2 ∞1 2 ) . 4 .T .Isl世田町 H.M a 白ud a , andY .T:品由;J.Am• α'em.&, 1 1 6 , 3 8 0 1澗 3(1制. 5 . T. l s h i l i . a r a ,H .Ma刷伽, andY .T,必一旬;ゐJ i dぬ 伝 10m 司 7 9 , 1 4 チ1 5 1( 1 9 9 5 ) 6 . N . Wa 句n a b e , EA α, e J N . Re i 民民 T . I s h i h a r a ; E庇在日: h . em お旬 7 8 ( 8 ) , 6 7 1 ・ 6 7 7( 2 0 1 ω .Wa 旬n a b e , EA 伐 : l e , T .I s h i h a r a ;J .P ower必 VIU湾 7 .N 1 9 9 ( 1 ) , 1 1 71 2 3( 2 0 1 2 ) . 闘 8 .Z .H .B~ B .LY I , Z .W.Wang , Y .LDo ng , H .J .W, uY .C .She,M. J.α1eng ,;田町位吋1 e m .S o l i d S 阻飴 I 鍋 . ,7 , A105 ・1 0 7( 2 ω4 ) . 9 . J .E .Hong ,T .m 勾 a k i , S .] ; 仇 andT .Isl世田r a ;I n b . ヲ m.J. Hy~罪~ E n e r g y , 36 , 1 必3 2 ・1 必4 2( 2 0 1 1 ) . 1 0 . K Huang , J .H .Wa n , andJ .B .G α対e n o u g h ;J .回目位吋1 e m . S o c . , 148, A7 紛 7 9 4( 2 ∞ 。 1 1 .Y .W.J ' 叫 T .m 碍a 比S .l d a , andT .I s h i h a r a ;J .E l a t I 凶 θm . 5 8 , 回 ,25 ・ 8 3 0匂0 1 1 ) &, 1 1 2 . J.KYi ∞叫 S .α10 ,J . H .K i m ,J . H .L e e , Z .B~ A s e 珂凶s ,X Z h a n g , AM a n t h i r a i l l , andH .W: 邸 宅 ' , ;Ad v .F r . m d .M a . t θ T .1 9 , 3 任泡(2 αゅ) 1 0 0 (12)
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