薄膜型高温固体電解質燃料電池に関する研究

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固体酸化物燃料電池は高効率、低公害の発電システムとして活発に研究がなされている。この型の燃料電池の最大の課題は電池の内部抵抗を下げいかに高出力を得るかという点にある。本研究では固体電解質として一般に用いる方法と電解質の薄膜化の両面から燃料電池の高出力化を試みた。セリアと希土類酸化物との固溶体は安定化ジルコニアよりも高い酸素イオン導電性を有しているが、低い酸素分圧で電子伝導性が現われる。還元の防止策として、セリアの水素極側に耐還元性に優れる安定化ジルコニアの薄膜をコーティングした。コーティングを施した固体電解質により高い開回路電圧と出力の長期安定性が達成できた。また製膜法としては高周波イオンプレーティングが最適で、緻密なピンホールフリーの膜が得られた。安定化ジルコニアの薄膜化についてはプラズマ溶射法及びストリップキャスティング法によって検討した。アルミナ多孔質管上に燃料極、電解質、酸素極の順にプラズマ溶射で製膜し、単セル及び3セルスタックを作製し、いずれにおいても良好な酸素-水素燃料電池発電特性が得られた。740℃において単セルの開回路電圧は09V、短絡電流75mA/cm^2、最高出力17mW/cm^2となった。ストリップキャスティング法で200μmのジルコニア厚膜を作製しNi及びLa_<0.6>Sr_<0.4>-MnO_3をそれぞれ水素極、燃料極として平板型燃料電池を構成した。膜の緻密度はほぼ100%である。単セルの1000℃における発電特性として開回路電圧1.0V、短絡電流420mA/cm^2、最高出力100mW/cm^2が達成できた。各燃料電池における構成材料の熱膨張係数は耐熱性の上で非常に重要であり、測定の結果ZhO_2-Y_2O_3、La_<0.6>Sra_4MnO_3、LaCrO_3の値はほぼ等しいことがわかった。一方Al_2O_3は熱膨張係数が小さく、La_<0.6>Sr_<0.4>CoO_3は大きすぎるため構成材料としては使用できない。