希土類リン酸塩のプロトン伝導ならびに相変態挙動の解明に基づく新規固体電解質の開発

Srをドープした各種ランタンリン酸塩はプロトン伝導性を示し、中温域で動作する燃料電池等の固体電解質として期待される。しかし、実用的な出力密度を得るためにはプロトン伝導率の向上が必要である。本研究では昨年度、SrドープLaP_3O_9単結晶の電気伝導率を測定し、主要なプロトン伝導経路が結晶粒内に存在することを示した。本年度はさらに、SrドープLaP_3O_9の異なる結晶方位に沿った電気伝導率を測定し、c軸に沿ったプロトン伝導が特に優勢であることを明らかにした。これは、電解質の結晶粒の配向制御が有勅な伝導率向上の手段となりうることを示している。また、300℃以下のリン酸溶液中でSrドープLaPO_4およびLaP_3O_9の配向緻密膜を直接析出させる条件を確立し、SrドープLaP_3O_9膜を電解質とした燃料電池セルを作製した。発電試験の結果、450℃で起電力0.98Vおよび短絡電流6mA/cm2が得られ、リン酸溶液中で直接合成したSrドープLaP_3O_9膜が電解質として機能することを原理的に示した。また、本年度はLaP_3O_9およびLaP_5O_<14>の安定性を熱力学的に調査した。LaP_3O_9およびLaP_5O_<14>はおよそ700から800℃以上でP_4O_<10>蒸気を生じながら分解する。このため通常の焼結では緻密な電解質を作製することが困難である。また電解質としての動作温度も制限されると考えられる。そこで本研究では気体輸送法によりLaP_3O_9およびLaP_5O_<14>上のP_4O_<10>蒸気圧を測定した。その温度依存性から、定置用燃料電池システムの寿命目標である40000hを満たすための電解質の最高動作温度を概算し、LaP_3O_9で約600℃、LaP_5O_<14>で約450℃という値を得た。さらに熱力学計算の結果、水蒸気分圧や水素分圧が高い場合、P_4O_<10>に比べHPO_3やP_4などの平衡分圧が高くなり得ることがわかった。したがって、LaP_3O_9およびLaP_5O_<14>の分解を抑制するためには動作雰囲気の精密な制御が必要であることが明らかになった。

Srをドープした各種ランタンリン酸塩はプロトン伝導性を示し、中温域で動作する燃料電池等の固体電解質として期待される。しかし、実用的な出力密度を得るためにはプロトン伝導率の向上が必要である。本研究では昨年度、SrドープLaP_3O_9単結晶の電気伝導率を測定し、主要なプロトン伝導経路が結晶粒内に存在することを示した。本年度はさらに、SrドープLaP_3O_9の異なる結晶方位に沿った電気伝導率を測定し、c軸に沿ったプロトン伝導が特に優勢であることを明らかにした。これは、電解質の結晶粒の配向制御が有勅な伝導率向上の手段となりうることを示している。また、300℃以下のリン酸溶液中でSrドープLaPO_4およびLaP_3O_9の配向緻密膜を直接析出させる条件を確立し、SrドープLaP_3O_9膜を電解質とした燃料電池セルを作製した。発電試験の結果、450℃で起電力0.98Vおよび短絡電流6mA/cm2が得られ、リン酸溶液中で直接合成したSrドープLaP_3O_9膜が電解質として機能することを原理的に示した。また、本年度はLaP_3O_9およびLaP_5O_<14>の安定性を熱力学的に調査した。LaP_3O_9およびLaP_5O_<14>はおよそ700から800℃以上でP_4O_<10>蒸気を生じながら分解する。このため通常の焼結では緻密な電解質を作製することが困難である。また電解質としての動作温度も制限されると考えられる。そこで本研究では気体輸送法によりLaP_3O_9およびLaP_5O_<14>上のP_4O_<10>蒸気圧を測定した。その温度依存性から、定置用燃料電池システムの寿命目標である40000hを満たすための電解質の最高動作温度を概算し、LaP_3O_9で約600℃、LaP_5O_<14>で約450℃という値を得た。さらに熱力学計算の結果、水蒸気分圧や水素分圧が高い場合、P_4O_<10>に比べHPO_3やP_4などの平衡分圧が高くなり得ることがわかった。したがって、LaP_3O_9およびLaP_5O_<14>の分解を抑制するためには動作雰囲気の精密な制御が必要であることが明らかになった。