开发了纳米结构可控的固体氧化物型燃料电池( SOFC )用高性能电极 - -实现世界最高水平的发电性能-
开发了纳米结构可控的固体氧化物型燃料电池( SOFC )用高性能电极 - -实现世界最高水平的发电性能-
重点 用纳米尺度控制SOFC用空气极的结构，实现高性能化 开发了发挥高性能空气极性能的SOFC单电池的制作技术，在发电性能上达到了世界最高水平 有助于SOFC系统的小型化和降低制造成本
概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称为“产综研”)零排放国际共同研究中心【研究中心长吉野彰】电化学装置基础研究小组·巴里娜·奥卡特琳主任研究员、岸本治夫研究小组长、 节能研究部门【研究部门长堀田照久】能源转换技术组山地克彦研究小组长、石山智大主任研究员、极限功能材料研究部门【研究部门长松原一郎】固体电子学组岛田宽之主任研究员，与多家企业进行战略联合研究的固体氧化物能源转换前沿技术综合中心( aaconsom ) 而且搭载了它的固体氧化物型燃料电池( SOFC )单电池，表现出了世界最高水平的发电性能。 在SOFC单电池中，除了使用脉冲激光沉积法( PLD法)制作的自组装纳米复合空气极(以下称为“纳米复合空气极”)之外，还搭载了为充分发挥空气极的性能而开发的纳米柱状多孔集电层、纳米复合燃料极功能层，温度为700 ℃ 该成果为SOFC电池组的小型化、制造成本的削减做出了贡献。 这项成果的详细情况将于2021年6月25日刊登在开放存取的学术杂志《Nature Communications》(电子版)上。
实现了世界最高水平发电性能的燃料极支撑型SOFC单电池的概略图:赤字是这次开发的材料
开发的社会背景 与其他燃料电池相比，SOFC的发电效率更高，已经作为家庭用和商业用的燃料电池热电联产系统在市场上销售。 最近，在发电容量更大的用途和利用高发电效率的热电联产系统中的利用也正在进行。 系统的大小和制造成本是SOFC普及的课题。 如果能够提高SOFC单电池的发电性能，则与相同发电容量的以往的SOFC系统相比，可以减少使用的SOFC单电池的数量，预计将实现小型化和低成本化。 研究的经过 在产总研中，2016年设立了与多个企业进行战略共同研究的ASEC，致力于SOFC尖端技术的创立。 活用产综研拥有的基础技术，以SOFC的输出密度在3 W/cm2以上为目标，开始了材料开发和单元化技术开发。 这是以往一般输出密度的10倍以上。 在ASEC中，以提高电池的输出密度为目的，着手了电极反应阻力小的新空气极的开发。 另外，在高输出电池的制作中，活用作为批量生产技术使用的、挤出成形法和胶带成形法中的燃料极基材制作技术、浸渍涂布和丝网印刷中的成膜和烧成中的电解质层制作技术等，开发了能够应对高输出化的燃料极支撑型SOFC单元(参照概略图) 研究的内容 此次开发的高功率SOFC单电池利用了在ASEC由产业综合研究所新开发的多个部件(概略图中为赤字)。 空气极:自组装纳米复合空气极(纳米复合空气极) 现有SOFC空气极材料中，一般使用单一的镧-锶-钴-铁复合氧化物( LSCF )、或者LSCF和作为氧化物离子传导体的二氧化铈系氧化物(例如氧化钆掺杂二氧化铈、GDC )的混合物的多孔质烧成体 此次产总研利用PLD法成功地制作出了具有LSCF和GDC两种材料以纳米尺度交替配置的新结构的纳米复合空气极。 图1显示了传统多孔空气极和纳米复合空气极的示意图，以及纳米复合空气极的电子显微图像、元素分析图谱。 开发的纳米复合空气电极中，在数十nm左右粗细的柱状结构中，还以数nm的宽度分离存在着LSCF相和GDC相，呈条纹状。 制作的纳米复合空气极通过与后面所示的纳米柱状多孔集电层的组合，达到了世界最小水平的电极反应电阻率，0.01Ω/cm2。
图1开发的自组装纳米复合空气极的概略图及分析结果
燃料极功能层:纳米复合化燃料极功能层 为了在燃料极支撑体和电解质之间迅速进行氢的氧化反应，一般使用粒径比支撑体更微细的亚微米左右的镍氧化物( NiO )和氧化钇稳定化氧化锆( YSZ )的混合物的燃料极功能层。 在此次的高功率电池中，通过使用喷雾热分解法，制作10 nm左右的NiO和YSZ的一次粒子凝聚而成的二次粒子化粉末，用于燃料极功能层。 该层在降低电池整体电阻的同时，也对致密薄膜电解质的形成起到了重要的作用。 空气极集电层:纳米柱状多孔集电层 为了迅速进行电极反应，需要向反应场供给电子，在空气极上通常设置由1μm左右的粒径构成的集电层。 为了充分发挥在纳米水平上进行形态控制的纳米复合空气极的性能，为了使电极整体有效地工作，各数十nm左右的区域需要进行电连接。 在这次的电池中，新采用PLD法开发了镧-锶-钴复合氧化物( LSC:La0.6Sr0.4CoO3)的纳米柱状多孔集电层。 搭载了这些新材料的单电池的发电试验结果如图2所示。 作为功率密度，在世界最高水平的700℃下达到了4.5 W/cm2以上，在600℃下也达到了1.5 W/cm2。 SOFC电池的一般工作电压0.8 V为3 A/cm2(700℃)的电流密度，与以往一般电池的0.3~0.5 A/cm2相比，电流值约为6~10倍。 如果使用该技术，与以往的系统相比，预计电池片数可以减少到1/10左右，有助于成本的大幅削减、系统的小型化。
图2使用制作的单电池的发电试验结果
今后的计划 关于此次开发的自组织纳米复合空气极材料，在2021年6月开始的固体氧化物能量转换尖端技术联盟第2期( ASEC-2 )上，计划以通过结构稳定化实现电极的长寿命、高可靠性化为目标，同时推进对量产化的适应性研究等 另外，关于将开发的各部件搭载到实用单元的技术，也将实现早期实用化。
用语说明 ◆固体氧化物能量转换尖端技术联盟( ASEC ) 固体氧化物能源转换尖端技术联合会( ASEC )以使用固体氧化物实现创新的能源转换器件为目标，与8家企业、4家大学·研究机构和产业综合研究所的共同研究体(星座)进行了共同研究。 以固体氧化物型燃料电池( SOFC )和高温水蒸气电解( SOEC )为中心，开发面向下一代的创新材料、创新电池组技术的同时，以2030年、2050年为目标，讨论了描绘该技术被社会实际安装的世界的战略方案。 此次的研究开发是在ASEC主要会员(大阪煤气株式会社、京瓷株式会社、株式会社denso、森村SOFC技术株式会社、三浦工业株式会社、产综研6家企业机构)从事的创新材料项目、创新单元堆项目中，以产综研拥有的基础技术为基础