次世代PCFCを開発、発電効率を70％以上に向上：材料技術

産業技術総合研究所は、プロトン伝導セラミック燃料電池の発電性能を大幅に向上することに成功した。この実験データを再現可能な計算モデルを確立し、開発したプロトン伝導セラミック燃料電池が70％以上の発電効率を達成可能なことを確かめた。

[MONOist]

　産業技術総合研究所（産総研）は2023年10月10日、横浜国立大学、宮崎大学と共同で、プロトン伝導セラミック燃料電池（PCFC）の発電性能を大幅に向上したと発表した。また、実験データを再現可能な計算モデルを確立し、開発したPCFCが70％以上の発電効率を達成できることを確かめた。

　PCFCは、理論的には他の燃料電池より高い発電効率が得られる。しかし、電解質がプロトン（水素イオン、H⁺）だけでなく正孔を伝導して内部短絡し、発電効率が低下することが課題だった。さらに、PCFCの発電効率を計算する場合、従来の方法では、電解質膜厚などの構成がどのように内部短絡に影響を与えるかを高い精度で評価するのが難しかった。

燃料電池の発電効率の推移［クリックで拡大］ 出所：産総研

　そこで、電解質としてプロトン伝導性の高いイッテルビウム添加ジルコン酸バリウム（BZYb）を選定し、材料組成などを調整することで、正孔伝導の影響を低減させた。加えて、BZYb電解質の製造工程を改良し、約5μmの電解質でも内部短絡を抑え込める緻密薄膜化技術を構築。また、ナノ複合電極技術を用いて、従来よりも100〜150℃低い作動温度550℃でも出力密度約0.6W/cm²を示すPCFCを開発した。

左：PCFCの模式図、右：プロトン伝導性電解質の走査型電子顕微鏡像［クリックで拡大］ 出所：産総研

　内部短絡は、電解質膜厚などに依拠して発電効率にも大きな影響を与える。そこで、電極反応や電解質内の物質移動を表す数式に、内部短絡の影響を織り込み、PCFCの出力密度や発電効率を再現可能な計算モデルを確立した。

　この計算モデルに、実験で得られたプロトン伝導性電解質の材料物性などをインプットすることで、より精度の高い計算が可能になった。これにより、大規模な実証実験をすることなく、さまざまな条件下でのPCFCの発電効率を容易に予測できる。

　今回開発したPCFCの測定値と同計算モデルから得られた数値は、高い精度で一致した。同計算モデルをベースに、電解質膜厚や作動温度、燃料利用率などの条件を設定して発電特性を推測したところ、開発したPCFCは70％以上の発電効率が達成可能であることが分かった。

　今後は、電極材料の改良などにより、500℃での高効率発電が可能であることを実証し、PCFCの実装化を推進していく。

実験データを基にした計算モデルにより得られたPCFCの発電効率［クリックで拡大］ 出所：産総研

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