低温作動SOFC実現に向けたSi欠損ランタンシリケート酸化物イオン伝導特性の向上

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05009
• Research Institution: Niihama National College of Technology
• Principal Investigator: 中山 享 新居浜工業高等専門学校, 生物応用化学科, 教授 (50300637)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: アパタイト酸化物イオン伝導体 / 固体酸化物型燃料電池

Outline of Annual Research Achievements

昨年度、LaとSiの一部をアルカリ土類元素に置換することで、一般的な固相反応法による作製方法で500℃でのイオン導電率0.014 S・cm－1を達成できたランタンシリケートセラミックス焼結体（無配向品）を得た。さらに、研究代表者が確立した「種結晶法によるセラミックスからの単結晶育成技術」を用いて、同じ組成の単結晶作製にも成功し、c軸方向のイオン伝導とc軸に垂直方向のイオン伝導に2桁以上の差がある酸化物イオン伝導の異方性を確認した。そこで、同じく研究代表者がこれまでに実績のある磁場配向技術を用いてc軸配向品作製を試みたところ、直径20 mmのc軸配向品を作製することができた。さらに、その配向品でもc軸方向のイオン伝導に較べc軸に垂直方向のイオン伝導に1.5桁以上の差があり、酸化物イオン伝導の異方性があることが確認できた。また、c軸方向では、500℃でのイオン導電率0.02S・cm－1以上を達成することができた。このLaとSiの一部をアルカリ土類元素に置換したランタンシリケートc軸配向セラミックスを用いた電荷質支持型SOFC単セルの発電特性を評価したところ、電荷質の厚み1 mmながら500℃にて40 mW・cm－2付近の最大電力密度値が得られた。現在、アノードおよびカソードにはDCスパッタにより形成したPt電極を用いてSOFC発電特性を検討しているが、セラミックス系電極材料での検討も合わせて進めている。c軸配向セラミックスの大型化については、現有設備では直径30 mmを超えるものも作製可能である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

c軸配向させたランタンシリケートセラミックス焼結体にて、当初目標であった500℃でのイオン導電率0.02 S・cm－1を超える高い酸化物イオン伝導を達成することはできた。また、そのランタンシリケートc軸配向セラミックスを用いた電荷質支持型SOFC単セルにて、電荷質の厚み1 mmで500℃において40 mW・cm－2付近の最大発電出力も得られた。一昨年度、高い酸化物イオン伝導が得られた組成にて作製に成功した単結晶の結晶構造解析ができていない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度は、前年度に作製できた500℃でのイオン導電率0.02 S・cm－1を超えるc軸配向品について、イオン導電率0.1 S・cm－1への向上を目指す。また、そのc軸配向品を用いた電解質厚み1 mmの電解質支持型SOFC単セルにて500℃での最大発電出力0.1 W・cm－2以上を実現する。さらに、令和2年度に研究代表者の所属機関に設置された高周波スパッタ装置に用いた電極形成および緩衝層形成により、500℃での最大発電出力0.5 W・cm－2の実現を目指す。

Causes of Carryover

令和2年度に研究代表者の所属機関に設置された高周波スパッタ装置の導入と立ち上げが遅れた。そのため、令和3年度その高周波スパッタ装置を用いたSOFC単セルの電極および緩衝層形成に使用するターゲット材の作製費用に充てる計画である。