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新しい代替エネルギ-として注目されている固体電解質燃料電池の作製には種々の方法が検討されているが、大出力を達成するために電解質の厚さをできるだけ薄くする必要があり、スパッタリング法の利用が有望視された。我々は同方法を用いて厚さ10μm程度のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)の電解質膜からなる燃料電池を作製し、その起電力特性について検討を行った。
電池の特性は電極反応に大きく依存しており、電極表面の構造とそこでの化学種の移動過程および反応過程が重要である。これらを検討するために、等価回路モデルを用いた電極インピ-ダンス解析の方法と走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いた表面観察の方法を採用した。
スパッタリング法により形成された電極/電解質界面には、反応に関与する三相帯が比較的広く分布しており、これにより電極反応抵抗を大いに減少させることが可能となった。この点は焼成法では得られない特長であり、焼成による再結晶化が三相帯を減少させ、電極特性を劣化させる要因になっていることを明らかにしたしたことになる。さらに、電極を多孔質体により固体化することにより、高温下でより安定した電極特性が得られることがわかり、三相帯の変化を抑えることが電池性能を向上させることに結びつくものと判断された。電池の起電力を理論起電力に近づけるためには、ピンホ-ルの無い緻密な電解質膜を形成する必要があり、膜を保持するための基板の表面粗さや孔径、また電解質膜厚が表面構造に及ぼす影響を明らかにすることができた。
以上の結果は、高性能固体電解質燃料電池の作製法を向上させることに大いに貢献するものと考えられる。
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