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本研究の目的は、第一にプロトン伝導性BaZr1-x-ｙCexMyO3(BZCM)を電解質膜とし、水素透過Pd合金を固体アノードとする水素透過膜支持燃料電池(HMFC)を構築し、そこで特徴的に発現するプロトンポンイング効果を実験的に証明すること。第二に線金属水素透過膜を用いた非Pd系水素透過合金セルで、400℃以下温度領域で発電を実証を行うことである。
HMFCにおけるプロトンポンピング効果は、BZCM電解質中の酸化物イオン副伝導が、Pd合金アノード/BZCM界面でブロックされることにより、酸化物イオンと対カチオンのプロトンが電解質膜内に濃縮し、これによってオーム抵抗およびカソード反応抵抗が減少することに起因する。このモデルに基づくと、より高酸素欠損の電解質材料を用いると、顕著なプロトンポンピングが生じると期待される。そこで第一の目的に対し、最も一般的なプロトン電解質BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O2.9(BZCYYb1711)、およびその高酸素欠損組成のBaZr0.1Ce0.5Y0.1Yb0.3O2.8(BZCYYb1513)を電解質に用いたHMFCを構築し、比較検討した。HMFC測定後クエンチした試料について、RBSにより電解質内部水素濃度を定量した。その結果BZCYYb1711ではH2Oが0.08導入されたのに対し、BZCYYb1513では0.17導入されることがわかった。以上から高酸素欠損電解質によるプロトンポンピングの増強が確認された。第二の目的に対し、300℃付近でPd合金より高い水素透過性を持つV1-xNix合金を使ったセルの作製と評価を行った。その結果{V0.9Ni0.1 | BZCYYb1513 (450 nm) | PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5.5｝で構成されるHMFCで、350℃0.12Wの発電性能を達成した。
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