導電率の芫いプロトン伝導性酸化物薄膜の創成に関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650741
• Research Institution: Chiba Institute of Technology
• Principal Investigator: 山口 貞衛 千葉工業大学, 研究所, 教授 (80005892)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 湯上 浩雄 千葉工業大学, 工学研究科, 教授 (60192803)
• Keywords: ペロブスカイト型酸化物 / プロトン伝導体 / プロトン導電率 / 傾斜機能材料 / 燃料電池

Research Abstract

燃料電池は、ネルンストの法則より、1.23V以上の起電力が発生しない。それ故に、高出力の燃料電池を得るには、取り出し電流の増加に伴う作動電圧の低下を可能な限り軽減する必要がある。我々は、プロトン伝導性酸化物を電解質として中間温度で運転する燃料電池の場合には、電圧低下の原因中で電解質の電気抵抗によるもの(iRロス)が最も大きいことを明らかにした。化学組成がA^<2+>_3(B'^<2+>_<1+x>、B"^<5+>_<2-x>)O_<9-3x/2>およびA^<2+>_2(B'^<3+>_<1+x>、B"^<5+>_<1-x>)O_<6-x>で表される不定比組成の混合ペロブスカイト型酸化物は、アクセプターを添加したABO_3型酸物よりも高いプロトン導電率を示すことが知られている。我々は、不定比組成の混合酸化物、Ba_3Ca_<1-x>Nb_<2-x>O_<9-3x/2>及びSr_2Sc_<1+x>Nb_<1-x>O_<6-x>を中心に、燃料電池の電解質として優れた性能を有するプロトン伝導性酸化物を探索することを目的に研究を行なった。
我々が開発した水素吸蔵金属を水素供給源とする負極密封型燃料電池は、電解賃の交換が容易であり、簡単に電解質の適性を評価することができる。そこで、この電池を用いて、混合ペロブスカイト型酸化物の電解質としての適性評価を目的に燃料電池の放電特性を測定した。その結果、これらの混合酸化物を電解質に用いた燃料電池も約1.0Vの開放回路電圧(OCV)を発生して負荷の下でも安定に放電することが認められた。
所で、プロトン伝導性混合酸化物の導電率の増加を図る方策の一つとして混合酸化物中の不定比組成の傾斜により生じる駆動力を利用する方法が考えられる。本研究では、この方法の適否を調べるために、組成の異なる混合酸化物を積層した試料について直流法による導電率測定を行った。その結果、プロトンが化学ポテンシャルの低い方向に流れるように直流電圧を印加した場合には、逆の場合よりも、導電率が3倍程度も高い値を示すことを明らかにすることができた。

Research Products

• [Publications] 山口貞衛: "Construction and operation of fuel cells based on the solid electrolyte Ba_3Ca_<1.18>Nb_<1.82>O_<8.73>"Proc. Intern. Symp. on Hydrogen Power : HYPOTHESIS IV. Vol.2. 363-367 (2001)
• [Publications] 山口貞衛: "Operation of hydrogen-air fuel cells based on proton conducting oxides and hydrogen storage metals"Journal Alloys and Compounds. 330-332. 911-915 (2002)