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九州大が新しい伝導体を発見 燃料電池(SOFC)の低温動作・低価格化に期待

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九州大が新しい伝導体を発見 燃料電池(SOFC)の低温動作・低価格化に期待

九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所の研究グループは、固体酸化物電解質燃料電池(SOFC)の低温作動化などへの応用が期待できる、新規高酸素イオン伝導体「Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)」を発見した。

酸素イオン伝導体は、燃料電池の電解質、酸素分離膜、センサなどに応用可能な機能性材料。今回、これまでNBTの課題だった製造法による電気的な性質の変化が酸素イオン伝導性によるものであることを発見し、開発された新材料が新しい酸素イオン伝導体として応用できることを確認した。

現在、酸素イオン伝導体は「Y2O3安定化ZrO2」が主流で、これに代わる材料として「LaGaO3系酸化物」などが使用されているが、いずれも希土類などの希少元素が使用されており、価格や資源量などの課題がある。新材料は、ナトリウム(Na)ビスマス(Bi)チタン(Ti)など比較的安価な元素から構成されていることから、電解質の低価格化において大きな波及効果が期待される。

今後は、NBTを電解質とした燃料電池への応用を検討するとともに、周辺材料を探索することで、大きな酸素イオン伝導性を有する材料の発見と組成を展開する。特に、従来材料に比べて酸素イオン伝導度が高く、特に低温での伝導度が高いことから、低温作動型燃料電池の電解質への利用を研究することで、従来にない400℃程度の低温で作動する燃料電池が可能になるほか、起動特性かつ長期安定性に優れたSOFC 開発に役立てられる。これらが実現することにより、低炭素社会の実現に大きく寄与することが可能となり、カーボンニュートラル・エネルギーの観点で、重要な技術になることが期待される。

NBTの酸素イオン伝導度

NBTの酸素イオン伝導度の他の代表的な酸素イオン伝導体との比較

高効率な発電装置として普及が進んでいるSOFCは、CO2の排出量の削減に寄与する発電方式として期待されている。SOFCの電解質としては「Y2O3安定化ZrO2」が主に使用されているが、酸素イオン伝導度が十分ではないことから、これに代わる新しい酸素イオン伝導体の開発が求められていた。これまでの研究では、酸化セリウム(CeO2)や酸素イオン混合伝導体及びそれを用いた酸素透過膜(LaGaO3)などが「Y2O3安定化 ZrO2」を凌駕する酸素イオン伝導性を発現することが分かっていたが、これらを上回る酸素イオン伝導体の開発が課題となっていた。

一方、NBTは、製造法による電気的な抵抗が不規則になることが問題だったことから、NBT を圧電体や強磁性体として応用するには、電気的な性質の均一化が強く求められていた。また、鉛(Pb)を含まない圧電体ながら、圧電または強磁性をもつ物質への応用において電流が漏れることも課題になっていた。今回、この原因が作製時に生じた蒼鉛(Bi)欠損と酸素(O)欠陥による酸素イオン伝導の影響であることを発見し、マグネシウム(Mg)をチタンサイトに添加することで、600℃で0.01S/cmという大きな酸素イオン伝導を示すことを見出した。

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