兵庫県立大学と兵庫県立工業技術センターは、GSアライアンス株式会社(Green Science Alliance Co., Ltd.：環境、エネルギー分野における最先端の研究開発を行う化学会社／冨士色素株式会社グループ／本社：兵庫県川西市／代表取締役社長：森 良平 博士(工学))の固体電解質、電極材料を用いて、アパタイト型ランタンシリケート系固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)を開発しました。

開発した固体酸化物型燃料電池の電子顕微鏡写真

開発した固体酸化物型燃料電池の電子顕微鏡写真

燃料電池は、燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができるため、高効率な発電技術として注目されています。特にSOFCは発電効率が高く、またコージェネレーションシステムとしてCO2排出量も少ないことから、省エネ、環境性に優れた低炭素社会の実現に向けての有力な候補と位置付けられています。GSアライアンス株式会社は既にこのSOFC用途向けの電極、固体電解質などを自社で合成して少量事業展開を始めていました。この度、それらの製品群のうちのアパタイト型ランタンシリケート系固体電解質を含めた電極、固体電解質を用いて、兵庫県立大学および兵庫県立工業技術センターを中心としたプロジェクトでSOFCを開発しました。

イオン伝導度が高い優れたイオン伝導体の開発が、SOFC、電池材料、センサー、触媒といったエネルギー問題や環境問題を解決するキーテクノロジーとなります。イオン伝導度が高い材料は、蛍石型やペロブスカイト型など特定の結晶構造を有している場合が多いですが、一方で特にアルミニウムやマグネシウムをドープしたアパタイト型構造のランタンシリケート系固体電解質が高いイオン伝導度を有することが分かっていました。アパタイト型イオン伝導体は希少金属を含まず、500～800℃の範囲でオーム抵抗、分極抵抗が比較的低いため、中温型燃料電池(SOFC)用電解質の有力候補と考えられています。

本研究においては、マグネシウムをドープしたLa9.8(Si5.7Mg0.3)O26.4(MDLS)を主な固体電解質として用い、組成の異なったランタンシリケート系物質であるLa2SiO5を組み合わせることにより、さらなるイオン伝導度の向上と固体電解質膜の緻密化を達成することができました。またGd(ガドリニウム)をドープした二酸化セリウム(Ce0.9Gd0.1)O1.95(GDC)を中間層として用いることにより、熱処理時の固体電解質とカソードの反応を抑制し、電池抵抗の上昇を抑えることに成功しました。カソードとしては(La,Sr)(Co,Fe)O3を用いて、スピンコート法やスクリーン印刷法などの簡便で安価になりえる印刷手法を用いることにより、アパタイト型ランタンシリケート系固体電解質を用いたSOFCを作製しました。今後はランタンシリケート系の固体電解質層のイオン伝導度がさらに向上するように、イオン伝導経路を最適な方向にそろえるなどの工夫などを検討し、さらなるイオン伝導性の向上、及びそれを応用したSOFCを開発することを目指します。

本研究は科学技術振興機構(JST)の平成25～27年度研究成果最適展開支援事業(A-STEP)ハイリスク挑戦タイプ(#AS2524056L)の支援により、兵庫県立大学の嶺重温准教授のグループ、兵庫県立工業技術センターの吉岡秀樹材料・分析技術部長のグループ、GSアライアンス株式会社(冨士色素株式会社グループ)の森良平博士(工学)のグループが共同で行いました。

本研究の成果は、オランダのElsevier社が出版している国際的な学術誌Journal of Power Sources誌に「Lanthanum silicate-based layered electrolyte for intermediate-temperature fuel cell application」という表題で掲載されました。

【論文の詳細】

掲載紙： Journal of Power Sources

論文名： Lanthanum silicate-based layered electrolyte

　　　　 for intermediate-temperature fuel cell application

著者　： Atsushi Mineshige, Atsushi Saito, Mio Kobayashi,

　　　　 Hikaru Hayakawa, Mizuki Momai, Tetsuo Yazawa,

　　　　 Hideki Yoshioka, Mitsumasa Sakao, Ryohei Mori,

　　　　 Yuki Takayama, Yasushi Kagoshima, Junji Matsui

DOI　 ： https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228543

■会社概要

商号　　： GSアライアンス株式会社(冨士色素株式会社グループ)

代表者　： 代表取締役社長 森 良平　博士(工学)

所在地　： 〒666-0015　兵庫県川西市小花2-22-11

事業内容： 環境、エネルギー分野における最先端材料の研究開発

URL　　 ： https://www.gsalliance.co.jp/

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