応用物性、電子材料工学(燃料電池)

発電効率がよく、クリーン。これからの発電を担う燃料電池ができるまで

樋口透先生 東京理科大学 理学部第一部 応用物理学科

第2回 電解質膜の種類で用途も変わる。燃料電池自動車用から地球上では非実用の宇宙開発用まで

燃料電池は、電解質膜に何を使うかで、いくつかに分類されます。動作する温度も電解質膜の種類で、変化します。


例えば、イオン交換膜を使う「固体高分子形」の燃料電池は、100度以下で動作します。イオン交換膜は化学系が扱う材料ですが、研究が非常に進んでいます。燃料電池自動車が今年 (2014年)の年末くらいに発売になると思いますが、その燃料電池はおそらく固体高分子形の燃料電池が使われます。


次に「りん酸形」や「溶融炭酸塩形」の燃料電池。これは1960年くらいから、宇宙開発用としてずっと作られていますが、地球上で使うのは極めて難しいので、非実用的であるとされています。


もう一つは「固体酸化物形」の燃料電池。800度以上で動作する燃料電池です。これは、誘電体やコンデンサーの材料であるジルコニア(安定化ジルコニア)を電解質として使っていることから、物理の分野で非常によく研究されています。

図4:燃料電池の種類
図4:燃料電池の種類

材料はバリウムとセリウムと酸素の化合物


燃料電池の材料としてよく使われるのは、バリウムとセリウムと酸素の化合物、BaCeO3です。これ自身は絶縁体で全く電気を通しませんが、あえて違う元素を入れて、不純物の半導体にします。小さな不純物が入ることで、結晶中に欠陥ができ、水分子の酸素が入り込んで、H+というプロトンを生成します。結晶体に自由電子のような形で存在するH+が、温度を上げることによって、結晶中を移動し、電気を作る源になります。

図5:燃料電池の原料となる物質
図5:燃料電池の原料となる物質

燃料電池の製造工程


電解質膜は、次のような工程で作られます。原料を組み合わせ「混合」し、ヒーターで焼いて「乾燥」します。それをプレスして、高温で「焼結」し、セラミックスを作ります。できたセラミックスの対向する場所に、電解質膜を付けるための基板をセットし、そこに電場をかけてアルゴンガスを充満させると、アルゴン原子がターゲットであるセラミックスに当たって、原子・分子が励起され、基板上に堆積して、薄い膜を形成します。


図6:燃料電池作成の流れと電極膜を形成するしくみ


図7:電界質膜の表面
図7:電界質膜の表面

電解質膜の表面は10億分の1メートル 、nm(ナノメートル)単位の小さな粒の集まりです。粒の大きさは、だいたい20nmくらいのオーダーです。作る温度や作り方によって、電解質膜の形状は微妙に変わります。



図8:走査型電子顕微鏡で見たセラミックス電界質膜の形状の違い

 

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