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公開番号2025146326
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-03
出願番号2024047041
出願日2024-03-22
発明の名称酸化物プロトン伝導型燃料電池セル
出願人国立大学法人九州大学
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H01M 8/10 20160101AFI20250926BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】本発明は、出力密度を向上させることが可能な酸化物プロトン伝導型燃料電池セルを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、酸化物プロトン伝導型燃料電池セルであって、プロトン伝導性材料で形成されている電解質と、空気極と、前記電解質及び前記空気極の間に設けられた、厚さ10～600nmの緻密な薄膜層と、を備え、前記薄膜層は、ABO型のペロブスカイト型の酸化物であり、BサイトにSc、Sn、Mo、Y、Yb、及びMgからなる群より選択される1つ以上の元素を含有する酸化物材料(1)より形成されている、酸化物プロトン伝導型燃料電池セルである。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
酸化物プロトン伝導型燃料電池セルであって、
プロトン伝導性材料で形成されている電解質と、
空気極と、
前記電解質及び前記空気極の間に設けられた、厚さ１０～６００ｎｍの緻密な薄膜層と、
を備え、
前記薄膜層は、ＡＢＯ型のペロブスカイト型の酸化物であり、ＢサイトにＳｃ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｙ、Ｙｂ、及びＭｇからなる群より選択される１つ以上の元素を含有する酸化物材料（１）より形成されている、酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記薄膜層の前記酸化物材料（１）はＡサイトにＳｒまたはＢａを含有する、請求項１に記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
【請求項３】
前記薄膜層の前記酸化物材料（１）は、下記一般式（１）で表されるペロブスカイト型の酸化物材料である、請求項１または２に記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
（Ａ
１
１－ｘ１
Ｂ
１
ｘ１
）（Ｓｃ
１－ｙ１
Ｃ
１
ｙ１）
）Ｏ
３―δ１
・・・（１）
（一般式（１）中、
Ａ
１
は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａのうち少なくとも１種であり、
Ｂ
１
は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａのうち少なくとも１種であり、
Ｃ
１
はＭｇ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｓｎのうち少なくとも１種であり、
ｘ１は０．０～０．４であり、
ｙ１は０．０～０．４であり、
δ１は酸素欠損量である。）
【請求項４】
前記薄膜層の前記酸化物材料（１）は、Ｌａ
１－Ｘ
Ｓｒ
Ｘ
ＳｃＯ
３
で表されるペロブスカイト型の酸化物材料であり、ｘは０．０５～０．４の範囲である、請求項１または２に記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
【請求項５】
前記薄膜層の厚さは、１０～５００ｎｍである、請求項１または２に記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
【請求項６】
前記薄膜層は理論密度に対して９０％以上の密度である、請求項１または２に記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
【請求項７】
酸化物プロトン伝導型燃料電池セルであって、
プロトン伝導性材料で形成されている電解質と、
空気極と、
前記電解質及び前記空気極の間に設けられた、プロトン伝導性材料で形成された、厚さ１０～６００ｎｍの緻密な薄膜層と、
を備え、
前記薄膜層を形成する前記プロトン伝導性材料において前記空気極と当該プロトン伝導性材料の界面のプロトン濃度を高く保つことで、空気極触媒の過電圧を低減した酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物プロトン伝導型燃料電池セルに関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、急速な工業化と化石燃料の消費により、ＣＯ
２
等の温室効果ガスの排出が環境汚染に大きな問題を引き起こし得ることが指摘されている。このような状況下、新たなエネルギー源として注目される水素は、温室効果ガスを排出せずにエネルギーを生産することができることから、水素燃料電池の革新的な先進的な応用を促している。これらの燃料電池は、ＣＯ
２
を放出することなく効率的にエネルギーを変換できることが認められており、その高いエネルギー変換効率（＞６０％）と驚異的な出力により、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）への関心が高まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２３－６３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、固体酸化物形燃料電池は、運転温度が高く（７００～１０００℃）、それにより、急速な性能低下、電極の凝集、高い過電圧などの欠点を招く傾向があるとされている。
これに対して、プロトン伝導性セラミック燃料電池（ＰＣＦＣ）は、プロトン伝導電解質を用いることによって固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）よりも低温で作動させることができ、そのため、エネルギー変換デバイスとして種々検討されている（例えば、特許文献１）。具体的には、プロトン伝導性セラミック燃料電池はプロトン伝導に対して低い活性化エネルギー（ＢＺＣＹを電解質として用いた場合、Ｅａ：０．４～０．５ｅＶ）を有する優れたイオン伝導性を示し得る。さらに、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、アノード側（燃料極側）で水の発生による燃料の希釈の問題もあるが、プロトン伝導性セラミック燃料電池では、カソード側（空気極側）で水が発生するので、かかる問題を避けることができる。
【０００５】
プロトン伝導性セラミック燃料電池にはこのような優位性があるものの、さらなる性能の向上が求められている。具体的には、プロトン伝導性セラミック燃料電池では、空気極側に比較的大きな界面抵抗と電極の過電圧が生じることがあり、その結果として、出力密度の更なる向上（例えば低温で出力密度）が求められている。
【０００６】
そこで、本発明では、出力密度を向上させることが可能な酸化物プロトン伝導型燃料電池セルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者は、酸化物プロトン伝導型燃料電池セルの電解質と空気極との間に所定の薄膜層を設けることにより、驚くべきことに、空気極側の比較的大きな界面抵抗と電極の過電圧を低減させることができ、それにより電解質から空気極へのプロトン伝導性が向上し、上記課題を解決することができることを見出した。
すなわち、本発明は下記の通りである。
【０００８】
［１］
酸化物プロトン伝導型燃料電池セルであって、
プロトン伝導性材料で形成されている電解質と、
空気極と、
前記電解質及び前記空気極の間に設けられた、厚さ１０～６００ｎｍの緻密な薄膜層と、
を備え、
前記薄膜層は、ＡＢＯ型のペロブスカイト型の酸化物であり、ＢサイトにＳｃ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｙ、Ｙｂ、及びＭｇからなる群より選択される１つ以上の元素を含有する酸化物材料（１）より形成されている、酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
［２］
前記薄膜層の前記酸化物材料（１）はＡサイトにＳｒまたはＢａを含有する、［１］に記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
［３］
前記薄膜層の前記酸化物材料（１）は、下記一般式（１）で表されるペロブスカイト型の酸化物材料である、［１］または［２］に記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
（Ａ
１
１－ｘ１
Ｂ
１
ｘ１
）（Ｓｃ
１－ｙ１
Ｃ
１
ｙ１）
）Ｏ
３―δ１
・・・（１）
（一般式（１）中、
Ａ
１
は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａのうち少なくとも１種であり、
Ｂ
１
は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａのうち少なくとも１種であり、
Ｃ
１
はＭｇ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｓｎのうち少なくとも１種であり、
ｘ１は０．０～０．４であり、
ｙ１は０．０～０．４であり、
δ１は酸素欠損量である。）
［４］
前記薄膜層の前記酸化物材料（１）は、Ｌａ
１－Ｘ
Ｓｒ
Ｘ
ＳｃＯ
３
で表されるペロブスカイト型の酸化物材料であり、ｘは０．０５～０．４の範囲である、［１］～［３］のいずれいかに記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
［５］
前記薄膜層の厚さは、１０～５００ｎｍである、［１］～［４］のいずれかに記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
［６］
前記薄膜層は理論密度に対して９０％以上の密度である、［１］～［５］のいずれかに記載の酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
［７］
酸化物プロトン伝導型燃料電池セルであって、
プロトン伝導性材料で形成されている電解質と、
空気極と、
前記電解質及び前記空気極の間に設けられた、プロトン伝導性材料で形成された、厚さ１０～６００ｎｍの緻密な薄膜層と、
を備え、
前記薄膜層を形成する前記プロトン伝導性材料において前記空気極と当該プロトン伝導性材料の界面のプロトン濃度を高く保つことで、空気極触媒の過電圧を低減した酸化物プロトン伝導型燃料電池セル。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、出力密度を向上させることが可能な酸化物プロトン伝導型燃料電池セルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
実施例１の酸化物プロトン伝導型燃料電池セルを模式的に示す図である。
試験例１での実施例、比較例の酸化物プロトン伝導型燃料電池セルの発電特性を示すグラフであり、図２（ａ）は７００℃で測定し、図２（ｂ）は５００℃で測定した結果を示す。
試験例１での実施例、比較例の酸化物プロトン伝導型燃料電池セルを電気化学インピーダンス法（ＥＩＳ）による測定した結果を示すグラフであり、図２（ａ）は７００℃で測定し、図２（ｂ）は５００℃で測定した結果を示す。
試験例２での実施例、比較例の酸化物プロトン伝導型燃料電池セルの発電特性を示すグラフと、電気化学インピーダンス法（ＥＩＳ）による測定した結果を示すグラフである。
試験例３での比較例の酸化物プロトン伝導型燃料電池セルの発電特性を示すグラフと、電気化学インピーダンス法（ＥＩＳ）による測定した結果を示すグラフである。
試験例４での実施例の酸化物プロトン伝導型燃料電池セルの発電特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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