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低温作動型SOFCにも、量子トンネル効果が見出された!―SOFCの室温動作に向けた大きな一歩―

2013年10月1日(火)

リリース概要

大阪大学大学院工学研究科の笠井秀明教授らの研究グループは、原子核に古典論を用いた従来の第一原理計算の限界を突破するために、固体表面での世界初の水素反応量子ダイナミクス理論※1(笠井理論)を提唱し、数々の成果を上げてきました。

本年2月には、固体高分子形燃料電池(PEFC)の燃料極における水素反応が量子トンネル効果であることを報道発表しました。今回、発電効率で最も優れている固体酸化物形燃料電池※2(SOFC)の電解質内部における酸素イオン(O2-)伝導の本質が量子トンネル効果であることを突き止め、300℃という低温作動を実現する新材料とデバイス構造の解明に成功しました(関連特許:出願8件、うち国内登録が1件、米国登録が1件)。

本成果は、13th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells (SOFC-XIII、沖縄開催) の研究発表(10月8日)及び真空10月号(Journal of the Vacuum Society of Japan Vol. 56, No. 10)にて発表されます。

本研究は、平成22年度先端的低炭素化技術開発事業(ALCA)【蓄電デバイス】の研究プロジェクト「高酸素イオン伝導体ナノ薄膜を用いる革新的金属 ― 空気2次電池」という研究プロジェクト<九州大学(プロジェクトリーダー:石原達己)、国立大学法人大阪大学(テーマ責任者:笠井秀明)、コニカミノルタ株式会社>の研究に関連して見出されたものであります。

 

研究の背景

現在、世界が直面する環境・エネルギー問題の解決と低炭素社会の実現に向けて、化石燃料に代わるクリーンな燃料電池の普及が期待されています。中でも、空気中の酸素(O2)と都市ガスから作った水素(H2)を利用して発電する固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)は、触媒材料に貴金属※3を使用しないため「高効率」「低コスト」「省スペース」という特長を有するので大きな注目を集めております。

SOFCの発電メカニズムは次のように進行します。先ず、空気極(正極)に供給された空気中の酸素(O2)が電子を受け取り酸素イオン(O2-)となります。次にセラミックス(固体酸化物)の電解質膜中を酸素イオンが空気極から燃料極に移動します。燃料極(負極)では、水素(H2)や一酸化炭素(CO)と酸素イオン(O2-)が反応し、水(H2O)と二酸化炭素(CO2)が生成します。その際に放出された電子によって発電され、発電を終えた電子は空気極に移動します。

一般に750℃以上の高温作動型SOFCでは、マクロスケールからナノスケール領域に及ぶ電解質の損傷・劣化挙動が問題となっており、作動温度の低温化が望まれています。ところが、作動温度が低くなると、電解質の抵抗増大や電極近傍の化学反応が不活発になるため発電性能が低下します。これは、化学エネルギーから電気エネルギーに変換できる理論効率の最大値は温度低下と共に増大しますが、その一方で、電解質の抵抗や電極境界領域での反応抵抗が大きくなり、発電効率が低下するためです。よって、低温でも十分低い電気抵抗を示す電解質の研究開発が必要となります。

PEFCとSOFCは発電機能に変わりはありませんが、SOFCはPEFCに比べて発電効率が高く、原燃料からより多くの電気エネルギーを取り出せることが特徴です。またSOFCはシステム構成がシンプルなので、現行のエネファームと比べて大きさで約5割程度、重さで3分の2程度とコンパクトにできます。

今回の成果

本研究では、世界に先駆けて確立した「量子ダイナミクス理論(Hyper-Naniwa※4)」を、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に適用した知的設計手法「CMD※5(Computational Materials Design)」を構築し、以下の新規材料と反応メカニズム解明により、作動温度300℃という低温作動型SOFCの知的設計に成功しました。

1) 低温作動型SOFC用電解質の新材料の知的設計 : 電解質の新材料は、化学式がCe1-xSmxO2-δで与えられ、SDC(Samarium-Doped Ceria)と呼ばれるセリア系の材料です。この材料には、酸素イオンの伝導パスが容易に形成されるという特徴があります。
2) 低温作動型SOFC用電解質の新構造の知的設計 : 電解質の新構造は、化学式がCe1-xSmxO2-δで与えられるSDCに対して一軸応力を印加すると、セル体積を僅かに変形させる二軸応力歪が発生します。この構造により、電解質内部における酸素イオン(O2-)の移動が容易になり、伝導率も向上するため300℃という作動温度が実現しました。
3) 低温作動型SOFC用電解質の新材料の動作メカニズムの解明 : CeO2のCeの一部をSmで置換することにより、Sm近傍では熱励起型の酸素イオン(O2-)伝導よりも量子トンネル型の酸素イオン(O2-)伝導が起こりやすくなります。こうしたメカニズムが解明できたので、量子トンネル効果を生起しやすい材料を知的設計することで室温動作に近づけたSOFCの実現も可能であると考えています。

本研究が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究により、固体酸化物形燃料電池の反応メカニズムはトンネル効果が本質的に寄与するものであり、固体高分子形燃料電池と共に最先端の量子反応デバイスであることが明らかになりました。富士経済の燃料電池市場予測は、2025年の世界市場は5兆円、国内市場は1兆6千億円です。その時点におけるSOFCはPEFCの1/5という規模ですが、IEA(International Energy Agency)と(財)日本エネルギー経済研究所の予測資料によれば、図8に示すように、2040年以降はSOFCがPEFCを凌駕すると考えています。今回の成果はこうした予測を加速するものであり、燃料の選択肢が広く、高性能・ローコストな究極のエコ電池が実現可能になり、省エネルギー・低炭素社会の実現に大きく貢献すると思われます。

参考図

図1 固体酸化物形燃料電池の構造と動作メカニズム

図2 CeO2の構造


図3 CeO2のCeの一部(約4%)をSmと置換


図4 Sm近傍の酸素イオン伝導の様子


図5 酸素イオンに対するポテンシャルエネルギー


図6 酸素イオン伝導の量子トンネル効果


図7 酸素イオン伝導の波動関数


図8 SOFCとPEFCの市場推移予測

用語集

※1 量子ダイナミクス理論
量子ダイナミクス理論とは、固体表面および固体内部の動的反応を記述する我々が独自に創り上げた世界初の理論であり、電子系と原子核の両方の量子運動状態を取り扱う量子第一原理計算を生み出した。一方、従来の第一原理計算は、原子核を静止させた古典力学で扱い、電子系の量子運動状態のみを計算していた。

※2 固体酸化物形燃料電池〔SOFC=Solid Oxide Fuel Cell〕
固体酸化物を電解質として用いた燃料電池。燃料電池は水素と酸素を利用した次世代の発電システムであり、水の電気分解と逆の原理によって高効率の発電を行う。燃料電池の電解質におけるイオン伝導度(伝達のしやすさ)とその動作温度が開発の重要な鍵となる。

※3 貴金属
一般には、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)等の元素を指す。存在が希少なものが多く、反応活性を高め、同時にCO被毒を軽減するために、白金とルテニウムは燃料電池の反応を促進する触媒として利用される。

※4 Hyper-Naniwa
固体表面の水素の量子運動状態に限定された初期の量子第一原理計算をNaniwaと呼び、固体表面と固体内部の各種元素の量子運動状態を扱う量子第一原理計算をHyper-Naniwaと呼ぶ。

※5 CMD(Computational Materials Design)
CMDは、最初に所望の物性を持つ候補物質を決め、その構造に基づいた量子シミュレーションを行う。計算結果の定量的に評価して、所望の物性に近づく条件を判断する。この処理を再帰的に行うことによって、所望物質を設計するシステムである。

参考URL

大阪大学大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 応用物理学講座 ナノ物性理論領域
http://www.dyn.ap.eng.osaka-u.ac.jp/web/

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