国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】（以下「産総研」という）ゼロエミッション国際共同研究センター【研究センター長 吉野 彰】電気化学デバイス基礎研究チーム バガリナオ カテリン 主任研究員、岸本 治夫 研究チーム長、省エネルギー研究部門【研究部門長 堀田 照久】エネルギー変換技術グループ 山地 克彦 研究グループ長、石山 智大 主任研究員、極限機能材料研究部門【研究部門長 松原 一郎】固体イオニクス材料グループ 島田 寛之 主任研究員は、複数企業と戦略的共同研究を行う固体酸化物エネルギー変換先端技術コンソーシアム（ASEC）での取り組みにおいて、ナノ構造制御した高性能空気極を開発した。さらにそれを搭載した固体酸化物形燃料電池（SOFC）単セルは、世界最高レベルの発電性能を示した。
SOFC単セルには、パルスレーザー堆積法（PLD法）を用いて作製した自己組織化ナノ複合空気極（以下、「ナノ複合空気極」）に加え、空気極の性能を十分に発揮するために開発した、ナノ柱状多孔質集電層、ナノ複合化燃料極機能層を搭載し、700 ℃で4.5 W/cm2以上という世界最高レベルの出力密度を達成した。この成果は、SOFCセルスタックの小型化、製造コスト削減に貢献する。
この成果の詳細は、オープンアクセスの学術誌「Nature Communications」（電子版）に2021年6月25日付で掲載される。
世界最高レベルの発電性能を実現した燃料極支持型SOFC単セルの概略図：赤字が今回開発した材料
SOFCは、他の燃料電池と比較して発電効率が高く、家庭用や業務用の燃料電池コージェネレーションシステムとして既に市販化されている。最近では、発電容量のより大きい用途や高い発電効率を活かしたモノジェネレーションシステムへの利用も進められている。
SOFCの普及には、システムの大きさや製造コストが課題である。SOFC単セルの発電性能を向上できれば、同じ発電容量の従来のSOFCシステムと比較して、使用するSOFC単セルの数を削減することができ、小型化や低コスト化が見込まれる。
産総研では、2016年に複数企業と戦略的共同研究を行うASECを設立し、SOFCの先端技術の創成に取り組んできた。産総研の持つ基盤技術を活用し、SOFCの出力密度で3 W/cm2以上を目指した材料開発、セル化技術開発を開始した。これは、従来の一般的な出力密度の10倍以上である。
ASECにおいて、セルの出力密度の向上を目的に、電極反応抵抗の小さい新たな空気極の開発に取り組んだ。また、高出力セルの作製においては、量産技術として用いられる、押出成形法やテープ成形法での燃料極基材作製技術、ディップコーティングやスクリーン印刷での成膜と焼成による電解質層作製技術などを活用し、高出力化に対応できる燃料極支持型SOFC単セル（概略図参照）の開発を進めた。
今回開発した高出力SOFC単セルには、ASECにおいて産総研で新規開発した複数の部材（概略図中赤字）を活用している。
空気極：自己組織化ナノ複合空気極（ナノ複合空気極）
従来のSOFC空気極材料では、単一のランタン-ストロンチウム-コバルト-鉄複合酸化物（LSCF）、またはLSCFと酸化物イオン伝導体であるセリア系酸化物（例えばガドリニアドープセリア、GDC）との混合物の多孔質焼成体が一般に用いられており、粒子径は数百nm ～ 1 μm程度である。
今回産総研では、PLD法を用いてLSCFとGDCの2種類の材料がナノメートルスケールで交互に配置された新しい構造を持つナノ複合空気極を作製することに成功した。図1には従来の多孔質空気極とナノ複合空気極の模式図、およびナノ複合空気極の電子顕微鏡像、元素分析マッピング像を示した。開発したナノ複合空気極では、数十nm程度の太さの柱状構造の中に、さらに数nmの幅でLSCF相とGDC相が分離して縞状に存在している。作製したナノ複合空気極は、あとで示すナノ柱状多孔質集電層との組み合わせにより、世界最小レベルの電極反応抵抗率、0.01Ω/cm2を達成した。
図1 開発した自己組織化ナノ複合空気極の概略図および分析結果
燃料極機能層：ナノ複合化燃料極機能層
燃料極支持体と電解質の間には水素の酸化反応を速やかに進めるため、粒子径が支持体よりも微細なサブミクロン程度のニッケル酸化物（NiO）とイットリア安定化ジルコニア（YSZ）の混合物を用いた燃料極機能層が一般的に用いられる。今回の高出力セルでは、噴霧熱分解法を用いることで、10 nm程度のNiOとYSZの一次粒子が凝集し二次粒子化した粉末を作製し、燃料極機能層に用いた。この層はセル全体の抵抗低減効果とともに、緻密な薄膜電解質の形成にも重要な役目を果たした。
空気極集電層：ナノ柱状多孔質集電層
電極反応を速やかに進めるためには、反応場への電子の供給が必要であり、空気極上には通常1μm程度の粒子径からなる集電層を設ける。ナノレベルで形態制御したナノ複合空気極の性能を十分に引き出すには、電極全体を有効に働かせるため数十nm程度の領域ごとに電気的な接続が必要である。今回のセルでは新たにPLD法を用いてランタン-ストロンチウム-コバルト複合酸化物（LSC：La0.6Sr0.4CoO3）のナノ柱状多孔質集電層を開発した。
これらの新規材料を搭載した単セルの発電試験結果を図2に示す。出力密度として、世界最高レベルの700℃で4.5 W/cm2以上、600℃でも1.5 W/cm2を達成した。SOFCセルの一般的な作動電圧である0.8 Vでは3 A/cm2（700℃）の電流密度であり、従来の一般的なセルの0.3～0.5 A/cm2と比較して、約6～10倍の電流値を実現している。この技術を用いれば、従来システムと比べて、セル枚数を10分の1程度にできると見込んでおり、コストの大幅削減、システムの小型化に寄与できる。
図2 作製した単セルによる発電試験結果
今回開発した自己組織化ナノ複合空気極材料については、2021年6月から開始した固体酸化物エネルギー変換先端技術コンソーシアム第2期（ASEC-2）において、構造の安定化による電極の長寿命、高信頼性化を目指すとともに、量産化への適応性の検討などを進める予定である。また、開発した各部材を実用セルへ搭載する技術についても早期実用化を図る。