金属/氧化物复合膜电解质在燃料电池中的适用性（应用于中温SOFC）

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摘  要：质子导电性钙钛矿型氧化物（AECeO₃）是一种具有良好导电率的电解质，本研究的目的是设计一种能够维持AECeO₃的质子导电性并克服其对CO₂的脆弱性的电解质概念，从性能和成本方面，阐明其在使用含CO₂燃料的燃料电池发电中的适用性。

关键字：燃料电池、质子导体、透氢膜、复合膜、电解质、中温SOFC

背景

质子导电性钙钛矿型氧化物（AECeO₃）^注1）是一种具有良好导电率的电解质。使用这种质子导电性电解质且能够在中温区域（500℃左右）运行的燃料电池，将有望成为一种在性能和成本方面都非常优异的新型燃料电池^注2）。但是，在大气中存在CO₂时，AECeO₃易分解，因此为了将其用作使用含CO₂燃料（例如常用的天然气重整气）的燃料电池的电解质，需要克服其对CO₂的脆弱性。

目的

本研究的目的是设计一种能够维持AECeO₃的质子导电性并克服其对CO₂的脆弱性的电解质概念，从性能和成本方面，阐明其在使用含CO₂燃料的燃料电池发电中的适用性。

主要成果

1. 金属/氧化物复合膜电解质的设计^注3）

如图1所示，设计AECeO₃和透氢膜（例如Pd：金属钯^注4））的复合膜。在该复合膜中，只有氢可以通过Pd膜到达AECeO₃膜，因此这种复合膜可以克服AECeO₃对CO₂的脆弱性，并有望用作使用含CO₂燃料的燃料电池的电解质。

图1 使用金属/氧化物复合膜电解质的燃料电池的发电概念图

2. 金属/氧化物复合膜电解质（Pd/AECeO₃）的CO₂稳定性

通过在SrCeO₃膜（作为AECeO₃易于获得）上复合致密的Pd膜而形成Pd/SrCeO₃膜。如图2所示，各膜成分之间不会扩散，附着性良好。此外，由CO₂暴露试验后的XRD分析证实，SrCeO₃膜单体会与CO₂反应分解为SrCO₃和CeO₂，而Pd/SrCeO₃膜不会分解（图3）。

图2 金属/氧化物复合膜电解质的截面分析

图3 XRD分析结果

（CO₂暴露条件：100% CO₂气体中，650℃，10天）

3. 金属/氧化物复合膜电解质在燃料电池中的应用

当将Pd/SrCeO₃膜用作电解质来构成燃料电池并使用含CO₂的燃料进行发电时，证实可以在恒定负荷下长时间稳定发电^注5）（图4）。

图4 使用含CO₂燃料的燃料电池发电随时间的变化

4. 金属/氧化物复合膜电解质的性能和成本

在测量燃料电池的电流-电压特性并分析电压下降的原因后发现，本次应用的Pd和SrCeO₃的膜较厚，因此由各自的内部电阻引起的过电压是导致电压下降的主要原因（图5）。现已明确，为了实现与目前SOFC相同的性能和原材料成本，必须复合具有更高质子电导率的BaCeO₃来代替Pd/SrCeO₃复合膜中的SrCeO₃，并将BaCeO₃膜厚减小到20μm，将Pd膜厚减小到0.1μm。

图5 电池性能的因素分析

今后计划

将质子电导率高于SrCeO₃的BaCeO₃应用于电解质，研究Pd/BaCeO₃复合膜电解质的薄膜化技术，以及寻找可替代Pd金属的廉价透氢膜。

注释：

注1）AECeO₃：AE指碱土金属（Sr或Ba）。另外，通过将Ce⁴⁺的一部分与三价阳离子（M³⁺）置换固溶（AECe_1-xM_xO_3-），在氢气流中实现质子导电性。

注2）电力中央研究所报告书《各种燃料电池的性能比较和新型燃料电池的可能性》W98027。

注3）正在申请专利。

注4）在Pd膜组成中，使用与Ag的合金以防止氢脆。

注5）认为初始电压下降导致Pd膜的透氢功能降低。

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翻译：李释云

审校：李   涵

贾陆叶

统稿：李淑珊

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