低温下工作的固体氧化物燃料电池用的超薄电解质膜的开发

低温下工作的固体氧化物燃料电池用的超薄电解质膜的开发

在100℃以下由物理吸附水带来的表面质子传导性

东京理科大学

高能加速器研究机构

东北大学多元物质科学研究所

由东京理科大学理学部应用物理学科的樋口透副教授、物质材料研究机构的土屋敬志高级研究员、高能加速器研究机构（KEK）物质构造科学研究所的堀场弘司副教授、东北大学多元物质科学研究所的组长广志教授等组成的研究小组，通过溅射法控制氧缺陷和晶格的形成，制备了Sm-doped CeO_2-δ薄膜（以下称为“SDC薄膜”），并揭示了其表面结构和特殊离子传导性。

近年来，清洁高效的固体氧化物燃料电池（以下简称为“SOFC”）中使用的电解质和电极材料的研究备受关注。然而，由于SOFC的工作温度高，用途有限，所以人们一直期待着能开发出一种在低温下也具有离子传导性的固态电解质膜。

由樋口副教授领导的研究小组正在研究CeO₂（氧化铈，二氧化铈），众所周知，CeO₂是一种稀土氧化物，通过稀土类的置换可具有高氧离子传导性，并且由于氧原子的缺陷表现出电子传导性。

最近，有人提出CeO₂可以通过表面吸附来传导质子。也就是说，CeO₂有望具有“氧离子，电子和质子”等三种类型的载流子的控制及传导性，成为用作SOFC电解质的材料之一。因此，该研究小组设想通过在CeO₂中化学掺杂同样是稀土金属元素的Sm（钐），制备出一种Ce_0.9Sm_0.1O_2-δ薄膜，尝试将质子传导性能提高到可实际应用的水平。

结果表明，在这种新型SDC薄膜中，在100℃以下的低温范围中，物理吸附的水分子会造成其具有很高的表面质子传导性。这种薄膜可以降低SOFC的工作温度，因此有助于扩大SOFC的用途并降低成本。另外，SOFC有望成为代替核能和火力发电的发电系统。