新しい代替エネルギー技術が機能するには十分ではありません。また、従来の化石燃料と競合できるほど安価でなければなりません。これは、固体酸化物燃料電池 (SOFC) と呼ばれる、メタンや水素などの燃料を燃やさずに直接電気に変換するデバイスにとって、高いハードルでした。しかし現在、研究者は、あるタイプの SOFC の主要コンポーネントをより安価に製造するための新しいレシピを考え出したと報告しています。これにより、全体的なコストが大幅に削減される可能性があります。
「これは優れた技術実証です」と、イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学の材料科学者で燃料電池の専門家である Sossina Haile 氏は述べています。 「大いに盛り上がると思います。」
燃料電池はバッテリーと同じように機能します。その内部では、2 つの電極が電荷伝導性電解質によって分離されています。 SOFC の場合、電解質は固体セラミック膜で構成されます。典型的なセットアップでは、負に帯電した電極、またはカソードに空気が供給され、そこで酸素分子が余分な電子を拾います。次に、これらの酸素イオンは膜を通って正に帯電した陽極に移動します。そこで燃料中の分子と反応し、水、二酸化炭素、電気を生成します。電気は、デバイスに電力を供給する回路を介して供給され、陽極に戻されます。燃料が供給されている限り、SOFC は電力を排出し続けます。
SOFC には有望な機能がいくつかあります。これらのデバイスは、大規模な天然ガスベースの発電所に匹敵する効率で電気を生成します。しかし、発電所は巨大で、建設に数億ドルの費用がかかるのに対し、SOFC は任意のサイズで作ることができます。そのため、病院や製造工場のバックアップ電源として、またグリッドに接続されていない分散型電源システムを生成するために魅力的です。
しかし、SOFC にも欠点があります。従来の酸素伝導性 SOFC では、膜はイットリア安定化ジルコニア (YSZ) と呼ばれるセラミックでできており、セルは 800°C ～ 1000°C で最も効率的に動作します。つまり、耐熱材料を使用して製造する必要があり、ほとんどの用途には高価すぎます。近年、研究者は、イットリウムをドープしたジルコン酸バリウム (BZY) と呼ばれるセラミックから作られた代替膜の調査を開始しました。これらのデバイスは、水素ガスと酸素を水と電気に変換するのに最もよく機能し、600°C 程度の低温でも機能します。従来の SOFC とは異なり、BZY 膜は、負に帯電した酸素イオンをアノードに向けて流すのではなく、正に帯電した水素イオンを逆にカソードに向けて流すことができます。しかし、それらは酸素伝導性 SOFC の出力に匹敵するものではありませんでした。
現在、ゴールデンにあるコロラド鉱山学校の材料科学者 Ryan O'Hayre と彼の同僚は、BZY 燃料電池の出力を高める方法を発見しました。研究者たちは、BZY 膜の問題の 1 つは、その製造方法にあるのではないかと疑っていました。異なるセラミック成分を混合するには、通常、1700°C もの高温に加熱する必要があります。しかし、その極端な温度では、バリウムは気化して気体になり、セラミック全体に均一に混合することが難しくなります. O'Hayre と彼の同僚は最近、混合温度を下げる固体反応焼結と呼ばれる代替混合方式の開拓に貢献しました。そして今、彼らは、O'Hayre が「魔法の妖精の粉」と呼んでいるもの、実際には酸化銅と酸化ニッケルをセラミック混合物に微量添加することで、温度を 1450°C まで下げることができることを発見しました。 .これにより、BZY 混合物がより均一になり、デバイスの性能が向上しました。
この変化により、単一の水素 SOFC によって生成される電力出力がほぼ 2 倍になったと、研究者は Science の最新号で報告しています。 .それだけでなく、新しいセルは酸素イオン伝導セルの出力にも匹敵しました。さらに、新しい BZY セルは、燃料電池業界が目標とするスイート スポット温度である約 500°C で最適に機能します。
O'Hayre と Haile は、新しい進歩が SOFC 業界に一夜にして革命を起こすわけではないと警告している。これまでのところ、O'Hayre のグループは個々の細胞だけを生産しています。対照的に、商用デバイスは、より多くの電力を生成する燃料電池「スタック」として知られているものに、多くのそのようなデバイスを一緒に配線することによって機能します。将来の BZY ベースの SOFC スタックが個々のデバイスと同様に機能する場合、最終的に燃料電池業界が探し求めていた転換点を生み出すことができます。
