スペインのIREC研究所：3Dプリント多段固体酸化物燃料電池、性能が約60％向上！

はじめに:世界的なエネルギー不足の問題がますます顕著になり、世界各国が新たなエネルギーの計画を開始しています。我が国も、従来の化石エネルギーを削減するという独自の二重炭素目標を提唱しており、現在、新エネルギーが話題になっています。現在利用可能なさまざまな新しいエネルギー源の中で、水素エネルギーは将来化石エネルギーに代わる最も可能性の高い選択肢です。水素の製造と水素エネルギーの応用方法も、関連企業や科学研究機関にとって研究のホットスポットとなっています。水素燃料電池は、将来の新エネルギー車、船舶、そして多くの産業分野で重要な役割を果たす可能性があります。しかし、従来の燃料電池の製造および組み立てプロセスは複雑で、歩留まりが低いため、関連する燃料電池の応用を産業化することができませんでした。マルチマテリアル3Dプリント技術は、プロセスの複雑さを効果的に軽減し、燃料電池の主要構造のアノード、カソード、電解質材料を同時に印刷できるため、将来の固体燃料電池産業に有益な探求と試みを提供します。

2020年6月、スペインのカタルーニャエネルギー研究所（IREC）のICREA教授アルバート・タランコン氏のチームは、3Dプリント固体酸化物電池の研究を行った。彼らは3Dプリントを使用して、アスペクト比の高い波形電池と扁平型電池を製造し、燃料電池の共電解モードにおける波形電池の性能を60％近く向上させた。

3D プリント機能性材料は、複雑な形状のエネルギーデバイスを製造し、優れた性能を与えるために使用することができ、エネルギー業界に革命的な変化をもたらします。これにより、次世代の高性能デバイスの開発が促進され、エネルギーコンポーネントの大量生産が可能になります。固体酸化物電池や電解装置など、セラミック材料で作られたエネルギーデバイスを 3D プリントすることで、現在の既存の製造技術の形状制限を克服できる可能性があります。アルバート・タランコン氏のチームは、ステレオリソグラフィー3Dプリント技術を使用して、新しいタイプの高性能固体酸化物電池を開発しました。この研究では、LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ材料と3Dプリント技術を使用して、平面セルに対して高アスペクト比の波形セルを作製しました。結果は、燃料電池モードと共電解モードにおける波形デバイスの性能が 57% 向上し、その性能がデバイスの平面面積に比例することを示しています。 3D 印刷プロセスにより、このような固体酸化物電池は高い耐久性 (<35 mV/1000 時間) も実現しており、これは3D 印刷が将来の世代の固体酸化物電池やエネルギー変換または貯蔵デバイスに大きな影響を与えることを示しています。

研究チームは、フランスの3Dceram社製のCERAMAKER 900 Hybridマルチマテリアル3Dプリンター（図1BおよびC）を、マルチマテリアル固体酸化物電池コンポーネントを直接印刷するツールとして使用しました。目標は、マルチマテリアル 3D プリント技術を使用して、より効率的な新しい固体酸化物燃料電池を製造し、組み立てプロセスを大幅に簡素化してコストを削減することです。

△図1 フランス3DCERAM社のセラミック3DプリンターCERAMAKER 900Hybridと印刷プロセス

△図2 3Dプリントされた8YSZフィルムの画像。平膜と波形膜の上面図 (a と b) と断面図 (c と d)。走査型電子顕微鏡で見た平面 (e) と波形 (f) の断面は、3D プリントにおける「層ごとに積み重ねる」プロセス手順を示しています。

△図3 扁平細胞（a、c、e、g）と波状細胞（b、d、f、h）の断面走査型電子顕微鏡像。 LSM-YSZ酸素電極、YSZ電解質、Ni-YSZ燃料電極とそれらの複合インターフェースについて詳しく紹介します。

本研究では、800℃～900℃の温度範囲で水素（燃料極）雰囲気と合成空気（酸素極）雰囲気での分極曲線を測定することにより、平板型および波形型のLSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ固体酸化物燃料を評価しました。結果は、900°C で平面電池によって達成される最大電力密度が、従来のプロセスで製造された同様の電池の電力密度よりも高いことを示しています。コルゲートセルの性能は平面積に比例し、従来のSOFCプロセス（LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ）と比較すると、性能が直接的に60％近く向上します。
△燃料電池（a）および共電解モード（b）で900℃で測定した平面セルと波形セルのVj曲線。 EIS 測定では、燃料電池が 0.7 V (c)、共電解装置が 1.3 V (d) であることが示されています。

詳細については、原文をダウンロードしてください。

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