ジルコニアを電解質とする高温固体電解質燃料電池は,高効率で燃料の制限の少ない新しい燃料電池システムとして期待されている.主要部分は,YSZ(イットリア安定化ジルコニア)電解質,Ni-YSZサーメット燃料極,LaMnO₃系空気極,LaGrO₃系セパレータから成るが,これらの基礎物性は不明な点が多い.本研究では,高エネルギー密度が得られる平板型固体電解質燃料電池を,製造コストの低いテープキャスティング法によって作成することを想定して単セルおよび積層セルを試作し,抽出された以下の3つの問題点について詳細に検討した.

　本論文は、「平板型固体電解質燃料電池用材料に関する研究」と題し、ジルコニアを電解質とする高温固体燃料電池を作製するための電極、電解質、セパレーター材料に関する開発研究をまとめたものであり、全6章により構成されている。

　第1章は序論であり、本研究の行われた背景を概説するとともに、本研究の目的と意義を述べている。

　第2章では、高エネルギー密度が得られる平板型固体電解質燃料電池を製造コストの低いテーブキャスティング法によって作成することを想定して単セルおよび積層セルを試作・運転し、問題点と技術的課題の抽出を行っている。第3章から第5章においては、抽出された問題点につき、これらを解決するために行われた詳しい実験的検討結果が記述されている。

　第3章では、アノードとして使用されるNi-YSZ(イットリア安定化ジルコニア)サーメット電極について、その処理温度、Ni含有量などのパラメータが電極の微細構造と分極特性に及ぼす影響について検討している。ここでは、高温での処理によって粒子間の接触状態が変化し、これが特性を決める重要な要因であることが明らかにされた。また、Ni-YSZサーメットの構造を簡単な等価回路で表して、有効反応サイトが電極/電解質界面から電極の内部へ広がりうることが示された。さらに、作用電極の表面に多孔質のジルコニアを接触させて表面酸素ポテンシャルを測定する方法を提案し、これ用いて、Ni電極上での水素の酸化反応が表面反応で律速されている可能性を指摘している。

　第4章では、LaMnO₃を使用する空気極について、金属のノンストイキオメトリを考慮した熱力学計算により、YSZと安定に接触する条件ではMnが電解質中に固溶することが示されている。Mnの固溶したYSZの特性を測定したところ、イオン導電率は、Mnの価数変化に伴う酸素欠陥の増減のため酸素分圧に依存して変化し、また、電子導電率はホール濃度の増加により高酸素分圧領域で上昇するが、電極反応については、Mnの固溶が及ぼす影響は小さいことがわかった。さらに、YSZ膜を燃料電池の酸素ポテンシャル勾配においた場合の酸素透過量とそれによる効率の低下について計算し、Mnが固溶した場合には透過量がやや増加し、最適電解質厚さが2倍にする必要があることを結論している。

　第5章では、セパレータにおける物質輸送と焼結性、発電特性について検討を行っている。共焼結の条件では、Caがセパレータから隣接する層に移動して、セパレータの焼結が阻害されることがわかった。CaはCa-Cr-Ox系の融体として比較的低温から移動するため、共焼結のように表面の多い条件ではこれを抑えることは困難であり、セパレータを一括して共焼結することは難しいと結論された。また、(La,Ca)CrO₃が酸素ポテンシャル勾配下に置かれた場合の酸素透過量を、電気化学測定と同位体交換/SIMS分析により求めたところ、(La,Ca)CrO₃では酸素透過が燃料電池の効率を低下させることが明らかになり、セパレータとして使用する場合、酸素の透過を防ぐ手立てを施すことが必要であると結論している。

　第6章では、本論文の総括と平板型燃料電池の新しい作成法への提案が行われている。

　以上、本研究によって、湿式法で固体電解質燃料電池を作成する場合のいくつかの具体的な指針が得られた。実用化に向けては本論文で取り上げた点以外にも多くの技術課題が存在するが、本研究で得られた知見は今後の高温固体電解質燃料電池の開発にとって極めて有効であり、固体電気化学の進展にも大きく貢献すると考えられる。

　よって、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。