畔田重宏
酸化セリウム系電解質を用いたメタノール燃料電池における
電極反応抵抗

　本研究では、メタノール燃料を直接使用する固体酸化物型
燃料電池（SOFC）の開発を目的とした。CeO2にSm2O3が
固溶したCe0.8Sm0.2O1.9（SDC）は、酸化物イオン導電率が
高いことが知られている。しかし、高温還元雰囲気ではセリ
ウムの一部が還元され、Ce4+からCe3+に変わるために電子伝
導性が発現してしまう欠点がある。そのため、一般的に1000℃
付近の高温で使用されるSOFCの代替電解質として用いるこ
とが困難であった。しかし、より低い温度においても十分な
酸化物イオン導電率を示すことから、燃料源として低温で燃
焼が容易、かつバイオマス生成が可能であるクリーンな液体
燃料、メタノールを利用することでSOFCの電解質としての
利用が可能となる。そこで、固体電解質としてSDCを使用
し、メタノール燃料との組み合わせによるSOFCにおける、
ニッケルサーメット基の燃料極（アノード）、およびペロブ
スカイト酸化物の空気極（カソード）の燃料電池性能におよ
ぼす影響を検討した。電極反応抵抗によって生ずる過電圧は、
発電効率を低下させる主要な問題となる。そこで、過電圧低
減電極物質の選択および電極反応過程を直流分極法により評
価した。その結果、以下の結論を得た。アノードに供給した
メタノールは電極表面において吸着分子となり、解離・表面
反応により一酸化炭素と水素が生成する。アノードにおける
電荷移行反応では、生成水素が電解質から供給される酸化物
イオンと優先的に反応することを、分極抵抗の温度依存性か
ら得たアレニウスプロットおよび活性化エネルギー値から示
した。生成一酸化炭素による電極/電解質/反応ガスの三相界
面近傍での強吸着が過電圧増加の原因であることを明らかに
した。メタノール水蒸気添加では性能に大きな差は得られず、
メタノール酸化反応で生成した水蒸気量が十分であると推測
した。水素吸収能が高い金属パラジウムの添加は、燃料極性
能向上に大きく寄与した。アノードにおける主反応はメタノ
ール部分酸化反応であることを明らかにした。　　　
カソード物質として、酸素拡散係数および交換反応速度定数
がそれぞれ大であるSm0.5Sr0.5CoO3は酸素還元反応を促進し、
過電圧の低減化をもたらす。従って、SrCoO3系酸化物のカ
ソード使用が燃料電池性能向上に寄与することが明らかとな
った。

　以上の結果から、メタノール燃料のSOFCにおける直接利
用が十分可能であり、SDC電解質の低温における使用の可能
性が明らかとなった。また、電極に反応速度を高める電極物
質の選択とその最適電極形態が燃料電池性能向上につながる
ことを示した。