山田　裕介

固体酸化物燃料電池におけるLa(Ni,Fe)O3空気極の電気伝導性と相安定性

佐藤一則


　固体酸化物燃料電池（SOFC）の新規空気極材料として高い電子伝導性を示すLa(Ni,Fe)O3　(LNF)に着目した。LNFは従来の空気極材料であるLa0.8Sr0.2MnO3（LSM）に比べ、高い電気伝導性を示す。したがって、LNFの空気極への適用によってSOFCの内部抵抗を低減できると期待できる。これまで、LNFのSOFC空気極としての報告例は少なく、発電状況下におけるLNF結晶相の状態が発電性能に及ぼす影響はわかっていない。本研究では、LNFの電極特性を評価するため、LNF空気極を用いたセルの放電特性、電流遮断法による過電圧測定、および交流インピーダンス法による界面抵抗測定を行い、LNF空気極の性能について検討した。また、直流四端子法による導電率測定における酸素分圧依存性からLNFの相安定性が導電率におよぼす影響を検討した。LNF空気極を用いたセルとLSM空気極を用いたセルにおける放電特性と空気極過電圧の測定結果を比較した。この結果から、LNF空気極がLSM空気極よりも酸素の還元反応活性が高いことを示した。さらに、インピーダンス測定結果よりLNF空気極は、LSM空気極と比較して、表面における酸素拡散が大きく、三相界面における酸素還元反応速度が高いことを示した。
発電初期におけるLNF空気極を用いたセルの放電特性および過電圧の経時変化から、空気極の微細構造変化による電解質と燃料極の　界面接触状態の向上がLNF空気極性能の向上に寄与したと考えられる。通電後の界面抵抗の変化は、界面における分極と電極の化学的安定性に支配され、電解質と空気極界面の反応生成物や物質の濃度勾配発生が原因である可能性を示した。
長期発電後における、LNF空気極の放電特性および過電圧の経時変化から、空気極反応抵抗の増大を示した。
長期発電後における、LNF空気極の放電特性および過電圧の経時変化から、LNFは酸素の拡散律速によって生じる濃度勾配によって分解が起きる可能性を示した。また、LNFは酸素濃度100〜0.5 vol％の範囲では、900 ℃において、241 S・cm-1程度の高い導電率を保持することを示した。さらに、LNFはAr雰囲気下において分解し、導電率が大幅に低下することが明らかになった。以上の結果から、LNF空気極性能は結晶構造の変化によって大きく影響を受けることが明らかになったが、実用運転状況下における性能劣化率は低く、SOFC空気極として非常に高い性能を示す電極であることを明らかにした。