kan07605

土屋宏正

ニッケルコバルト合金とサマリア添加セリアを用いたサーメット燃料極が電極反応活性に及ぼす影響

佐藤一則

　本研究では、SOFCにおけるエネルギー変換効率を高めるために、メタンの直接使用および低温作動可能なSOFC開発を目指した。このためには、従来よりも低温領域において高い酸化物イオン導電率を示す電解質、およびメタンに対する電気化学的酸化反応を活性化させる新たな燃料極材料が必要である。本研究では、低温領域においても高い酸化物イオン導電性を示す電解質としてスカンジア安定化ジルコニア（Scandia-Stabilized Zirconia :ScSZ)と、サマリア添加セリア（Samaria-Doped Ceria：SDC）の二種類の電解質と、燃料極として従来材料であるニッケルに対して全率固溶体を形成するNiO-CoO系に着目し検討を行った。セリア系電解質であるSDCを燃料極サーメットに用いてNiCo-SDCサーメットを構成することで、還元雰囲気下において電子伝導性を持つSDCが燃料極過電圧を低減させるといった効果が期待できる。一方で、電解質にSDCを用いた場合、メタン直接使用時の燃料極におけるメタン酸化メカニズムについては不明な点が多かった。すなわち、SDC電解質の還元・電子伝導のメカニズムと、燃料極サーメット中のSDC結晶格子中の酸素の還元による影響が分離して比較ができなかったためである。
　NiCo-SDCサーメット燃料極とScSZ電解質とで構成されるSOFCについて、メタン直接使用においてCo固溶が及ぼす影響について考察した結果、反応初期の活性化過電圧領域において性能にほとんど差がないが、濃度過電圧領域においてNi-SDCサーメットに比べNiＣｏ-SDCサーメットが低い過電圧を示した。燃料極サーメットを形成するSDC粒子は出発原料であるCo3O4との混合焼成により粒子成長が促進されるがNiCo-SDC燃料極の二次電子像観察においてもSDC粒子の粒子成長が観察された。この焼成過程における粒子成長及び凝集が燃料極におけるガス拡散を容易にし、セル性能に影響を及ぼすことを見出した。
　SDC電解質とNi-SDCサーメットで構成される固体酸化物燃料電池について、燃料極でのメタン酸化反応に関与する酸素の特定と反応メカニズムの解明を試みた結果、OCV状態におけるSDC電解質の電子伝導の発現が電解質内部のリーク電流を発現させ、燃料極部分酸化反応に空気極からの酸化物イオンの移動が関与していることを明らかにした。混合導電性を示す電解質における全導電率に占める電子伝導の割合の向上がメタン供給時、OCV状態における空気極からの酸化物イオンの量に寄与するため燃料極上への炭素析出の低下につながる可能性を見出した。

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