植田城治
固体酸化物燃料電池のサーメット燃料極特性に及ぼす酸化マグネシウムの添加効果
佐藤一則
本研究では、固体酸化物燃料電池(SOFC)におけるエネルギー変換効率を高めるために、メタンに対して高い酸化反応活性を持つSOFC燃料極の開発を目指した。全率固溶体を形成するニッケルコバルト合金粒子と、サマリア添加セリア（SDC：Samaria-Doped Ceria）粒子から成るサーメット型のガス透過性多孔体は、酸化コバルトの持つ一酸化炭素に対する高い酸化触媒活性と、還元雰囲気下において電子伝導性を示すSDCが燃料極過電圧を低減させる効果が期待できることから、このサーメット材料をメタン直接利用が可能なSOFC燃料極として着目した。燃料極サーメット作製の出発原料であるコバルト酸化物は、燃料極作製の焼成時にニッケルコバルト酸化物粒子及びSDC粒子の凝集・粗大化を促進し、燃料電池性能低下の要因となる。本研究では、NiCo-SDCサーメット燃料極の粒子凝集を抑制するため、サーメット燃料極形成に必要な還元雰囲気下で化学的に安定である酸化マグネシウムに着目し、NiCo-SDCサーメット燃料極への添加効果を、発電性能試験、過電圧測定、インピーダンス測定、および2次電子像観察のそれぞれの結果に基づいて検討した。
ニッケルコバルト酸化物粒子及びSDC粒子に酸化マグネシウムを少量添加し、焼成した粉末を用いてサーメット燃料極を形成した。この作製試料に対する2次電子像観察結果から、いずれもNiCo-SDC燃料極に比べ、ニッケルコバルト酸化物粒子及びSDC粒子の凝集・粗大化が抑制されることを確認した。インピーダンス測定結果より、セル全体のオーミック抵抗は酸化マグネシウムの添加により増加したが、電極反応抵抗及び過電圧、活性化エネルギーは減少した。これらの結果は、酸化マグネシウムの少量添加によって燃料極粒子の凝集・粗大化を抑制でき、反応場である三相界面が増加することで電池性能が向上したことを示している。
MgOをNiCoに添加し焼成することでMgOとNiCoは固溶体を形成することを示した。この固溶体形成により、(Ni,Co)0.9Mg0.1 / SDCサーメット燃料極の電子伝導性は低下したと考えられる。一方、MgOをSDCに添加し焼成した粉末を用いたNiCo/SDC-MgOサーメット燃料極では、MgOとSDCは固溶体を形成せず、酸化物イオン導電経路が維持され、(Ni,Co)0.9Mg0.1 / SDCサーメット燃料極に比べ燃料極反応抵抗が低減されたと考えられる。
長時間運転における燃料電池の性能評価実験結果から、NiCo-SDC燃料極では、燃料極粒子の凝集とそれに伴う電極断面積の減少に起因すると考えられるオーミック抵抗の増加が見られた。酸化マグネシウムを添加したセルでこのようなオーミック抵抗の増加は見られなかったことから、NiCo-SDC燃料極への酸化マグネシウムの添加は、長時間運転に対する燃料極粒子の凝集・粗大化を抑制し、安定した発電が可能であることを示した。
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