kan08604

佐々木信之介

ランタンニッケル鉄酸化物の空気極性能に及ぼす雰囲気酸素の影響

佐藤一則

　本研究では、低温動作可能な固体酸化物形燃料電池（SOFC）開発を目指した。新規空気極材料として低温でも高い電子伝導性を示すLa(Ni0.6Fe0.4)O3-δ (LNF)に着目した。LNFは高い導電率とジルコニア電解質に近い熱膨張係数を示し、低温でも高い電子伝導性を持つ材料として、従来の空気極材料であるLa0.8Sr0.2MnO3+δ（LSM）よりも高い電子伝導性を示すことからSOFCの空気極に適している。一方、燃料電池動作時において低酸素濃度に対する不安定性などが、燃料電池性能に及ぼす影響が明らかではない。LNFは、これまでに雰囲気酸素濃度の低下に伴い、相分解および導電率低下を示し、これらが発電試験時に、空気極と電解質との界面付近での酸素ポテンシャル低下に伴い、空気極性能低下が問題となっていた。したがって、本研究ではLNFの温度と雰囲気酸素濃度に対する空気極性能の関係を明らかにし、低酸素濃度においても安定にSOFC空気極として使用できる範囲を見出すため検討を行った。
　LNFはアニール処理を行うことで結晶性が向上し、高温および低酸素濃度下で焼成した場合にLNF結晶相の熱的安定性が向上した。LNF空気極の初期酸素濃度を変え、酸素濃度依存性と低酸素濃度における履歴効果を評価した結果、低酸素濃度におけるSOFC運転時の空気極では、電極内および三相界面まで十分酸素が供給されないため、セル性能が低下したと考えられる。また、経時変化および雰囲気酸素濃度がセル性能に及ぼす影響を検討したところ、セル性能の低下には、空気極 / 電解質界面付近のLNF格子中の酸化物イオンが消費され続けることによる界面付近でのLNF結晶相の分解による劣化、また、それによる電子移動度の低下が要因であると考察した。
　LNF空気極とLSM空気極を比較した結果、LNF空気極の方がLSM空気極より、酸素濃度低下による低下率は低く、また、電極活性および電荷移動反応速度が高いことを示した。さらに、LNF空気極とLSM空気極のSOFCにおける空気極反応メカニズムは異なることを示した。LSM空気極は混合伝導性を有しているため、電極表面や電極層中でも酸素物イオンを生成して移動するが、LNF空気極は電子伝導性が支配的なため、三相界面だけで電極反応が起こり、直接電解質に酸化物イオンとして移行する。

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