高柳紘貴
ニッケルコバルト基ジルコニア系サーメット粒子に対する昇温脱離解析
指導教員 佐藤一則
固体酸化物燃料電池において燃料としてCH4を用いた場合には、電極と電解質の界面ではさまざまな反応素過程が生ずることから、その反応過程解析を明らかにすることは燃料電池性能向上を図るために重要である。反応過程における電極上の炭素析出は炭化水素燃料使用時の大きな問題である。燃料極での反応は三相界面と呼ばれる気相、燃料極材料および電解質材料との界面で起こることが知られている。燃料極における三相界面において燃料分子および反応生成物の吸着脱離が容易に進行することにより、反応場は維持され、発電効率は向上する。
本研究では燃料極材料として、電極反応活性が高く、電極へのCOの被毒を防ぐ効果が期待されるNi1-xCox-YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)サーメットに着目し、昇温脱離（TPD）測定によって燃料ガスおよび反応生成ガスの吸着・脱離挙動の測定から表面反応機構の検討を行った。含浸法による微細金属粒子担持サーメット試料の作製を行い、X線回折(XRD)測定による生成相の同定、BET比表面積測定、BJH細孔分布測定によるサーメットの特性評価、TPD測定による燃料ガス分子の吸着・脱離反応機構に関する検討を行った。
含浸法にて得た酸化物状態のNi1-xCox-YSZサーメット粒子前駆体試料に対して20%H2/He雰囲気、500 ℃, 1 hの還元処理によって、面心立方構造の固溶合金Ni1-xCox粒子を担持したサーメット粒子を作製した。含浸法にて得たサーメット粒子は燃料ガス分子吸着実験を行うに十分な比表面積であること、YSZ粉末中の細孔径が90 nm程度の細孔にNi1-xCox粒子合金粒子が担持状態で存在することを示した。TPD測定より、Ni1-xCox-YSZサーメットにおいてCo組成濃度増加に伴い、脱離ピーク強度は増加し、吸着種とNi1-xCox粒子合金表面との結合力が増加することを示した。CoのNiへの固溶によって、CH4分子の吸着量が増加したことを示した。この脱離反応における活性化エネルギーを各吸着種に対して比較した結果、Ni1-xCox合金組成がCH4分子およびH2分子の脱離に与える影響は小さいが、吸着CO分子の脱離はCo組成濃度の増加によって脱離反応における活性化エネルギーが低下したことを示した。
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