油井基彰
メタンのアノード酸化活性に対するNiサーメット燃料極への
酸化セリウム添加効果
佐藤一則
固体酸化物形燃料電池(SOFC)のメタン直接利用では高い発電効率が望める。しかし、メタンを燃料
として利用した場合では、メタン熱分解反応による金属ニッケル表面への炭素析出が起こり、電極
活性低下によるSOFC性能劣化の問題がある。平行論的にメタン酸化反応は低温において有利であり、
熱分解反応は750 ℃以下では低温になるほど起こりにくい反面、低温動作における電池性能劣化は
避けられない。したがって、ダイレクトメタン燃料電池の開発のために、高温動作においてもメタン
に対する燃料極酸化活性を高める電極材料が要求される。
イットリア安定化ジルコニア(Yittria - Stabilized - Zirconia：YSZ )を電解質とした高温域に
おける(800 ℃)メタン利用を可能にする燃料極材料としてCeO2を用いた固体酸化物形燃料電池の検討
を行った。CeO2は高い酸素放出/貯蔵能を有し、還元雰囲気において、酸素を放出する。また、
その際、Ce+4の一部がCe+3となることで電子伝導性を発現するため、燃料極において電子伝導路とし
て作用し、過電圧を低減させることが期待できる。一方で従来材料であるNi-YSZサーメットにCeO2を
添加した燃料極から構成されたSOFCでのメタンについての報告は極めて少なく、発電特性への影響は
不明で、YSZにおける融点が高いことがNi金属の分散を困難にしている。CeO2の融点がNiOと極めて近
いことはNi金属分散向上に有利である。本研究ではNi-YSZのYSZに対するCeO2の置換に着目し、
Ni-((45 ? x mass%YSZ) ? x mass%CeO2 ) サーメット燃料極(x = 0 , 5 , 10 , 20 ,45)として、
セル構成とし、その置換効果に対する初期的、経時的発電特性を明らかにした。
Ni-((45 ? x mass%YSZ) ? x mass%CeO2 )サーメット燃料極とYSZ電解質とで構成されるSOFCについ
て、メタン直接利用においてNi-((45 ? x) mass%YSZ ? x mass%CeO2)サーメット燃料極におけるCeO2
の添加量が発電性能に与える影響はほとんど見られなかったが、x = 45においてのみ最も高い値を示
した。本結果からメタンにおける発電性能に対してNi-((45 ? x) mass%YSZ ? x mass%CeO2)サーメッ
ト燃料極におけるCeO2添加量に適正値があることを見出した。
本燃料極におけるCeO2添加効果が発電特性へ及ぼす影響をメタン流入直後から開回路起電力定常状態までの経時変化と端子電圧経時変化測定から検討した。CeO2を添加した燃料極はメタン流入直後から開回路起電力定常状態間において、電極酸化活性が維持され、高い安定性をもたらし、CeO2の化学的特性に起因する可能性があることが示した。
二次電子像、過電圧結果からCeO2添加量が45 mass%の時において、Ni金属の分散が優れ、メタンに対して最も高い電極反応速度を示し、燃料極/電解質界面の接合性の向上が電池性能と炭素被毒耐性を高めることを示唆した
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