kan09602

鈴木　伸明

サーメット燃料極への酸化チタン添加がメタン直接酸化に及ぼす影響

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、メタンの直接利用が可能なSOFC開発を目指した。しかし、メタン直接利用では、高温領域におけるメタン熱分解反応が金属ニッケル表面へ炭素を析出させ、SOFC性能の低下をもたらす。この問題を解決するため、電解質には、従来材料であるYSZ（Yttria-Stabilized Zirconia）と、低温領域においても高い酸化物イオン導電性を有するSDC(Samaria-Doped Ceria)の2種類を用い、燃料極材料には、メタン酸化活性を高める触媒として、還元雰囲気下で電子・酸化物イオン混合伝導性を示す酸化セリウム（CeO2）に着目した。このCeO2の電気伝導性に加えてアノード酸化反応活性を高めるために、酸化チタン（TiO2）の添加を行い、導電率が向上することを明らかにした。しかし、メタンの直接酸化反応におよぼす影響は明らかでなかった。従って、本研究では、CeO2へのTiO2添加がSOFCにおけるメタン酸化へ与える影響について、発電特性、電気化学的特性評価、および生成ガス分析により検討を行った。
YSZ電解質を使用した場合、Ni-(CeO2)0.8(TiO2)0.2のほうがNi-CeO2に比べ、低い発生電力密度を示した。このTiO2添加による発電性能低下の原因を明らかにするため、X線回折（XRD）測定によって(CeO2)0.8(TiO2)0.2とYSZの反応性の分析を行なった。その結果、ZrTiO4および(Zr0.88Ce0.12)O2が生成されることを明らかにした。生成物が抵抗成分となり、セル性能低下に寄与したと考えられる。
SDC電解質を使用した場合、Ni-(CeO2)0.8(TiO2)0.2のほうがNi-CeO2に比べ、高い発生電力密度を示した。セル性能測定後の燃料極表面及び断面における微細構造の二次電子像においてNi-(CeO2)0.8(TiO2)0.2電極では、Ni粒子及び(Ce, Ti)O2粒子間の凝集、焼結性の向上が観察された。この原因として、CeO2に比べてTiO2の融点が低いこと、粉末粒子径が小さいことが粒子表面、粒子間の物質移動を促進させ、焼結性の向上に繋がることを見出した。この(Ce, Ti)O2固溶体の粒子間の焼結性の向上により、電極構造が緻密化し、電極断面積の増加をもたらすことで直流抵抗の低減には繋がったが、同時に電極構造の緻密化は三相界面の面積の減少を引き起こし、それが電極反応抵抗を増加させた。また、活性化エネルギーに差はないため、TiO2添加による反応メカニズムの変化はないと見られる。そのため、電極反応抵抗が増大したにも関わらず、セル性能が向上したのは、TiO2添加によって焼結性が向上したためであり、それが性能向上因子として大きく影響することを見出した。

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