澤畠 達也
セリア系サーメット粒子における吸着種の昇温脱離解析
佐藤 一則
燃料としてCH4を用いた場合、燃料極と電解質の界面では様々な反応素過程が生じることから、その反応過程の解析は燃料電池性能向上を図るために重要である。電極反応過程中に発生する炭素析出は、炭素を含む燃料を使用する上で大きな問題となる。燃料極での反応は、三相界面（燃料ガス / 燃料極材料 / 電解質材料）で起こることが知られている。本研究では、一般的な燃料極材料である Ni-YSZ サーメットに比べて、CH4 を燃料として使用した際の発電性能が向上するNi-CeO2 サーメットに着目した。CeO2 は、高温還元雰囲気下で電子伝導性を発現するため、CeO2 自体も電子パスになることで過電圧が低減すると考えられている。そこで、様々なサーメット粒子での昇温脱離（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。
含浸法によりサーメット粒子の作製を行い、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、二次電子像観察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Ni-CeO2, Ni-YSZ, Co-CeO2, Co-YSZ サーメット粒子に対して20 vol%H2/He雰囲気、500 ℃, 1 h の還元処理によって、金属酸化物粒子と面心立方構造の金属粒子で構成されるサーメット粒子を作製した。作製したサーメット粒子は、燃料ガス分子の吸着実験を行うに十分な比表面積であること、YSZサーメット粒子では細孔内に金属粒子の存在が示唆されたが、CeO2 サーメット粒子においては、細孔内における金属粒子の存在量は少ないことを示した。TPD測定結果より、サーメット試料にCeO2 を用いることで、脱離ピーク温度は高くなり、吸着種とサーメット粒子表面との吸着力が増大することを示した。
脱離反応における活性化エネルギーの測定結果より、Ni サーメット粒子においてCeO2 を用いることでCO 分子の脱離は容易になるが、CH4 分子の脱離は困難になることを示した。以上のことから、燃料極での吸着CH4 分子と電解質から供給されるO2- イオンとの電極反応（アノード酸化反応）において、反応種と生成種の吸着と脱離がサーメット構成成分の影響を大きく受けることを明らかにした。
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