河村 裕紀
層状ビスマス系酸化物粒子による固体酸化物燃料電池空気極の性能向上
佐藤 一則
1000°C付近の高温で動作するSOFCはエネルギー変換効率が高いが、各構成材料の熱膨張率の不一致による割れなどの耐久性の問題や、インターコネクタの材料選択の制約から、目安として800°C以下での低温動作化が望まれている。しかし、低温動作化は発電性能を左右する電子およびイオン伝導性の低下を生じる。したがって、低温動作化の実現にはSOFC構成材料の電子・イオン伝導性向上が非常に重要である。
本研究では、新規空気極材料として層状結晶構造を持つビスマス系複合銅酸化物に着目した。この酸化物は層間隔の広いBiO二重層からなるブロック層と、八面体ペロブスカイト構造をもつCuO2層の積層構造を示し、BiO二重層による酸化物イオン伝導と、CuO2層による電子伝導が期待できる。数種あるビスマス系複合銅酸化物のうち、Bi2201 (Bi2Sr2-XLaXCuO6+δ) はSrのLa置換による結晶相転移が混合伝導性をもたらし、La置換量X＝1.0において酸素濃淡電池起電力が最大となる知見が得られている。そこで本研究ではX=1.0のBi2201において、一般的な空気極として用いられるLSM (La0.8Sr0.2MnO3) 電極上に少量のBi2201を滴下・含浸させることによるSOFCの放電特性の向上について検討し、空気極材料にLSMのみ用いた単セル試料との比較を発電性能により評価した。
一般的な空気極として用いられるLSM空気極にBi2201を含浸させた測定セルと比較のためのLSM空気極の測定セルについて初期雰囲気温度800 ℃から100 K / hの昇降温速度で25 K間隔で測定した。その結果、大気雰囲気800 ℃時ではLSM単体での空気極との差異がほとんど見られず、750 ℃、700 ℃となるにつれLSM単体での空気極よりも低い値を示した。また、過電圧ではBi2201含浸LSM空気極セルで大気雰囲気温度800 ℃、750 ℃、700 ℃でのそれぞれの値に活性化過電圧にあたる電流の立ち上がり部分での過電圧の低下が見られた。一方、二次電子像観察ではBi2201粒子粒子の粒径が空孔よりも大きいためLSMの微細構造の中に入り込み、混合導電体としての役割を果たしづらい可能性が見られた。また、LSM上の粒子がBi2201だと確認するために面分析を行い、Bi2201にMn元素が含まれない部分とBi元素の分布が粒子上に観測できた。これより、この粒子をBi2201が凝集した粒子と考えた。
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