混合導電性酸化物緻密薄膜電極を用いた高温固体電解質型燃料電池電極反応の解明

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クリーンでエネルギーの総合利用効率が高く、地域分散型電源やコジェネレーションシステム等への応用が期待されるエネルギー変換デバイスである高温固体電解質型燃料電池(SOFC)の電極反応機構の解明目指した。そのために、化学気相成長法-電気化学気相成長法プロセスを応用して、SOFC正極材料であるLa_<1-x>Sr_xMnO_3の緻密で均一な薄膜電極を作製し、その電気化学的特性を評価した。この電極は電極表面積及び、電極/電解質/ガスの三者が接する三相界面長さを容易に規定できる利点を持ち、La_<1-x>Sr_xMnO_3のような混合導電性電極の反応活性点を解明する上できわめて都合のよい電極である。その結果、電子と酸化物イオンの両方がチャージキャリヤーであるLa_<1-x>Sr_xMnO_3薄膜電極では電極表面が反応活性点であり、酸化物イオンの拡散が律速過程であることを直接的に明らかにした。また、La_<1-x>Sr_xMnO_3緻密薄膜電極の複素インピーダンススペクトルを詳細に解析し、LaMnO_3へのストロンチウムドーピングが電極特性へ与える影響を検討した。LaMnO_3電極はSrドープによって、電極活性が飛躍的に向上することが知られているが、その機構は明らかになっていない。La_<1-x>Sr_xMnO_3緻密薄膜電極を用いることによって、初めて電極表面反応と内部のイオン拡散のインピーダンスを明確に分離することに成功した。インピーダンススペクトルを等価回路を用いてフィッティング解析した結果、Srドープ量によって化学拡散係数は大きく変化しないが、酸素の脱吸着などの電極表面の反応速度が大きく向上することが明らかとなった。これより、電極表面反応速度を向上させることが、電極特性の向上に有効であることを明らかにした。