高イオン導電性酸化物固体電解質のための電極設計

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固体への酸化物イオンの出入りにはガス-電極材-電解質界面での電極反応が重要なステップである。ガス電極反応は温度が低くなるほど速度が顕著に減少し、イオン導電体の応用範囲が著しく制限される場合もある。本研究は、高イオン導電性酸化物独特の機能を十分に活用した高性能SOFCのための高性能電極の開発を目的とし、次のような成果を得た。1.固体酸化物電解質のイオン導電率の効果に着目したガス電極反応の解析より高性能な電極材料を開発する指針を得るために、白金酸素極の分極特性におよぼす電解質の酸化物イオン導電率の効果を解析した。イオン導電率σ_<ion>の異なる種々のジルコニア電解質に多孔質pt電極を取り付け、分極特性を調べた。Pt酸素極の交換電流密度joは1000°C、900°Cではσ_<ion>の影響をほとんど受けず、800°Cにおいてはσ_<ion>の1乗に比例して増加することを見出した。1000〜900°Cで、joがσ_<ion>に依存しないのは、酸素の解離吸着または吸着酸素原子の表面拡散が律速段階であるためと解釈できる。800°Cでは、温度の低下によりσ_<ion>が下がり、他の過程に比べイオン移動が遅くなるため、joがσ_<ion>に影響を受けることがわかった。2.中温作動SOFC用貴金属超微粒子触媒高分散担持燃料極の活性化セリア系混合導電体(CeO_2)_<0.8>(SmO_<1.5>)_<0.2>(以下SDCと略す)燃料極の特性に及ぼす微細構造の効果について検討した。反応場へのイオン供給を円滑に進行させるため、YSZ上にあらかじめSDC薄膜を取り付けておくと、低音での分極特性が著しく向上することを見出した。このようなSDCアノードにRu微粒子触媒を高分散担持することにより、空気極に対して-0.9Vの電位で、900°Cで1.4A/cm^2、800°Cでも0.8A/cm^2もの電流密度が得られるようになり、低温作動用高性能アノードとして非常に有望である。