固体酸化物形燃料電池における高温反応場形成の科学

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固体酸化物形燃料電池(SOFC)は作動温度が高く、総合エネルギー変換効率の優れた魅力的な発電システムである。一方で、構成材料が限られており、特に、高温発電下においては構成材料の凝集、材料同士の反応が起こりやすく、反応場である電極/電解質界面の制御は重要な課題である。通電効果として知られている分極時の界面状態変化については、発電性能および長期安定性に大きな影響をおよぼすことが知られているものの、その現象の本質はまだ明確になっていない。本研究ではこの点に着目し、SOFCの高温電極反応場における界面形成と発電性能に及ぼす影響について研究した。これまでに通電による発電性能の向上は空気極/電解質界面および空気極に起因し、La_<0.6>Sr_<0.4>MnO_<3-δ>(LSM)電極をカソード分極した際、通電初期に電位の振動が発現することを報告した。この振動現象は時間の経過と共に消滅することや、LSM電極に供給するガスの酸素分圧に依存することを明らかにしている。本年度は、この振動現象について更に検対し、電極の多孔度、電解質やLSMの組成が通電効果および発電特性におよぼす影響について検討した。LSM電極の気孔率が小さい場合に電位の振動が確認され、気孔率が大きい場合には振動現象はみられなかった。これは、気孔率が小さい場合は三相界面に酸素が十分に供給されず、濃度過電圧の変化に対応して電位の振動が現れ、通電によりLSM粒子径が職大して電極微構造が変化した結果、空孔が大きくなり、三相界面に酸素が十分に供給されたことで、振動現象が消滅したと考えられる。また振動の周期と振幅はLSMの組成に依存したことから、振動現象は通電によるMn種の還元と酸素による再酸化を反映していると考えられる。また単結晶YSZ(100)を電解質に用いた場合、振動現象が観察されたが、SDC(Samarium-doped ceria)場合では観測されなかった。これは、電解質材料によって電極との焼き付け状態が異なり、電極電解質界面の微構造が異なるためであると考えられる。