2017 Fiscal Year Annual Research Report
Oxygen isotope-labelling imaging for high current density operation of solid oxide fuel cells
| Project/Area Number |
16K14171
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
花村 克悟 東京工業大学, 工学院, 教授 (20172950)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 固体酸化物燃料電池 / 同位体原子ラベリング / 同位体酸素拡散 / クエンチ法 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、固体酸化物燃料電池の酸素イオンの輸送を、酸素同位体を導入した原子ラべリング法により測定し、その輸送過程を第一原理計算への有用な情報として提供し反応過電圧の要因を明らかにしようとするものである。本研究において独自に考案されたヘリウムガス衝突噴流式冷却システム内蔵型発電装置により、ボタン型燃料電池を800℃で発電中に、酸素同位体を導入後、300℃まで1秒以内に冷却し、2次電子イオン質量分析により、空間分解能50nm以下で酸素同位体の濃度分布マッピングを取得することに成功した。これにより、粒子径2ミクロン程度のScSZ粒子（酸素イオン伝導体）とLSM粒子（電子伝導体および酸素イオン生成触媒）により構成される酸素極において、YSZ電解質から離れた位置では、互いに隣接するLSM内電子とScSZ内空孔を介して、ScSZ内の酸素と気体中の同位体酸素との交換が速くまた拡散係数も大きいため、ScSZ内部はほぼ均一な同位体酸素分布となることが分かった。しかしLSM内部には同位体酸素が拡散しないことから、この領域では上記の交換が支配的であり正味の電荷移動電流は小さいことが明確となった。一方、電解質に近い、その界面から数ミクロンの領域では、むしろScSZ内の同位体酸素の濃度が薄く、電解質方向へ拡散していることが明らかとなった。さらにこの領域では電解質に近いLSM粒子ほどその内部にも同位体酸素が多く拡散することが、実電極としては世界で初めて明らかとなった。すなわち、発電時において、Ni/YSZ燃料極の酸素イオンが消費され空孔が生成されると、機構は明らかではないがその情報が酸素極に伝搬され、電解質に近い領域から酸素極三相界面近傍の空孔内に酸素イオンが生成される。このとき電荷移動電流が生じ、いわゆる酸素極過電圧の要因となることが示唆された。
|
