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固体電解質燃料電池は次世代の高効率エネルギー変換装置として注目されているが、現実の変換効率は理想効率の半分以下である。変換効率を上げるため、電極性能の改良が望まれている。本研究は電極性能向上への新たな指針を得るため、定電位クロノアンペロメトリー法により空気電極の反応機構の解明と速度定数を決定しようとするものである。
固体電解質燃料電池の反応機構には反応種の拡散経路によって界面拡散機構と、バルク拡散機構が考えられる。前者は電極-電解質界面を吸着酸素が拡散する機構であり、後者は気相の酸素が電解質中に溶け込み電極-電解質界面で酸素イオンに還元されると考えるものである。これら2つの拡散機構に基づいてフィックの拡散方程式を解き、定電位クロノアンペロメトリーの理論式を導出した。一方、電解質として、ジルコニア、セリア、酸化ビスマスの3種類を、電極材料として白金、金、LaMnO_3の3種類を用意し、これらの組み合わせによって白金/ジルコニア、金/酸化ビスマスなど数種の電極系を作製し、それらの定電位クロノアンペロメトリーを測定した。理論式中に含まれる未知パラメーターを最適化することによって実験値と理論値を一致させ、速度パラメーターを決定した。上述の2つのモデルについて同様の計算を繰り返し、得られた速度パラメーターや拡散係数を既知の値と比較したところ、酸化ビスマス電解質を用いたときは電極反応はバルク拡散機構で進んでおり、ジルコニアを電解質に用いたときは界面拡散機構で進んでいることが分かった。
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