電気自動車固体電解質型燃料電池の開発

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07458100
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山田 興一 東京大学, 工学系研究科, 教授 (10260499)
• 研究分担者: 温 慶茹 東京大学, 工学系研究科, 寄付講座教員 ; 井原 学 東北大学, 反応化学研究所, 助手 (90270884) ; 榊 啓二 物質工学工業技術研究所, 主任研究員 (50272406)
• キーワード: 固体酸化物燃料電池 / 電極反応 / カソード / アノード / 作動温度 / 電気自動車

研究概要

1.カソード
(1)LSM系多孔質電極
La_<1-x>Sr_xMnO_3を用いて多孔質電極を作製し、温度、酸素分圧を変化させて、電流密度-過電圧を測定した。電極粒子の微細構造を制卸することで低過電圧の電極を作製することが可能となった。また、電極を電解質から溶解することで、電極反応を支配する要因となる電極-電解質-気相の三相界面の長さを直接測定することが可能となった。吸着過程と表面拡散を考慮したモデルを構築することで三相界面長と過電圧の定量的関係を明らかにした。
(2)LSC系電極
電子導電性とイオン導電性との混合導電体であるLa_<1-x>Sr_xCo_<1-y>Fe_xO_3を電極に、電解質としてSm_2O_3dopedCeO_2を用いてち密電極を作製した。イオンの拡散は抵抗とならず、表面における酸素の解離吸着過程が律速になっていることが明らかになった。次に表面反応と電極内の酸化物イオンの拡散の両方を考慮したモデルを構築した。イオン導電率か極めて小さい物質の場合は電極界面導電率が膜厚に比例しこれから酸化物イオン導電率を求めることができることが分かった。イオン導電率の比較的大きい物質は電極界面導電率はPo_2の1/2乗に比例することが分かった。
2.アノード
平板型SOFC単セルにおいてNi/YSZサ-メットをアノードとして用い、ドライCH_4を燃料として1000°Cにて発電実験を行った。電流密度を大きくするにつれて、電極反応は炭素析出反応から、析出炭素の酸化を経て、メタンの完全酸化に選択性が変化することが分かった。発電実験により炭素析出抑制のしきい値電流は燃料極の有効膜厚、メタン濃度に比例し、操作温度の低下に伴い減少することが分かった。最適膜厚は70〜140mm程度であった。モデルを構築することでこのしきい値電流を予測することができるようになった。
1(1)について国内の学会において5回、国際学会において1回発表を行った。またSolid State Ionicsに投稿している。(2)について国内の学会において5回、国際学会において2回発表を行った。また。2について国内の学会において4回、国際学会で3回発表を行った。

研究成果

• [文献書誌] A.Abudula, 山田興一他: "炭化水素を燃料とする固体電解質型燃料電池の開発1" 電気化学. 63. 134-139 (1995)
• [文献書誌] K.Sakaki, K.Yamada et.al: "Energy Evaluation of an Electric Vehicle Hybridized by Solid Oxide Fuel Cells" Proceedings of The 13th International Electric Vehicle Symposium. 1. 689-692 (1996)
• [文献書誌] A.Abudula, K.Yamada et.al: "Oxidation Mechanism and Effective Anode Thickness of SOFC for Dry Methane Fuel" Solid State Ionics. 86-88. 1203-1209 (1996)
• [文献書誌] A.Endo, K.Yamada et.al: "Cathodic Reaction Mechanism for Dense Sr-Doped Lanthanum Manganite Electrodes" Solid State Ionics. 86-88. 1191-1195 (1996)
• [文献書誌] H.Fukunaga, K.Yamada et.al: "The Relationship Between The Overpotention and The Three Phase Boundary Length" Solid State Ionics. 86-88. 1179-1185 (1996)
• [文献書誌] A.Abudura, 山田興一他: "水蒸気添加によるメタン燃料固体電解質型燃料電池のアノード反応機構" 電気化学. 65. 852-858 (1997)