研究課題
固体酸化物を電解質として用いた燃料電池型反応器において、合成ガス(CO+H_2)と電力の同時生産をおこなう電力化学物質同時生産システムの構築を目的とし、燃料極について研究を行った。メタンの部分酸化反応条件では、電極上に炭素が析出し、電極性能劣化を引き起こすため、炭素析出を抑制する燃料極の開発が重要である。本研究では、FeをドープしたCaTiO_3(以下FCT)を検討した。この材料はペロブスカイト型構造を取り、プロトンおよび酸素イオン導電性を示す。高い導電性を示すため、燃料極のNi量を低減し、Niを活性サイトとした炭素析出をおさえられる可能性がある。まず、Ni-FCT燃料極調製の最適条件を探るため、NiとFCT重量比および電極焼成温度と発電特性の関連について調べた。NiとFCTの重量比は、NiO : FCT=4:1がもっとも高い発電性能を示し、また焼成温度は1300℃が最適であることが分かつた。この最適条件で調製したNi-FCT燃料極は、燃料としてH_2およびCH_4を用いた場合に、従来のNi-YSZ燃料極とほぼ同等の発電性能を示した。200mA/cm^2の電流負荷をかけ、メタン/水蒸気=1.5という条件で、1000℃における発電実験を行ったところ、Ni-YSZ燃料極は約5時間で端子電圧が半分に低下したのに対し、Ni-FCT燃料極は20時間にわたって安定した発電特性を示し、炭素析出を抑えられる可能性が十分あることが分かつた。SOFCの反応モデルを作製し、電極上で直接燃料改質をおこなうシステムと、外部で燃料改質をおこなうシステムの熱効率の比較を行った。直接燃料改質をおこなうシステムが発電効率が高くなり、これは発電にともない発生する熱を電極上で改質反応により吸熱することにより、低レベルの熱として系外に排出されるエネルギーの量を低減することができるためであることが明らかとなった。
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