高性能と長時間運転の両立実現を目指すSOFCアノードへ添加する酸化物助触媒研究｜国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

SOFCアノード層への酸化物助触媒添加による電極性能活性サイトの形成

SOFCの性能と安定性の両立のために、安定性確保のための組成であるNiO: YSZ 重量比=4:1にアノードの反応活性助触媒を添加し、少ない3相界面数でも活性を高めることで性能を向上させSOFCのトレードオフ解消を目指した。アノード層中で起こるアノード反応(H2 + O2- => H2O +2e– )で律速となるのがZrO2表面の酸化物イオン伝導あると報告されているので、ZrO2表面で酸化物イオンが高速に移動する領域を助触媒添加で「活性サイト」として形成することが出来れば性能向上につながると考えた。活性サイトは助触媒酸化物とアノード構成材料のZrO2表面に電極焼き付け時と還元処理中に形成されると考えている。ZrO2表面の結晶構造に助触媒の構成元素が一部拡散しそれに伴いZrO2表面の欠陥構造を変化させることで活性サイトとして振る舞う。なお、助触媒にはブラウンミラライト型構造を有する酸化物を電極反応活性助触媒として採用した。

酸化物助触媒添加が及ぼすNi粒成長制御による長期安定性効果

長期時間安定性効果を得るためにアノードﾞ層内への酸化物を添加は、ピンニング効果によるNi粒成長抑制がもたらすH2のｶﾞｽ抜け流路を長時間にわたり確保し続けることで、300時間での性能の低下を初期性能から1/3までに抑制できたと先行研究で明らかになっている。しかし、社会実装を目指すには最低でも１０万時間の連続運転試験を行う必要があり、今現在有するものよりも更なる長時間安定性効果の向上が必要となる。H2ｶﾞｽが抜け流路は助触媒とNi粒子との接触点が増えればその分確保できると考えられる。粒子同士では少ない接触点でH2ｶﾞｽ抜けの流路を確保していたが、形状を制御した助触媒であるならより、Niとの接触点が増え、広いH2ｶﾞｽ抜け流路の確保が期待できる。また酸化物粉末は形状制御することで自身の強度が増すので物理的強度（機械的強度）の観点から、今回提案する助触媒がピンニング効果のくさびとなってH2ｶﾞｽの抜け流路を広域に確保できると考えられる。