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摘 要：本研究对以甲烷为燃料的SOFC燃料电极表面进行了原位红外光谱分析。在有蒸汽供应的发电模式和非发电模式（S/C=0.03）下，未检测出碳沉积；但在没有蒸汽供应的非发电模式（S/C=0）下，随着时间的推移，观察到了由沉积碳引起的光谱变化，并可以原位捕获碳沉积。
关键字：固体氧化物燃料电池、碳沉积、燃料电极、原位分析、SOFC发电装置
固体氧化物燃料电池（SOFC）通过直接内部重整，可以向燃料电极供应碳氢化合物气体和蒸汽来发电。但是，如果将碳氢化合物气体直接供应给SOFC，则燃料电极上的碳沉积成为问题。目前，为了避免碳沉积，S/C比（蒸汽与碳的比）经常被设定为2左右，以留出余量，这就导致了因燃料稀释而引起效率下降的问题。为了找出在降低S/C比和提高燃料气体浓度的同时能够避免碳沉积的条件，可预测碳沉积的反应模拟变得非常重要。
目前，虽然人们正在研究以碳的表面覆盖率评估镍催化剂表面的碳沉积的反应模拟，但其适用性尚未得到充分研究。为了研究SOFC燃料电极上的碳沉积，发电模式下燃料电极表面的原位分析非常有效。在以往的研究中，已有研究使用原位拉曼光谱分析研究了SOFC燃料电极上的碳沉积现象。但是，从优化S/C比的观点出发，对以甲烷为燃料的SOFC燃料电极表面进行原位分析的研究例很少，需要进一步研究。
本研究使用同步辐射，对以甲烷为燃料的SOFC燃料电极表面进行了原位红外显微光谱分析，并阐明了发电模式和非发电模式下Ni/YSZ燃料电极表面的碳沉积行为。
图1显示了使用同步辐射对SOFC燃料电极表面进行原位显微红外光谱分析实验的整体图像。实验中，研究人员使用安装在BL43IR上的分光光度计（Bruler Vertex70）和红外显微镜（Bruker Hyperion2000）测量了燃料电极的红外反射光谱（IR反射光谱）。红外光谱测量中使用了反射测量，光斑尺寸为10μm，波数分辨率为4cm-1，积分时间为200s，范围为400cm-1-4000cm-1。发电装置主要由主气室、SOFC单电池和空气极气室组成。
SOFC单电池的燃料电极使用Ni/YSZ，电解质使用YSZ（φ8，厚度为300μm），空气极使用LSM/YSZ。首先，在空气极气室上使用氧化铝基粘合剂固定SOFC电池。向主气室供应燃料（CH4/H2O/Ar），并向空气极气室供应氧气。只加热空气极气室的下部，将电池部分加热至700℃的高温。通过对主气室上部进行水冷，使主气室外部的温度保持在40℃以下，可以进行显微镜观察。观察窗采用氟化钡（BaF2），它具有优异的红外光透射性，由此可以观察到燃料电极表面的红外反射。集流层采用银浆和导线。在本实验中，研究人员进行以CH4/H2O/Ar（S/C=0.03）为燃料的发电模式（电流密度I=32mA/cm2）和非发电模式、以H4/Ar（S/C=0）为燃料的非发电模式的IR分析。通过温度保持恒定的起泡器对CH4/Ar气体进行加湿，获得了S/C=0.03的CH4/H2O/Ar气体。