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研究内容紹介

第7話 燃料電池

燃料電池は化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができる発電デバイスです。火力発電や原子力発電などに比べ、高いエネルギー変換効率が実現できます。燃料電池は、電解質と一対の電極で構成されています。電解質ではイオンが移動し、カソード(正極)側電極で還元反応が、アノード(負極)側電極では酸化反応が生じることによって電気を発生します。 図1は、酸化物イオンが電解質内を移動する場合を例として示しています。カソード側に空気を、アノード側に水素あるいは加湿水素を供給すると、カソード側とアノード側ではそれぞれ以下のような反応が起きます。

カソード側: O2 + 4e- → 2O2-
アノード側: 2H2 + 2O2- → 2H2O + 4e-

[図]SOFCの構成図

[図1]SOFCの構成図

上の二つの反応からわかるように、燃料電池では、供給ガスとして水素を用いると、H2Oのみを排出します。これが、燃料電池がクリーンな発電デバイスと言われる所以です。
燃料電池には幾つかのタイプがあります。電解質材料の種類によって分類され、電解質にKOHを用いるアルカリ水溶液型、H3PO4を用いるリン酸型、溶融炭酸塩を用いる溶融炭酸型、高分子系の陽イオン交換膜を用いる高分子電解質型、セラミックスを用いる固体酸化物型の計5つのタイプがあります。
それらの中でも、固体酸化物型は、他の燃料電池よりも高い発電効率が期待でき、さらに燃料としてCH4などの炭化水素ガスが利用できるため、大変注目されています。

固体酸化物型の燃料電池は一般にSOFC(Solid Oxide Fuel Cellの略称)と呼ばれています。SOFCは電解質に緻密なセラミックスが、電極には多孔質なセラミックスあるいは金属/セラミックスの複合体が用いられます。上で述べたように、緻密なセラミック電解質では酸化物イオン導電性が、多孔質な電極部ではイオンと電子が共に移動する混合導電性が求められます。その上電極では化学反応を促進する優れた触媒特性が必要となります。

図2は、電解質にYSZと呼ばれるY2O3-stabilized ZrO2を、アノードには金属NiとYSZの複合体、またカソードには(La, Sr)(Co, Fe)O3として表わされる複酸化物を用いて、本学科で作り上げたSOFCの微構造写真です。電解質部分と電極部分で微構造が異なることが見取れます。本マテリアル工学科では、自作したSOFCの発電性能を評価しながら、SOFCに応用することができる先進的な高機能性材料の開発に取り組んでいます。さあ私たちと一緒に、環境に優しい社会づくりと君の輝く未来づくりに励んでみませんか?

SOFCの微構造写真

[図2]SOFCの微構造写真

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