研究成果詳細

　本学炭素循環エネルギー研究センター（理工学研究科化学専攻）の伊原学准教授らによる研究グループは，高性能な燃料電池を小さく，軽く，しかもコストを低減できる基本技術を開発した．

　 燃料電池ではふつう，水素と酸素を反応させて水を生成する反応の過程で電気を取り出す．燃料電池セルは燃料極，電解質，空気極の3層構造となっている．燃 料極では水素と酸化物イオンが反応し，水と電子が生成される．電子は外部回路を通って空気極に移動する．空気極では酸素と電子が結合して酸化物イオンが生 成される．酸化物イオンは電解質を通過して燃料極に移動し，水素と結合して水と電子を生成する．この反応を繰り返すことによって発電を継続する．

　 燃料電池の種類は多岐に渡る．電解質，燃料極，空気極の材料が異なる，多種多様な燃料電池が研究されてきた．例えば自動車用燃料電池としては，固体高分子型と呼ばれるタイプの燃料電池が盛んに開発されている．

　 ただし，これまで開発されてきた自動車用の燃料電池は，ガソリンや天然ガスなどの化石燃料（炭化水素）から，水蒸気改質と呼ばれる技術によって水素を取り 出して電池の燃料としていた．このため水素燃料電池自動車は，エンジンに相当する部分のエネルギー効率（車両効率）は既存のガソリン自動車やガソリンと2 次電池のハイブリッド自動車に比べると高いものの，燃料の製造効率を含めた総合的なエネルギー効率では，ハイブリッド自動車とそれほど変わらないという弱 点があった（図1）．

　 この弱点を解消するため，伊原准教授らのグループは，原料の炭化水素をそのまま燃料とする燃料電池を考案した．この場合に理論的な総合的なエネルギー効率 を検討したところ，ハイブリッド自動車を大きく上回れることが分かった．この技術を実用化できれば，水蒸気改質が不要になることで改質器（水蒸気改質装 置）が不要になり，燃料電池を小さく，軽くできるとともに，改質器のコストを削減できる．

　 まず実際に，炭化水素をそのまま燃料として使える燃料極を試作した．試作した燃料極は2種類あり，1つはニッケルとYSZ（イットリアドープドジルコニ ア）の多孔質構造にプロトン伝導体（SYZ）をインフィルトレーション法と呼ぶ技術で含浸させたもの（図2）．もう1つは，ニッケルとGDC（ガドリウム ドープドセリア）の多孔質構造にプロトン伝導体（SCYb）をインフィルトレーション法と呼ぶ技術で含浸させたもの．プロトン伝導体はいずれも酸化物セラ ミックである．

　 前者はプロトン伝導体の含浸によって燃料極の出力密度が向上するとともに，劣化が抑えられた．後者はプロトン伝導体の含浸によって燃料極の出力密度が大き く高まった．劣化特性はほとんど変わらなかったが，これは元々，ニッケルとGDC（ガドリウムドープドセリア）の耐久性が高いためである．

　 これらの実験結果から，炭化水素をそのまま燃料とする高性能の燃料電池を実現できる見通しを得た．固体酸化物型と呼ばれるタイプの燃料電池になる．

●炭素を燃料として再利用する燃料電池

　 伊原准教授らの研究グループはこのほか，炭素を燃料とする固体酸化物型の燃料電池を研究してきた．燃料電池の稼働によって析出する炭素を，燃料として再利 用しようとした燃料電池である．リチャージャブル・ダイレクトカーボン燃料電池（RDCFC：Rechargeable Direct Carbon Fuel Cell）と呼んでいる．

　 以前の研究成果では，RDCFCの試作品で最大0.052W/平方センチメートルの出力密度を得ていた．今回は電極と電解液の材料を変更することにより， 最大で0.26W/平方センチメートルとおよそ5倍の出力密度を達成した．伊原准教授らの調べでは，炭素を燃料とする燃料電池では過去最高の出力密度を実 現したことになる．

　 なおこれらの研究は，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO技術開発機構）の産業技術研究助成事業の一環として実施された（産技助成Vol.37）．

図1　ガソリン自動車とハイブリッド自動車，水素燃料電池自動車のエネルギー効率	図2　炭化水素を直接燃料とする，固体酸化物型燃料電池の構造（燃料極）