固体電解質型燃料電池の開発に関する研究
Development of a Solid-Electrolyte Type Fuel Cell
遠藤 圭斗
(Keito Endo)
指導教官：木下 祥次 教授(Shoji Kinoshita)
１. 緒言
我々人類は便利さを求める余り、膨大なエネル ギーを必要とし、自然に存在する限りある資源を 長きに渡り浪費しその環境を破壊してきた。その ため近年、環境との調和を考慮したエネルギー開 発が求められている。燃料電池は、発電の際に窒 素酸化物や二酸化炭素といった環境汚染物質の 排出が非常に少なく回収も容易である。また排熱 などを再利用することにより、エネルギー効率が よく、小規模発電にも有効である。本研究では数 種類ある燃料電池のなかで固体電解質型燃料電 池に注目した。固体電解質型燃料電池は、電解質 に固体（ＹＳＺ）を用い、もっとも発電効率の高 い燃料電池である。
2 .発電実験および内部抵抗の測定
板圧0.5[mm]のYSZを使用した単電池で発電
実験を行い、図2.1に温度 1000℃における水素 圧力の変化による起電力を示す。
1.000 1.010 1.020 1.030 1.040 1.050 1.060 1.070 1.080
100 110 120 130 140 150 160
水素圧力P(H2)[kPa]
起電力E[V] P(O2)=111[kPa]
P(O2)=126[kPa]
P(O2)=150[kPa]
図2.1 水素圧力変化による発電特性
図2.1からは水素圧力を上げると起電力が増え
るという傾向がある程度見て取れるが、この実験
を行った装置の場合、燃料圧力を測定する場所が 実際の発電部とは違うので、発電の際の正確な水 素圧力とはいえない。
次に直流法1)により、内部抵抗を測定する。図 2.2に内部抵抗測定実験の結果を示す。
(E/EL) =( 68.9/RL) + 0.99
0 20 40 60 80 100 120
0.0 0.5 1.0 1.5
1/R E/EL
図2.2 電解質厚さ0.5[mm]での内部抵抗測定
この実験により本研究室で作製した単電池の 内部抵抗は約69[Ω]であることがわかった。この 結果は、乾電池の内部抵抗が約0.1〜0.3[Ω]であ るのに対して非常に大きい。電源の性能は内部抵 抗でも評価されるため、内部抵抗を低くする事が 必要である。
3 .積層化（高出力化）
これまでの発電実験によって、従来の発電装置 における単電池の発電特性はおおよそ明らかに なってきた。そこで本研究では、１つの燃料サイ クル内に、いくつかの単電池を直列に接続するこ とによって高出力化も検討している。何度も設計 を行ない最終的に決定した高出力化装置(YSZ配 置板)を図3.1に示す。
100.00
100.00
φ 20.00
φ 15.00
20.00 20.00
φ 2.00
15.00 15.00 15.00 15.00
4.00 2.00
φ 4.00 φ 4.00
20.0015.0015.0015.0015.0020.00 9.00
図3.1 YSZ配置板
この装置の特徴として次のことが挙げられる １． 燃料圧力の測定位置が発電部分に近い。
２． YSZと金属との絶縁のためYSZ配置板に はセラミックを加工したものを使う。
３． 単電池９個を直列に接続している。
本研究では、多くの同様の装置を接続(積層化) し、高出力化することを目標としている。
4 .焼き付け、発電用電気炉の製作
前節に述べたように、これまで使用してきた電 気炉には様々な問題点がある。そこで問題点を改 良した電気炉を設計した。図 4.1にその図面を示 す。この装置は、発熱体にはシリコニット発熱体
3) (No.10)、断熱材に ISOWOOL 1600HA BOARD を使 用する。この電気炉が外部に放射する熱量を計算 した。この計算には図4.2のようなモデルを使用 し た 。 ISOWOOL 1600HA BOARD4)の 熱 伝 導 率 λ [W/(m･K)]は規格によりT＝600℃〜1400℃の範 囲内で
0336 . 0 0002 .
0 −
= T
λ
で与えられる。自然対流熱伝達率2)を10[W/(m2･ K)]と仮定すると、単位面積あたりの放熱量ｑは、
) 20 ( 328 * . 8 004 . 0
36 . 3 02 .
0 −
+
= − T
T q T
となる。これより1400℃のときの総放熱量はお よそ420[W]となる。
ＩＳＯＷＯＯＬ１６００ＨＡボ−ド
160 280
100
900＊600＊30
240 φ10
未定（制御機器に依存)
200
100 60
φ17
60
120
図4.1 焼き付け、発電用電気炉
420 360
280 180 240
100
図4.2 電気炉モデル
5 .結言
発電実験によって従来の円筒型装置による発 電特性は得られたが、様々な問題があり正確な測 定ができたとはいえない。それに伴い、今後は装 置(電気炉、発電装置)の製作を急ぐと共に、新た な装置における電池の性能実験を行う。
6 .参考文献
1) トランジスタ技術編集部/編：電池活用ハンド ブック,CQ出版社 pp.168,1992.
2) 班目春樹/著：伝熱工学例題演習 pp.3-13.1979.
3) (株)シリコニット：シリコニット総合カタログ
pp6,1997.
4) (株)イソライト工業：ISOWOOL CERAMIC FIBER カタログ pp.1-2,1997.
