我々の研究室ではイオンが動くイオン導電性材料を利用したデバイスに着目して研究を進めています。イオン導電体の特徴は電気を流しながら同時に化学反応（電気化学反応）を起こせるという点です。このため化学反応により生じた電流を取り出して電池として使えることになります。燃料電池は水素と酸素を供給し続けることで、蓄電池とは異なり、継続的に電力を取り出すことができることができます。また内燃機関と違い、燃料の化学エネルギーを熱エネルギーを経由せずに、直接電気エネルギーに変換することで、熱機関の理論効率であるカルノー効率の制約を受けず、高効率に発電することも可能です。
Fig. 燃料電池の模式図（酸化物イオンが伝導種の場合）
燃料電池の種類は、下表にあるようにイオン導電体である電解質の種類によって分類され、600~1000℃の高い作動温度の固体酸化物形燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、100~200℃程度の作動温度のリン酸形燃料電池（PAFC)、固体高分子形燃料電池(PEMFC)、アルカリ水溶液形燃料電池(AFC)に分けられます。一般に、高温型は発電効率が高い長所があるが、起動停止に時間がかかるため一定出力で継続運転する用途に向いています。一方、低温作動のものは起動停止が容易なため、頻繁にON/OFFする用途、例えば燃料電池自動車(FCV)などのモビリティ用途に用いられています。
Table 燃料電池の種類と特徴
当研究室では現在800℃程度と高い作動温度で運転されている、セラミックスが主材料となる固体酸化物形燃料電池(Solid oxide fuel cells: SOFC)に関する材料開発評価、セル開発・評価を行っています。SOFCは高温作動であることで、高価な貴金属触媒が不要となる上に燃料電池の中でも高い効率を示します。一方で高温であるために材料選択に制限がありコスト高になったり、起動に時間がかかるなどの課題があります。高い発電効率や多様な燃料を使用可能な長所を活かしつつ、これらの課題を解決するために、現在、金属支持型の固体酸化物形燃料電池(Metal Supported-SOFC)が注目されています。我々もメタルサポートSOFC(MS-SOFC)のセル開発および信頼性の評価などを行い、エネルギー分野からの持続可能な社会の実現に向けた研究開発を進めて行きたいと考えています。
島根は古来からのたたら製鉄法による玉鋼や安来鋼など金属材料の製造・開発に連綿たる歴史がある場所で、金属材料のプロフェッショナルも多くいるため、このような地域の特長も活かして中国地方・島根県発の金属支持型の固体酸化物形燃料電池の実現に繋げたいと考えています。
