熱工学研究室:熱に関する諸現象の解明および熱を利用したシステムの研究開発

熱は,エネルギー・環境問題において中心的役割を演じています.また,一見すると熱が主役でないような工学問題においても,実際には熱の制御が鍵となる場合があります.私たちの研究室では,種々の熱システムを対象として,その現象解明と最適化を図るとともに,新たな熱システムを開発することを目的として幅広く研究をおこなっており,燃料電池の研究もそのひとつです.

燃料電池の原理

図1 燃料電池の基本構造

燃料電池は,燃料(主として水素)と酸素を電気化学的に反応させて電力を取り出す発電装置です.図1は燃料電池の基本構造で,「電解質」とその両面にある「電極」により構成される「単セル」に燃料と空気が供給されている様子です.電解質はある特定のイオンのみが伝導することができる材料で,それにより燃料と酸素が反応することができるわけです.ひとくちに燃料電池と言っても,採用する電解質の性質によっていくつもの種類があり,その特徴も大きく異なります.私たちが注目している固体酸化物形燃料電池(SOFC )は,

  • 電解質がセラミックスであること
  • 電解質が酸素イオン伝導体であること
  • 作動温度が高い(800~1000℃)こと

が主な特徴です.まず,電解質が固体(セラミックス)であるため,電池セルの形状や姿勢に自由度が高く,円筒型,平板型,円盤型をはじめいろいろな形状にすることができます(図2).また,ほかの多くの燃料電池は電解質を通過するものが水素イオンであるため燃料は水素に限定されますが,SOFCでは酸素イオンが伝導するため燃料は水素に限られず,都市ガス(メタン)など一般的な燃料が使用できます.さらに,作動温度が約1000℃と高いことにより,高価な白金触媒が不要であり,また,高温な排出ガスを給湯やさらなる発電に利用できるなど,多くの利点があります.

様々なセル形状

図2 様々なセル形状

自作した円形小型セルの外観a   自作した円形小型セルの外観b

(a) 燃料極側         (b) 空気極側

図3 自作した円形小型セルの外観

SOFCで良好なシステム性能を達成するためには,直列接続された全てのセルが,電解質のイオン伝導率が十分高い値となる高温に維持されることが必須ですが,その反面,周囲の温度より著しく温度の高い領域(ホットスポット)が存在すると,セルの寿命に悪影響を及ぼし,著しい温度の不均一がある場合には熱応力によりセルが割れてしまうおそれもあります.温度が変化する要因として,対流熱伝達,熱伝導,ふく射,電気化学反応,ジュール発熱など様々な熱の移動・生成がありますが,それらが複雑に絡みあうシステムにおいて,十分なイオン伝導率が得られるような高温で,かつ局所的な高温部や低温部が存在しない一様な温度分布を実現するという高度な熱管理が求められます.

私たちは,新しいエネルギー変換装置であるSOFCを用いた高効率で信頼性の高い発電システムをめざし,理論,実験,コンピューターシミュレーションを駆使した基礎検討を行っています.

機械システム学コース 熱工学研究室

教授 吉田英生
准教授 岩井裕
助教 齋藤元浩

 熱工学研究室についてのより詳細は: 熱工学研究室ホームページ