燃料電池用薄膜の簡易型特性試験装置の作製及び発電特性に関する基礎研究

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本研究では,固体酸化物形燃料電池(SOFC)の発電特性の評価装置として,高温ガス雰囲気中で安定した電気的特性が測定できる簡易型特性試験装置を考案し,その試作を行った。一般的にSOFCは燃料と酸素がそれぞれ分離して供給されるが,今回作製した装置は,この構造上の複雑さを取り除くために,メタンと空気の混合ガスを供給し,燃料を電極上で改質のうえ,利用できる単室構造(SC-SOFC)とした。装置は,電気管状炉(Max.1200℃)に石英管(φ30mm,L500mm)を装着し,ガス供給と加熱を行う方式とした。石英管の両サイドには,ガス導入口,ガス排出口及び電気信号の取り出し口となるフランジを装着した。メタンと空気を送るガス供給部分は,配管継ぎ手を用いて,ガス漏れや爆発の危険がなく安全に混合比率を変えられるようにした。セラミック管(φ15mm,L300mm)を加工して,試料の固定と電極の取出しが簡単にできるようした基板サポートを作製し,電気炉中央の石英管内部に設置した。最初に,試作した簡易型特性試験装置の操作性(試料の装着,温度制御,ガス供給)を検討した。電解質としてはLaGaO_3系の材料を使用し,薄膜化した電解質の電圧・電流特性の測定を行った。その結果,使用した電解質は,YSZに比べて1桁程度高い酸素イオン伝導性を示した。さらに,単セルをマイクロ化できる構造の共面型SC-SOFCを作製し,所定作動温度で,メタンと空気の混合ガスを供給して発電を確認した。発電電力は,運転温度が高くなるにつれて増加したが,850℃でも1mW/cm^2程度と小さい値であった。今回作製した装置は,SC-SOFCの評価装置として有効であり,小型で操作性にも優れている。今後は,発電効率を上げるために,電解質と電極の界面での改質反応を高めるように,基板サポートの構造の改良や電極の取り付け方法等を検討したい。