水素エネルギーシステム Vo No P必やPFCは解説 pt 触媒が酸化炭素により被毒され +H++e= H るため石炭ガス化ガスの利用に適していない全反応は次式の水の生成反応である以下では各栓燃料電池性能を電気化学理論に基づき解析した結果について解説する H+= H 燃料電池の性能決定

Size: px

Start display at page:

Download "水素エネルギーシステム Vo No P必やPFCは解説 pt 触媒が酸化炭素により被毒され +H++e= H るため石炭ガス化ガスの利用に適していない全反応は次式の水の生成反応である以下では各栓燃料電池性能を電気化学理論に基づき解析した結果について解説する H+= H 燃料電池の性能決定"

あつのがうん
5 years ago
Views:

1 ~C ~C

2 水素エネルギーシステム Vo No P必やPFCは解説 pt 触媒が酸化炭素により被毒され +H++e= H るため石炭ガス化ガスの利用に適していない全反応は次式の水の生成反応である以下では各栓燃料電池性能を電気化学理論に基づき解析した結果について解説する H+= H 燃料電池の性能決定要因開回路電圧は以下のネルンスト式から求められるクは ω 相当する単電池を何枚も積層したものである本スタッ月 n ph p川灯ぴクとその電極構造を示すスタックとは乾電池つに + スタッ実際の燃料電池の例として図 Hこは n n社製の kw級スタックで面積 mの単電池枚から成り枚当たり最大 k Wの発電出力が得の場合にはカソード恨] で; C の消費アノードられる C の発生があるため次式で表される側で紅 hruuぜ = ^+ l n v a F P P C H ここで l Mは標準起電力であり熱力学的に高温なほど低くなるKは温度 R Kl mol はガス定数 FCmo l はファラデ定数 Patmはガス分圧で添え字はガス種を ac はアノード側カソード側を示すおよびSOFC では本式から得られる理論値と実図スタックと電極構造測値は良い致を示すが PFC では両者は致せず ] 後述するように補正式が必要となる包このような燃料電池の動作電圧である出力電圧NM 次にネルンストロスを解説するため図には各燃は性能決定要因である開回路電圧Mネルンスト料電池のイオン伝導種と水生成の関係を示すPFC ロス η問的アノード過電圧 ηa Mカソード過電圧 PAFCではプロトンH+が伝導種でありカソード側で ηc M電解質板のイオン抵抗と接触抵抗を合算した内水が生成する方 SOFC では伝導種が炭酸 Mを用いて次式で表される部抵抗による電圧降下η イオン co ; あるいはオキサイドイオン - であなお電極やセバレータの抵抗は般的にイオン抵抗やりアノード側に水が生成する町接触抵抗に比較レトさく無視できる H コゥ二 ηαη c ηr i V=-ηN また燃料電池における反応は般的には燃料とイオン伝導体である電解質および電子伝導体である電極が O 互いに接触する部分で起こるアノード反応は次式で表される H =H++e O コ亡コゥ二 C 方カソード反応は次式で表される図燃料電池におけるイオン伝導種と水生成の関係

3 i=io, t こ子 expc--~ ー η -~ C~ の消費水および ~Cの生成が起こり電池内では出口 PFCやPAFC~ こ比べ層低下するここでは発電に ~ ~ ~ iol-~ 叫日ら, ~ 仇 = ~log 斗ご logl

4 ~ ~ -~ CO~- n 九 P~P i~a i~o

5 水素エネルギーシステム Vo No 解説 H~CfH= % とし運転圧力はOMPa 燃電解質の厚みを薄くするなどの工夫を行っており現状 %空気利用率は % とする燃料電池性料利用率は大きな差はない能の比較を図に示す図中の発電効率は電池本体の効アノード過電圧はしずれの燃料電池においてもカソ率であり燃料の持つ高位発熱量と発電電力量との比でード過電圧に比較して小さく他の要因と比較しても小ある発電効率は電池電圧が向上するほど高くなるさしらいずれの燃料電池も電流密度を上げると電圧は低下しカソード過電圧は燃料電池の種類によって大きな差 Ncm 以下の発電効率を重視するつまり電流密度があり性能を決定する大きな要因である図から明らやS OFC 電圧の高さを重視する電流密度域では FCPAFCではpt触媒をかなように低温形である P の電圧が他の燃料電池よりも高いしかし出力密度重使用しているがカソード過電圧は大きく高温形である以上の電流密度域ではM Ncm CFC やS OFCの電視の圧の優位性はほとんどなくなりしずれの燃料電池の電 SOFCでは小さい図の電流-電圧特性での電流密度依存性が大きい原因はカソード過電圧もほぼ同じ値となる泊圧が比較的大きくかつ電流密度に比例して増大する FCとPAFCのカソードためである方低温形の P SOFC C 過電圧は低電流密度域では大きいが電流密度の対数 - -PAFC - -PFC に依存するため高電流密度域での増大は比較的小さい H川ド ζら子 P= MPa ~ ー与 ~~ 明寸旬円時カソード Ai r 脚 l t ω 口内部抵抗による電圧降下口アノード過電圧ロカソード過電圧口出力電圧いPFCアノード力ソード水蒸気濃度出刷ーソードの水問問ソドガス糊組蹴成州 H仰町川川峠即叫叫咋い= 叩司川 ω ハ口OCV 降下ロネルンストロス叫 ~ 利用率向肌 Uo吋的 P=O MPa = A cm アノード HCH= カソードAir ト利用率 Uf=也 Uox=覧時設勾アノード HC同叩 \ 下ト ~凡 ~言工 i ~ トヘ----~ 刷出 i 嗣い MCF C力ソードガス組成 Oz lcoz lhn= 電流密度 Acm 図各役燃料電池の電流-電圧特性 PFC PAFC SOFC C このような性能差がどのような要因で生じているか図各種燃料電池の性能決定要因分析結果を明らかにするため各燃料電池性能を要因分析した結果を図に示す泊各棒グラフの高さは開回路電圧で電流を取らない場合に得られる最高電圧であり熱力学燃料電池性能の温度依存性に関する考察 FCではカソー的に高温な燃料電池ほど低くなるP ドの pt 触媒の酸化状態やその電気化学的活性面積によこれまでの角科庁により燃料電池における性能決定要って開回路電圧が影響を受け理論値よりも低下する因では開回路電圧およびカソード過電圧が燃料電池性泊能を左右する最も大きな要因であることがわかったこネルンストロスは既述のように燃料や酸素が電池内れら燃料電池の動作温度は異なるもののアノードでは FCとPAFCではで消費されることによる電圧降下でP 水素酸化反応が進行しカソードでは酸素還元反応が進反応生成物である水がカソード側で生成するため小さ行する燃料電池の種類により電解質である溶媒は異ない方高温形である M CFCとSOFCではアノード側るがこれら反応種は共通であることから燃料電池性に水が生成し燃料を希釈するためネルンストロスは能の温度依存性の般化を試みた図には開回路電圧アノード過電圧カソード過電圧を温度に対してプ mvと大きい内部抵抗による電圧降下に関しては主に電解質のイロットした結果を示すアノード過電圧は絶対値が小オン抵抗と接触抵抗によるものであり各燃料電池ともさく高温なほど増大する傾向を示すがその温度依存 --

6 解説水素エネルギーシステム Vo NO よる電圧降下はmVとしたまたネルンストロスに性は小さい図より下記の温度依存性が得られた η=n- 関しては前述の解析結果に基づきアノード側に水蒸移気が生成する場合つまりオキサイドイオン - 水素酸化反応は発熱反応であるため温度が高くなると動形の場合には mv カソード側に水蒸気が生成するアノード過電圧は増加すると考えられるプロトン H + 移動形の場合にはmVと仮定した本図にはカソード過電圧は絶対値が大きく温度依存性もアノード過電圧に比較して大きい図中でP AFCのカソーで動作する高温形S OFC 性能も合わせてプロットした泊ド過電圧が他に比較して例外的に大きいがこれはpt 戸ー移動形 - ぱ移動形可 < PFC SOFCC PAFC ー図 SOFC ノにノ触媒にりん酸が特異吸着し酸素還元反応を阻害するた ]P AFCのカソード過電圧も含めて本図めであるからカソード過電圧と温度の般的な関係として次式 V=ーザm 九民ーら理論値川を導出したと想定リ η =-n+ 出正刷酸素還元反応は吸熱反応であるため温度が高くなるとカソード過電圧は減少すると考えられる P=O MPa i = O Acm アノード H!CH= 力ソードー A i r 利用率 Uf =弘 Uox= 覧さらに開回路電圧と温度の関係として本図から次式を導出した OCV c v - OCV r= -! OCV= - 圃貝ノ摺恩 ηa= n - がわかるまたこの領域での電池電圧の温度依存性は小さいさらに材料的な制約が少ない中温域 o C において動作するプロトン移動形燃料電池では? ネルンストロスが小さいため高温形と同程度の性能と X なる可能性がある - 結言ウーーらマ図から開回路電圧の低下とカソード過電圧の改善が釣ノ自国付近でなだらかなピークを持つことり合しも図燃料電池性能の温度依存性届 ω 毛n+ ε r 温度 O C ηc 燃料電池性能を電気化学的理論に基づき解説した燃温度 K 料電池性能の性能決定要因には開回路電圧ネルンストロス内部抵抗アノード過電圧カソード過電圧が図主な性能決定要因の温度依存性あるこれらの要因の中でアノードおよびカソード過式中のoが熱力学的に高温ほど低下開回路電圧は電圧については性能表示式を用いることで高い精度でするため高温なほど低くなる方カソード過電圧 FC P AFC 実電池の過電圧を再現可能であるまたP は酸素還元反応が温度上昇とともに活発化し改善する S OFCの各燃料電池性能を分析した結果燃料これらの相反する温度依存性から両者が釣り合い燃料電池性能においては開回路電圧ネルンストロスカ電池としての最適な運転温度が存在する可能性があるソード過電圧が電池性能を決める主要因であるさらにそこで式を用いて電池電圧と運転温度との各種燃料電池の電池電圧を運転温度に関し般化した関係を試算した結果を図 fこ示すここで内部抵抗に結果電池電圧はでなだらかなピークを持ち -

スライド 0

スライド 0 熱学 Ⅲ 講義資料化学反応のエクセルギー解析京都芸繊維学学院芸科学研究科機械システム学部耕介准教授 2014/5/13 2014/5/9 1/23 なぜ, 化学反応を伴うエクセルギーを学ぶのか?? 従来までに学んだ熱学エンジンやガスタービンの反応器は, 外部加熱過程 ( 外部から熱を加える過程 ) に置き換えていた. 実際には化学反応を伴うため, 現実的. 化学反応を伴う熱