~C ~C
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
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
~ ~ -~ CO~- n 九 P~P i~a i~o
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 --
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 -