1-2 多種多様な燃料電池

12
多種多様な燃料電池
燃料電池は,発電効率の高さばかりでなく,環境負荷の少なさ,分散配置から
集中配置までの幅広い分野への適用や大小さまざまな容量に対応できるなど,数
多くの優れた特長をイ∫している燃料電池の代表的な種類と特徴を表 12にまと
める。.燃本1電池の種類を,用途,使用燃料 ,作動温度などで区分けができるが
,
一般的には,反 IILに関与するキャリヤイオンの通過媒体となる電解質の神類によ
って分類されるわが国で精力的に開発が進められた燃料電池は,PAFC,MCFC,
SOFC, PEFC Iこある
実用機として導人が始まった PAFCでは,高濃度のりん酸電解質中を水素イオ
(H+)が移動し,その動作温度は約 200・ Cである電極には反応を促 lllさせる
ために白金触媒が分散担持されている.1)AFCは ,おもに天然ガスを燃料とする
ン
定置用燃料電池発電システムとして開発が進められている。白金触媒は一酸化炭
素に被毒されやすく,燃料ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を 1%程度以下まで
llt減する必要がある。
水素イォンが関与する燃料電池で,現在の開発の中心となっているのが
PEFC
である。電解質には水素イオンの導電性を有する同体高分子膜が用いられており
,
この中を水素イオンが水分を1半いながら通過する構造となっている.PEFCにお
いても電極には白金触媒が担持されているが,PEFCの動作温度は通常
80・
C程度
であり,作動温度が低いことから,一酸化炭素の許容濃度レベルは約 10 ppmレベ
ルと非常に厳しくなる。
炭酸イオン
(C032)が関与する燃料電池として,実用化開発を進めている
MCFCがある。電解質には通常 ,リ
チウムとカリウノ、あるいはリチウムとナトリ
ウムの混合炭酸塩が用いられており,動作温度はこれら固体物質が溶融してイオ
ン導電体となる 600∼ 700・ C程度の高温である反応促進のための白金触媒は不要
で,一酸化炭素を多く合む燃料の適用が可能である
.
酸素イォン
(02)を
利用する燃料電池には,開発途上にある SOFCがある
SOFCでは電解質に通常はジルコニアを用い,これが 800∼ 1000・ Cの温度領域で
酸素イォンの導電性を示す
ミーヽヽヽ．
Кヽ “ Ｋ
ヽ９１８
贅ヨ ξ喘ミ撃０ロ
熙鰤ヽＫ＾
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ミーヽ
ヽヽ．
Кヽ κ К ．ヽ
ヽヽ．
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ヽヽヽヽエ
ドハヽトーーヽ
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￨
b
↑ビ
(OH)を利用する燃料電
以上の主力開発の燃料電池のほかに,水酸化イオン
池として,宇宙用電源などに使われてきたアルカリ形燃料電池
(AFC)がある
AFCは電解液に水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用い,主として
100・
C以下で作動させる
燃料ガスとしては純水素 ,酸化剤ガスとしては酸素 ,あ
るいは空気が用いられる。
それぞれの燃料電池の反応に関与するキャリヤイオンが異なるため ,反応式も
一
一Ｉ
ス
11
空気宅
一・
＋ρ 小
ＨＨ
空気室
ｒ小
↑
負荷
￨:
小
０
肪
靴
薇 “
一一
:￨
￨:「
０
紗
犠 “
靴
負rll
電解質保持板
電
解
+電解質
燃料極
1極
燃料極
(a)PAFC
(b)PEFC
￨:
11
小
小
空気極
燃お1極
(d)SOFC
図
!7
各種燃料電池の動作原理
酸化剤 ″ス
ーー空気 (02)
空気室
♂ 〓
一
air(02)
==■ C02
一
ス
２
。
０
Ｌ
∞
２
榊
Ｈ
Ｃ
︲
︲
［
ｒ
︲
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ｌ一
〓︲
コ
・
ス﹁
２
２
０
穆九０
印Ｃ
燃Ｃ
酸化剤ガス
ーー空気 (0・21
負荷
二 ‐H20
「
変わる.各種燃料電池の動作原理を図
17に ,反応式を表 13にまとめる
.
PAFCの反応は,水素イオンがシリコンカーバイドなどの微粒子とりん酸電解
質液で構成された電解質層を移動し,電子 (e)は外部回路を流れる。電流と起
電力の積が直流出力となる
.
この電池反応によって得られる理論的な起電力は
190°
Cの
とき 114Vである
が ,電流を取り出すときに分極抵抗を生じるため実際に運転する場合は単セル当
りのセル電圧は 06-08V程
度である.
PEFCの電解質材料は一般に,イ
交換膜 (樹脂 )を用いる
オン交換基としてスルホン酸基をもつイオン
.
燃料極の反応によって生成した水素イオンは, イオン交換膜中のイオン交換基
を介して水分とともに空気極憫1へ移動し,酸素と反応して水を生成する.
MCFCは空気極に空気と二酸化炭素との混合ガスを供給し,燃料極には水素を
供給する
空気極では空気中の空気と二酸化炭素が外部回路から電子を受け取っ
炭酸イオンは電解質を構成するイオンであり, これが電解
て炭酸イオンとなる
質中を燃料極側へ移動し,燃料極で燃料〃スとして供給された水素と一酸化炭素
と反応して二酸化炭素と水蒸気を生成するとともに,電子を外部回路へ放出する
SOFCは ,電解質としてイットリア安定化ジルコニア (YSZ)などの酸化物イ
オン導電性団体電解質を用い。その画面に多孔性電極を取り付け,これを障壁と
して一方の側に燃料ガス (水素 ,一酸化炭素など),他方の側に酸化剤ガス (空気
酸素 )を供給し,約 1000・ Cで動作する燃料電池である
反応における標準起電力の理論値は 0912V(1027・ C)であるが ,実際の単セ
,
.
表
燃
PAFC
PEFC
料
3
各種燃料電池の反応式
性
空
気
極
全反応
H2・ 2H・ +2e
%02+2H・ +2e → H20
H2+%02-1120
H2‐ 2H・ +2e
%02+2H'+2e → H20
H2+%02・ H20
%02+C02+2c → %CO,'
H2+%02-H20
%Q■ 2c-02
H2+%02 H20
CO+%0,,C02
H21CQ2-CC+H20+2e
MCFC
COはシフト反応
CO+H,0→ H2+C02
により H2として生成される
H,+02→
SOFC
H・
0+2e
または
CO+02→ C0212c
%02+2e
・ (ア
ルのセル電圧は,各成分ガスの分圧の影響を受けるため
08∼ 10Vの値である
.
言ユ
1lI墨 Fl=量感11庶堪
各種燃料電池の代表的な基本構成を図 18に示す
.
PAFCの単セルは,厚みが数 mm,1辺が 600∼ 1000 mm程度の四角の形状で
数セルごとに冷却板が設けられている。空気と燃料ガスは,積層したセルスタッ
,
クの側面から直交するように両電極に設けた溝を通して供給される。両電極は
,
カーボン粉に白金などの貴金属微粒子を担持した触媒と PTFE(ポリテトラフル
オロエチレン)からなる多孔質の触媒層が設けられている
.
(―
カ
平板
電極蓼板
水素入ロ
ド体
¨電
ソ集
リザーププレート付さ
分離板
￨
アノード集電体
)
:電極
:スクリーン
:ウイック
D :クーラントダクト
ロ:SPE晨
1
平板
電極基板 (+)
￨
￨
リザープブレート付き
分離板
￨
酸
￨
ロ水素出ロ
=入
(b) PEFC
(a)PAFC
マニホールド
集電板
アノード
■解質板
カソード
集電板
インタコネクタ
マニホールド
支持管
(c)MCFC
(d)SOFC
図
18
各種燃料電池の基本構成
PEFCの単セル構成は,高分子電解質膜の両憫1に両電極をそれぞれ接合して一
体化されている. この電極の背面に集電体を配置し,燃料ガスおよび酸化剤ガス
(空気)が通る構造となっている。空気極側は,電池反応生成物である水分を電池
系外へ除去するためのウィックと電池温度を制御するためのクーラント管が配置
されている。一般的には,電極とイオン交換膜とが一体に接合されている
.
MCFCの単セル基本構成は,アルミン酸リチウム (LiA102)粒子層中に炭酸ri.
を含浸させた電解質をニッケルを主成分とした両電極によってはさまれたもので
あるマトリックス (電解質保持材 )は燃料極と空気極の間に介在し,両電極に
供給される反応ガスの導入に伴う炭酸イオンの移動を司るとともに,燃料ガスと
酸化剤ガスとの交差混合
(ク
ロスオーバ )を防止するガス透過障壁層としての機
能を果たす。基本的には溶融状態の電解質を長時間にわたって十分保持し,その
流出を防止する保持材のセラミック微粉末から構成される。セパレータはセルス
タックの電気的接続を確保し,燃料ガスと酸化剤ガスを分離する障壁板の機能を
も果たす。
SOFCの外形構造は,円筒形,平板形
表
PAFC
部材
電解質
4
(バ
イポーラ形 ),一体形
安定化ンルコニア(Y能
(Li2CO=)
(Zr02+Y203)
解質
(Na2C03)
)
イオン交換膜 (特に
カチオン交換関
′｀―‐フルオロスソ
レホ
ン酸膜
γLiA 02粉末
補強崚権 (AIЮ 0
タス
燃料極
PEFC
SCIFC
炭腋リチウム
炭崚ナトリウム
マトリッ SiC
ノリス形)
各種燃料電池の構成材料
MCFC
りん酸 (H,PO`)
(モ
電輌
多孔質カーボン板
Pt IB持カーボン +
Ni AlC「
Ni YV
多イし質カーボン板
サーアット
Ptよ旦持カーボン十
PTFE
空気極
多イし
質カーボン板
PTFE
N:0+ア
ルカリ L類
Pt lB持カーボン +
La ,Sr,MnOl
(■
‐010-015)
多イLrrカーボン板
Ptす咀持カーボン十
PTFE
PTFE
構造材,などセパレータ
機密カーボン板
セパレータ
インタコネク′
SuS 310 S/Niクラ
I.aCrl_,Mg,03
ツド
SUS 310 S+Alコー
ティング
SuS 316 L
1:￨[こ ,liz)￨
セパレータ
緻密カーボン板
の 3種類に大枠分類できる一般に,SOFCの電解質 YSZの導電率は,1000・ Cに
おいて約 lX10 1S・ cm lであり,PAFC,MCFCの電解質の導電率に比較して 1
桁低いllFである。このため,電解質 YSZは ,厚さ 10∼ 数百 μmの薄膜とし,極力
その抵抗を小さくしなければならない。電極の厚さは,電流が膜に沿って流れる
円筒形構造ではある程度の厚さとし,電流が膜に直交して流れる平板形構造では
,
ガス濃度拡散を減らす観点から極力薄くする。これまで SOFCの構成は,機械的
強度をもつ支持体上に各要素の薄膜を形成したセル構造であったが,近年は材料
の改良により薄膜自体に機械的強度をもたせることが可能になっている
.
各種燃料電池のおもな構成材料を表
14に示す
PAFCは電解質が酸性のため,二酸化炭素による電解質の変質がなく,化石燃
料を改質して得られる[1酸化炭素を含む燃料ガスを使用できるのが大きな特徴で
あるまた作動温度が
200・
C程度であるため,り
ん酸電解質液に触れることさえな
っ素樹脂
ければ鋼や鉄などの金属を使用することができ,」、
熱性有機材料も使用されている
(PTFE)などの高耐
電極反応には,反応ガスと電解液が共存してい
ることが必要であり,はっ水性が強い PTFEを電極触媒層の構成材料として利用
できるのは,PAFCの性能が安定している大きな要因である。また,作動温度が
200・
C程度のため ,水冷が可能で燃料電池の冷却系が小型となり,その排熱を暖房
や給湯に利用すればエネルギーの総合利用効率を大幅に増加できるという特徴が
ある
PEFCは ,ほかの燃料電池と比較して,常温から 100。 C程度と動作温度が低い
ことが最大の特徴といえるそのため常温で起動でき,起動時間が短い。固体の
イオン交換膜を電解質として用いるため電解質の散逸の問題がなく,電極間の極
間耐力が強いことから連琳 l御が容易であるそして,低抵抗イオン交換膜と高
活性な電極触媒を用い,ll l圧形においては 1∼ 2W/cm2が達成され ,AFCを除い
たほかの燃料電池方式とくらべて 5∼ 10倍の出力密度が実 .lTされている.さらに,
PEFCは二酸化炭素耐性をもつため ,二酸化炭素を含む燃料がスおよび酸化剤ガ
スに二酸化炭素を含む空気を直接使用できる点も大きな特徴である
MCFCは動作温度が 600∼ 700・ Cと高いことから,貴金属触媒がなくても電気
化学反応が活発に進行し,一酸化炭素が入ってきても電池内で有効に働くため
,
11
1
09
>
08
T07
ヤ
06
05
電流行度 (mA/cm2)
図
!9
各種燃料電池の電流 ―
電庄特性
に,燃料利用■170∼ 85%)
(常 ′
(太
Hl.2000)助
炭化水素のほか石炭ガス化ガスも燃料として使用できる。また,天然〃ス,ナフ
サ , メタノールなどを燃料として使用する場合 ,内部改質方式が可能となる
さ
らに,電池自体の発電効率が高いうえに,高温で質の高いリト
熱を冷暖房などの熱
源のほか ,蒸気タービンあるいはガスタービンの熱源として利用できる。このた
め,より大型の発電システムとして構成が可能 (50∼
65%の高効率が期待でき
る。また,空気極に供給する酸化剤ガスの中に含まれる二酸化炭素を,通常は燃
料極で生成される二酸化炭素ガスをレI収して強制循環 (二酸化炭素リサイクル)
させるが ,牙」途 ,外部発生源からの希薄な二酸化炭素を供給することにより二酸
化炭素を濃縮させることが口
∫能となる
.
SOFCは
looo・
Cで動作するので電極反応が速やかに進行し,MCFCと
同様に
向金触媒を必要とせず,高温の良質排熱が利用できる。また,出力密度も 03W/
cm2以上と高く,50%以上 (HHV)の高変換効率を達成でき,ガスタービンなど
とのコンバインドシステムとすることにより 70%という高い発電効率を達成で
きる可能性がある
図 19に各種燃料電池の最新の電流―電圧特性を示すつ
.
セルスタックに使用できる燃料は多種多様である代表的な原燃料について
その使用形態を模式的に図 110に示す
,
.
lovn″
100Mw
llxxlMW
設備容量
自家発電
自動車
PEFC
知 ¨
︵
ｐ︺塁嘔●ロ
l lllXl
SOPC
図
1
設備容量と発電効率および運用形態の関係
となることから,熱利用形態の選択肢が広がり,200
kW級発電ユニットによるさ
まざまなサイトでの適用が図られている発電効率は,発電端で
通常は温・冷熱を供給するコジェネレーションとしての適用が
45%程度であり
,
主体である.
PEFCの適用は,発電効率が発電端で約 35∼ 45%程度であるが,同時に得られ
る温水を可能な限り有効に利用することにより 60∼
70%の総合効率を期待して
セルスタック
図
0
セルスタックに使用できる燃料
MCFCと SOFCでは,水素と一酸化炭素が電池反応に寄与す
るが,作動温度の低い PAFCと PEFCはいずれも水素のみ電池反応する。通常
作動温度が高い
,
燃料電池で化7f燃料を利用するには,あ
らかしめ原燃料を燃料電池で反応しやす
い水素や一酸化炭素の燃料ガスに改質させる必要がある
ただし,PAFCと
PEFCは一酸化炭素が共存する燃料ガスを使用することはできないが ,MCFCや
SOFCは重質油や石炭を改質した一酸化炭素を多く含む燃料ガスの利用が可能
で,資源的な制約が少なく,大規模発電設備として期待される
.
メタノールやヒドラジンなどを原燃料として直接電池反応させる特殊な燃料電
池のタイプも開発されている.なお,AFCは燃料ガスに二酸化炭素が含まれてい
ると電解液で二酸化炭素が吸収されて電解液特性が劣化することから,純水素し
か使用できない。
各種燃料電池の発電プラント容量と発電効率
(LHV)を
図
lHに
示す。また
,
各種燃料電池のさまざまな用途を図 112に ,各種燃料電池の適用分野の様み分け
113に示す4、
PAFCの適用は,燃料電池の排熱を利月lして温水ばかりでなく蒸気も生成可能
を図
０
。
５
４
︵
Ｓ︺絆ミ０駅
10
100
1∞ 0
1万
1o万
設備容量〔
LW)
図
l13
各種発電システムの発電効率 (LHV)
いる。低温動作であり, より出力密度が高いことから, コンパクトになり,取扱
いも容易になること,また,数十 kW程度以下の設備容量では従来のガスエンジ
ンやディーゼルエンジンなどに比較して高効率であることから,家庭用の湯沸器
を兼ねた小容量電源や自動車用の駆動源としての適用が開発の主流である
.
MCFCの適用は,排熱温度レベルも電池動作温度に合わせて非常に高くなるこ
とから,ガスタービンや蒸気タービンとの組合せによる複合発電を構成すること
が可能になり,大型発電プラントでは人然ガス燃料で発電端約 60∼ 65%程度,石
炭ガス化ガス燃料で 50∼ 55%程度と,非常に高い発電効率を実現することが可能
になる。これらの特長から,MCFCは天然ガスを利用する小規模の高効率分散電
源ばかりではなく,天然ガスや石炭を燃料とする事業用の集中型火力代替電源と
しての適用も想定されている
.
SOFCは最も高い温度領域で動作する燃料電池であり,特別な触媒なしに電池
内部で天然ガスの改質反応を進行させることが可能で,改質器を不要とするコン
パクトを電源として期待されている. また,石炭ガス化ガスを用いた
大規模な発
電も可能である。発電効率は大型の発電システムにおいて天然ガス燃料で発電端
65-70%程度,石炭燃料で約 55∼ 60%,数百 kWレベルで 50%程度の効率が想
定されている
.
多種多様な燃料電池
>産業川コジェネレーション(
>案 1,人埋供ti“ く
/
▼
>IT機器く
レ分散型小規模電洸く
>ボータブル摯料電池発■機く
′システム●
図
1 2
燃料電池のさまざまな用途
い自動車く

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