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燃料電池の種類2-高温形・その他-:燃料電池の基礎知識3

燃料電池の基礎知識

更新日:2020年2月14日(初回投稿)
著者:敬愛(けいあい)技術士事務所 所長 森田 敬愛(もりた たかなり)

前回は、比較的低温度領域で作動する燃料電池について解説しました。今回は、高温度領域で作動する燃料電池の基礎知識(発電原理、特長、開発の歴史など)を解説します。また、燃料として直接水素を導入しない種類の燃料電池についてもいくつか紹介していきます。

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1. 溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)

溶融炭酸塩形燃料電池(以下MCFC)の発電原理を図1に示します。電解質にはLiやKの炭酸塩の混合物が使われます。600~700℃程度の運転温度では電解質が溶融状態になっており、炭酸イオン(CO32-)が電解質中を移動します。電解質の炭酸塩が溶融状態で稼働することから、溶融炭酸塩形と呼ばれます。

図1:溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)の発電原理

図1:溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)の発電原理

燃料として負極に導入された水素は電解質中のCO32-と反応し、水と二酸化炭素が生成します。この時に生じた電子が正極へ移動し、外部回路で電気エネルギーとして利用されます。負極での反応には、やはり触媒が必要となります。稼働温度が比較的高いため、触媒には白金(Pt)などの高価な貴金属ではなく、ニッケル(Ni)などのより安価な金属が使用できます。

正極には酸素と二酸化炭素を導入します。これらが外部回路から移動してきた電子と電極上で反応してCO32-が生成し、電解質中を負極へ向かって移動します。正極の反応にも触媒が必要で、 Ni酸化物などが使われます。正極の反応には二酸化炭素が必要なので、負極で生成した二酸化炭素を正極にリサイクルして利用します。このため、MCFCの全反応式には二酸化炭素は見かけ上入っていません。

本連載第1回の4章で説明したように、現状では化石燃料由来の水素が燃料として使用されています。化石燃料の改質反応で水素を取り出す際、不純物としてCOが生成します。MCFCでは、負極触媒上で起こる次の反応により、COも燃料として使用することができます。

CO + H2O → H2 + CO2

低温形燃料電池、特に固体高分子形燃料電池(PEFC)の場合、水素中にCOが含まれていると、使用するPt触媒の表面が被毒(表面の活性点にCOが吸着)されてしまいます。その結果、触媒活性が低下するため、十分なCOの除去が不可欠です(次回解説)。これに対し、MCFCではCOを除去せずに、そのまま燃料として利用できる点が大きな特長のひとつです。

MCFCは、高温で作動することから高い発電効率が期待されます。また、高温の排熱も有効利用でき、発電容量が数百kWからMW級のプラントが開発されてきました。日本では1000kW級プラントの開発まで進みましたが、商用化には至りませんでした。現在は、米国のFuel Cell Energy社が主要メーカーとしてMW級プラントを世界中に出荷しています。

2. 固体酸化物形燃料電池(SOFC)

固体酸化物形燃料電池(以下SOFC)の発電原理を図2に示します。各種燃料電池の中ではSOFCの作動温度が一番高く、700~900℃程度で運転されます。酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO2)に酸化イットリウム(イットリア:Y2O3)を少量加えて安定化させた固体酸化物(イットリア安定化ジルコニア:YSZ)を電解質に使うため、その名がついています。この電解質中を酸化物イオン(O2-)が移動することで発電します。

図2:固体酸化物形燃料電池(SOFC)の発電原理

図2:固体酸化物形燃料電池(SOFC)の発電原理

固体のセラミックス材料中を酸化物イオンが伝導する様子を図3に示します。ジルコニア(ZrO2)の結晶内にはZr4+とO2-が規則正しく配列しています。ここにイットリア(Y2O3)を少量加えると、Zr4+の一部がY3+に置き換わります。そうすると、全体のイオンの電荷バランスをとるために、O2-の一部が酸素欠陥の状態となります。温度が高くなると、この酸素欠陥を埋めようとしてO2-が移動するようになります。

図3:YSZ中をO2–が移動する様子の模式図

図3:YSZ中をO2-が移動する様子の模式図

続きは、保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

3. 直接メタノール形燃料電池(DMFC)

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

4. 水素以外を燃料として利用する燃料電池

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