燃料電池

燃料電池評価に関するFAQ

Q固体高分子形燃料電池(PEFC)の発電に必要な燃料ガス流量は?

FAQ ID:Q1

A

PEFCの発電に必要な理論上の燃料ガス流量は「Q=mFz」の式から求められます。

 Q:電荷量[C]=電流[A]×時間[sec]
 m:モル数[mol]
 F:ファラデー定数(=96500 [C/mol])
 z:イオン価数

例えば、MEAの面積が1 cm2の燃料電池を1 A/cm2の電流密度で1分間通電したときに必要な水素の量は以下のようになります。 (ただし、水素分子は理想気体、体積は標準状態換算)

水素[L]=22.4[L/mol]×1[cm2]×1[A/cm2]×60[sec]×1/96500[C-1mol]
 ×1/2(価数)=0.006963・・・[L]=6.96 [mL]

つまり、1cm2の面積の燃料電池で、1A/cm2の電流を1分間保持するための水素量は、水素が100%反応すると仮定した場合、約7 mL/minとなります。
ただし、一般には100%反応させることは難しいので、通常は最低必要量よりも多い燃料を流します。
この時の流量の指標として、“燃料利用率:反応する燃料量/供給する燃料量”があります。
25cm2の燃料電池で1A/cm2の発電の際に、燃料利用率50%で発電させるとすると、

水素[L/min]=7[mL/(min・cm2)]×25[cm2]×(100/50[%])=350[mL/min]

スタックセルの場合は更にスタック数を掛けると、必要な水素量を算出できます。
カソード側の酸素(空気)量は考え方次第ですが、少なくとも反応する水素量と100%反応するだけの酸素量が必要になります。

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Q直接形メタノール燃料電池(DMFC)での発電に必要な燃料流量は?

FAQ ID:Q2

A

セルの面積と使用するメタノール水溶液の濃度によって変わります。高濃度・小面積セルなら低流量、低濃度・大面積セルなら流量が多くなります。
DMFCでの反応式は以下のようになります。

CH3OH + H2O → 3H2 + CO2

つまり、1molの純メタノールから3molの水素が得られる計算になります。
よって、100mL/minに相当する水素(4.46×10-3mol/min)を得るには、1.49×10-3mol/minの純メタノー ル=4.77×10-2g/minが必要です。これに転化率10%、比重0.791を考慮して、メタノール水溶液の濃度を10%とすれば、必要なメタノー ル水溶液(純メタノール:10vol%、水:90vol%)の量は6.0mL/minとなります。

DMFCの発電電流量や使用するメタノール水溶液濃度、燃料利用率等から最大・最小流量を換算して考慮する必要があります。また中間生成物によるロスなども考えられます。

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Q燃料ガスへの加湿の必要性

FAQ ID:Q3

A
イオン交換膜の種類によっては、水分の有無が発電効率に大きな影響を及ぼします。
弊社取扱いのエレクトロケム社製燃料電池セル(MEAにナフィオン膜使用)で、セル温度80℃に対し、燃料の露点を80℃、70℃、60℃と変えることでセル内の相対湿度を変化させた時のI-V測定の比較です。相対湿度が高い程、発電効率がよいことが分かります。
加湿の必要がないイオン交換膜や実用化を見越しての無加湿運転を目的とすれば、加湿する必要はありません。

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Q加湿方式について

FAQ ID:Q4

A

加湿器にはバブラー式、インジェクション式、シャワー式、分流式など多くの方式があります。
バブラー式は温度を制御した水にガスをくぐらせて加湿する方式で、水の温度を変えて露点を制御します。水温の変化に少し時間がかかりますが、一定露点を保持する安定性や再現性に優れます。加湿器からセルまでのガス圧力を上げる事で露点を100℃以上に上げることも可能です。バブラーの場合、露点精度よく加湿するにはガス流量に応じた水量が必要になります。水量を多く(加湿容器を大きく)すれば大流量に対応できますが、低流量時に遅延が生じたり、水温変化の 応答性が悪くなったりといったデメリットも生じます。

インジェクション式は、乾燥したガスに蒸気を付加する“スチームインジェクション”方式と、水滴を注入後気化させる“リキッドインジェクション”方式があります。露点変化の応答性に優れますが、付加する蒸気(水分)の量の調整が敏感で、少流量のガスへの加湿や低加湿を行う際の精度の調整が難しくなります。

また“スチームインジェクション”方式は100℃以上の露点を制御するのは難しく、“リキッドインジェクション”方式はガスライン中で水滴が気化して急激にガスの体積が変わることにより、ガス圧力が変化する可能性があります。

シャワー式はバブラー式とは逆にガス中に水を噴霧して加湿を行います。
また加湿したガスとドライガスを混合して露点制御の応答性を高める“分流”方式もありますが、各ガスの流量バランス調整が重要になります。

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Q燃料ガスの“露点”と“相対湿度”の違い

FAQ ID:Q5

A

“露点”はそのガスに含まれた水分が飽和して結露を始める温度で、温度による飽和水蒸気量は飽和水蒸気圧曲線などで確認することができます。“相対湿度”はその温度での飽和水蒸気量に対する実際に含まれている水蒸気量の比です。

燃料電池では燃料ガスに含まれる水分量が重要なパラメータとなります。同じ相対湿度80%RHと言っても、ガスの温度が80℃と60℃とでは含まれる水分量が大きく変わってしまいます。そのため加湿について表す場合、直接水蒸気量を示唆できる“露点”がよく使用されます。

なお、100℃以上での相対湿度100%は、露点も100℃以上にする必要があり、セルや配管をそれに応じた温度まで昇温する必要があります。

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Q燃料ガスの露点制御方法

FAQ ID:Q6

A

一般的にバブラー方式の加湿器の場合、その水温で露点を制御しますが、水温通りの露点に加湿されているかは確認しなければわかりませんし、加湿器で加湿さ れたガスがその露点のままセルまで運ばれてくるとは限りません。セルに入るガスの露点がわからない評価装置では、重要な発電条件の一つが不明確な評価に なってしまいます。

そのため、弊社の燃料電池評価システムでは、バブラー式加湿器の場合、「加湿器の水温=セル入口でのガスの露点」となるように調整し、すべての評価システムで出荷前に鏡面冷却式露点計を用いて、露点制御精度の確認を行い、この測定データを添付して、“セル入口での露点”を保証しています。この“セル入口での露点保証”は、加湿器単体の加湿精度や加湿器の水温制御精度とは全く意味合いが異なります。

インジェクション方式や分流法の場合、設定値ごとにドライガスと水蒸気(もしくは加湿されたガス)の配分を考える必要があるため、加湿制御自体がバブラー式より困難になります。

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Q「露点」を測定するには?

A

燃料電池関連でよく使用される露点計には、鏡面冷却式静電容量式があります。

鏡面冷却式露点計は、加熱/冷却を行える鏡面の上にガスを導入し、鏡面に結露が生じて曇る瞬間の温度から絶対露点を計測することができます。非常に高精度で、JIS-B-7920(湿度計性能試験法)で規定された標準湿度計ですが、一度結露させるという計測手法と露点計自身が高額なことから、主に露点の校正や確認の際に使用されます。

静電容量式露点計は、細孔のあるコンデンサーのようなものをセンサーとし(センサー構造は各メー カーによって異なります)、水分による静電容量の変化で露点を測定します。この露点計は比較的安価なため広く使用されていますが、相対湿度を用いて露点を算出するタイプの場合、燃料電池アプリケーションでの運用の際には、結露を避けるためにガス温度を露点より高くしがちですが、ガス温度と露点が離れると誤差が大きくなるため注意が必要です。また、センサー部が結露すると測定できなくなったり、故障の原因となったりするため、燃料電池のように高湿度のガスに使用する場合は注意が必要です。

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Q同じセル、同じ運転条件で測定してもデータが再現できないのは?

FAQ ID:Q8

A

計測器の故障でない場合、考えられる大きな原因は3つです。

回数を重ねる毎に出力が下がる傾向の場合、まずセルの劣化が考えられます。

実験毎に出力が上下する場合、加湿が不安定な場合があります。またデータに鋭いピークが生じる場合は結露によるフラッディングが考えられ、セルや配管の温度管理が十分にできていないか、配管の構造に問題がある可能性があります。構造的な問題の場合、当初から、装置として露点が精度良く制御できていなっかった可能性があるので、一度露点計で“セル入り口での露点”を確認することをお奨めします。

その他ラインに圧損があり、セル内に想定外の圧力が掛かっている場合もあります。

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Q単セルとスタックセルの発電評価を1台の評価装置で可能か?

FAQ ID:Q9

A

高精度の評価を求めるならば、評価装置の“大”は“小”を兼ねません。

電子負荷器はレンジの切り替えなどで対応可能な場合がありますが、燃料供給装置は必要な流量が大きく異なる場合、共有化ができません。
流量制御に使用するマスフローコントローラ(MFC)は、一般的なもので、制御範囲:2~100%FS、制御精度:±1%FSです。単セルでの使用流量がスタックセル向けのMFCの流量フルスケールの10%以下になる場合は精度の高い流量制御ができなくなります。そのため、単セル・スタックセルそれぞれの場合に最適なMFCをシステムに搭載した方が望ましいですが、先に述べた加湿器と流量のバランス(Q4参照)から、流量レンジごとに加湿器を用意する方がよい場合があります。

結果的に、精度の高い評価をするには大小のレンジに合わせたガスラインを備えるのがベストです。また1台で切り替え運転するより、大小別装置にして同時に運転できた方がよいかもしれません。

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Q改質ガスを直接流した場合、評価が可能か?

FAQ ID:Q10

A

改質されたガスの成分・流量が一定で、変更する必要がなければそのままセルに導入すればいいのですが、流量を制御しようとすると難しくなります。

燃料の流量を高精度に制御するために使用するMFCは、通常実際に流すガスで校正したものを使用しますが、改質されたガスは複数のガスからなる混合ガスであるため、MFCメーカーでその成分比のガスで校正を行っていない可能性が高いです。MFCの流量補正換算ができればいいのですが、換算係数がない場合は流量制御ができなくなってしまいます。
浮き子式(面積式)フローメータを使用すれば、目視レベルの精度では流量を制御できますが、やはり正確さや再現性に欠けてしまいます。

そこで弊社では、改質ガスの各成分ガスで校正されたMFCを用意し、その成分比となるように流量を制御した模擬改質ガスでの実験を提案していま す。各MFCの流量比率を揃えて変更することで精度の高い流量制御が可能になります。また各ガス流量の比率を変更することもできるため、成分比率の異なる 改質ガスを想定した実験も行えます。但し、模擬改質ガスでは中間生成物や不純物などを再現できないというデメリットもあります。

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Q長時間連続運転するには

A

発電状態が安定しているとすれば、一番問題になるのは加湿器の連続運転時間です。バブラー式加湿器の場合、加湿器中の水はガスの加湿に使用され、徐々に減っていきますので、やがてガス流量と水量のバランスが崩れて加湿精度が低下します。また、昇温しているときに水が無くなると“空焚き”になってしまい危険です。

よって加湿器内の水を補給する必要がありますが、運転中に加湿器を開いて給水するのは燃料となる水素ガスが漏れ出して大変危険です。
そこで水が減った分を自動的に給水する機構を組込むのがベストとなります。自動給水機構の組み込みは、長時間の連続運転を可能にするだけでなく、最適な水量を保ち続けるというメリットもあります。

但し、給水時に加湿器内の水温や圧力などの条件に影響を与えない工夫をしなければ、定期的な給水で水温が変わり露点が変化することで発電が乱れるなどといった現象が起きたりします。
尚、自動給水機構を組み込んだ場合、排気中の水分の除去器からの排水も自動化または全排出にする必要があります。

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Q計測器の校正や評価システム全体のメンテナンスについて

A
弊社では、計測器については、年1回の校正・点検を推奨しています。定額にて行っていますのでお問合せ下さい。
評価システム全体の点検はバルブ等の消耗品があるため、使用頻度に応じて定期的なメンテナンスをお奨めします。装置により仕様が異なるため、メンテナンス内容についてはご相談となります。

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