Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
燃料電池の将来展望
(日本技術士会機械部会講演)
燃料電池開発情報センター本 間 琢 也
燃料電池の原理
燃料電池と従来発電プロセスの比較
水蒸気改質プロセス
改質器
CO変成器
都市ガス(CH488%、C2H66%、C3H83%,C4H103%)
CO除去器
改質ガス
脱硫器 腐臭剤中の硫黄化合物除去
CH4+H2O CO+3H2
CO+H2O CO2+H2
CO+1/2O2 CO2
CH4+2H2O CO2+4H2
H2O
蒸気発生器
空気
CO濃度
約10%
約5000ppm
約10ppm以下
(T0=960.7K)
(T0=980K)
(T0=956K)
各種改質方式水蒸気改質 CnHm+nH2O nCO+(m/2+n)H2-Q
CH4+H2O CO+3H2-206kJ/mol
部分酸化改質 CnHm+n/2O2 nCO+m/2H2+Q
CH4+1/2O2 CO+2H2+36kJ/mol
Auto-thermal改質(x=0;水蒸気改質)
CnHmOp+x(O2+3.76N2)+(2n-2X-p)H2O nCO2+(2n-2x-p+m/2)H2+3.76xN2
化石燃料 核燃料
再生可能
エネルギー
水蒸気改質 高温水熱化学分解
高温水蒸気電気分解
タービン発電
水 素電 気
燃料電池
水電解
水素製造マップ
燃料電池の特徴
電気化学的反応のため熱機関に比べて低温で高効率
電力と熱を利用できるので総合効率が高い
反応生成物は水で、騒音の発生は無く、環境に優しい
発電スケールに対して制約が無く、分散型電源に最適
定格以下(部分負荷)運転で効率は下がらない
燃料を改質するので、多種類の燃料が使用可能
改質過程で発生するCO2が、電池内で濃縮される
セル構造が微細、化学反応、熱、電気、流体現象が共存
信頼性、耐久性、コスト、安全性に課題
各種燃料電池の比較
KOH/H2O
60-80
H2
O2/空気
50~60
高分子膜
80
H2/改質ガス
外部
O2/空気
32~40
セラミックス
800-1000
H2/CO/CH4
改質ガス
外部/内部
O2/空気
45~50
溶融炭酸塩
650
H2/CO/改質ガス
外部/内部
CO2/O2/空気
45~55
H3PO4
200
H2/改質ガス
外部
O2/空気
36~45
電解質
作動温度(℃)
燃料
改質方式
酸化剤
発電効率(%LHV)
AFCPEFCSOFCMCFCPAFC
By Dr. J. Brouwer, November 18, 2002, Palm Springs
Anode and Cathode Reaction
低温型各種燃料電池の特徴
多孔質炭素 Pt
多孔質炭素 Pt
多孔質炭素 Pt
カソード
触媒
多孔質炭素 Pt
多孔質炭素 Pt/Ru
多孔質炭素 Pt/Ru
アノード
触媒
200℃ 80℃ 80℃ 作動温度
H+ H+ H+電荷担体
SiC/リン酸スルフォン 酸膜
スルフォン 酸膜
電解質の材料
PAFC PEFC DMFC種 類
高温型各種燃料電池の特徴
多孔質LSM板 多孔質NiO板カソード/触媒
Ni/YSZサーメット 多孔質Ni板アノード/触媒
1,000℃ 650℃作動温度
O2- CO32-電荷担体
ZrO2(Y2O3) LiAlO2/LiNaO3電解質の材料
SOFC MCFC種 類
集電体
H2+H2O O2(air)
イオン交換膜
カソード
集電体ウイック
冷却水H2O冷却水
アノード
H+
xH2O
PEFCの原理
E.T.Dupont De Nemiours and Co. Inc.Nafion 膜ペルフルオロスルホン酸ポリマー膜Perfluorosulphonic acid polymer Membrane
-[(CF2CF2)mCFCF2]n-
O
CF2
CFCF3
O
CF2CF2SO3--H+・xH2O
k
水和プロトン
スルホン酸基
燃料電池自動車の実用化に於ける問題点
PEFCの高出力密度化による小型軽量化の実現
起動時間が短く負荷変動に対する応答性が速い
高い信頼性と適当な耐久性
コストの削減(目標値$50/kW)
燃料の選択と燃料供給インフラの整備
1)純水素、2)メタノール、3)ガソリン
自動車の大きさと種類による燃料の選択
1)路線バス、2)普通自動車、3)特殊自動車
車載可能なコンパクトな改質器の開発
ハイブリッド型燃料電池動力システムの設計
実用化のための実証期間と普及の時期
自動車会社による世界的連合の形成と開発戦略
60Lの各種燃料から得られる水素の量
1311.1圧縮水素ガス(20MPa)
41204.3液体水素
923047メタノール
1432027LNG
1336030LPG
2047045ガソリン
2252050軽 油
最大H2量
(kg)発熱量LHV(103kcal)
重 量
(kg) 燃 料
出展;日石三菱
1次エネルギーからの変換効率
• プロセス 変換効率
• 天然ガスから水素 84.4%• 天然ガスからメタノール 67.4%• 原油からガソリン 95%• 水素ガスの圧縮 15%• (5,000psi;340atm) (of H2 energy) • トラック輸送のエネルギー 1%
40*60*68*FC・蓄電池ハイブリッド高圧水素ガス
(将来の目標)
295058FC・蓄電池ハイブリッド高圧水素ガス
223858FC高圧水素ガス
263088ICE・蓄電池ハイブリッド
141688現状のICEガソリン
総合効率Well to Wheel
(%)
車両効率Tank to Wheel
(%)
燃料効率Well to Tank
(%)自動車の種類
出展;渡辺(トヨタ自動車)JEVA FORRUM 2001
総合効率(Well-To-Wheel)
DMFCの動作原理
DMFCのVI特性