流れ 2012年9月号 目次
― 特集テーマ：燃料電池の流れ ―
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次世代型燃料電池開発に向けた内部特性評価シミュレーション
立川 雄也 |
１．はじめに
家庭用燃料電池が市販化されたことや燃料電池自動車の試乗会が各地で行われるなど，燃料電池技術が身近なものになって久しいが，依然として効率の向上や高耐久化，低コスト化など革新的な技術が開発現場で必要とされている．その中でも燃料電池内部現象の可視化技術は，燃料電池の一単位であるセルの性能評価を行うにあたって非常に重要な研究のひとつである．特に燃料電池は非常に薄い膜や板で構成されており，in-situにおける熱やガス供給，電流分布などの評価は容易でないため，実験的な可視化技術の研究開発は現在も進められている[1][2]．本稿では現在，次世代の燃料電池として開発が進められている固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)と固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)の2種類に関して，それぞれの課題解決に向けた可視化技術開発という視点で数値解析を用いたアプローチを紹介する．
2. 固体高分子形燃料電池における技術課題
2.1 PEFCにおける水管理問題
固体高分子形燃料電池(図1左側)は，燃料電池の高い出力密度や，60～90℃程度の比較的低温で作動可能な特長から主に携帯電話などの小型携帯機器や燃料電池自動車(FCV)への活用が検討されている．しかし，固体高分子形燃料電池はその発電の構造上，カソード極(空気極)側で水があふれるフラッディングと呼ばれる現象が発生し，その生成した水がガス供給を妨げることにより，発電が不安定となることが既に知られている．このフラッディングに代表される燃料電池内部現象の解明に向けて，多孔質材料中の二相流ガス拡散現象を明らかにすることは非常に重要である．本稿ではモデル化した燃料電池の基礎方程式を有限要素近似により離散化し，電池内部の生成水分布拡散の挙動を解析したその概要について記述する．
図1 固体高分子形燃料電池(左)と固体酸化物形燃料電池(右)の構造と反応概略図
2.2 PEFCにおける基礎方程式ならびに結果･考察
PEFC内部のモデリングには非等温多成分二相流ガス流れ問題に加えてオームの法則とNernst-Plankの式に基づく電子-プロトン移動モデルを考慮に入れる必要がある．本稿では以上の現象を考慮に入れた基礎方程式をモデル化した．また二相流の液相-気相分布割合の計算にはPore size distribution法に基づく液相飽和度を用いて計算を行った．以下に結果を示す．
図2 カソードMPL付PEFC内部の高電流負荷時の物質分布(a)水蒸気圧分布，(b)液相水圧分布，(c)液相飽和度分布．(※PEM：高分子電解質，GDL：ガス拡散層，SP：ガスセパレータ，PEMの両極側に触媒層を設置，カソード側触媒層とGDLの間に多孔率0.25のマイクロポーラス層(MPL)を設置したPEFCで計算)
図2の結果からカソード側MPLの設置により，高電流負荷時でもカソード側の液相飽和度が低くフラッディングが抑制されていると考えられる．そのことからカソード側へのガス拡散が行われていることが確認できるが，一方で液相の水圧がカソード側で上昇しており，高圧のカソード側から低圧のアノード側への水の逆拡散現象により，アノード側GDLでは水の多い液相飽和度が高い状態が確認される．
図3 アノード触媒表面の親水性/疎水性変化による1次元方向水分布特性
図3のアノード触媒担体を親水化することで水分布特性が変化し，両極の液水圧に影響を与えることが明らかとなった．特にカソード側の液相飽和度の低下は，ガス接触面積の増加に伴う触媒反応性や触媒へのガス拡散性の改善に影響を与えることが明らかである．この現象はアノード側の親水化に伴い，水の拡散性が上昇したことが要因の一つであると考えられる．この知見によりアノードに親水性触媒材料を用いることで全体の水管理特性を変化させることが可能であることが明らかとなった．
3. 固体酸化物形燃料電池における技術課題
3.1 SOFCにおける熱応力･破壊問題
固体酸化物形燃料電池(図1右側)は，800～1000℃という高温域で発電を行うことが可能なため，貴金属の触媒が不要，かつ固体高分子形よりも更に高い発電効率を示すことから定置型の高出力発電システムなどに活用が期待されている．2012年6月現在で最新の家庭用燃料電池“エネファーム”ではこのSOFCが利用されている[3]．またSOFCの特長のひとつに電解質が酸素イオンを透過することにより反応する還元剤としての燃料適応性の高さが上げられる．そのため，メタン(CH4)や一酸化炭素(CO)なども燃料として使用可能なため都市ガスやバイオガスなどを直接供給して改質器を省略することが可能になるなどコストカットが可能となる．その反面，燃料改質反応に由来する吸熱がセラミックスで構成される電解質に熱応力を生じさせ，結果セルの崩壊を引き起こす可能性が高くなるため，その評価は非常に重要である．本稿では平板型SOFCにおける発電と改質反応に伴う温度分布の変化をCFDソフトウェアANSYS FLUENT ver.14を用いて計算した結果の概要を記述する．
3.2 SOFCにおける基礎方程式ならびに結果･考察
SOFCでは内部流れが単相流になった他，電解質を酸素イオンが移動することによる電気化学反応の変化がPEFCモデルと異なることになる．またアレニウスの反応速度式に基づくメタンの改質反応モデルを考慮することで，都市ガスなどの炭化水素系燃料による内部改質型SOFC運転時のセル温度分布の変化を検証する．図4は現在検証に用いているSOFCの概略図である．以下に結果を示す．
図4 アノード支持平板型SOFC概略図 (左)断面図, (右)上面図
図5 メタン燃料改質による面内温度分布の燃料流量依存性
図5の計算結果からガス入口付近で内部改質による燃料流量に比例した吸熱効果が現れており，この内部改質反応による吸熱を分散させて，熱応力の集中を防ぐよりロバストな構造の検討に向けた基礎的な知見を得た．
図6 平板型SOFCにおける3%加湿水素燃料流量依存性
図6の結果から流量の増減により温度上昇量が変化していることが，温度分布は有効な電極面(4×4cm)全体にほぼ一様な温度を維持していることが確認された．一方で外周部は恒温炉設定温度の800℃(1073K)を維持していることから，その境界付近で特に熱勾配が大きく，熱応力による破壊の起点が生じる要因として考えられる．
4. おわりに
本稿では次世代の燃料電池として注目される2種類の燃料電池に関して，それぞれの技術的課題に焦点を当てて議論した．その結果，低温作動燃料電池内部の水分布は，材料特性のうち触媒の親水性/疎水性の調整により挙動制御が可能になるという指針を得た．また高温作動燃料電池内部の温度分布は改質による吸熱反応や燃料流量の増減により変化することや計算された温度分布から熱変形の生じる箇所の予測が可能となった．
謝辞
固体高分子形燃料電池の研究を実施するにあたり，九州大学工学研究院の金山寛教授には有限要素法による燃料電池システムのモデル化に際し，多大なる御指導を頂いた．またPEFCに関する研究の一部は科学研究費補助金・若手研究(B) (23760076)「固体高分子形燃料電池の新型触媒における性能の評価を目的とした数値解析」の支援により実施された．また固体酸化物形燃料電池の研究を実施するにあたっては九州大学工学研究院の佐々木一成主幹教授ならびに同研究院の白鳥祐介准教授をはじめとする多くのスタッフに多大なる御指導を頂いた．またSOFCに関する研究の一部はNEDO「固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発」(P08004)により実施された．それぞれここに記して謝意を表する．
参考文献