再生燃料電池

再生型燃料電池または逆燃料電池（RFC）は、逆モードで動作する燃料電池であり、電気と化学物質Bを消費して化学物質Aを生成します。定義上、どの燃料電池のプロセスも逆方向に動作させることができます。^[1]ただし、特定のデバイスは通常、1つのモードで動作するように最適化されており、逆方向に動作できるように構築されていない可能性があります。逆方向に動作する標準的な燃料電池は、高圧電解装置、^{[2] 、}再生型燃料電池、固体酸化物電解セル、ユニット化された再生型燃料電池のように、そのように特別に構築されていない限り、一般的に非常に効率的なシステムにはなりません。^[3]

プロセスの説明

例えば、水素を燃料とするプロトン交換膜燃料電池は、水素ガス（H ₂）と酸素（O ₂）を使用して電気と水（H ₂ O）を生成します。再生型水素燃料電池は、電気と水を使用して水素と酸素を生成します。^[4]^[5]^[6]

燃料電池が再生モードで作動する場合、発電モード（燃料電池モード）のアノードは水素生成モード（逆燃料電池モード）のカソードになり、逆も同様です。外部電圧が印加されると、アノード側の水が電気分解されて酸素とプロトンが形成されます。プロトンは固体電解質を介してカソードに輸送され、そこで還元されて水素を形成します。この逆モードでは、セルの極性は燃料電池モードの場合と逆になります。次の反応は、水素生成モードでの化学プロセスを表しています。

陰極では：H ₂ O + 2e ⁻ → H ₂ + O ²⁻

陽極では：O ²⁻ → 1/2O ₂ + 2e ⁻

全体：H ₂ O → 1/2O ₂ + H ₂

固体酸化物形燃料電池

RFCの一例は固体酸化物形燃料電池です。固体酸化物形燃料電池は高温で作動し、燃料から電気への変換率が高いため、高温電気分解に適しています。^[7] 固体酸化物形燃料電池（SORFC）では高温のため電気分解プロセスに必要な電力が少なくて済みます。

電解質は、O ²⁻伝導性および/またはプロトン (H ⁺ ) 伝導性であり得る。水素電極として Ni-YSZ、酸素電極として LSM (または LSM-YSZ) を使用するO ^{2−伝導性イットリア安定化ジルコニア (YSZ) ベースの SORFC の最先端技術が活発に研究されている。}^[7] Dönitz と Erdle は、わずか 1.07 V で0.3 A cm ⁻²の電流密度と 100% ファラデー効率の YSZ 電解質セルの動作を報告した^。[8]スウェーデンの研究者による最近の研究では、プロトンと酸化物イオンの両方の伝導が存在するセリアベースの複合電解質が、燃料電池の動作で高い電流出力と電気分解の動作で高い水素出力を生み出すことがわかっている。^[9]スカンジアとセリアをドープしたジルコニア (10Sc1CeSZ) も、中温 (500-750 °C) での水素製造用の SORFC の潜在的な電解質として研究されている。 10Sc1CeSZは、適切な電極を使用すると良好な挙動を示し、高い電流密度を生み出すことが報告されている。^[10]

電流密度-電圧（ $jV$ ）曲線とインピーダンススペクトルが調査され、記録されます。インピーダンススペクトルは、30kHz〜10−1Hzの周波数範囲で1〜2A RMS（二乗平均平方根）の交流電流を適用して実現されます^。インピーダンススペクトルは、低周波数（<10kHz）では抵抗が高く、高周波数（>10kHz）ではゼロに近くなることを示しています。^{[11]高周波は電解質の活性に対応し、低周波は電極プロセスに対応するため、全体の抵抗のごく一部だけが電解質から生じ、ほとんどの抵抗はアノードとカソードから生じると推測できます。したがって、高性能電極の開発は、高効率SORFCに不可欠です。面積比抵抗は、} $jV$ 曲線の傾きから取得できます。一般的に使用/テストされている電極材料は、SORFC カソード用のニッケル/ジルコニアサーメット (Ni/YSZ) とランタン置換ストロンチウムチタン酸塩/セリア複合材料、SORFC アノード用のランタンストロンチウムマンガナイト (LSM) です。その他のアノード材料には、ランタンストロンチウムフェライト (LSF)、ランタンストロンチウム銅フェライト、ランタンストロンチウムコバルトフェライトがあります。研究によると、Ni/YSZ 電極は燃料電池の動作よりも逆燃料電池の動作で活性が低く、これは電気分解方向の拡散制限プロセス、または主にニッケル粒子の粗大化による高蒸気環境での劣化の影響を受けやすいことに起因すると考えられます。^[12]そのため、チタン酸塩/セリア複合材料（La0.35Sr0.65TiO3–Ce0.5La0.5O2−δ）や（La0.75Sr0.25）0.95Mn0.5Cr0.5O3（LSCM）などの代替材料が電解カソードとして提案されている。LSFとLSM/YSZはどちらも電解モードに適したアノード候補として報告されている。^[13] さらに、動作温度が高く、絶対湿度比が高いほど、面積比抵抗が低くなる可能性がある。^[14]

参照

参考文献

^ 「リバーシブル燃料電池学習キット」。Ecosoul.org。2008年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年9月24日閲覧。
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外部リンク

2005年 - PEM再生燃料電池エネルギー貯蔵システム
データシート可逆燃料電池搭載モデルカー(PDF)
インターリーブ電解層を備えた小型燃料電池

[1] 「リバーシブル燃料電池学習キット」。Ecosoul.org。2008年5月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年9月24日閲覧。

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[Laguna-Bercero2010-7] Laguna-Bercero, MA; Campana, R.; Larrea, A.; Kilner, JA; Orera, VM (2010 年 7 月 30 日)。「マイクロチューブ型 YSZ ベースの固体酸化物再生燃料電池の性能と経年劣化」( PDF )。燃料電池。11 : 116–123。doi : 10.1002/fuce.201000069。hdl : 10261/ 53668。S2CID 33333495。

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