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電子回路でシミュレーション! 燃料電池の化学反応解析
- 1. 水素 × 酸素 最新テクノロジ解説 水素の供給 C1 G1 5.106E-6 MH 2 0 IN1 × IN2 G OUT OUT G3 ＋ IN1 安全・高エネルギ・充電不要 ！ 3 拍子そろった夢の発電素子 H1 IN2 F H F4 F F 0 F ＝ 5VDC PH2 V_FSH 101000 Vdc F1 VH2 RTH2 R 1 1000k 546.448 G 0.408E-5 V1 アノード電極の水素 RH 2 Eh 2 R 1_RH2 PhH 2 C 3 3.355E-4 圧力 水＋電気 1.2105 酸素の供給 0.5748E-4 VO2 RTO2 G C2 7.66E-8 G2 MO2 PO 2 F F3 G4 IN1 × G OUT V_PSH1 101000Vdo OUT EO 2 F2 PhO 2 R 2 10000k R 1_RC2 333.333 C 4 5.719E-4 RO2 カソード電極の酸素 電子回路でシミュレーション ！ 燃料電池の化学反応解析 H2 ＋ IN2 IN2 IN1 H F6 F F 5.7803 1 1 カソード電極の水 G IN1 × IN2 IN1 ＋ OUT G5 OUT C 5 5.719E-4 ファラデー定数 （V （％IN1） 96490×2＝2 F ＊ IN2） （％ ） /V IN3） C/mol （％ R 3 1000k PH 2O IN1 IN2 OUT IN3 H3 堀米 毅 IN2 H F7 Tsuyoshi Horigome V R T_K F V_2F 電子回路のシミュレーションを行うツールとして 広く知られる SPICE は，アナログ・ビヘイビア・モ デルを使って SPICE モデルを作ることで，半導体部 品，受動部品，機構部品，モータ，センサ，電池の シミュレーションができるようになります． 今回は，燃料電池の SPICE モデルの作り方を紹 介します．ニッケル水素蓄電池やリチウム・イオン 蓄電池から燃料電池への置き換えを考えたとき，今 回作成した SPICE モデルがあれば，モータやインバ ータ回路などの動作を予測することができます．さ らに，燃料電池内部の水素の量，圧力，温度が変動 したとき，モータやインバータ回路などが，どのよ うな故障につながるのか予測することもできます． 現在のところ，燃料電池の SPICE モデルに関する 情報は皆無です．本記事を参考に，みなさんも挑戦 してみましょう． ● 水素さえあれば電気を作れる 動作原理を図 1 に示します．水素は電極 （アノード） でイオン化されます．イオン化されたときに発生する 電子は，導線を伝わって電流になります．水素イオン は，電解質を通過してカソード電極に移動します．電 解質を通過してくる水素イオンと導線を伝わってきた 電子に反応し，酸素は水になって排出されます．環境 へのストレスの大きい窒素酸化物などを出しません． 図 2 にアノード電極およびカソード電極における化学 反応式を示します． ● 進化中 でもコストと寿命が泣き所… ！ 燃料電池の最大の長所は，エネルギ密度が非常に大 きいことです．リチウム電池の 10 倍以上です．短所 もありますが，今後量産化が進めば解消される見込み です． ▶長所 燃料電池の基礎 ● 燃料電池は水素と酸素を利用した発電装置です．燃 焼反応を起こさないため，窒素酸化物などの発生がほ とんどありません．優れた環境特性を持ったデバイス です．水素と酸素の供給を継続すれば，電気を継続的 に生み出すことができます． ● 特殊材料，触媒などの製造コストが高い ● 導線 電解質および電極 （触媒） の劣化で寿命が決まる 負荷に対する過渡応答性が悪い e e− e− O2 理想的な電圧 H2 電解質 2H＋＋2e− （a）アノード電極での 化学反応式 カ ソ ー H＋ H＋ ド H＋ 図 1 燃料電池の動作原理 窒素酸化物などを発生しないので環境に優しい 176 ▶短所 H2O 極 電 1 O2＋2H＋＋2e− 2 電圧［V］ e H2 環境に優しい − e− e−ア ノ ー ド 電 極 充電が不要である ● ● 電気が生まれる − エネルギ密度が非常に大きい ● 活性化過電圧 IR 損失 濃度 過電圧 H2O （b）カソード電極での 化学反応式 図2 燃料電池の化学反応式 電流密度［A/cm2］ 図 3 燃料電池の発電特性 2014 年 2 月号