《電力》〈新エネルギー発電〉[H19:問5]発電システムに利用される燃料電池に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，燃料電池に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる語句を解答群の中から選び，その記号をマークシートに記入しなさい。

燃料電池は反応物（活物質）を外部から連続的に供給する化学電池であリ，反応物としては水素と酸素が主として用いられる。燃料電池はその動作条件から$ \ \fbox {　（１）　} \ $と$ \ \fbox {　（２）　} \ $に大別される。$ \ \fbox {　（１）　} \ $の代表例としては，アルカリ形，固体高分子形，りん酸形があり，その主な特徴は燃料電池の中で起動時間の短さと取り扱いの容易さである。また，$ \ \fbox {　（２）　} \ $の代表例としては溶融炭酸塩形，固体電解質形があり，その主な特徴は高い総合エネルギー効率と反応物に一酸化炭素が利用可能なことである。$ \ \fbox {　（１）　} \ $のうち電力用として用いられる設置形として，現在，りん酸形，固体高分子形が実用化されているが，燃料に都市ガス（天然ガス），下水処理場で発生する$ \ \fbox {　（３）　} \ $等を用い，$ \ \fbox {　（４）　} \ $で水素に変換して反応物とする。将来，水素が直接供給されるインフラが整えば$ \ \fbox {　（４）　} \ $は不要となる。燃料電池の発電システムでは$ \ \fbox {　（５）　} \ $を用いることで，エネルギー利用の高効率化が図られている。

〔問5の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　低圧形 \ ( \ 1 \ \mathrm {kg/cm^{2}} \ 未満 \ )　　　　　&（ロ）&　燃料合成装置　　　　　&（ハ）&　低濃度形 \\[ 5pt ] &（ニ）&　高温形 \ ( \ 500 \ ℃ \ 程度以上 \ )　　　　　&（ホ）&　廃熱回収装置　　　　　&（ヘ）&　燃料改質装置 \\[ 5pt ] &（ト）&　低温形 \ ( \ 200 \ ℃ \ 程度以下 \ )　　　　　&（チ）&　反応物発生装置　　　　　&（リ）&　エチレンガス \\[ 5pt ] &（ヌ）&　高圧形 \ ( \ 10 \ \mathrm {kg/cm^{2}} \ 以上 \ )　　　　　&（ル）&　排ガス回収装置　　　　　　　&（ヲ）&　高濃度形 \\[ 5pt ] &（ワ）&　二酸化炭素回収装置　　　　　&（カ）&　プロパンガス　　　　　&（ヨ）&　消化ガス \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

燃料電池の種類と特徴に関する問題です。
本問の内容は構造的な内容なのでどちらかというと機械科目に出題されやすい内容で，電力科目の対策としては燃料電池発電の他の発電方式と比べた特徴を中心に理解しておいた方が良いでしょう。

1.燃料電池の概念図
燃料電池は燃料極（負極またはアノードとも言います）に燃料として水素，空気極（正極またはカソードとも言います）に酸素を供給して，化学変化から電気エネルギーを取り出す方法で，正極と負極では以下の反応があります。
負極では水素が電子を失う酸化反応，正極では酸素が電子を受け取る還元反応が起こります。
\[
\begin{eqnarray}
負極&：&\mathrm {H_{2} → 2H^{+} +2e^{-}} \\[ 5pt ] 正極&：&\mathrm {\frac {1}{2}O_{2} + 2H^{+} +2e^{-} →H_{2}O} \\[ 5pt ] \hline
全体&：&\mathrm {H_{2}+\frac {1}{2}O_{2} →H_{2}O}
\end{eqnarray}
\]

2.燃料電池発電の特徴
水素と酸素の化学反応を利用して直流の電力を得る発電方式で，以下のような特徴があります。
・エネルギー変換効率が良く，排熱利用により熱効率も大幅に上昇する
・発電時の騒音や振動が少ない
・燃料の水素の調達に課題がある
・出力が直流であるため，系統連系の際には交流に変換が必要
・スケールメリットがほとんどなく，コスト面で不利

出典：電験戦士教本「原子力・その他発電」　P.144
ＵＲＬ：https://denkenia-archives.stores.jp/

3.代表的な燃料電池
＜低温作動形＞
①固体高分子形
　電解質：固体高分子
　温　度：80～100℃
　出　力：数百kW
　用　途：家庭用，自動車用

②リン酸形
　電解質：リン酸
　温　度：150～200℃
　出　力：数千kW
　用　途：産業用

＜高温作動形＞
①固体酸化物形
　電解質：酸化ジルコニウム（セラミック）
　温　度：900～1000℃
　出　力：数十万kW
　用　途：分散型電源

②溶融炭酸塩形
　電解質：炭酸塩
　温　度：600～700℃
　出　力：数十万kW
　用　途：分散型電源

【解答】

(1)解答：ト
題意より，解答候補は（イ）低圧形$ \ ( \ 1 \ \mathrm {kg/cm^{2}} \ 未満 \ ) \ $，（ハ）低濃度形，（ニ）高温形$ \ ( \ 500 \ ℃ \ 程度以上 \ ) \ $，（ト）低温形$ \ ( \ 200 \ ℃ \ 程度以下 \ ) \ $，（ヌ）高圧形$ \ ( \ 10 \ \mathrm {kg/cm^{2}} \ 以上 \ ) \ $，（ヲ）高濃度形，になると思います。
ワンポイント解説「3.代表的な燃料電池」の通り，燃料電池には低温形と高温形があり，アルカリ形，固体高分子形，りん酸形は低温形の燃料電池となります。

(2)解答：ニ
題意より，解答候補は（イ）低圧形$ \ ( \ 1 \ \mathrm {kg/cm^{2}} \ 未満 \ ) \ $，（ハ）低濃度形，（ニ）高温形$ \ ( \ 500 \ ℃ \ 程度以上 \ ) \ $，（ト）低温形$ \ ( \ 200 \ ℃ \ 程度以下 \ ) \ $，（ヌ）高圧形$ \ ( \ 10 \ \mathrm {kg/cm^{2}} \ 以上 \ ) \ $，（ヲ）高濃度形，になると思います。
ワンポイント解説「3.代表的な燃料電池」の通り，溶融炭酸塩形，固体電解質形は高温形の燃料電池となります。

(3)解答：ヨ
題意より，解答候補は（リ）エチレンガス，（カ）プロパンガス，（ヨ）消化ガス，になると思います。
下水処理場で発生するガスを消化ガスと呼び，汚泥を微生物で分解するときにメタンや二酸化炭素等のガスを発生させます。

(4)解答：ヘ
題意より，解答候補は（ロ）燃料合成装置，（ヘ）燃料改質装置，（チ）反応物発生装置，になると思います。
ワンポイント解説「2.燃料電池発電の特徴」の図の通り，燃料ガスは燃料改質装置で水素に変換されます。

(5)解答：ホ
題意より，解答候補は（ホ）廃熱回収装置，（ル）排ガス回収装置，（ワ）二酸化炭素回収装置，になると思います。
ワンポイント解説「2.燃料電池発電の特徴」の通り，エネルギーの有効利用に活用するのは廃熱回収装置となります。