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濃度過電圧とは
燃料電池の出力電圧は、理論電圧（約1.23 V）よりも低くなります。その要因のひとつが濃度過電圧（ηconc）です。
濃度過電圧は、反応ガスやイオンの供給が不足することで電極近傍の濃度が低下し、電極反応が進みにくくなるために生じます。特に高電流密度領域で支配的に現れます。
濃度過電圧の式
濃度過電圧は次のように表されます。
ηconc = −c · ln(1 − i / iL)
- i：電流密度 [A/cm²]
- iL：限界電流密度 [A/cm²]（供給できる物質量に依存）
- c：係数（気体拡散や物質移動の特性によって決まる）
この式からわかるように、電流密度が限界電流密度に近づくと、濃度過電圧は急激に増加します。
数値例
c=0.02、\(i_L\)=3とすると、濃度過電圧\( \eta_\text{conc} \)は下記のグラフのようになります。
測定方法
濃度過電圧は、以下の手順で評価されます。
- 内部抵抗の補正を行い、IR drop を除去する。
- 低電流密度域では活性化過電圧が支配的なので、その影響を差し引く。
活性化過電圧の記事は こちら - 高電流密度域における電圧低下を濃度過電圧とみなす。
- 限界電流密度 iL をプロットから推定し、上式にフィッティングする。
これにより、理論的な濃度過電圧を計算することができます。
実務での意味
- 濃度過電圧は、燃料供給やガス拡散層（GDL）、触媒層の設計に直結します。
- 限界電流密度 iL を大きくすることで、高電流密度領域でも安定した出力が得られます。
- セル設計の改善や運転条件の最適化に役立ちます。
まとめ
- 濃度過電圧は、高電流密度領域での電圧低下を支配する。
- 限界電流密度 iL の推定が重要。
- 燃料供給や拡散層設計の改善により、濃度過電圧を抑制できる。