電池と燃料電池の違いは?固体高分子形燃料電池の構造と反応

電池と燃料電池の違い 固体高分子形燃料電池(PEFC)の構成と反応、特徴

 

こちらのページでは、電池と似たような装置として一般的にとらえられている

 

・燃料電池とは何か?電池と燃料電池の違いは?

 

・固体高分子形燃料電池の構成と反応

 

・固体高分子形燃料電池の特徴

 

について解説しています。

 

 

燃料電池とは何か?電池と燃料電池の違いは?

 

燃料電池と聞くと電池という言葉を含んでいるため、スマホ向けバッテリーに使用されているリチウムイオン電池のような充放電を繰り返し使えるような電池をイメージをするかもしれません。

 

しかし、燃料電池は電池というより発電機という言葉が良くあてはまるデバイスです。

 

通常の「電池」は電池を構成する正負極の活物質自体が化学反応を起こし電気エネルギーに変換するのに対して、「燃料電池」は外部から酸素や水素などの燃料を供給し、その燃料を反応させることで化学エネルギーを電気エネルギーに変換させます。

 

この燃料電池にも種類がいくつかあり、代表的な燃料電池は以下のものが挙げられます。

 

@固体高分子形燃料電池(PEFC、PEMFC)

 

A固体酸化物形燃料電池

 

B溶融炭酸塩形燃料電池

 

Cリン酸形燃料電池

 

Dアルカリ交換膜型燃料電池

 

こちらのページでは、特に研究・開発が進んでいる燃料電池の中でもスマートハウスやゼロエネルギーハウスなどに搭載の家庭用コージェネレーションシステムとして実用化されている固体高分子形燃料電池(PEFC)について解説しています。

 

 

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;固体高分子形燃料電池(PEFC)の構成と反応 MEA(膜-電極接合体)とは?

 

固体高分子形燃料電池(PEFC)の単位構成は、アノード、カソード、電解質膜、外部筐体等から構成されます。

 

電解質膜をアノード、カソードで挟みこみ接合したものを膜−電極接合体(Membrane Electrode Assemblyの頭文字をとり、MEAとも呼びます)と呼び、このMEAが実験室で燃料電池の評価を行う際の最小単位です。

 

そして、燃料としてアノードには水素を、カソードには酸素や酸素を含んでいる空気を供給し、化学エネルギーを電気エネルギーに変換させます。

 

アノードとカソードが直接触れると、水素と酸素の反応が起きてしましますが、膜を介して各々反応を起こすことで外部回路に電子を流すことができ、つまり電流流す、発電出来るようになります。

 

 

 

各々の電極の反応式は以下の通りです。

 

 

 

燃料に水素と酸素を使用し、生成物が水と発熱エネルギ−のみであるため、低環境負荷なエネルギーデバイスであると言えます。

 

アノードやカソード、電解質膜の詳細構造は別ページにて解説しています。

 

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固体高分子形燃料電池(PEFC、PEMFC)の特徴

 

固体高分子形燃料電池の特徴には以下のことが挙げられます。

 

固体高分子形燃料電池の長所(メリット)

 

@反応による生成物が水と発熱エネルギーのみであるため、低環境負荷であること。

 

A化学エネルギーを直接、電気エネルギーに変換するため、高い理論変換効率を有すること。固体高分子形燃料電池の理論変換効率の値はおよそ83%程度です。

 

また、発熱エネルギーも別の工程で有効利用することで、電気と熱エネルギーを合わせた総合効率(コージェネレーション効率)が非常に高いです。

 

B電解質膜に固体高分子を使用するため、小型化が可能であり、常温付近から低温まで作動することが可能であること。

 

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固体高分子形燃料電池(PEFC)の課題(デメリット)

 

固体高分子形燃料電池(PEFC)の課題としては、以下のようなことが挙げられます。

 

@カソード・アノード両方の電極触媒に白金(Pt)といった貴金属を使用するため高コストであり、白金の埋蔵量の低さから別の元素を使用した触媒の開発(白金代替触媒)が求められていること。

 

A電極や電解質膜の耐久性が目安値の10年間に達していないこと。

 

Bカソードでの酸素還元活性反応(ORR)性が特に低く、活性化過電圧や濃度過電圧が大きいことから理論起電力の1.23V付近に到達していないこと。

 

などが挙げられます。

 

 

詳細な課題や対応策などは別ページで随時追加していきます。

 

 

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