固体高分子形燃料電池

固体高分子形燃料電池（PEFC）について

固体高分子形燃料電池（PEFC）は、主にプロトン交換膜と呼ばれるイオン伝導性を持つ高分子膜を電解質として利用した燃料電池です。最初はプロトン交換膜燃料電池（PEMFC）として知られていましたが、1992年に通商産業省が導入したニューサンシャイン計画を契機に、現在の名称が広まりました。以降、固体高分子型燃料電池という呼称が一般化し、日本産業規格でもその名称が定義されました。

構造と原理

固体高分子形燃料電池は、燃料極（負極）、固体高分子膜（電解質）、空気極（正極）を組み合わせた膜/電極接合体（MEA）から構成されます。これをバイポーラプレートで挟むことで、単セルと呼ばれる基本単位が形成されます。単セルは約0.7Vの電圧を発生し、複数の単セルを直列に接続することで、必要な高電圧を得ることができます。このように生成されたセルスタックは、電力供給用に用いられています。

燃料極では、水素とメタノールが電解質膜に供給され、その反応によってプロトンと電子が生成されます。プロトンは電解質膜内を移動し、電子は回路を通って空気極へ向かいます。一般的に、カーボンブラック上に白金やルテニウム-白金合金催化剤が用いられています。特に、現在使われる固体高分子膜はナフィオンなどのフッ素系ポリマーで、水分を保持しながらプロトンを移動させます。この際、水分が必要不可欠であり、燃料極側では水分が失われないよう注意が必要です。

燃料の選択肢

固体高分子形燃料電池で使用できる燃料は多様ですが、それぞれに特有の課題があります。最も一般的な燃料としては水素が挙げられます。水素は排出物として水のみを生成するため、環境に優しい燃料ですが、取り扱いや貯蔵が難しく、爆発の危険性も伴います。都市ガスやメタノールも利用可能であり、メタノール燃料電池は小型化が容易で、さまざまな試作機が存在します。

水素を得るために使用される改質器は大型化する傾向があり、これには一酸化炭素の除去が要求されるため、装置全体も精緻化が求められます。特にメタノールは、燃料極側でクロスオーバー現象が発生し、効率が低下するため、改良が必要です。

課題と展望

固体高分子形燃料電池は、その持続可能な特性から注目されていますが、いくつかの技術的課題があります。特に、コストの問題や、白金を含む触媒の供給問題が顕著です。自動車への導入には、白金の使用量が多く、経済的な制約が存在します。これに加え、効率性や持続可能性の向上に向けた研究開発が進められており、新たな材料や技術の発展が期待されています。

今後、固体高分子形燃料電池はさまざまな応用が可能であり、クリーンエネルギーの一翼を担う存在になるでしょう。これまで研究が集中的に行われているこの分野において、今後の発展が注目されています。

もう一度検索