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燃料電池の技術/オーム社


トコトンやさしい燃料電池の本 今日からモノ知りシリーズ/日本工業新聞社


　　　　最終更新日:2003/1/5
　

　　
イントロダクション
駆け足でたどる燃料電池の歴史
これだけは知っておきたい基礎知識
燃料電池の基本構造と分類
水素貯蔵技術
応用例1; 自動車
応用例2;モバイル、分散型発電
リンク集

　
■燃料電池
　−　燃料電池の基本構造と分類

単一セルの構造

　前のページで見た燃料電池の発電原理のアニメーションでは、ビーカーに電極を浸した装置を用いており、理科の電気分解実験を思い出させるようなものだった。実際の燃料電池の原理もこれと同じであるが、さすがに構造は大きく異なる。ここでは代表的な燃料電池である固体高分子型のものを見てみよう。

図.固体高分子型燃料電池の単一セルとセルスタックの構造

　単一セルは図のように、セパレータ、空気極、電解質、燃料極、セパレータを重ねたサンドイッチ型になっている。セパレータには溝がついており、ここから燃料となる水素ガスや空気などが注入される。発電原理は「これだけは知っておきたい基礎知識」のページとほとんど同じで、注入された水素は燃料極で化学反応をおこし、発生した電子とプロトンがそれぞれ移動して空気極側まで伝わって酸素と反応するという具合だ。


セルスタックの構造

　ただし単一セルで発生する電圧はせいぜい1V程度なので、任意の目的に合わせてセルを数十枚、数百枚ほど重ねる必要がある(スタック)。これがスタック構造である(上図)。

　このセルスタックで重要なのが全体のバランスである。ガス、イオン、電子、水などすべてが上手に回らないと、高性能で長寿命な燃料電池を期待することは出来ない。どこかが滞ってはいけないのだ。例えば水について、膜が完全に乾燥してしまうと酸素や水素がとなりのセルへとリークしてしまい電池性能が急激に下がってしまう。逆に水分過剰になるとガスの通路に水がつまってガスが流れなにくくなり、やはり電池性能が下がってしまう。


電解質による分類

　これまでは固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)を中心に紹介してきた。このタイプの燃料電池は、低温動作が可能なことやコスト削減の可能性から現在最も注目されている。しかし燃料電池はこのPEFC以外にもいくつか存在しており、それぞれには一長一短がある。電解質によって燃料電池を分類すると次のようになる。

表.燃料電池の電解質による分類
分類 電解質 運転温度 燃料 特徴
固体高分子型
(PEFC;
Polymer Electrolyte Fuel Cells)		 プロトン交換膜 室温〜80℃ 純水素
メタノール
天然ガス		 低温動作が可能なので、応用の幅が広い。また材料が安価なため大幅なコスト削減が期待され、自動車やコジェネレーションシステムなどへの利用が期待されている。
なお改質器を通さずにメタノールを直接燃料とするダイレクトメタノール型(DMFC)は小型化が可能なためモバイルの電源として期待されている。
リン酸型
(PAFC;
Phosphoric Acid Fuel Cells)		 高濃度リン酸 約200℃ 純水素
メタノール
天然ガス		 技術的にはかなり確立されている。ガスエンジンとの競合でどう活路を切り開いていくかが重要。
アルカリ型
(AFC;
Alkaline Fuel Cells)		 水酸化カリウムなど 室温〜150℃ 純水素 宇宙用として実用化された最も古いタイプの燃料電池。ただし、炭酸ガスが電解質に吸収されると炭酸塩として析出するため改質ガス燃料は使えない。
溶融炭酸塩型
(MCFC;
Molten Carbonate Fuel Cells)		 リチウム・カリウム炭酸塩 600〜700℃ 天然ガス、ナフサ、石炭ガス 発電所などの大型の電力供給を目的に研究されている。
固体酸化物型
(SOFC;
Solid Oxide Fuel Cells)		 ジルコニアセラミック系 約1000℃ 天然ガス、ナフサ、石炭ガス 高温で運転するため、アノード上で改質反応と発電反応が起こる。そのため大掛かりな外部改質器を必要としない。PEFCとともに注目されている。



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