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燃料電池の種類1-低温形-:燃料電池の基礎知識2

燃料電池の基礎知識

更新日:2020年1月22日(初回投稿)
著者:敬愛(けいあい)技術士事務所 所長 森田 敬愛(もりた たかなり)

前回は、燃料電池の発電原理とその特長を紹介しました。燃料電池には使われる材料の違いによってさまざまな種類があります。本連載では、第2回と第3回で各種燃料電池の発電原理や特長、そして歴史的背景を解説していきます。

今回は、比較的低温で稼働する燃料電池の基礎知識について解説します。

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1. 主な燃料電池の種類

燃料電池にはさまざまな種類があり、使われる電解質によって名前が付けられています。その中の代表的な5種類の燃料電池について解説します(図1)。

図1:主な燃料電池の種類

図1:主な燃料電池の種類

これらは作動する温度によって低温形と高温形の2つに分けられます。それぞれの種類の英語表記から、下のような略称がよく使われます。

アルカリ形燃料電池               AFC: Alkaline Fuel Cell

りん酸形燃料電池                  PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell

固体高分子形燃料電池            PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell

溶融炭酸塩形燃料電池            MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell

固体酸化物形燃料電池            SOFC: Solid Oxide Fuel Cell

それでは各種類の燃料電池の詳細を説明していきます。

2. アルカリ形燃料電池(AFC)

アルカリ形燃料電池(以下AFC)は、名前のとおり、水酸化カリウム(KOH)などを含んだアルカリ水溶液が電解質に使われます。負極に導入された水素が電極触媒表面で電解質中のOHと反応し、水が生成します。この時に発生する電子が、外部回路を通って電気エネルギーとなります。正極では、導入された酸素と電解液中の水、そして外部回路を通ってきた電子が電極触媒表面で反応し、OHが生成します。生成したOHは負極へ向かって電解質中を移動していきます(図2)。

図2:アルカリ形燃料電池(AFC)の発電原理

図2:アルカリ形燃料電池(AFC)の発電原理

作動する温度は条件によりさまざまです。AFCは比較的低温(60~80℃程度)で作動するため、電極触媒には低温でも活性が高い貴金属系材料が多用されます。電解質はアルカリ性で、酸性電解質に比べて電極に高い耐腐食性が必要でないため、ニッケル(Ni)のような安価な材料を電極触媒に使うこともでき(電池出力はやや低下しますが)、製造コストを下げることが可能です。

英国の技術者であるフランシス・トーマス・ベーコンが1939年に開発したAFCは、より改良されて宇宙船用の電源として使われるようになりました。1960年代に始まったアポロ計画でも採用されましたが、アポロ13号ではAFCの故障(正確には酸素タンクの故障)が原因で、宇宙飛行計画が大幅に変更されました。映画「Apollo 13」(1995年)ではこの時の様子が描かれ、燃料電池の話も登場します。その後、NASAによるスペースシャトル計画(1981~2011年)にもAFCが使われました。

3. りん酸形燃料電池(PAFC)

りん酸形燃料電池(以下PAFC)では、電解質に濃度が約100%の液体りん酸(H3PO4)を使い、水素イオン(H+)がその中を移動します。負極および正極では次のような反応が進行します。

負極: 2H2 → 4H+ + 4e

正極: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O

全反応式: 2H2 + O2 → 2H2O

作動温度は200℃程度で、電解質に酸性溶液を使用するため、電極触媒には比較的低温でも活性が高く、かつ酸性溶液中でも耐腐食性が高い白金(Pt)触媒が使われます。これは、電気伝導性がある炭素粉末上にナノメートルスケールのPt粒子が結合した材料です(第4回で詳しく説明します)。

続きは、保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

4. 固体高分子形燃料電池(PEFC)

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

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