燃料電池について

燃料電池(英:fuel cell)は、燃料（多くは水素）と酸化剤（多くは酸素）の化学エネルギーを、一対の酸化還元反応によって電気に変換する電気化学電池である。
　燃料電池が多くの電池と異なる点は、化学反応を維持するために燃料と（通常は空気からの）酸素を継続的に供給する必要がある点である。一方、電池では化学エネルギーは通常、電池内に既に存在する物質から得られる。
　燃料電池は、燃料と酸素が供給される限り、継続的に電気を作り出すことができる。(Wikipedia)

燃料電池の種類と特徴

Types and Characteristics of Fuel Cells

	固体酸化物形 SOFC (Solid Oxide F.C.)	溶融炭酸塩形 MCFC (Molten Carbonate F.C.)	リン酸形 PAFC (Phosphoric Acid F.C.)	固体高分子形 PEFC (Polymer Electrolyte F.C.)	アルカリ水溶液形 AFC (Alkaline F.C.)
電解質	電解質物質		安定化ジルコニア (ZrO₂ + Y₂O₃)	炭酸リチウム (Li₂CO₃) 炭酸カリウム (K₂CO₃)	リン酸 (H₃PO₄)	イオン交換膜（特にカチオン交換膜）	水酸化カリウム (KOH)
イオン導電種	O^2-	CO₃^2-	H⁺	OH^-
比抵抗	～1Ωcm	≦20Ωcm	～1Ωcm
作動温度	700～1000℃	600～700℃	190～200℃	80～120℃	50～150℃
腐食性		強	中程度
使用形態	薄膜状	マトリックスに含侵又はペーストタイプ	マトリックスに含侵	膜	マトリックスに含侵
電極	触媒	不要	Pt系	Ni・Ag系
燃料極(-)	H₂ + O^2- → H₂O + 2e^-	H₂ + CO₃^2- → H₂O + CO₂ + 2e^-	H₂ → 2H⁺ + 2e^-	H₂ + 2OH^- → 2H₂O + 2e^-
空気極(+)	½O₂ + 2e^- → O^2-	½O₂ + CO₂ + 2e^- → CO₃^2-	½O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O	½O₂ + H₂O + 2e^- → 2OH^-
燃料（反応物質）	都市ガス、LPガス、石油、メタノール、石炭ガス、純水素等	純水素（CO₂含有不可）
システム発電効率	50%～	～50%	35～45%	～50%	～60%
用途	定置	大規模発電、家庭用分散電源	発電施設やオフィスビル等の高出力の電気供給システム	工場や事業所のコージェネレーション発電設備	家庭用の分散型電源	宇宙産業
移動体	移動電子機器用電源	自動車や船舶の動力源	自動車などの動力源	自動車などの動力源
問題点及び開発課題	セル構造耐熱材料電解質の薄膜化サーマルサイクルに対する耐久性	構成材料の耐食、耐熱化 CO₂の循環系など要素技術の開発、熱収支、ボトミングサイクルを考慮したシステム解析	安価な触媒の開発あるいはPt使用量の低減発電システム全般にわたる長寿命化、低コスト化	構成材料の高性能化、長寿命化セル構成技術と大型化温度、水分管理 Pt使用量の低減	燃料、酸化剤中のCO₂による電解液劣化 ↓ 地上では実用化されていない

固体酸化物形
SOFC
(Solid Oxide F.C.)

溶融炭酸塩形
MCFC
(Molten Carbonate F.C.)

リン酸形
PAFC
(Phosphoric Acid F.C.)

固体高分子形
PEFC
(Polymer Electrolyte F.C.)

アルカリ水溶液形
AFC
(Alkaline F.C.)

電
解
質

電解質物質

安定化ジルコニア (ZrO₂ + Y₂O₃)

炭酸リチウム (Li₂CO₃)
炭酸カリウム (K₂CO₃)

リン酸 (H₃PO₄)

イオン交換膜（特にカチオン交換膜）

水酸化カリウム (KOH)

イオン導電種

O^2-

CO₃^2-

H⁺

OH^-

比抵抗

～1Ωcm

≦20Ωcm

～1Ωcm

作動温度

700～1000℃

600～700℃

190～200℃

80～120℃

50～150℃

腐食性

強

中程度

使用形態

薄膜状

マトリックスに含侵又はペーストタイプ

マトリックスに含侵

膜

マトリックスに含侵

電
極

触媒

不要

Pt系

Ni・Ag系

燃料極(-)

H₂ + O^2- → H₂O + 2e^-

H₂ + CO₃^2- → H₂O + CO₂ + 2e^-

H₂ → 2H⁺ + 2e^-

H₂ + 2OH^- → 2H₂O + 2e^-

空気極(+)

½O₂ + 2e^- → O^2-

½O₂ + CO₂ + 2e^- → CO₃^2-

½O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

½O₂ + H₂O + 2e^- → 2OH^-

燃料（反応物質）

都市ガス、LPガス、石油、メタノール、石炭ガス、純水素等

純水素（CO₂含有不可）

システム発電効率

50%～

～50%

35～45%

～50%

～60%

用
途

定置

大規模発電、家庭用分散電源

発電施設やオフィスビル等の高出力の電気供給システム

工場や事業所のコージェネレーション発電設備

家庭用の分散型電源

宇宙産業

移動体

移動電子機器用電源

自動車や船舶の動力源

自動車などの動力源

問題点
及び
開発課題

セル構造
耐熱材料
電解質の薄膜化
サーマルサイクルに対する耐久性

構成材料の耐食、耐熱化
CO₂の循環系など要素技術の開発、熱収支、ボトミングサイクルを考慮したシステム解析

安価な触媒の開発あるいはPt使用量の低減
発電システム全般にわたる長寿命化、低コスト化

構成材料の高性能化、長寿命化
セル構成技術と大型化
温度、水分管理
Pt使用量の低減

燃料、酸化剤中のCO₂による電解液劣化

↓

地上では実用化されていない