燃料電池は、使用される電解質と製造プロセスに基づいて分類される、生物学的システムであると同時に電気化学的システムでもあります。これらの燃料電池は、電気化学プロセスを通じてさまざまな形のエネルギーを生成したり、燃焼やガス化などのプロセスを必要とせずに熱ベースのエネルギーや電気を生成するために使用されます。現在、プロトタイプの開発または研究段階にある燃料電池技術がいくつかありますが、代表的な技術のいくつかは、使用される電解質、発生する化学反応、関与する触媒、動作温度、原料として使用される燃料の種類が異なります。以下に、現在知られている燃料電池の分類と特徴を簡単に紹介します。以下の図は、さまざまなタイプの燃料電池で使用される燃料、簡単な構造の説明、動作温度を簡単に示しています。次の表は、各タイプの燃料電池に必要な電解質、動作温度、燃料、および長所と短所を示しています。
I. 固体高分子型燃料電池 (PEMFC - 固体高分子型燃料電池)
高分子電解質膜燃料電池 (PEMFC) は出力密度が高く軽量であるため、他のタイプの燃料電池よりも一般的な選択肢となっています。これは、商業用途で最も一般的で広く推進されている技術ルートでもあります。この名前は固体高分子型燃料電池と同じ意味で使用され、ここでは特に低温燃料電池 (LT-PEM) も指します。固体高分子電解質と白金または白金合金触媒を備えた炭素電極により、これらの燃料電池は水素と酸素 (空気) のみを使用できます。通常、PEMFC は貯蔵タンクまたは改質装置からの純粋な水素 (99.99% 以上) を燃料として使用します。これらの燃料電池は、約 80°C (176°F) の低温で動作するため、起動時間が短縮され、システム コンポーネントの磨耗が少なくなり、耐久性が向上します。ただし、白金などの貴金属触媒を使用すると、システムのコストが増加します。 PEMFC は主に輸送目的で使用されますが、熱と電力を組み合わせた定置型発電用途にも使用できます。特にバス、乗用車、大型トラックなどの車両用途に適しています。日本のトヨタ、韓国のヒュンダイ、バラードなど大手企業が多く、国内企業も枚挙にいとまがない。
II.直接メタノール燃料電池 (DMFC - 直接メタノール燃料電池)
ほとんどの燃料電池は水素を動力源としており、システムに直接供給することも、メタノール、エタノール、炭化水素などの水素が豊富な燃料を改質することによって生成することもできます。ただし、DMFC (直接メタノール燃料電池) の動作は完全に 100% メタノールに基づいており、通常、メタノールは燃料電池のアノードに直接注入される前に水と混合されます。 DMFC は、メタノールのエネルギー密度が水素よりも高い (ただし、ガソリンやディーゼル燃料よりは低い) ため、他の燃料電池システムによくある燃料貯蔵の問題に悩まされません。さらに、メタノールはガソリンと同様に液体であるため、既存のインフラを介して輸送および配布することが容易になります。 DMFC は、携帯電話やラップトップなどのポータブル燃料電池アプリケーションで一般的に使用されます。現在、一部の企業は特に軍事産業や基地局などのシナリオで商業プロモーションを行っています。構造原理を図に示します。
Ⅲ． アルカリ燃料電池 (AFC - アルカリ燃料電池)
アルカリ電解水 (AEC) は誰もがよく知っていますが、アルカリ燃料電池 (AFC) はあまり知られていないかもしれません。ただし、AFC は発明された最も初期の燃料電池技術の 1 つであり、宇宙船で電気と水を生成するために米国の宇宙計画で広く使用されています。水酸化カリウムと水の溶液が電解質として使用されるため、アノードとカソードで大量の非貴金属触媒を自由に使用できます。最近、電解質として高分子膜を使用する新しい AFC が登場しました。これらの燃料電池は従来の PEM 燃料電池に似ていますが、酸性膜の代わりにアルカリ性膜を使用しています。アルカリ燃料電池 (AFC) の主な障害の 1 つは、二酸化炭素 (CO2) 中毒に対する脆弱性です。空気中の微量の二酸化炭素であっても、炭酸塩の堆積物が生成され、バッテリーの効率と寿命に重大な影響を与える可能性があります。液体電解質を含む AFC は再循環モードで実行して電解質を再生し、炭酸塩の生成を減らすことができますが、このモードではシャント電流や、湿潤性、腐食、差圧処理などのその他の問題が発生します。アルカリ膜燃料電池 (AMFC) はこれらの問題を解決し、液体電解質を使用する AFC よりも二酸化炭素中毒の影響を受けにくいです。しかし、二酸化炭素は依然として性能に影響を及ぼしており、現在、性能と耐久性の点で固体高分子型燃料電池 (PEMFC) に遅れをとっています。 AMFC は現在、数ワットから数キロワットの範囲での使用の可能性について研究されています。ただし、実際の用途では、二酸化炭素に対する耐性、膜の導電性、耐久性など、いくつかの課題に対処する必要があります。商業プロモーションが弱く、有名企業も少ない。
IV.リン酸燃料電池 (PAFC——リン酸燃料電池)
リン酸燃料電池 (PAFC) は、液体リン酸を電解質として使用します。液体リン酸は炭化ケイ素マトリックスで包まれ、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) で結合されています。電極は白金触媒を含む多孔質カーボンで構成されています。 PAFC は「第一世代」の最新の燃料電池と呼ばれることが多く、最も成熟した 燃料電池 タイプの 1 つと考えられており、しばらくの間商業的に使用されてきました。主に定置型発電に使用されていますが、市バスなどの大型車両にPAFCが搭載されている例もあります。陽子交換膜 (PEM) 電池と比較して、PAFC は水素に変換される化石燃料中の不純物を許容できるという利点があります。 PEM セルは一酸化炭素によって容易に「中毒」され、一酸化炭素はアノードの白金触媒に結合し、燃料電池の効率を低下させます。対照的に、PAFC は不純物に対して一定の耐性があり、熱と電力を組み合わせると 85% 以上の効率になります。ただし、単独で発電する場合は効率が低く、効率は 37% ～ 42% です。この効率レベルは、通常約 33% の効率である燃焼ベースの発電所の効率よりもわずかに優れているだけです。さらに、PAFC は同じ重量と体積の他の燃料電池に比べて出力が低く、大きいため、製造コストが高くなります。これらの燃料電池の製造には高価な白金触媒が大量に必要となるため、コストが高くなります。代表的な企業としては韓国の斗山（DOOSAN）などが挙げられます。 PAFCは 主に定置型発電やドローンに使用されています。
V.溶融炭酸塩燃料電池（MCFC-溶融炭酸塩燃料電池）
溶融炭酸塩燃料電池（MCFC）の開発は、電力事業、産業、軍事分野のさまざまな用途の天然ガスおよび石炭ベースの発電所で使用することを目的として現在進行中です。これらの燃料電池は約 650°C (1200°F) の温度で動作するように設計されており、高温燃料電池とみなされます。 MCFC で使用される電解質は、多孔質の不活性セラミック リチウム アルミニウム酸化物マトリックス中に懸濁された溶融炭酸塩です。高温で動作させる利点の 1 つは、非貴金属をアノードとカソードの両方の触媒として使用できることであり、コスト削減に役立ちます。 MCFC は効率が向上するため、コストを大幅に削減できます。タービンと組み合わせると、これらの燃料電池は最大 6 5%の効率を達成でき、 37 ～ 42%をはるかに上回ります。 リン酸燃料電池の効率さらに、廃熱を回収して利用すると、全体の燃料効率が 85% を超える可能性があります。アルカリ、リン酸、PEM 燃料電池とは異なり、MCFC は天然ガスやバイオガスなどの燃料を水素に変換するために外部改質装置を必要としません。その代わりに、燃料電池自体が内部改質によってメタンやその他の軽質炭化水素を水素に変換し、それによってコストを削減します。現在の技術では、MCFC は耐久性において大きな欠点に直面しています。高温での過酷な動作条件や腐食性電解液の使用により、コンポーネントの腐食と分解が促進され、最終的に 寿命が短くなります。研究者たちは、耐食性材料の使用を積極的に研究し、性能を犠牲にすることなく現在の耐用年数 40,000 時間 (約 5 年) を 2 倍にできる燃料電池設計の開発を行っています。米国の代表的な企業としてはFuel Cell Energy社などが挙げられる。
VI : 高温固体酸化物電池 (SOFC-Solid Oxide Fuel Cells)
固体酸化物型燃料電池 (SOFC) は、硬質で非多孔質のセラミック化合物を電解質として利用しており、燃料を電気に変換する効率が約 60% と非常に高いです。熱と電力を組み合わせたアプリケーションでは、システムの廃熱を回収して利用することで、全体の燃料効率が 84% を超える可能性があります。これらの燃料電池は、最大 1830°F の非常に高い温度で動作します。
この高温操作では貴金属触媒が必要ないため、コストが削減されます。さらに、SOFC は内部で燃料を改質できるため、さまざまな燃料の使用が可能になり、システムへのコンバーターの追加に関連する費用が削減されます。固体酸化物型燃料電池 (SOFC) には、他のタイプの燃料電池に比べて明確な利点があります。たとえば、他のタイプよりも多くの硫黄に耐えることができ、一酸化炭素中毒の影響を受けにくいため、天然ガス、バイオガス、石炭由来ガスなどのさまざまな燃料で稼働できます。さらに、高温での動作により貴金属触媒が不要になり、コストが安くなります。ただし、高温での動作には、起動の遅さや熱シールドの要件などの課題があり、輸送には適していません。さらに、高温での過酷な条件のため、耐久性も重要な問題です。したがって、これらの条件に耐えることができる低コストの材料を開発することが重要です。有望なアプローチの 1 つは、耐久性の問題が少なく、運用コストが低い、より低温の SOFC を開発することです。これらの低温 SOFC はまだ高温システムと同じ性能を達成していませんが、科学者は現在、この低温範囲で動作できる材料のスタックを開発しています。現在、国内外に多くの関連企業が存在します。具体的な動作原理と構造原理を図に示します。
Ⅶ ．可逆性燃料電池 (RFC - 可逆性燃料電池)
厳密に言えば、リバーシブル燃料電池は特定の技術的ルートを指すものではありません。現在、一般的なものは、アルカリ可逆性、PEM 可逆性、および SOC 可逆性 (水と燃料電池の可逆的電気分解を指します) です。副産物としての水素、酸素、水から電気と熱を生成するため、その動作原理は他の燃料電池と似ています。ただし、可逆燃料電池システムには、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源からの電気を使用して電気分解を実行し、水素と酸素燃料を生成する追加の機能があります。これは、可逆性燃料電池が必要なときに電気を供給するだけでなく、再生可能エネルギー技術が現在必要としている以上のエネルギーを生成するときに、余剰エネルギーを水素の形で貯蔵できることを意味します。このエネルギー貯蔵の可能性は、断続的な再生可能エネルギーをより効率的かつ信頼性の高いものにするために重要です。
