燃料電池用プロトン交換膜

1.1 概要

エネルギー不足の問題は、世界的にますます深刻になっています。従来の化石燃料は再生可能ではなく、プロセスの使用は深刻な環境汚染を引き起こしました。ただし、ほとんどのエネルギー変換は熱機関プロセスによって達成されますが、これは非効率的です。過去 30 年間で、化石燃料は減少し、クリーン エネルギーの需要が増加しました。環境にやさしい再生可能エネルギーを求めることは、21世紀の人類の大きな課題です。したがって、従来のエネルギーによって引き起こされる上記の問題を考慮して、エネルギー変換効率を改善し、クリーンな新しいエネルギーを求める研究がますます広まっています。

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気化学反応によって直接電気に変換する新しいタイプのエネルギー技術です。また、地理的および地理的条件に制限されません。近年、燃料電池の開発が急速に進み、さまざまな分野に応用されています。

1.2 燃料電池

燃料電池はカルノー サイクルの制約を受けず、理論上のエネルギー変換率が高い (200°C 以下で 80% の効率)。実際には、効率は通常の内燃機関の 2 ～ 3 倍になります。使用される燃料は、環境にやさしい水素、メタノール、炭化水素、およびその他の水素が豊富な物質です。したがって、燃料電池には幅広い応用の可能性があります。具体的には、燃料電池の構成、分類、特徴から次の3点を紹介します。

1.2.1 燃料電池の構成

燃料電池は、本質的に水の電気分解の逆装置です。燃料電池では、水素と酸素が化学反応して水を生成し、電気を放出します。燃料電池の基本構造は、アノード、カソード、電解質で構成されています。通常、アノードとカソードには、電極での電気化学反応を促進するために、一定量の触媒が含まれています。2 つの極の間には電解質があり、塩基性、リン酸塩、固体酸化物、溶融炭酸塩、プロトン交換膜の 5 種類に分けることができます。例としてH / O燃料電池を取り上げます（図1-1）：Hは燃料電池のアノード部分に入り、アノードのプラチナ層が水素を陽子と電子に変換します。中間電解質は、プロトンのみが燃料電池のカソード部分に通過できるようにします。電子は外部回路を通ってカソードに流れ、電流を形成します。酸素は燃料電池のカソードに入り、陽子や電子と結合して水を形成します。