燃料電池研究の進捗状況の概要

1.定義

FuelCellsは、カルノーサイクルを必要とせず、エネルギー変換率の高い電気化学発電装置です。燃料と空気は別々に燃料電池に送られ、電気は素晴らしく生成されます。電池のように外から正極と負極、電解質を見ますが、本質的には「電気を蓄える」ことはできず、「発電所」です。燃料電池は、エネルギー変換プロセス中に環境を汚染する窒素酸化物や硫黄酸化物がほとんどないため、環境に優しいエネルギー変換装置と見なされています。これらの利点により、燃料電池技術は、21世紀における新しい環境に優しく効率的な発電技術の1つと見なされています。研究が進むにつれて、燃料電池は発電所やマイクロ電源などで使用され始めています。

2.基本構造

燃料電池の基本構造は、主にアノード、カソード、電解質、外部回路の4つの部分で構成されています。通常、アノードは非常に水素電極であり、カソードは非常に酸素電極です。アノードとカソードの両方に、電極上で発生する電気化学反応を加速するために、一定量の電気触媒が含まれている必要があります。 2つの電極の間には電解質があります。

3.分類

現在、燃料電池には多くの種類があり、分類する方法はたくさんあります。次のようにさまざまな方法で分類されます。

（1）動作機構による分類：酸性燃料電池とアルカリ形燃料電池に分けられます。

（2）電解質の種類によって分類：酸性、アルカリ性、溶融塩または固体電解質。

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（3）燃料の種類による分類：直接燃料電池と間接燃料電池があります。

（4）燃料電池の動作温度による：低温（200°C未満）;中温（200-750°C）;高温タイプ（750°C以上）。

4.原則

燃料電池の動作原理は比較的単純で、2つの電極反応の燃料酸化と酸素還元およびイオン移動プロセスが含まれます。初期の燃料電池の構造は比較的単純で、イオンを伝達するために電解質と2つの固体電極のみが必要でした。水素を燃料として使用し、酸素を酸化剤として使用する場合、燃料電池のアノード反応と全反応は次のようになります。

アノード：H2→2 H + 2 E-

カソード：1/2 O2 + 2 H + 2E-→H2O

総反応：H2 + 1 / 2O2→H2O

その中で、H2は拡散によってアノードに到達し、触媒の作用下で酸化されてE-になります。それ以来、H +は電解質を介してカソードに到達し、負荷が外部回路から電力を供給された後、電子もカソードに到達します。これにより、O2との還元反応（ORR）が発生します。

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II。燃料電池アプリケーション

今日、さまざまなアプリケーションのニーズに応じて開発された多くの種類の燃料電池があります。導電率イオンのカテゴリーに応じて、酸性燃料電池、アルカリ形燃料電池、はんだ付け炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池（SOFC）に分類できます。酸性燃料電池は、PEMFC、直接アルコール燃料電池、およびリン酸塩燃料電池に細分することもできます。すべてのタイプの燃料電池には、最低-40°Cから最高1000°の動作温度という動作特性があります。燃料電池の種類は、さまざまなニーズに応じて選択できます。その中で、PEMFCはここ数十年で最も注目を集めている燃料電池です。 PEMFCは、燃料電池の普遍的な特性を備えているだけでなく、低温での迅速な始動と動作、電解液の損失がない、長寿命、比出力、およびより高い比エネルギーという利点もあります。将来的には自動車の動力源として内燃機関に取って代わる理想的なソリューションと考えられています。

モジュラー燃料電池の特性、幅広い電力、および燃料の多様化により、小型からスクーターの電源、モバイル充電デバイス、最大メガワットの発電所など、さまざまな場面に適用できます。実際、燃料電池の商品化は火のように進んでいます。データによると、2008年から2011年にかけて、通信ネットワーク機器、ロジスティクス、空港のグランドハンドリングのバックアップ電源としての燃料電池の世界市場シェアは214増加しました。燃料電池の市場価値は、2020年までに192億ドルに達すると予想されています。

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詳細は次のように簡単に説明する必要があります。

（1）ポータブル電源

ポータブル電源の年間売上高の増加は、多くの電力技術を引き付けています。その製品には、ラップトップ、携帯電話、ラジオ、および個人の便宜のために電源を必要とするその他のモバイルデバイスが含まれます。ポータブルモバイル電源の基本的な要件は、通常、電源が高比エネルギー、軽量、コンパクトの特性を備えていることを必要とします。燃料電池のエネルギー密度は通常、二次電池の5〜10倍であり、競争力を高めています。さらに、燃料電池は追加料金を必要としないという事実により、燃料電池はより長い野生生物に適応することもできます。現在、軍用の個別電源やモバイル充電装置として使用されている直接メタノール燃料電池（DMFC）とPEMFCがあります。コスト、安定性、寿命は、燃料電池を便利なモバイル電源に適用するときに解決する必要のある技術的な問題になります。

（2）固定電源

固定電源には、緊急バックアップ電源、中断のない電源処理、および遠隔地の独立した発電所が含まれます。現在、燃料電池は、従来の鉛蓄電池と比較して、毎年約70メガワットの固定電力市場を占めています。燃料電池は、動作時間が長く（鉛蓄電池の約5倍）、エネルギーよりも密度が高く、体積が小さく、環境への適応性が優れています。独立した発電所は、スマートグリッドへの到達が困難で緊急事態が発生する遠隔地に電力を供給するための最も経済的で信頼性の高い方法であると考えられています。燃料電池は多くの災害で独立した発電所として使用されており、災害救援に重要な役割を果たしてきました。固定発電所は通常、より長い寿命（80,000時間以上）を必要とすることに注意する必要があります。これは、固定発電所に適用される燃料電池技術の最大の技術的課題です。

（3）交通用電源

世界の温室効果ガス（CO2）の17％は、化石燃料ベースの輸送電力と、ヘイズなどの他の大気汚染問題によって生成されるため、交通電力はクリーンエネルギー技術の開発における主要な誘因となっています。 H2燃料PEMFCは、内燃機関の最良の代替品であると考えられています。主な理由は次のとおりです。（a）排気ガスには水のみが含まれ、汚染物質の排出はありません。 （b）燃料電池は非常に効率的（53％-59％）で、従来の内燃機関のほぼ2倍です。 （c）低温での急速な始動、低い運転騒音、安定した運転、世界の多くの国が燃料電池輸送電力プログラムを進めており、日本は最も過激な国の1つです。日本は、2025年までに1,000台以上のアンモニア添加ステーションを建設し、200万台の燃料電池車を運転する計画です。2015年、日本のトヨタ自動車は、世界初のPEMFC電源である未来の販売を開始し、自動車用燃料電池技術の新時代を迎えました。パワー。

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III。燃料電池の研究

1.燃料電池の開発

燃料電池は自走式の発電所です。その誕生と発展は、電気化学、電極触媒、電極プロセスダイナミクス、材料科学、化学プロセス、および自動化に基づいています。 1839年以来、グローブは160年以上にわたって世界初の燃料電池に関するレポートを発表してきました。技術的な観点から、新しいコンセプトの出現、開発、改善が燃料電池の開発の鍵であると認識しています。たとえば、燃料電池は酸化剤と燃料としてガスを使用しますが、液体電解質へのガスの溶解度は非常に小さいため、バッテリーの動作電流密度は非常に低くなります。この目的のために、科学者たちは多孔質ガス拡散電極と電気化学反応の間の三相界面の概念を提案しました。燃料電池を実用化するために必要な条件を整えるのは、多孔質ガス拡散電極の外観です。三相界面を安定させるために、2穴構造の電極を使用し、ポリテトラフルオロエチレンなどの撥水材料を電極に添加して、接着した撥水電極を作成しました。プロトン交換膜燃料電池や固体酸化物形燃料電池など、ダイアフラムとして固体電解質を備えた燃料電池の場合、電極内に三相界面を確立するために、イオン交換樹脂または固体酸化物電解質材料が電気に混合されます電極を実現するための触媒。三次元。

材料科学は燃料電池開発の基盤です。新しい高性能材料の発見と燃料電池でのその使用は、燃料電池の急速な開発を促進します。アスベスト膜の開発とアルカリ電池への応用の成功により、スペースシャトル用のアスベスト膜アルカリ酸水素燃料電池の使用が成功しました。溶融炭酸塩におけるメタケイ酸リチウムダイアフラムの開発の成功は、溶融炭酸塩燃料電池用のMW規模の実験用発電所の建設を加速させました。イットリア安定化ジルコニア固体電解質膜の開発により、固体酸化物燃料電池は将来の燃料電池分散型発電所のホットな研究トピックになりました。パーフルオロスルホン酸型プロトン交換膜の出現により、プロトン交換膜燃料電池の研究が復活し、急速な発展を遂げました。

1960年代以前は、水力発電、火力発電、化学電池の急速な発展と進歩により、燃料電池は、主に概念、材料、原理に基づいて、理論と応用の基礎研究段階にありました。燃料電池の飛躍的進歩は、主に科学者の努力に依存しています。 1960年代には、高出力、高比出力、高比エネルギーのバッテリー用の有人宇宙船が緊急に必要とされたため、燃料電池は一部の国や軍事部門の注目を集めました。これに関連して、米国はベーコンの技術を導入し、アポロの月面着陸スペースの主な動力源であるベーコン型中温水素酸素燃料電池の製造に成功しました。 1990年代以降、人間は持続可能な開発、地球の保護、そして将来の世代への利益を目的として、環境保護にますます注意を払ってきました。プロトン交換膜燃料電池の急速な進歩に基づいて、それらを動力源とする様々な電気自動車が導入されてきた。高コストに加えて、それらの性能はディーゼル機関車の性能に匹敵します。そのため、燃料電池電気自動車は、米国政府や大手自動車会社の注目と競争の焦点となっています。

投資に関しては、燃料電池の開発への投資は主に政府に依存しますが、これまでのところ、同社は燃料電池、特に燃料電池電気自動車の開発への主な投資となっています。世界のすべての主要な自動車会社と石油会社は、燃料電池車の開発に携わってきました。わずか数年で、彼らは約80億米ドルを投資しました。開発に成功した燃料電気自動車は、乗用車とバス24台を含む41種類あります。 9種類のバスと3種類の小型トラック。今年、米国は燃料電池電気自動車の開発に25億米ドルを投資する計画を発表しました。そのうち、州は15億米ドルを割り当て、主要な自動車会社3社は10億米ドルを投資しました。

2.アルカリ形燃料電池（AFC）の研究状況

バッテリーは電解質として35％から45％のKOHを使用し、100°C未満の動作温度で多孔質の不活性マトリックス膜材料に浸透します。この種の電池の利点は、アルカリ液中の酸素の電気化学反応速度が酸性液中よりも速いため、電流密度と出力電力が大きくなりますが、酸化剤は純酸素でなければならず、その量は電池中の貴金属触媒の割合が多く、利用率は高くありません。現在、このような燃料電池技術の開発は非常に成熟しており、宇宙飛行や潜水艦にうまく適用されています。中国では200Wのアンモニア空気アルカリ形燃料電池システムが開発され、1kW、10kW、20kWのアルカリ形燃料電池が製造されています。 1990年代後半、開発の追跡において非常に価値のある結果が得られました。アルカリ燃料電池の開発の中核技術は、二酸化炭素が空気中の二酸化炭素の一部であろうと、炭化水素改質ガスに含まれる二酸化炭素であろうと、二酸化炭素によるアルカリ電解質成分の破壊を回避することです。間違いなくシステムの全体的なコストを増加させる除去処理。さらに、バッテリーの電気化学反応によって生成された水は、水のバランスを維持するために時間内に排出される必要があります。したがって、排水システムと制御システムを簡素化することも、アルカリ燃料電池の開発において解決する必要のあるコアテクノロジーです。

3.リン酸型燃料電池（PAFC）の研究状況

このバッテリーは、電解質としてリン酸を使用しており、動作温度は約200°Cです。アルカリ水酸化物燃料電池に比べて貴金属触媒の量が大幅に削減され、還元剤の純度を大幅に低減する必要があり、一酸化炭素含有量を5％に到達させることができるという大きなメリットがあります。このような電池は一般に有機炭化水素を燃料として使用し、正極と負極はポリテトラフルオロエチレン製の多孔質電極でできており、電極は触媒としてPtでコーティングされており、電解質はH3PO4の85％です。 100〜200℃の範囲で安定した性能と強い導電性を持っています。リン酸蓄電池は、他の燃料電池よりも製造コストが低く、民間での使用がほぼ可能です。現在、世界で高出力の燃料電池発電所がこの燃料のバッテリーを使用しています。米国は、リン酸燃料電池を研究開発のための国家の主要な科学研究プロジェクトとして挙げており、200kWグレードのリン酸燃料電池を世界に販売しています。日本は世界最大（11MW）のリン酸型燃料電池を製造しています。 2002年の初めまでに、米国は世界中で235セットの200kW PAFC発電装置を設置およびテストし、累積発電量は470万時間で、2001年には23セットを販売しました。米国と日本では、いくつかの装置があります。 10,000時間の連続発電という設計目標を達成しました。現在、ヨーロッパでは5セットの200kWPAFC発電ユニットが稼働しています。日本のフリエレクトリックと三菱エレクトリックは500kWのPAFC発電システムを開発しました。中国のWeiZidongらは、Pt3（Fe / Co）/ C酸素還元電極触媒の研究を実施し、Ptに対するFe / Coの固定効果を提案しました。リン酸型燃料電池の発電技術は急速に発展していますが、起動時間が長く、廃熱利用率が低いなどの開発の遅れにより、開発期間が遅くなっています。

4.溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）の研究状況

電池は、多孔質基板に浸透するアルカリ炭酸塩低温共晶など、電解質として2つ以上の炭酸塩の低融点混合物を使用し、電極はニッケル粉末から焼成され、カソード粉末は大量。遷移金属元素は、主に米国、日本、西ヨーロッパで安定剤として使用されています。 2〜5 MWの外部共通パイプライン型溶融炭酸塩型燃料電池が導入され、MCFCの性能低下と電解質移行の解決に飛躍的な進歩が見られました。米国の燃料電池エネルギー会社は現在、実験室で263kWのMCFC発電所をテストしています。イタリアのアンサルドはスペインのスペインコンプと協力して、100kWのMCFC発電所と500kWのMCFC発電所を開発しました。日本の日立製作所は2000年に1MMCFC発電ユニットを開発し、三菱は2000年に200kW MCFC発電ユニットを開発し、東芝は低コストの10kWMCFC発電ユニットを開発しました。中国は、MCFCを国の「第9次5か年計画」に正式にリストし、1〜5kWの溶融炭酸塩型燃料電池を開発しました。 MCFCのカソード、アノード、電解質膜、バイポーラプレートは、基礎研究における4つの大きな問題です。これら4つのコンポーネントの統合と電解質の管理は、MCFCバッテリーパックと発電所モジュールの設置と運用の技術的コアです。

5.固体酸化物形燃料電池（SOFC）の研究状況

電池の電解液は複合酸化物で、高温（1000℃以下）で強いイオン伝導機能を持っています。これは、カルシウム、バリウム、ストロンチウムなどの混合イオンのイオン状態がジルコニウムイオンよりも低く、一部の酸素陰イオン格子空間が空になって電気を通すためです。現在、世界中の国々がそのような電池を開発しており、かなりの進歩がありましたが、欠点があります。温度が高すぎる;誘電亀裂;大きな抵抗。管状、フラット、コルゲートなどのさまざまな構造で形成された固体酸化物形燃料電池が開発されており、このような燃料電池は第3世代燃料電池と呼ばれています。米国と日本のいくつかの企業は、10kWの平面タービンSOFC発電所を開発しています。ドイツのSiemens-WestinghouseElectricは100kWのSOFC管状作業用原子炉をテストしており、米国は25kWのSOFC作業用原子炉をテストしています。国内のほとんどはSOFCの基礎研究段階にあります。高温でのSOFCの動作は、電極の焼結、電解質と電極間の界面の化学的拡散、熱膨張係数が異なる材料とバイポーラのマッチングなど、さまざまな材料、シーリング、構造上の問題ももたらします。プレート材料。安定性など。これらはまた、SOFCの開発をある程度制限し、その技術的進歩の重要な側面になります。

6.プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の研究状況

PEMFCは、AFC、PAFC、MCFC、SOFCに続いて急速に発展している第5世代の燃料電池です。これは、最低温度、最高エネルギー比、最速の始動、最長の寿命であり、最も広く使用されています。航空宇宙および軍事力用です。発展した。タイム誌の社会調査の結果、21世紀の新技術トップ10にランクインしました。国内の研究開発は、包括的なPEMFC研究を蓄積するためのAFC技術の使用の代表的なものです。ポリスチレンスルホン酸膜を電解質として使用するPEMFCおよびPt / C電極触媒の調製、特性評価、および分析についても、広範な作業が行われています。米国、日本、三洋電機、三菱などの多くの企業も、携帯型PEMFC発電用原子炉を開発しています。 Electric Systems Canadaは、日本のEBARAと共同で、250kWPEMFC発電設備と1kWPEMFCポータブル発電システムを開発しました。ドイツはベルリンに250kWPEMFC実験用原子炉を建設しました。プロトン交換膜燃料電池のコア技術は、電極-膜-電極スリーインワンコンポーネントの準備技術です。ガスに拡散するために、プロトン伝導体が電極に追加され、電極と膜の間の接触が改善されます。電極、膜、および電極は、高温圧力によって互いに押し付けられて、スリーインワン電極-膜-電極アセンブリを形成します。プロトン交換膜の技術的パラメータは、トライインワンコンポーネントの性能に直接影響します。したがって、セル全体とバッテリーの動作効率に影響を与えます。 PEMFCの価格も、その商品化プロセスを制限します。したがって、必要なコンポーネントのパフォーマンスを向上させ、運用コストを削減することは、PEMFCの開発にとって重要な方向性です。

7.ダイレクトカーボン燃料電池の研究状況

カーボンの直接燃焼と比較して、ダイレクトカーボン燃料電池は汚染が少なく、エネルギー利用率が高く、理想的な炭素利用方法です。 DCFCに関する研究報告は、1896年に初めて登場しました。ジャックは、負極として石炭、正極として鉄、電解質として溶融NaOHを使用したバッテリーシステム、および100個のセルを使用してバッテリースタックを形成します。バッテリースタックの動作温度が400〜500°Cの場合、総出力は1.5kW、電流密度は最大100mA？ Cm-2。ダイレクトカーボン燃料電池は、原料が豊富で、炭素質廃棄物の利用を実現できる可能性がありますが、燃料中の不純物が電極や電解質の故障を引き起こすという問題に直面しています。

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