固体酸形燃料電池
From Wikipedia, the free encyclopedia
固体酸は、塩と酸との間の化学中間体、例えばCsHSO4である。[3] 燃料電池の用途で用いられる固体酸は、オキソアニオンである(SO42-, PO43−, SeO42−, AsO43−)。 水素結合及び電荷平衡によって結合した強い陽イオン (Cs+, Rb+, NH4+, K+)によって構成される。
低温において固体酸はほとんどの塩のように規則正しい分子構造を保っている。より高温（CsHSO4では140〜150℃ ）では、内部で相転移を起こして非常に無秩序な「超プロトン」構造となるものがあり、これによって導電率が数桁増加する。[3]燃料電池に使用すると、この高い導電率により、さまざまな燃料に対して最大50％の効率が得られる。[4]
最初の実証用SAFCは、硫酸水素セシウム（CsHSO4）を使用して2000年に開発された。[1] しかしながら、電解質として酸性硫酸塩を使用する燃料電池は、燃料電池のアノードをひどく劣化させる副産物をもたらし、それはごくわずかな使用の後でも出力低下を招いた。[5]
現在のSAFCシステムは、リン酸二水素セシウム（CsH2PO4）を使用しており、数千時間の寿命を示している。.[6] 超プロトン相転移を起こす場合、のCsH2PO4は、 導電率が 4桁上昇する。[7][8][9] 2005年に、CsH2PO4は湿気のある大気中で250℃の「中間」温度で安定に超プロトン相転移を起こし、理想的な固体酸電解質となることが示された。燃料電池における湿った環境は、脱水および塩と水蒸気への解離からある種の固体酸（CsHなど）の発生する現象を防ぐために必要である。[10][11]
電極上の化学反応
水素ガスはアノードに導かれ、そこでプロトンと電子に分割される。プロトンは固体酸電解質を通過してカソードに到達し、電子は外部回路を通ってカソードに移動し、電気を発生させる。カソードでは、プロトンと電子が酸素とともに再結合して水を生成し、その水がシステムから除去される。
- アノード :
- カソード :
![{\displaystyle {\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}{}+{}2\,\mathrm {e} {\vphantom {A}}^{-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b00ff1d2aec29e9e09ec547030bc2488ada30366)
![{\displaystyle {{\mathchoice {\textstyle {\frac {1}{2}}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}}\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}{}+{}2\,\mathrm {e} {\vphantom {A}}^{-}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e9992334340ea01e5e51cf201c766e791373bc82)
- 全体 :
![{\displaystyle {\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}{\mathchoice {\textstyle {\frac {1}{2}}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}}\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/992bc76a77dd0f95b73ee13eac60d234003fe7b3)
SAFCは中間温度で稼働するため、標準の金属成分および可撓性ポリマーのような、高温に耐えられない材料を使用できるようになる。これらの温度はまた、一酸化炭素または硫黄成分のような水素燃料源中の不純物による腐食を防ぐ。例えば、SAFCは、プロパン、天然ガス、ディーゼル、および他の炭化水素から抽出された水素ガスを利用することができる。[12][13][14]
製作と生産
Sossina Haileは1990年代に最初の固体酸形燃料電池を開発した。
2005年には、SAFCは25マイクロメートルの厚さの薄い電解質膜で製造され、初期のモデルと比較してピーク電力密度が8倍に増加した。薄い電解質膜は、膜内の内部抵抗によって失われる電圧を最小限に抑えるために必要である。[15]
Suryaprakash等によれば、2014年、理想的な固体酸型燃料電池のアノードは「白金薄膜で均一に覆われた多孔質電解質ナノ構造」であるとしている。このグループは、噴霧乾燥と呼ばれる方法を使用してSAFCを製造し、CsH2PO4固体酸電解質ナノ粒子を堆積させ、固体酸燃料電池電解質材料CsH2PO4の多孔質三次元相互接続ナノ構造を作製した。[16]