高温プロトン交換膜燃料電池

高温プロトン交換膜燃料電池（HT-PEMFC）は、高温高分子電解質膜燃料電池とも呼ばれ、120〜200°Cの温度で動作できるPEM燃料電池の一種です。 ^[1] HT-PEM燃料電池は、据置型とポータブル型の両方の用途に使用されます。^{[2] HT-PEM燃料電池には通常、}メタノール、エタノール、天然ガス、またはLPGの改質によって生成される改質ガスなどの水素を豊富に含むガスが供給されます。

HT-PEM燃料電池は、不純物に対するPEM燃料電池の感度を低くすることを目的として、より高いセル温度で動作するように1995年に開発されました。^[3]そのため、HT-PEM燃料電池技術は最も新しい燃料電池タイプの1つであり、HT-PEM燃料電池システムは21世紀以降、いくつかの企業によって製造されています。

膜は、電解質として機能する酸を吸収する能力を持つ、耐酸・耐熱性ポリマーで構成されています。^[4]一般的に、ポリベンズイミダゾール（PBI）が膜として使用され、リン酸が電解質として使用されます。^[5] HT-PEM燃料電池技術はリン酸燃料電池（PAFC）に似ていますが、主にHT-PEM燃料電池で使用される膜が異なり、HT-PEM燃料電池のポータブルアプリケーションが可能になります。

一般的なPEM燃料電池は低温プロトン交換膜燃料電池（LT-PEM）とも呼ばれ、通常99.9％以上の高純度の水素で動作する必要がありますが、HT-PEM燃料電池は不純物の影響を受けにくいため、通常は水素濃度約50〜75％の改質ガスで動作します。数ppmの一酸化炭素濃度に敏感なLT-PEM燃料電池とは対照的に、HT-PEM燃料電池は約3Vol％までの一酸化炭素濃度で動作します。^[6]通常、HT-PEM燃料電池はセル温度150〜180°Cで動作します。

不純物に対する感受性が低いため、メタノール、エタノール、天然ガス、LPG、DMEなどの燃料を改質器で改質して水素を豊富に含む改質ガスにすることができ、改質ガスを精製するための精製工程を必要とせず、燃料電池システムの設計が簡単になります。^[7]

HT-PEM燃料電池に使用される膜電極アセンブリは、不純物に対する感度が低く、膜のプロトン伝導性があるため、希薄または不純な水素含有ガスから超高純度水素を効率的に分離する水素分離にも使用できます。^[8]

メタノール燃料 HT-PEM 燃料電池システムのバランス オブ プラント システム効率は、通常 35 ～ 45 % ですが、システム設計と動作条件に応じて最大約 55 % に達することがあります。セル効率に関しては、最大 63 % に達する可能性があります。

メタノールの水蒸気改質は他の燃料の改質に比べてより単純かつ効率的（触媒床温度 280°C 未満）であり、従来のメタノールと再生可能メタノール（廃棄物または再生可能電力から製造されたものなど）は低コストで高純度であり、メタノールの貯蔵も簡単なため、ほとんどの HT-PEM 燃料電池はメタノールで稼働しています。メタノール燃料の HT-PEM 燃料電池は、改質メタノール燃料電池（RMFC）で最も多く使用されているタイプです。

• LT-PEM燃料電池と比較して、膜の加湿のための水管理は必要ありません。^[9]
• スタックの廃熱（130～180℃）を利用することで、廃熱温度が80℃以下と低すぎるLT-PEM燃料電池とは対照的に、熱電併給（CHP）による熱のさらなる利用が可能になります。^[10]
• LT-PEM燃料電池に比べてスタック温度が高いため（熱交換面、冷却力）、スタックの簡単な冷却が可能です。^[11]
• 改質器で水素を多く含むガスに改質できる様々な燃料を使用することができる（例：メタノール、エタノール、プロパノール、バイオブタノール、バイオグリセロール、メタン、エタン、プロパン、ブタン、OME、ガソリン、アンモニア）。^{[12] [13] [14]}
• メタノール燃料HT-PEM燃料電池では精製工程が不要なので、シンプルなシステム設計が可能です。^[15]
• SOFC 燃料電池とは異なり、スタック内でプラスチック部品やエラストマーシールを使用することが可能です。
• メタノール燃料 HT-PEM 燃料電池システムのシステム効率は、直接メタノール燃料電池 (DMFC) (20 ～ 30 %) と比較して 35 ～ 45 % 高く、メタノール燃料の消費量も少ないです。
• DMFC と比較して、メタノール燃料 HT-PEM 燃料電池システムでは、高いメタノール燃料純度を必要としません。
• メタノール燃料HT-PEM燃料電池システムは、DMFCシステムよりも長寿命化が可能です。
• 純燃料または水燃料混合物が適用可能です（燃料電池システムの設計によって異なります）。
• 再生可能燃料の使用が可能です。
• DMFC や LT-PEM 燃料電池とは異なり、燃料電池膜では 0 °C 未満の冷蔵温度は問題になりません。
• 低純度の水素も燃料として使用できます。低純度の水素は、LT-PEM 燃料電池に通常使用される高純度の水素よりも安価です。
• メタノールなどの燃料を使用すると、燃料として水素（LT-PEM燃料電池など）やディーゼル（発電機など）を使用する場合と比較して、kWhあたりの燃料コストを安く抑えることができます。

• LT-PEM 燃料電池と比較して起動時間が長くなります (スタックと改質器の加熱時間)。そのため、LT-PEM 燃料電池システムよりも大きなバッテリーとのハイブリッド化が必要になる場合があります。
• LT-PEM燃料電池やDMFCとは異なり、起動時にスタックを加熱するためのシステムコンポーネントが必要です。
• HT-PEM 燃料電池の特性曲線が劣っているため、高出力または水素 LT-PEM 燃料電池と同じ効率を達成するには、LT-PEM 燃料電池に比べてより多くのセルが必要です。LT-PEM 燃料電池に比べてスタックのコスト、スタックの容積、スタックの重量が高くなります。より優れた特性曲線特性を実現するための技術は、基礎研究段階にあります。
• 膜電極アセンブリには、LT-PEM燃料電池よりも高い白金含有量（約8～14g Pt/kW）が使用されている。白金のリサイクルを検討中。HT-PEM燃料電池用の白金フリー電極の開発は基礎研究段階にある。^[16]
• 有機燃料を使用すると、二酸化炭素と、場合によっては微量の一酸化炭素が排出されます (濃度はシステム設計によって異なりますが、通常、CO 濃度は内燃機関から排出される濃度よりもはるかに低くなります)。
• 一部のシステムコンポーネントは、LT-PEM 燃料電池や DMFC よりも高い温度に耐える必要があるため、適用可能な材料の選択が制限されます (例: 120 ～ 180 °C までの耐性を持つポリマー)。

HT-PEM燃料電池システムは、据置型およびポータブル型アプリケーションに使用されています。^[17]たとえば、メタノール燃料のHT-PEM燃料電池は、発電機の代替品（オフグリッドアプリケーション、バックアップ電源、緊急電源、補助電源装置など）として、また電気自動車（スポーツカーのグンペルト・ナタリーなど）の航続距離延長に使用されています。通常、HT-PEM燃料電池システムは、バッテリーとのハイブリッド動作で使用されます。天然ガスを燃料とするHT-PEM燃料電池システムは、建物内の熱電併給（CHP）アプリケーションにも使用されます。

HT-PEM燃料電池技術を搭載した燃料電池システムのメーカー：

• アドベントテクノロジーズ（米国）
• ブルーワールドテクノロジーズ（デンマーク）^{[18] [19]}
• シケンス（ドイツ）

• 改質メタノール燃料電池（RMFC）
• 蒸気改質
• メタノール改質装置