プロトン交換膜

プロトン交換膜、またはポリマー電解質膜（PEM）は、一般にイオノマーから作られ、プロトンを伝導すると同時に電子絶縁体および酸素や水素ガスなどの反応物バリアとして機能するように設計された半透膜です。^[1]これが、プロトン交換膜燃料電池またはプロトン交換膜電解装置の膜電極アセンブリ（MEA）に組み込まれた場合の重要な機能です。膜を通過する直接的な電子経路を遮断しながら、反応物の分離とプロトンの輸送を行います。

PEMは、純粋なポリマー膜、または他の材料がポリマーマトリックスに埋め込まれた複合膜から作ることができます。最も一般的で市販されているPEM材料の1つは、デュポン社の製品であるフッ素ポリマー（PFSA）^[2] ナフィオンです。^{[3]ナフィオンは}テフロンのようなペルフルオロ骨格を持つイオン交換樹脂ですが、^[4]プロトン交換膜用のイオン交換樹脂を作るために使用される構造モチーフは他にもたくさんあります。多くは多環芳香族ポリマーを使用し、一部フッ素化されたポリマーを使用するものもあります。

プロトン交換膜は主にプロトン伝導性（σ）、メタノール透過性（P）、および熱安定性によって特徴付けられる。^[5]

PEM 燃料電池は、水で飽和すると陽子を透過しますが、電子は伝導しない固体ポリマー膜 (薄いプラスチックフィルム) を使用します。

初期のプロトン交換膜技術は、1960年代初頭にゼネラル・エレクトリック社に勤務していた化学者のレナード・ニードラッハとトーマス・グラブによって開発されました。^{[6] NASAの}ジェミニ計画宇宙飛行計画で使用するために、これらの膜の研究と開発にかなりの政府資源が投入されました。^[7]多くの技術的問題により、NASAはジェミニ計画1～4でプロトン交換膜燃料電池の使用を断念し、容量は低いがより信頼性の高い代替手段としてバッテリーを選択しました。^[8]ゼネラル・エレクトリック社のPEM燃料電池の改良世代は、その後のすべてのジェミニ計画で使用されましたが、その後のアポロ計画では放棄されました。^[9]現在最も広く使用されているプロトン交換膜材料であるフッ素化イオノマーNafionは、デュポン社のプラスチック化学者ウォルター・グロットによって開発されました。グロットは、電気化学セパレーター膜としての有用性も実証しました。^[10]

2014年、マンチェスター大学のアンドレ・ガイムは、グラフェンと窒化ホウ素の原子厚さの単層に関する初期結果を発表しました。この単層は陽子のみを通過させることができ、PEM材料としてフッ素化イオノマーの潜在的な代替品となる可能性があります。^{[11] [12]}

PEMFC には、固体酸化物形燃料電池(SOFC)などの他のタイプの燃料電池に比べていくつかの利点があります。PEMFC は低温で動作し、軽量でコンパクトなため、自動車などの用途に最適です。ただし、約 80 °C の動作温度は SOFC のようなコジェネレーションには低すぎること、PEMFC の電解質は水で飽和している必要があることなどの欠点があります。ただし、トヨタ ミライなどの一部の燃料電池車は加湿器なしで動作し、膜の水和と触媒層のイオノマーを維持するために、急速な水生成と薄い膜を通じた高い逆拡散率に依存しています。

高温 PEMFC は 100 °C から 200 °C の間で動作し、電極の運動学と熱管理の利点、および燃料不純物、特に改質燃料中のCOに対する耐性の向上をもたらす可能性があります。これらの改善により、システム全体の効率が向上する可能性があります。ただし、これらの利点はまだ実現されていません。ゴールド スタンダードであるパー​​フルオロスルホン酸 (PFSA) 膜は、水和が約 100% を下回ると 100 °C 以上で急速に機能を失い、この温度範囲で徐々に機能し始め、局所的に薄くなり、システム全体の寿命が短くなるためです。その結果、プロトン性有機イオン性プラスチック結晶 (POIPC) やプロトン性イオン液体などの新しい無水プロトン伝導体が、適切な PEM の開発に向けて積極的に研究されています。^{[13] [14] [15]}

PEMFC の燃料は水素で、電荷キャリアは水素イオン (陽子) です。陽極では、水素分子が水素イオン (陽子) と電子に分割されます。水素イオンは電解質を透過して陰極に向かい、電子は外部回路を通って流れ、電力を生成します。酸素は通常空気の形で陰極に供給され、電子と水素イオンと結合して水を生成します。電極での反応は次のとおりです。

陽極反応:

2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻

カソード反応:

O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O

全体的な細胞反応:

2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O + 熱 + 電気エネルギー

理論的な発熱ポテンシャルは全体で +1.23 V です。

プロトン交換膜の主な用途はPEM燃料電池です。これらの燃料電池は、航空宇宙、自動車、エネルギー産業を含む幅広い商業および軍事用途に使用されています。^{[9] [16]}

初期のPEM燃料電池の応用は航空宇宙産業に集中していました。当時、燃料電池はバッテリーに比べて容量が高かったため、NASAのジェミニ計画がそれまで試みられたよりも長期間の宇宙ミッションを目標とし始めたため、燃料電池は理想的なものでした。^[9]

2008年現在^{[アップデート]}、自動車産業、個人および公共発電がプロトン交換膜燃料電池の最大の市場となっている。^[17] PEM燃料電池は、動作温度が比較的低く、氷点下の条件でもすぐに起動できるため、自動車用途で人気がある。^[18] 2019年3月現在、米国では6,558台の燃料電池車が走行しており、最も人気のあるモデルはトヨタミライである。 ^[19] PEM燃料電池は他の形態の重機にも導入され、バラードパワーシステムズがこの技術に基づいたフォークリフトを供給している。 ^[20]自動車用PEM技術が直面している主な課題は、水素を安全かつ効率的に貯蔵することであり、現在、研究が活発に行われている分野である。^[18]

高分子電解質膜電気分解は、陽子交換膜を使用して水を水素と酸素ガスに分解する技術です。^{[21]陽子交換膜により、生成された水素を酸素から分離し、必要に応じてどちらかの生成物を利用することができます。このプロセスは、}米国や英国海軍の潜水艦などの船舶の生命維持システム用の水素燃料と酸素を生成するためにさまざまな方法で使用されています。 ^[9]最近の例としては、ケベック州での 20 MWエア・リキードPEM 電解プラントの建設があります。^[22]同様の PEM ベースのデバイスは、オゾンの工業生産に利用できます。^[23]

• 乾式固体高分子電解質電池
• EC 支援による高圧 PEM 水電解に関する STREP プログラム