固体酸燃料電池

固体酸燃料電池（SAFC）は、固体酸材料を電解質として使用することを特徴とする燃料電池の一種です。プロトン交換膜燃料電池や固体酸化物燃料電池と同様に、水素と酸素を含むガスの電気化学的変換から電気を抽出し、副産物として水のみを残します。現在のSAFCシステムは、工業用プロパンやディーゼルなど、さまざまな燃料から得られる水素ガスを使用しています。動作温度は200～300℃の中温です。^{[1] [2]}

_{固体酸は、CsHSO 4}などの塩と酸の中間体です。^[3] 燃料電池用途で興味深い固体酸は、その化学的性質が、水素結合によって互いに結合し、大きな陽イオン種（Cs ⁺、Rb ⁺、NH ₄ ⁺、K ^{+ ）}_{によって電荷が均衡しているオキシアニオン基（SO 4} ^2-、PO 4 ³⁻、SeO ₄ ²⁻、AsO ₄ ³⁻）に基づいています。^[1]

低温では、固体酸はほとんどの塩と同様に整然とした分子構造を持ちます。より高温（CsHSO ₄の場合は140～150℃ ）では、一部の固体酸は相転移を起こして高度に無秩序な「超プロトン」構造になり、導電性が数桁増加します。^[3]燃料電池で使用すると、この高い導電性により、さまざまな燃料で最大50%の効率が得られます。^[4]

最初の概念実証SAFCは、2000年に硫酸水素セシウム（CsHSO ₄）を使用して開発されました。^[1]しかし、酸性硫酸塩を電解質として使用する燃料電池は、燃料電池のアノードを著しく劣化させる副産物を生成し、わずかな使用でも出力が低下します。^[5]

現在の SAFC システムでは、リン酸二水素セシウム (CsH ₂ PO ₄ ) を使用しており、数千時間の寿命が実証されています。^[6] 超陽子相転移を起こすと、CsH ₂ PO ₄の導電率は 4 桁増加します。^{[7] [8] [9] 2005 年には、CsH} ₂ PO _{4 は}湿潤雰囲気で「中間」温度 250 °C で安定して超陽子相転移を起こすことができることが示され、燃料電池で使用するのに理想的な固体酸電解質となっています。 ^{[10]燃料電池内の湿潤環境は、特定の固体酸 (CsH} ₂ PO ₄など) が脱水して塩と水蒸気に解離するのを防ぐために必要です。^[11]

水素ガスは陽極に送られ、そこで陽子と電子に分解されます。陽子は固体酸電解質を通って陰極に到達し、電子は外部回路を通って陰極に移動し、電気を生成します。陰極では、陽子と電子が酸素と再結合して水が生成され、その後システムから除去されます。

陽極: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻

カソード: ⁠1/2⁠ O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O

全体：H ₂ + ⁠1/2⁠ O ₂ → H ₂ O

SAFCは中温で動作するため、標準的な金属部品やフレキシブルポリマーなど、高温では損傷を受けるような材料も使用できます。また、これらの温度により、SAFCは水素燃料源に含まれる一酸化炭素や硫黄成分などの不純物に対しても耐性があります。たとえば、SAFCはプロパン、天然ガス、ディーゼル、その他の炭化水素から抽出した水素ガスを利用できます。^{[12] [13] [14]}

ソシナ・ハイレは1990年代に最初の固体酸燃料電池を開発しました。

2005年には、厚さ25マイクロメートルの薄い電解質膜を備えたSAFCが製造され、以前のモデルと比較してピーク電力密度が8倍に増加しました。薄い電解質膜は、膜内の内部抵抗による電圧損失を最小限に抑えるために必要です。^[15]

Suryaprakashら2014によると、理想的な固体酸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」です。このグループは、スプレー乾燥と呼ばれる方法を使用してSAFCを製造し、CsH ₂ PO _{4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CsH 2} PO ₄の多孔質の3次元相互接続ナノ構造を作成しました。^[16]

SAFC は、他の多くのタイプの燃料電池と同様に、電極上の電気化学触媒を利用してセル効率を高めます。SAFC では、反応活性と安定性が高いため、プラチナが最も一般的に選択されます。 ^{[17] [18]}当初、プラチナナノ粒子は電極表面に直接堆積されましたが、これらのナノ粒子は燃料電池の動作中に凝集しました。^{[19] [20]}最近の研究では、凝集を減らすために炭素ベースの支持体（カーボンナノチューブ、グラフェンなど）が組み込まれています。^{[21] [22]ここでは、プラチナナノ粒子は、}原子層堆積法^[23]や金属有機化学気相堆積法^[24]などのプロセスを介して炭素ベースの支持体上に直接堆積されます。

_{SAFCは、動作温度でのCsH 2} PO ₄の安定性により、触媒被毒に対する耐性が高い。^[25]しかし、最近の研究では、集電体繊維の周囲の局所的なホットスポットが触媒被毒を引き起こす可能性があることが示唆されている。^{[26] Wagner et al. 2021によると、局所的なホットスポットはCsH} ₂ PO ₄の液相を形成し、白金触媒にリン酸基を導入して燃料電池の動作を低下させる可能性がある。微多孔性集電体の導入により、CsH ₂ PO ₄の形態安定性が向上し、結果として触媒被毒が緩和されることが判明した。

高温プロトンセラミック燃料電池や固体酸化物燃料電池などの高温で動作する同等の電池と比較すると、固体酸燃料電池は、塑性変形やクリープ機構が電池材料に永久的な損傷を引き起こす可能性が低い低温で動作するという利点があります。材料内に存在する欠陥が、元の構造を移動して破壊するのに十分なエネルギーを持つため、高温では永久変形がより容易に発生します。低温で動作することで、耐火性のない材料を使用することもできるため、SAFC のコストが下がる傾向があります。

しかし、固体酸燃料電池電解質材料は、超プロトン相転移温度を超える通常の動作条件下では、この転移によって可能になる超塑性のために、依然として機械的劣化の影響を受けやすい。 ^{[6] [27] [28]例えば、CsHSO} ₄の場合、研究により、この材料は 数 MPa の範囲の圧縮応力が加えられた場合と同じくらい高いひずみ速度に耐えることができることがわかっている。燃料電池は、デバイスを適切に密閉して漏れを防ぐためにこの範囲の圧力を必要とすることが多いため、クリープによって短絡経路が形成され、セルが劣化する可能性がある。同じ研究で、標準的な定常クリープ方程式を使用してモデル化されたひずみ速度は、通常、転位すべり機構に関連する応力指数と、活性化エネルギー1.02 eV を持つことがわかっている。^[27] n は応力指数、Q はクリープ活性化エネルギー、A はクリープ機構に依存する定数である。 ${\displaystyle 10^{-2}s^{-1}}$${\displaystyle {\overset {\cdot }{\epsilon }}=A\sigma ^{n}e^{\frac {-Q}{kT}}}$${\displaystyle n=3.6}$

クリープ耐性は、転位運動を防ぐためにセラミック粒子を導入した複合電解質を使用した析出強化によって得られます。たとえば、CsH ₂ PO ₄のひずみ速度は、 2ミクロンサイズのSiO ₂粒子を混合することで5倍に減少しましたが、プロトン伝導率は20％減少しました。^[6]

_{他の研究では、CsH 2} PO ₄ /エポキシ樹脂複合材料が検討されており、この複合材料では、CsH ₂ PO ₄のミクロンサイズの粒子が架橋ポリマーマトリックスに埋め込まれています。SiO ₂複合材料とエポキシ複合材料の曲げ強度を比較すると、強度自体は同等ですが、エポキシ複合材料の柔軟性が優れていることが実証されています。これは、動作中に電解質が破損するのを防ぐために不可欠な特性です。エポキシ複合材料は、200 °C未満の温度で動作する場合、SiO ₂複合材料と同等ですが、わずかに低い導電性を示します。^[28]

SAFC は適度な温度要件と複数の燃料との互換性があるため、他のタイプの燃料電池が実用的ではない遠隔地でも使用できます。特に、遠隔地の石油およびガス用途向けの SAFC システムは、油井の電化と、メタンやその他の強力な温室効果ガスを大気中に直接放出する空気圧部品の使用を排除するために導入されています。^[4]小型でポータブルな SAFC システムは、船舶用ディーゼルや JP8 などの標準的な物流燃料で稼働する軍事用途向けに開発中です。^[29]

2014年には、太陽光発電とSAFCを組み合わせて廃棄物を化学的に水と肥料に変換するトイレが開発されました。^[30]