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プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)

1960
  • Willard Thomas Grubb
  • Leonard Niedrach
実験室環境におけるプロトン交換膜燃料電池。エネルギー変換技術を実演している。

(画像はイメージです)

プロトン交換膜 燃料電池 (PEMFC) uses a solid polymer membrane, such as Nafion, as its electrolyte. This membrane selectively conducts protons ([latex]H^+[/latex]) from the anode to the cathode. PEMFCs operate at low temperatures (typically 50-100°C), enabling rapid start-up and a compact design. They require high-purity hydrogen as fuel to avoid poisoning the platinum-based 触媒.

The heart of the PEMFC is the membrane electrode assembly (MEA), which consists of the proton-exchange membrane sandwiched between two catalyst-coated electrodes. At the anode, hydrogen gas is split into protons and electrons: [latex]H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-[/latex]. The solid polymer membrane, which is an electrical insulator, allows only the protons to pass through to the cathode. The electrons are forced to travel through an external circuit, generating the electrical current. At the cathode, oxygen from the air, the protons from the membrane, and the electrons from the external circuit combine to form water: [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

A critical aspect of PEMFC operation is water management. The membrane must remain hydrated to maintain its proton conductivity, but excess water at the cathode (product water) can block the flow of oxygen to the 触媒 sites, a phenomenon known as ‘flooding’. The low operating temperature makes PEMFCs susceptible to catalyst poisoning, particularly from carbon monoxide (CO) present in reformed hydrogen, which binds strongly to the platinum catalyst sites. This necessitates the use of very pure 水素燃料運用コストの増加。

UNESCO Nomenclature: 3305
エネルギー技術

タイプ

物理デバイス

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

  • 発明 燃料電池 by William Grove (1838)
  • デュポン社のウォルター・グロットによる、初のイオン交換ポリマー膜であるナフィオンの開発(1960年代後半)
  • research into platinum’s catalytic properties

アプリケーション

  • 燃料電池電気自動車(FCEV)などの推進システム トヨタ ミライとヒュンダイ・ネクソ
  • 重要インフラ向けのバックアップ電源装置
  • レクリエーション用および軍事用の携帯型発電機
  • フォークリフトなどの資材運搬車両
  • NASAのジェミニ計画宇宙船の電源

特許:

  • US2913511A (Willard T. Grubb, 1959)

潜在的なイノベーションのアイデア

  • self-humidifying membranes that retain water, simplifying the fuel cell system
  • platinum-free catalysts using transition metals or graphene-based materials
  • high-temperature pemfcs (ht-pemfc) that can operate up to 200°c, improving co tolerance
  • membranes with integrated reinforcement to improve mechanical durability and 寿命
  • direct methanol or ethanol pemfcs that use liquid fuels
  • 閉ループ water management systems that recycle product water for membrane hydration
  • 3d-printed gas diffusion layers for optimized reactant flow
  • ai-based diagnostic systems to predict membrane failure and catalyst degradation
  • pemfcs integrated with metal hydrides for solid-state hydrogen storage
  • bipolar plates made from lightweight, corrosion-resistant composite materials
関連キーワード:PEMFC、プロトン交換膜、ナフィオン、触媒、白金、水素燃料、膜電極接合体、低温、自動車、ゼネラル・エレクトリック。

歴史的背景

プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)

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1965-12-21
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1962-10-09
1964
1970

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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