材料化学

燃料電池・スーパーキャパシタ

反応物の化学自由エネルギーを連続変換する燃料電池と、界面または高速酸化還元で電気エネルギーを急速に蓄放出するスーパーキャパシタを比較します。

直観連続発電か高速バッファか

燃料電池は燃料と酸化剤の供給中に電流を生み、エネルギーは反応物にあり生成物は装置外へ出ます。スーパーキャパシタは有限の装置内に電荷を蓄え、急速に放電できますが再充電が必要です。したがって用途と評価指標は異なります。

燃料電池の反応物供給・生成物形成と、スーパーキャパシタの蓄電・放電を比較します。

定義: 燃料電池

定義: スーパーキャパシタ

水素型プロトン交換膜燃料電池では、陽極でH₂を酸化し、陰極でO₂を還元します。電子は負荷を通り、プロトンは膜を通過し、水と熱が生成します。他方式ではイオン、燃料、温度、電極材料が異なります。

\Delta G=-nFE,\qquad U=\frac{1}{2}CV^{2}

例

解答

E = ½CV² = 0.5 × 10 × (2.0)² = 20 Jです。

理想コンデンサの蓄積エネルギーは容量と電圧の二乗に比例します。燃料電池の可逆電圧は移動電子当たりのギブズエネルギーで定まり、実電圧は負荷時に活性化・オーム・濃度損失で低下します。電力は電圧と電流の積ですが、最大出力やエネルギー密度だけでは寿命やシステム効率を表せません。

特性	燃料電池	スーパーキャパシタ
エネルギー供給	反応物を連続供給	有限の蓄積電荷
長所	長時間のエネルギー変換	急速充放電・高出力

多孔質スーパーキャパシタ電極は利用可能な大表面積を与え、電解質イオンが電気二重層を形成します。擬似容量材料は高速可逆ファラデー電荷を加えます。細孔径、濡れ性、イオン溶媒和、電子伝導性が実効容量と速度を左右します。燃料電池はガス拡散、水管理、触媒利用率、膜伝導性にも依存します。

Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications · A. J. Bard, L. R. Faulkner, 2001
Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications · B. E. Conway, 1999
Materials for fuel-cell technologies · B. C. H. Steele, A. Heinzel, 2001