固体高分子形燃料電池

固体高分子形燃料電池（こたいこうぶんしがたねんりょうでんち、）は、イオン伝導性を有する高分子膜（イオン交換膜）を電解質として用いる燃料電池である。
これまで様々な呼称があり、初期はプロトン交換膜燃料電池（）とも呼ばれていたが、1992年（平成4年）に通商産業省がニューサンシャイン計画を導入する際、アメリカ合衆国の学術的呼称である の日本語翻訳として「固体高分子型燃料電池」という語を用いるようになってから、次第にPEFCという略称とともに、呼称が定着するようになってきた。
日本産業規格における標準用語を燃料電池に対して制定された際、タイプを示す言葉として形が用いられていることから、このタイプの燃料電池のことを「固体高分子形燃料電池」と定められ、定着した。
構造と原理.
固体高分子形燃料電池の基本構造は、燃料極（負極）、固体高分子膜（電解質）、空気極（正極）を貼り合わせて一体化した膜/電極接合体 () と呼ばれる基本部品を、反応ガスの供給流路が彫り込まれたバイポーラプレート (bipolar plate) と呼ばれる導電板で挟みこんで1つの基本単位を構成し、これを特に単セル (single cell) と呼ぶ。単セルでは運転時に約0.7Vの電圧を発生する。この単セルを積層して直列接続し高電圧を得られるようにした物をセルスタック (fuel cell stack) と呼ぶ。
燃料極（負極）では、水素やメタノールなどの燃料が供給され、
の反応によって、プロトン（水素イオン、H+）と電子に分解する。この後、プロトンは電解質膜内を、電子は導線内を通って、空気極へと移動する。一般に、カーボンブラック担体上に白金触媒、あるいはルテニウム-白金合金触媒を担持したものが用いられる。
固体高分子膜（電解質）は、燃料極で生成したプロトンを空気極へと移動する働きを持つ。当初はスルホ系イオン交換樹脂がジェミニ宇宙船に搭載されたが、現在では、プロトン伝導性の高さと安定性から、主にナフィオン（Nafion、デュポンの商標）などのスルホン酸基を持ったフッ素系ポリマーが用いられている。日本産のフッ素膜も用いられることが多く、旭硝子 (Flemion)、旭化成 (Aciplex) 等が知られる。この膜中において、プロトンは水和されてスルホン酸基上を移動する。
したがって、膜中の水分が燃料極から空気極へと移動することになる。このままでは燃料極側では水分が徐々に失われてしまうので、燃料には水分を含ませる必要がある。この「水を使用する」という条件から、フッ素系は0℃以下、または100℃以上での使用が出来ないのが欠点である。そのため、無加湿・中高温条件において、使用可能な高分子膜の開発が急務である。
また、燃料としてメタノールを用いる場合は、メタノールが電解質膜を透過してしまう「クロスオーバー現象」が発生する。クロスオーバーの結果、メタノールは空気極でも反応してしまい、起電力を大きく低下させる。特に、出力密度を向上させるためメタノール濃度を高くするとクロスオーバーは顕著となる。最近ではこのクロスオーバーを抑制するために、多孔性ポリイミドやプロトン伝導ガラスを利用する方法などが研究されている。
空気極（正極）では、電解質膜から来たプロトンと、導線から来た電子が空気中の酸素と反応して、
の反応により水を生成する。が、実際はこの「酸素4電子還元」反応の効率はきわめて悪く、起電力を下げる原因になっている。カーボンブラック担体上に、白金触媒を担持したものが用いられる。
以上の反応から、理論上は約1.2Vの電圧が得られるが、電極反応の損失があるため実際に得られる電圧は約0.7Vとなる。また、燃料効率や寿命、触媒である白金が高価かつ希少であるため、改善すべき課題は極めて多い。なお自動車用燃料電池では、小型自動車でも1台あたり32gの白金が必要でと、資源的制約が厳しい上、自動車1台当たり1億円程度の製造費用がかかると言われている。
燃料.
燃料は多様な候補が検討されている。しかし、電極触媒として用いられている白金は一酸化炭素で容易に被毒され、すぐに活性を失ってしまうため、燃料中の一酸化炭素が10ppm以下であるという条件がつく。したがって、特に改質による燃料供給は装置が大型化してしまうという問題がある。改質ガスなど燃料に一酸化炭素が含まれる場合は、触媒の一酸化炭素による被毒を回避するために（一酸化炭素）選択酸化反応 (PROX: Preferential Oxidation) により、選択的に一酸化炭素を酸化して除去する。
その他、燃料の候補としてジメチルエーテル() が挙げられる。改質器が不要な「直接ジメチルエーテル方式 (DDFC)」として燃料の毒性の低い安全性が利点である。