今日、世界は持続可能なエネルギーの未来に向けて競争しています。最終的な勝者は不明ですが、水素は明らかな最有力候補として浮上しており、エネルギーの生産、分配、および応用に多くの可能性を提供しています。燃料電池の利点というタイトルの謎を解くために、燃料電池とは何か、その種類について説明し、次にその利点と欠点をすべて見ていきましょう。
燃料電池は 150 年以上前から存在し、無限で環境に優しく、常に利用可能なエネルギー源を提供します。では、なぜ燃料電池はまだどこでも使用されていないのでしょうか? 最近まで、その理由はコストでした。燃料電池の製造コストは法外に高かったのです。しかし、今は違います。
燃料電池とは何ですか?
燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電気化学装置です。すべての燃料電池には、陽極と陰極と呼ばれる2つの電極があります。これらの電極は、電気を生成する反応が起こる場所です。
燃料電池には、電気を帯びた粒子を一方の電極からもう一方の電極へと輸送する電解質と、電極での反応を促進する触媒が必ず備わっています。水素は最も基本的な燃料ですが、燃料電池には酸素も必要です。燃料電池の最も魅力的な点の1つは、汚染物質の排出量が非常に少ないことです。発電に必要な水素と酸素の多くは、最終的に混ざり合って、主に水という無害な副産物を形成します。
単一の燃料電池が生成する直流 (DC) 電気の量はごくわずかです。実際には、複数の燃料電池が積み重ねられることがよくあります。セルでもスタックでも概念は同じです。次に、燃料電池の長所と短所について見ていきましょう。
4 燃料電池の長所と短所
ウェールズ出身の裁判官、発明家、科学者であるウィリアム・ロバート・グローブ卿は、1839年に最初の燃料電池を発明しました。彼は、電解質の存在下で水素と酸素を反応させることで、電気と水を作り出しました。後に燃料電池として知られるようになったこの革新的な技術は、実用的な電力を生成するには不十分でした。そこで、燃料電池の利点と欠点について見ていきましょう。
優位性
1. 充電不要
燃料電池は再充電する必要がありません。燃料電池は燃料が供給されるまでエネルギーを複製することができます。
2. 健康上の問題なし
燃料電池は作動中に煙やスモッグを発生しないため、危険ではなく、健康上の問題を引き起こすこともありません。
3.効率的
燃料電池は化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換できるため、非常に効率的です。市販されている他の代替品と比較すると、燃料電池の効率は 60% 高くなります。
4. 汚染フリー
燃料電池は大気汚染に悪影響を与えません。これは燃料電池のメリットの中でも最も顕著なメリットの 1 つです。燃料電池には機械部品がないため、完全に無音であり、騒音公害がありません。
入力燃料として水素を使用すると、発生する副産物は水、熱、電気のみとなり、効率が最大限に高まり、有害物質の排出は発生しません。
デメリット
1. 高価で長持ちしない
燃料電池の利点と同様に、欠点もあります。たとえば、本質的に非常に高価です。燃料電池の寿命は短いです。
2. 保管が難しい
燃料電池は、セル内で使用される燃料を特定の温度と圧力レベルに保つ必要があるため、保管が困難です。
3. 安全でない、危険である
水素は非常に可燃性の高い燃料であり、明らかに安全上の問題を引き起こします。空気中では、水素ガスは 4 ～ 75% の濃度で燃焼します。
4. 抽出が難しい
水素は宇宙で最も豊富な元素であるにもかかわらず、単独では存在しないため、電気分解によって水から収集するか、炭素ベースの化石燃料から分離する必要があります。これらの方法は両方とも、完了するためにかなりの量のエネルギーを必要とします。
このエネルギーは、水素自体から得られるエネルギーよりも高価になる可能性があります。さらに、CCS がない場合、この抽出には化石燃料の使用が必要になることが多く、水素の環境への配慮が損なわれます。
燃料電池にはどのような種類がありますか?
燃料電池のメリットとデメリットについて学んだ後、さまざまな種類の燃料電池についても学びましょう。燃料電池の主な違いは、使用される電解質の種類です。この分類によって、以下の種類が定義されます。
- 細胞内で起こる電気化学プロセス
- 必要な触媒の種類
- 細胞が機能する温度範囲
- 必要な燃料、およびその他の基準。
これらの特性は、これらのセルが最も適した用途に影響します。現在、さまざまな種類の燃料電池が開発されており、それぞれに独自の利点、制限、および可能な用途があります。燃料電池の種類の詳細については、以下をご覧ください。
1. 電解質膜高分子燃料電池
高分子電解質膜（PEM）燃料電池（プロトン交換膜燃料電池とも呼ばれる）は、従来の燃料電池と比較して、高い出力密度と軽量・小型化を実現しています。PEM燃料電池の電解質は固体高分子であり、電極は白金または白金合金触媒を用いた多孔質炭素です。動作に必要なのは、水素、空気中の酸素、そして水のみです。通常、貯蔵タンクや改質器から供給される高純度水素を動力源として使用されます。
PEM燃料電池は低温、一般的には80℃（176°F）前後で動作します。低温動作により、起動時間が短縮され（ウォームアップ時間が短縮される）、システム部品の摩耗が軽減されるため、耐久性が向上します。しかし、水素の電子と陽子を分離するために貴金属触媒（通常は白金）を使用する必要があり、システムコストが高くなります。白金触媒は一酸化炭素による被毒に特に敏感であるため、炭化水素燃料から水素を生成する場合は、燃料ガス中の一酸化炭素を除去するための追加の反応器が必要になります。この反応器も高価です。
PEM燃料電池は主に輸送分野や一部の定置型用途で利用されています。特に、乗用車、バス、大型トラックなどの自動車用途に適しています。
2. 直接メタノール燃料用セル
ほとんどの燃料電池は水素を動力源としており、水素はシステムに直接供給されるか、メタノール、エタノール、炭化水素燃料などの水素を豊富に含む燃料を改質することによってシステム内で生成される。しかし、直接メタノール燃料電池（DMFC）は純粋なメタノールを燃料とし、通常は水と混合して燃料電池のアノードに直接供給される。
メタノールは、ガソリンやディーゼル燃料よりは低いものの、水素よりもエネルギー密度が高い。直接メタノール燃料電池（DMFC）は、一部の燃料電池システムにつきものの燃料貯蔵に関する多くの問題を回避できる。また、メタノールはガソリンと同様に液体であるため、既存のインフラを利用して輸送や供給が容易である。DMFCは、携帯電話やノートパソコンなどの携帯型燃料電池機器の電源として頻繁に利用されている。
3. アルカリ燃料用セル
アルカリ燃料電池（AFC）は、最初に発明された燃料電池技術の一つであり、米国宇宙開発計画において宇宙船内で電気エネルギーと水を生成するために広く採用された最初のタイプの燃料電池でした。これらの燃料電池の電解質は水酸化カリウム水溶液であり、陽極と陰極には様々な非貴金属を用いることができます。
このタイプの燃料電池における大きな課題の一つは、二酸化炭素（CO2）による劣化を受けやすいことです。実際、空気中の微量のCO2でさえ、炭酸塩の生成により、電池の性能と耐久性に大きな影響を与える可能性があります。液体電解質を用いたアルカリ電池は、循環モードで運転することができ、これにより電解質の再生が可能になり、電解質中の炭酸塩生成の影響を軽減できますが、同時に分流電流の問題も生じます。
液体電解質系におけるその他の問題点としては、濡れ性、腐食の増加、差圧制御の難しさなどが挙げられる。これらの問題は、液体電解質型アルカリ燃料電池（AFC）よりもCO2による影響を受けにくいアルカリ膜燃料電池（AMFC）によって解決される。しかしながら、CO2は依然として性能に影響を与え、AMFCの性能と耐久性はPEMFCに劣る。
AMFCは、WからkWまでの幅広い用途向けに研究されている。二酸化炭素耐性、膜の導電率と耐久性、高温動作、水管理、電力密度、および陽極電気触媒作用はすべて、AMFCにとっての課題である。
4. リン酸細胞
PAFCは、電解質として液体リン酸（リン酸はテフロン結合炭化ケイ素マトリックスに保持されている）と、白金触媒を用いた多孔質炭素電極を使用する。右の図は、セル内で起こる電気化学反応を示している。
PAFCは、現代の燃料電池の「第一世代」と位置づけられています。最も開発が進んだ燃料電池の一つであり、最初に商用化された燃料電池でもあります。このタイプの燃料電池は通常、定置型発電に用いられますが、一部のPAFCは都市バスなどの大型車両の動力源としても使用されています。
PAFCは、改質化石燃料中の不純物に対する耐性がPEMセルよりも高い。PEMセルは、一酸化炭素が陽極の白金触媒に付着して燃料電池の効率を低下させるため、一酸化炭素によって容易に「汚染」される。PAFCは、電気と熱の両方を生成する場合、85%以上の効率を発揮するが、電気のみを生成する場合は効率が低下する（37%～42%）。
PAFCの効率は、通常33%程度の効率で稼働する燃焼式発電所と比べてわずかに高い程度です。同じ重量と体積であれば、PAFCは他の燃料電池よりも出力が低くなります。そのため、これらの燃料電池は一般的に大型で重量があります。また、PAFCは高価です。他の燃料電池に比べて白金触媒の使用量を大幅に増やす必要があるため、コストが高くなります。
5. 溶融炭酸塩燃料電池
溶融炭酸塩燃料電池（MCFC）は、天然ガス火力発電所や石炭火力発電所、電力会社、産業、軍事用途向けに開発が進められています。MCFCは高温燃料電池であり、多孔質で化学的に不活性なセラミックリチウムアルミニウム酸化物マトリックス中に溶融炭酸塩からなる電解質を使用します。非貴金属は、650℃（約1,200°F）の高温でも機能するため、陽極と陰極の触媒として使用できます。
MCFCがリン酸燃料電池に比べて大幅なコスト削減を実現できるもう一つの理由は、効率の向上です。タービンと組み合わせることで、溶融炭酸塩燃料電池は65%近い効率を達成でき、これはリン酸燃料電池の効率37%～42%を大きく上回ります。廃熱を回収して利用すれば、総合的な燃料効率は85%を超えることも可能です。
MCFC（溶融塩型燃料電池）は、天然ガスやバイオガスを水素に変換するための外部改質器を必要としません。MCFCは高温で動作するため、これらの燃料に含まれるメタンやその他の軽質炭化水素は、燃料電池内部で内部改質と呼ばれるプロセスによって水素に変換され、コスト削減にもつながります。
既存のMCFC技術の根本的な欠点は、寿命が短いことである。これらのセルは高温で動作し、腐食性の高い電解液を使用しているため、部品の劣化や腐食が促進され、セルの寿命が短くなる。現在、科学者たちは、部品に耐腐食性材料を使用する研究や、性能を損なうことなく現在の4万時間（5年）のセル寿命を倍増できる燃料電池設計の開発に取り組んでいる。
6. 固体酸化物燃料用セル
固体酸化物燃料電池（SOFC）では、電解質は緻密で非多孔質のセラミックです。SOFCは燃料を電気に変換する効率が約60%です。システムの廃熱を回収して利用する（コージェネレーション）システムでは、燃料利用効率は85%を超える可能性があります。
SOFCは最高1,000℃（1,830°F）という極めて高い温度で動作します。高温動作により貴金属触媒が不要となり、コスト削減につながります。また、SOFC内部で燃料を改質できるため、より幅広い種類の燃料を使用でき、システムに改質器を追加するコストも削減できます。
SOFC は最も耐硫黄性に優れた燃料電池でもあり、他のタイプのセルよりも桁違いに多くの硫黄に耐えることができます。さらに、SOFC は一酸化炭素によるダメージを受けないため、燃料としても使用できます。この特性により、SOFC は天然ガス、バイオガス、石炭由来のガスを使用できます。高温で動作することには欠点があります。
これは始動遅延を引き起こし、熱を保持し従業員を保護するために大規模な断熱シールドが必要となる。これは公共用途には適しているが、輸送用途には適さない。動作温度が高いため、材料は厳しい耐久性基準を満たす必要がある。この技術における主な技術的課題は、セル動作温度において高い耐久性を持つ低コスト材料の開発である。
科学者たちは現在、700°C 以下で動作し、耐久性の問題が少なく、より安価な低温 SOFC の製造の可能性を調査しています。低温 SOFC はまだ高温システムの性能に匹敵しておらず、この低温範囲用のスタック材料はまだ開発中です。
7. 可逆燃料電池
可逆型燃料電池は、従来の燃料電池と同様に、水素と酸素から電気を生成すると同時に、熱と水を副産物として生成します。一方、可逆型燃料電池システムは、太陽光、風力、その他の電源からの電気を利用して、電気分解と呼ばれるプロセスによって水を酸素と水素燃料に分解することができます。
可逆型燃料電池は、必要な時に発電できるだけでなく、他の発電技術による発電量が多い時期（例えば、強風によって利用可能な風力発電量が余剰になった場合など）には、余剰エネルギーを水素の形で貯蔵することができます。このエネルギー貯蔵能力は、断続的な再生可能エネルギー技術にとって画期的な可能性を秘めています。それでは、燃料電池の動作原理について見ていきましょう。
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燃料電池の動作原理は何ですか?
燃料電池の利点について学んだ後は、燃料電池の動作原理についても学ぶべきです。燃料電池は、電解質膜で隔てられた2つの電極（陽極と陰極）で構成されています。水素、メタン、エタン、エタノールなどの有機燃料は、燃料電池で電気を生成するために利用できます。これらの燃料は不完全燃焼を起こし、副産物として熱を放出します。これらの反応のほとんどは酸化還元反応であり、副産物として水と二酸化炭素が生成されます。
酸化還元反応における電子の移動により、化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。電極間には電解質物質があります。燃料は各電極に個別に供給されます。燃料電池では、水素がアノードに供給され、空気がカソードに供給されると仮定します。この場合、セルのアノード側にある触媒は、水素分子をプロトンや電子などのより小さな粒子に分解する傾向があります。
両方の要素は、異なる経路でカソードに向かって移動しようとします。電子は外部チャネルに沿ってカソードまで移動し、電流を供給します。一方、陽子は電解質膜を通過してカソードまで移動し、そこで酸素分子および電子と反応して副産物として水と熱を生成します。
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燃料電池の用途をいくつか挙げる
水素燃料電池の 10 の用途を見てみましょう。そのうちのいくつかは、皆さんが知らないかもしれません。
1. 倉庫管理：いくつかの大規模な倉庫・流通組織は、クリーンなトラック、フォークリフト、パレットジャッキ、その他の機器の動力源として水素燃料電池に注目している。
2．国際流通：燃料電池は、長距離輸送と地域配送に必要な航続距離と出力を備えています。ニコラ、ヒュンダイ、トヨタ、ケンワース、UPSは既に水素燃料の大型トラックやバンを製造しています。
3．バス：水素燃料は、水素燃料電池バスをはじめとする様々な公共交通機関での利用が研究されている。シカゴ、バンクーバー、ロンドン、北京など、いくつかの大都市では水素燃料バスの実験が行われている。
4．列車：水素燃料電池列車はすでにドイツに導入されており、今後5年間でイギリス、フランス、イタリア、日本、韓国、アメリカにもさらに多くの種類の列車が導入される予定である。
5．個人向け車両：主要自動車メーカー9社が、個人利用向けの水素燃料電池電気自動車（HFCEV）の開発に取り組んでいる。トヨタ・ミライ、ホンダ・クラリティ、ヒュンダイ・ネクソ、BMW i Hydrogen Nextなどが注目すべきモデルである。
6. 航空機：パスファインダーやヘリオスなどの試作機を含むいくつかの実験プロジェクトでは、航空宇宙分野における水素燃料電池の利用が研究されてきた。これらの長距離無人機は、太陽電池アレイで駆動する水素燃料電池を用いたハイブリッドシステムを採用しており、理論上は昼夜を問わず無制限の連続飛行が可能となっている。
7. バックアップ電源の生成：定置型燃料電池は、継続的な稼働が重要な無停電電源装置（UPS）システムで利用されています。病院やデータセンターでは、無停電電源装置として水素の利用がますます増えています。マイクロソフトは最近、新しい水素バックアップ発電機の試験に成功し、あるデータセンターのサーバーを水素のみで2日間稼働させたことで話題になりました。
8．移動式電源の発電：水素は、移動式電源の発電において数多くの選択肢を提供する。実際、NASAはロケットやスペースシャトルの宇宙空間での動力源として、初期の水素燃料電池を開発した。
9. 無人航空機（UAV）：荷物配送から捜索救助活動まで、UAV（ドローン）の革新的な用途は多岐にわたりますが、標準的なバッテリーの電力と航続距離によってその可能性は大きく制限されています。軍と民間企業はともに、バッテリー駆動機器の最大3倍の航続距離を持つ水素燃料電池を用いてこれらの課題を解決しようとしています。燃料電池はエネルギー対質量比が高く、数分で充電できます。
10．船舶と潜水艦：水素燃料電池は、さまざまな海洋用途で利用されています。エナジー・オブザーバー号のような一部の船舶は、船上のソーラーパネルと風力タービンを使用して燃料電池システム用の水素を自ら生成しています。水素燃料電池は、ドイツの212型潜水艦のような軍用ステルス潜水艦にとって、航続距離が長く、静粛性に優れ、排気熱も少ないため、原子力に代わる動力源となります。
燃料電池は、今日の自動車燃料の有望な代替品です。効果的な車載貯蔵など、技術の特定の部分にはさらなる開発が必要ですが、燃料電池が今日のディーゼルやガソリンと同じくらい便利で魅力的な輸送燃料にならない理由はありません。この記事を通じて、燃料電池の長所と短所を簡単に理解していただけたことを願っています。コメント欄でご質問を共有してください。
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