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燃料電池は、燃料（多くの場合水素）と酸化剤（多くの場合酸素）[1]の化学エネルギーを一対の酸化還元反応を通じて電気に変換する電気化学セルです。 [2]燃料電池は、化学反応を維持するために燃料と酸素（通常は空気から）の継続的な供給を必要とする点でほとんどのバッテリーとは異なります。一方、バッテリーでは、化学エネルギーは通常、バッテリー内にすでに存在する物質から供給されます。[3]燃料電池は、燃料と酸素が供給されている限り、継続的に電気を生成できます。
最初の燃料電池は、 1838年にウィリアム・グローブ卿によって発明されました。燃料電池が初めて商業的に利用されたのは、ほぼ1世紀後の1932年にフランシス・トーマス・ベーコンが水素酸素燃料電池を発明してからでした。発明者にちなんでベーコン燃料電池とも呼ばれるアルカリ燃料電池は、1960年代半ばからNASAの宇宙計画で、衛星や宇宙カプセルの電力を生成するために使用されてきました。それ以来、燃料電池は他の多くの用途に使用されてきました。燃料電池は、商業ビル、工業ビル、住宅ビル、遠隔地やアクセスできない地域での主電源およびバックアップ電源として使用されています。また、フォークリフト、自動車、バス、[4]電車、ボート、オートバイ、潜水艦 などの燃料電池車両への電力供給にも使用されています。
燃料電池には多くの種類がありますが、いずれもアノード、カソード、およびイオン（多くの場合は正に帯電した水素イオン（プロトン））が燃料電池の両側の間を移動できるようにする電解質で構成されています。アノードでは、触媒が燃料の酸化反応を引き起こし、イオン（多くの場合は正に帯電した水素イオン）と電子が生成されます。イオンは電解質を通ってアノードからカソードに移動します。同時に、電子は外部回路を通ってアノードからカソードに流れ、直流電気を生成します。カソードでは、別の触媒がイオン、電子、酸素を反応させ、水やその他の生成物を生成します。燃料電池は、使用する電解質の種類と起動時間の違いによって分類されます。起動時間は、プロトン交換膜燃料電池（PEM燃料電池、またはPEMFC）の1秒から固体酸化物形燃料電池（SOFC）の10分までです。関連技術にフロー電池があり、再充電によって燃料を再生できます。個々の燃料電池は、約 0.7 ボルトという比較的小さな電位を生成するため、セルを「スタック」または直列に配置することで、アプリケーションの要件を満たすのに十分な電圧を生成します。[5]燃料電池は、電気に加えて、水蒸気、熱、および燃料源に応じて、非常に少量の二酸化窒素やその他の排出物を生成します。PEMFC セルは、通常、SOFC セルよりも窒素酸化物の生成が少なくなります。低温で動作し、燃料として水素を使用し、NOx を形成するプロトン交換膜を介してアノードへの窒素の拡散を制限します。燃料電池のエネルギー効率は通常 40 ～ 60% ですが、廃熱をコジェネレーションスキームで回収すると、最大 85% の効率が得られます。[6]
歴史
水素燃料電池に関する最初の言及は1838年に登場した。1838年10月付けの手紙で、1838年12月発行のロンドン・エディンバラ哲学雑誌および科学ジャーナルに掲載された、ウェールズの物理学者で弁護士のウィリアム・グローブ卿は、彼が開発した最初の原始的な燃料電池について書いている。彼は、鉄板、銅、磁器の板、および硫酸銅と希酸の溶液を組み合わせたものを使用した。[7] [8] 1838年12月に書かれ、1839年6月に出版された同じ出版物への手紙で、ドイツの物理学者クリスティアン・フリードリヒ・シェーンバインは、彼が発明した最初の原始的な燃料電池について論じている。彼の手紙では、水に溶解した水素と酸素から発生する電流について論じている。[9]グローブは後に、1842年に同じ雑誌に自分の設計をスケッチしている。彼が作った燃料電池は、今日のリン酸燃料電池と同様の材料を使用していた。[10] [11]
1932年、イギリスのエンジニア、フランシス・トーマス・ベーコンは5kWの定置型燃料電池の開発に成功しました。[12] NASAは1960年代半ばから、発明者にちなんでベーコン燃料電池とも呼ばれるアルカリ燃料電池（AFC）を使用しました。 [12] [13]
1955年、ゼネラル・エレクトリック・カンパニー（GE）に勤務していた化学者のW・トーマス・グラブは、スルホン化ポリスチレンイオン交換膜を電解質として使用することで、元の燃料電池の設計をさらに改良しました。3年後、別のGE化学者レナード・ニードラッハは、必要な水素酸化および酸素還元反応の触媒として機能する白金を膜に堆積させる方法を考案しました。これは「グラブ・ニードラッハ燃料電池」として知られるようになりました。[14] [15] GEはNASAおよびマクドネル・エアクラフト社と共同でこの技術を開発し、ジェミニ計画で使用しました。これが燃料電池の最初の商業利用でした。1959年、ハリー・イーリッグ率いるチームがアリス・チャーマーズ社向けに15kWの燃料電池トラクターを製作し、全米各地の州フェアで実演されました。1959年後半、ベーコンと彼の同僚は溶接機に電力を供給できる実用的な5キロワットのユニットを実証した。1960年代、プラット・アンド・ホイットニーはベーコンの米国特許を米国の宇宙計画で使用して電気と飲料水を供給するライセンスを供与した（水素と酸素は宇宙船のタンクから容易に入手可能）。1991年、ロジャー・E・ビリングスによって最初の水素燃料電池自動車が開発された。[16] [17] [18]
UTCパワーは、病院、大学、大規模オフィスビルのコジェネレーション発電所として使用するための大型の定置型燃料電池システムを製造し、商品化した最初の企業でした。 [19]
燃料電池産業と燃料電池開発におけるアメリカの役割を認識し、米国上院は2015年10月8日を国家水素・燃料電池の日と認定し、S. RES 217を可決した。この日付は水素の原子量（1.008）にちなんで選ばれた。[20]
燃料電池の種類、設計
燃料電池にはさまざまな種類がありますが、どれも基本的には同じ仕組みで動作します。燃料電池は、アノード、電解質、カソードという 3 つの隣接するセグメントで構成されています。3 つの異なるセグメントの境界で 2 つの化学反応が起こります。2 つの反応の最終的な結果として、燃料が消費され、水または二酸化炭素が生成され、電流が生成されます。この電流は、通常負荷と呼ばれる電気機器に電力を供給するために使用できます。
陽極では、触媒が燃料をイオン化し、燃料を正に帯電したイオンと負に帯電した電子に変えます。電解質は、イオンは通過できるが電子は通過できないように特別に設計された物質です。解放された電子は電線を通って移動し、電流を生み出します。イオンは電解質を通って陰極まで移動します。陰極に到達すると、イオンは電子と再結合し、2つは第3の化学物質（通常は酸素）と反応して水または二酸化炭素を生成します。
燃料電池の設計上の特徴は次のとおりです。
- 電解質物質は通常燃料電池の種類を定義し、水酸化カリウム、炭酸塩、リン酸などのさまざまな物質から作ることができます。[21]
- 最も一般的に使用される燃料は水素です。
- 通常は微細な白金粉末である陽極触媒が、燃料を電子とイオンに分解します。
- カソード触媒（多くの場合ニッケル）はイオンを廃棄物化学物質に変換し、水が最も一般的な廃棄物です。[22]
- 酸化に耐えるように設計されたガス拡散層。[22]
一般的な燃料電池は、定格負荷時に 0.6 ～ 0.7 V の電圧を生成します。電流が増加すると、いくつかの要因により電圧が低下します。
必要な量のエネルギーを供給するために、燃料電池を直列に接続してより高い電圧を発生させ、並列に接続してより高い電流を供給できます。このような設計は燃料電池スタックと呼ばれます。セルの表面積を増やして、各セルからより高い電流を供給することもできます。
プロトン交換膜燃料電池
典型的な水素酸化物プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の設計では、プロトン伝導性ポリマー膜（通常はナフィオン）に電解質溶液が含まれており、これがアノード側とカソード側を分離します。 [27] [28]これは、プロトン交換メカニズムが十分に理解される前の1970年代初頭には固体ポリマー電解質燃料電池（SPEFC ）と呼ばれていました。（同義語のポリマー電解質膜とプロトン交換メカニズムが同じ頭字語になることに注意してください。）
アノード側では、水素はアノード触媒に拡散し、その後、陽子と電子に解離します。これらの陽子は、多くの場合、酸化剤と反応して、一般に多促進陽子膜と呼ばれるものになります。陽子は膜を通って陰極に伝導されますが、電子は膜が電気的に絶縁されているため、外部回路（電力供給）を移動することを余儀なくされます。陰極触媒では、酸素分子が（外部回路を通過した）電子および陽子と反応して水を形成します。
この純粋な水素タイプに加えて、ディーゼル、メタノール（直接メタノール燃料電池と間接メタノール燃料電池を参照）、化学水素化物などの燃料電池用の炭化水素燃料があります。これらのタイプの燃料の廃棄物は二酸化炭素と水です。水素を使用すると、天然ガスからのメタンが蒸気と結合して水素を生成する蒸気メタン改質と呼ばれるプロセスでCO 2が放出されます。これは燃料電池とは別の場所で行うことができるため、水素燃料電池を屋内（たとえばフォークリフト）で使用できるようになる可能性があります。
PEMFCのさまざまなコンポーネントは
燃料電池の各部に使用される材料は、タイプによって異なります。バイポーラプレートは、金属、コーティングされた金属、グラファイト、フレキシブルグラファイト、C-C複合材、炭素-ポリマー複合材など、さまざまな種類の材料で作られています。 [30]膜電極アセンブリ（MEA）は、PEMFCの心臓部と呼ばれ、通常は2枚の触媒コーティングされたカーボンペーパーの間に挟まれたプロトン交換膜で作られています。プラチナや同様のタイプの貴金属は通常、PEMFCの触媒として使用されますが、これらは一酸化炭素で汚染される可能性があるため、比較的純粋な水素燃料が必要になります。[31]電解質はポリマー膜である可能性があります。
プロトン交換膜燃料電池の設計上の問題
- 料金
- 2013年、米国エネルギー省は、80kWの自動車用燃料電池システムのコストを、年間10万台の自動車ユニットの量産を想定すると1キロワット当たり67ドル、年間50万台の量産を想定すると1キロワット当たり55ドルに抑えられると見積もった。 [32]多くの企業が、個々のセルに必要なプラチナの量を減らすなど、さまざまな方法でコストを削減する技術に取り組んでいる。Ballard Power Systemsは、カーボンシルクで強化された触媒の実験を行っており、これにより性能を低下させることなくプラチナの使用量を30%削減（1.0～0.7 mg/cm 2 ）できる。 [33] メルボルンのモナッシュ大学は、PEDOTをカソードとして使用している。[34] 2011年に発表された研究[35]では、比較的安価なドープカーボンナノチューブを使用した最初の金属フリー電気触媒が文書化されており、これはプラチナの1%未満のコストで同等かそれ以上の性能を発揮する。最近発表された論文では、カーボンナノチューブをプラチナの炭素基板として使用した場合に環境負荷がどのように変化するかが実証されました。[36]
- 水と空気の管理[37] [38]（PEMFCの場合）
- このタイプの燃料電池では、膜を水和させる必要があるため、生成されるのとまったく同じ速度で水を蒸発させる必要があります。水の蒸発が速すぎると、膜が乾燥して抵抗が増大し、最終的には亀裂が生じ、水素と酸素が直接結合するガスの「短絡」が発生し、熱が発生して燃料電池が損傷します。水の蒸発が遅すぎると、電極が浸水し、反応物が触媒に到達できず、反応が停止します。セル内の水を管理する方法は、流量制御に重点を置いた電気浸透ポンプのように開発されています。燃焼エンジンと同様に、燃料電池を効率的に動作させるには、反応物と酸素の比率を一定に保つ必要があります。
- 温度管理
- 熱負荷によるセルの破壊を防ぐために、セル全体で同じ温度を維持する必要があります。2H 2 + O 2 → 2H 2 O 反応は発熱性が高く、燃料電池内で大量の熱が発生するため、これは特に困難です。
- 耐久性、耐用年数、および特定のタイプのセルの特別な要件
- 定置型燃料電池の用途では、通常、-35～40℃（-31～104℉）の温度で40,000時間以上の信頼性の高い動作が求められますが、自動車用燃料電池では、極端な温度下で5,000時間（240,000kmまたは150,000マイルに相当）の寿命が求められます。現在の耐用年数は2,500時間（約120,000kmまたは75,000マイル）です。[39]自動車エンジンは、-30℃（-22℉）でも確実に始動でき、高い出力対容積比（通常2.5kW/L）を備えている必要があります。
- 一部の（非PEDOT）カソードの一酸化炭素耐性は限られている。 [31]
リン酸燃料電池
リン酸燃料電池（PAFC）は、1961年にGVエルモアとHAタナーによって初めて設計され、導入されました。これらのセルでは、リン酸が非導電性電解質として使用され、陽極から陰極に陽子を渡し、外部電気回路を介して電子を陽極から陰極に移動させます。これらのセルは通常、150〜200°Cの温度で動作します。この高温は、熱が適切に除去および使用されない場合には、熱とエネルギーの損失を引き起こします。この熱は、空調システムやその他の熱エネルギー消費システム用の蒸気を生成するために使用できます。[40]この熱をコジェネレーションに使用すると、リン酸燃料電池の効率を40〜50％から約80％に高めることができます。[40]陽極での陽子生成率は低いため、このイオン化率を高めるためにプラチナが触媒として使用されます。これらのセルの主な欠点は、酸性電解質を使用することです。これにより、リン酸にさらされたコンポーネントの腐食または酸化が増加します。[41]
固体酸燃料電池
固体酸燃料電池（SAFC）は、電解質として固体酸材料を使用するのが特徴です。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、140～150℃ ）では、一部の固体酸は相転移を起こして非常に無秩序な「超プロトン」構造になり、導電性が数桁増加します。最初の概念実証SAFCは、硫酸水素セシウム（CsHSO 4）を使用して2000年に開発されました。[42]現在のSAFCシステム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。[43]
アルカリ燃料電池
アルカリ燃料電池（AFC）または水素酸素燃料電池は、1959年にフランシス・トーマス・ベーコンによって設計され、初めて公開されました。アポロ宇宙計画では主要な電気エネルギー源として使用されました。[44]セルは、Pt、Ag、CoOなどの適切な触媒を含浸させた2つの多孔質炭素電極で構成されています。2つの電極間の空間は、電解質として機能するKOHまたはNaOHの濃縮溶液で満たされています。H 2ガスとO 2ガスは、多孔質炭素電極を通じて電解質に泡立ちます。したがって、全体的な反応では、水素ガスと酸素ガスが結合して水が形成されます。セルは、反応物の供給がなくなるまで連続的に動作します。このタイプのセルは、343〜413 K（70〜140℃）の温度範囲で効率的に動作し、約0.9 Vの電位を提供します。 [45] アルカリアニオン交換膜燃料電池（AAEMFC）は、水性水酸化カリウム（KOH）の代わりに固体ポリマー電解質を使用するAFCの一種であり、水性AFCよりも優れています。
高温燃料電池
固体酸化物燃料電池
固体酸化物燃料電池（SOFC）は、電解質として固体材料、最も一般的にはイットリア安定化ジルコニア（YSZ）と呼ばれるセラミック材料を使用します。SOFCは完全に固体材料で作られているため、他のタイプの燃料電池のような平面構成に限定されず、多くの場合、巻かれたチューブとして設計されています。動作温度は高く（800〜1000℃）、天然ガスを含むさまざまな燃料で動作できます。[6]
SOFC は、他のすべてのタイプの燃料電池の場合のように陽子が逆方向に移動するのとは異なり、負に帯電した酸素イオンがカソード (燃料電池のプラス側) からアノード (燃料電池のマイナス側) に移動する点で独特です。酸素ガスはカソードから供給され、そこで電子を吸収して酸素イオンを生成します。その後、酸素イオンは電解質を通過してアノードで水素ガスと反応します。アノードでの反応により、副産物として電気と水が生成されます。燃料によっては二酸化炭素も副産物となる場合がありますが、SOFC システムからの炭素排出量は化石燃料燃焼プラントからの排出量よりも少なくなります。[46] SOFC システムの化学反応は次のように表すことができます。[47]
- 陽極反応：2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e −
- カソード反応：O 2 + 4e − → 2O 2−
- 全体的なセル反応：2H 2 + O 2 → 2H 2 O
SOFCシステムは、純粋な水素ガス以外の燃料でも作動します。しかし、上記の反応には水素が必要なので、選択された燃料には水素原子が含まれていなければなりません。燃料電池を作動させるには、燃料を純粋な水素ガスに変換する必要があります。SOFCは、メタン（天然ガス）、[48]プロパン、ブタン[49]などの軽質炭化水素を内部で改質することができます。これらの燃料電池はまだ開発の初期段階にあります。[50]
SOFC システムには、動作温度が高いという課題があります。その 1 つは、アノードに炭素粉塵が蓄積して内部改質プロセスが遅くなる可能性があることです。ペンシルバニア大学でこの「炭素コーキング」問題に対処するための研究では、銅ベースのサーメット(セラミックと金属でできた耐熱性材料) を使用すると、コーキングと性能の低下を軽減できることが示されています。[51] SOFC システムのもう 1 つの欠点は、起動に時間がかかることです。そのため、SOFC はモバイル アプリケーションにはあまり適していません。これらの欠点にもかかわらず、動作温度が高いと、プラチナなどの貴金属触媒が不要になり、コストが削減されるという利点があります。さらに、SOFC システムからの廃熱を回収して再利用できるため、理論上の全体効率が 80～85% まで高まります。[6]
動作温度が高いのは、主にYSZ電解質の物理的特性によるものです。温度が下がると、 YSZのイオン伝導性も下がります。したがって、燃料電池の最適な性能を得るには、高い動作温度が必要です。同社のウェブサイトによると、英国のSOFC燃料電池メーカーであるCeres Powerは、SOFCシステムの動作温度を500～600℃に下げる方法を開発したとのことです。同社は、一般的に使用されているYSZ電解質をCGO（セリウムガドリニウム酸化物）電解質に置き換えました。動作温度が低いため、セル基板としてセラミックの代わりにステンレス鋼を使用できるようになり、システムのコストと起動時間が削減されます。[52]
溶融炭酸塩燃料電池
溶融炭酸塩燃料電池（MCFC）はSOFCと同様に650℃（1,200℉）という高い動作温度を必要とする。MCFCは電解質として炭酸リチウムカリウム塩を使用しており、この塩は高温で液化し、セル内の電荷（この場合は炭酸負イオン）の移動を可能にする。[53]
SOFC と同様に、MCFC は化石燃料をアノードで水素を豊富に含むガスに変換できるため、外部で水素を生成する必要がなくなります。改質プロセスでは CO2 が排出されます。MCFCに適合する燃料には、天然ガス、バイオガス、石炭から生産されたガスなどがあります。ガス中の水素は電解質の炭酸イオンと反応して、水、二酸化炭素、電子、および少量のその他の化学物質を生成します。電子は外部回路を通過して電気を作り、カソードに戻ります。そこで、空気中の酸素とアノードからリサイクルされた二酸化炭素が電子と反応して炭酸イオンを形成し、電解質を補充して回路を完成させます。[53] MCFC システムの化学反応は次のように表すことができます。[54]
- アノード反応：CO 3 2− + H 2 → H 2 O + CO 2 + 2e −
- カソード反応: CO 2 + ½O 2 + 2e − → CO 3 2−
- 全体的なセル反応：H 2 + ½O 2 → H 2 O
SOFC と同様に、MCFC の欠点としては、動作温度が高いため起動に時間がかかることが挙げられます。このため、MCFC システムはモバイル アプリケーションには適しておらず、この技術はおそらく固定式燃料電池の用途に使用されます。MCFC 技術の主な課題は、セルの寿命が短いことです。高温と炭酸塩電解質は、アノードとカソードの腐食を引き起こします。これらの要因により、MCFC コンポーネントの劣化が加速され、耐久性とセル寿命が低下します。研究者は、コンポーネントの耐腐食性材料や、性能を低下させることなくセル寿命を延ばす可能性のある燃料電池の設計を研究することで、この問題に取り組んでいます。[6]
MCFC は、不純物に対する耐性など、他の燃料電池技術に比べていくつかの利点があります。MCFC は「カーボン コーキング」を起こしにくいという特徴があります。カーボン コーキングとは、アノードにカーボンが蓄積して内部の燃料改質プロセスを遅くすることで性能が低下することです。そのため、石炭から作られたガスなどの炭素を多く含む燃料は、このシステムと互換性があります。米国エネルギー省は、石炭を水素に変換するときに生じる硫黄や微粒子などの不純物に対して耐性のあるシステムを作れると仮定すると、石炭自体が将来的に燃料の選択肢になる可能性もあると主張しています。[6] MCFC は効率も比較的高いです。燃料から電気への効率は 50% に達し、リン酸燃料電池プラントの 37～42% の効率よりもかなり高くなります。燃料電池をタービンと組み合わせると効率は 65% まで上がり、熱を捕捉して熱電併給(CHP) システムで使用すると 85% になります。[53]
コネチカット州に本拠を置く燃料電池メーカーである FuelCell Energy は、MCFC 燃料電池の開発と販売を行っています。同社によると、同社の MCFC 製品は 300 kW から 2.8 MW のシステムまで幅広く、47% の電気効率を達成し、CHP 技術を利用してより高い全体効率を得ることができるとのことです。DFC-ERG という製品はガスタービンと組み合わせられており、同社によれば、65% の電気効率を達成しています。[55]
蓄電燃料電池
蓄電燃料電池は、従来の電気化学効果を利用して電力入力で充電できる従来の電池である。しかし、この電池には、化学的に交互に電池を充電するための水素（および酸素）入力も含まれている。[56]
燃料電池の種類の比較
表内の用語集:
- アノード
- 酸化（電子の損失）が起こる電極。燃料電池やその他のガルバニ電池の場合、陽極は負極端子であり、電解セル（電気分解が起こるセル）の場合、陽極は正極端子である。[60]
- 水溶液[61]
- 水に関連する、または水に似ている
- 水から、水を使って、または水によって作られた。
- 触媒
- 消費されることなく反応速度を速める化学物質。反応後、反応混合物から回収される可能性があり、化学的には変化しない。触媒は必要な活性化エネルギーを下げ、反応をより速く、またはより低い温度で進行させる。燃料電池では、触媒は酸素と水素の反応を促進する。通常、これはカーボン紙または布に非常に薄くコーティングされた白金粉末でできている。触媒は粗く多孔質であるため、白金の最大表面積が水素または酸素にさらされることができる。触媒の白金コーティングされた側は、燃料電池の膜に面している。[60]
- 陰極
- 還元（電子の獲得）が起こる電極。燃料電池やその他のガルバニ電池の場合、カソードは正極端子であり、電解セル（電気分解が起こるセル）の場合、カソードは負極端子です。[60]
- 電解質
- 燃料電池、電池、電解装置において、荷電イオンを一方の電極からもう一方の電極へ伝導する物質。[60]
- 燃料電池スタック
- 個々の燃料電池を直列に接続したもの。燃料電池を積み重ねることで電圧を高めることができる。[60]
- マトリックス
- 何か他のものがその中で発生し、発展し、または形成されるもの。[62]
- 膜
- 燃料電池内の分離層。電解質（イオン交換体）として機能するとともに、燃料電池の陽極と陰極の区画内のガスを分離するバリアフィルムとしても機能します。[60]
- 溶融炭酸塩燃料電池（MCFC）
- 溶融炭酸塩電解質を含む燃料電池の一種。炭酸イオン（CO 3 2−）がカソードからアノードに輸送される。動作温度は通常650℃付近である。[60]
- リン酸燃料電池（PAFC）
- 電解質が濃リン酸（H 3 PO 4 ）からなる燃料電池の一種。陽子（H+）は陽極から陰極に輸送される。動作温度範囲は通常160～220℃である。[60]
- プロトン交換膜燃料電池（PEM）
- 固体高分子膜を電解質として組み込んだ燃料電池。陽子（H+）は陽極から陰極に輸送される。低温プロトン交換膜燃料電池（LT-PEMFC）の動作温度範囲は通常60～100℃である。[60]動作温度が120～200℃のPEM燃料電池は高温プロトン交換膜燃料電池（HT-PEMFC）と呼ばれる。 [63]
- 固体酸化物燃料電池（SOFC）
- 電解質が固体の非多孔性金属酸化物（典型的にはY 2 O 3で処理された酸化ジルコニウム（ZrO 2 ））であり、O 2−がカソードからアノードに輸送される燃料電池の一種。改質ガス中のCOはアノードでCO 2に酸化される。動作温度は通常800～1,000℃である。[60]
- 解決策[64]
- 固体、液体、または気体の物質を液体、あるいは場合によっては気体や固体と均一に混合する行為またはプロセス。
- このプロセスによって形成される均質な混合物。特に、単相液体システム。
- 解散した状態。
主要な燃料電池の効率
理論上の最大効率
エネルギーを変換するシステムまたはデバイスのエネルギー効率は、システムによって出力される有効エネルギー量（「出力エネルギー」）と入力されるエネルギー総量（「入力エネルギー」）の比率、または有効出力エネルギーを総入力エネルギーのパーセンテージとして測定します。燃料電池の場合、有効出力エネルギーはシステムによって生成される電気エネルギーで測定されます。入力エネルギーは燃料に蓄えられたエネルギーです。米国エネルギー省によると、燃料電池のエネルギー効率は通常 40 ～ 60% です。[65]これは、他のエネルギー生成システムよりも高い値です。たとえば、自動車の内燃機関のエネルギー効率は約 43% です。[66] [67] 蒸気発電所の効率は通常 30 ～ 40%ですが[68]、ガスタービンと蒸気の複合サイクル発電所では60% を超える効率を達成できます。[69] [70]熱電併給発電（CHP）システムでは、燃料電池、核分裂、燃焼などの主要な発電サイクルで発生した廃熱を回収して利用することで、システムの効率を最大85～90％まで高めます。[6]
いかなるタイプの発電システムも理論上の最大効率は実際には決して達成されず、燃料の生産、輸送、貯蔵、電気から機械力への変換など、発電における他のステップは考慮されていません。しかし、この計算により、異なるタイプの発電を比較することができます。燃料電池の理論上の最大効率は100％に近づきますが、[71]内燃機関の理論上の最大効率は約58％です。[72]
実際には
値は酸性の場合は40％、溶融炭酸塩の場合は50％、アルカリ性、固体酸化物、PEM燃料電池の場合は60％と示されています。[73]
燃料電池は、水素を除いてバッテリーのようにエネルギーを貯蔵することはできないが、 [74]太陽光や風力などの不連続なエネルギー源に基づく独立型発電所などの一部の用途では、電解装置や貯蔵システムと組み合わせてエネルギー貯蔵システムを形成する。 2019年の時点で、水素の90％は石油精製、化学薬品、肥料製造（水素はハーバー・ボッシュ法に必要）に使用され、水素の98％は二酸化炭素を排出する水蒸気メタン改質によって生産されている。 [75]純粋な水素と純粋な酸素を使用するこのようなプラントの全体的な効率（電気から水素へ、そして再び電気へ）（往復効率と呼ばれる）は、ガス密度やその他の条件に応じて「35〜50％」になる可能性がある。[76]電解装置/燃料電池システムは、無制限の量の水素を貯蔵できるため、長期貯蔵に適している。
固体酸化物燃料電池は、酸素と水素の再結合により熱を生成します。セラミックは 800 °C (1,470 °F) まで高温になります。この熱は捕捉され、マイクロ熱電併給(m-CHP) アプリケーションで水を加熱するために使用できます。熱が捕捉されると、ユニットでの総効率は 80～90% に達しますが、生産および分配の損失は考慮されません。CHP ユニットは現在、ヨーロッパの家庭用市場向けに開発されています。
ジェレミー・P・マイヤーズ教授は、 2008年に電気化学協会のジャーナル「インターフェース」で、「燃料電池は燃焼エンジンに比べれば効率的だが、バッテリーほど効率的ではない。主な理由は酸素還元反応（および、水の電気分解によって水素が形成される場合の酸素発生反応）の非効率性である。…燃料電池は、電力網から切り離された状態での運用、または燃料を継続的に供給できる場合に最も適している。倉庫などの密閉空間のようにゼロエミッションが必須で、水素が許容可能な反応物と見なされる、頻繁かつ比較的迅速な起動を必要とする用途では、バッテリーの交換が不便な場合、[PEM燃料電池]はますます魅力的な選択肢になりつつある」と書いている。[77] 2013年、軍組織は燃料電池を評価し、兵士が携行するバッテリーの重量を大幅に削減できるかどうかを検討していた。[78]
車両内
燃料電池自動車のタンク・トゥ・ホイール効率は低負荷時に45%を超え[79]、NEDC（新欧州走行サイクル）のような走行サイクルを試験手順として使用すると、平均値は約36%を示します。[80]ディーゼル車の同等のNEDC値は22%です。2008年にホンダは、タンク・トゥ・ホイール効率が60%であると主張する燃料スタックを備えた燃料電池電気自動車（ホンダFCXクラリティ）のデモ車両をリリースしました。[81]
燃料の生産、輸送、貯蔵による損失も考慮することが重要です。圧縮水素で走行する燃料電池車は、水素を高圧ガスとして貯蔵した場合は発電所から車輪までの効率が22％、液体水素として貯蔵した場合は17％になる可能性があります。[82]
アプリケーション
力
定置型燃料電池は、商業、工業、住宅の主電源およびバックアップ電源として使用されています。燃料電池は、宇宙船、遠隔地の気象観測所、大きな公園、通信センター、研究ステーションを含む田舎の場所、および特定の軍事用途などの遠隔地での電源として非常に有用です。水素で稼働する燃料電池システムは、小型で軽量で、大きな可動部品がありません。燃料電池には可動部品がなく、燃焼も伴わないため、理想的な条件下では最大99.9999%の信頼性を達成できます。[83]これは、6年間で1分未満のダウンタイムに相当します。[83]
燃料電池電解システムは燃料を貯蔵せず、外部の貯蔵ユニットに依存するため、農村地域などの大規模なエネルギー貯蔵にうまく適用できます。[84]定置型燃料電池には多くの種類があり、効率はさまざまですが、ほとんどのものはエネルギー効率が40％から60％です。[6]ただし、燃料電池の廃熱をコージェネレーションシステムで建物の暖房に使用すると、効率は85％まで上がります。[6]これは、エネルギー効率が約3分の1しかない従来の石炭火力発電所よりも大幅に効率的です。[85]大規模生産を想定すると、燃料電池をコージェネレーションシステムで使用すると、エネルギーコストを20～40％節約できます。[86]燃料電池は従来の発電よりもはるかにクリーンです。水素源として天然ガスを使用する燃料電池発電所は、1,000kW/hの生産量あたり1オンス未満の汚染物質（CO2以外）を生成しますが、従来の燃焼システムでは25ポンドの汚染物質が生成されます。[87]燃料電池は従来の石炭火力発電所に比べて窒素酸化物の排出量が97%も少ない。
こうしたパイロットプログラムの一つがワシントン州のスチュアート島で実施されている。そこではスチュアート島エネルギーイニシアチブ[88]が完全な閉ループシステムを構築した。太陽光パネルが電気分解装置に電力を供給し、水素を生成する。水素は500ガロン（1,900リットル）のタンクに200ポンド/平方インチ（1,400kPa）の圧力で貯蔵され、ReliOn燃料電池を稼働させてオフグリッド住宅に完全な電気バックアップを提供する。別の閉ループシステムループは2011年後半にニューヨーク州ヘンプステッドで発表された。[89]
燃料電池は、埋立地や廃水処理場から出る低品質のガスを利用して発電し、メタン排出量を削減することができる。カリフォルニア州の2.8MWの燃料電池プラントは、この種のものとしては最大規模と言われている。[90]小規模（5kWhr未満）の燃料電池は、住宅のオフグリッド展開で使用するために開発されている。[91]
コージェネレーション
熱電併給（CHP）燃料電池システム、マイクロ熱電併給（MicroCHP）システムは、家庭（家庭用燃料電池を参照）、オフィスビル、工場で電気と熱の両方を生成するために使用されます。このシステムは一定の電力を生成し（消費されない余剰電力をグリッドに売却）、同時に廃熱から温水と空気を生成します。その結果、CHPシステムは、熱エネルギー変換システムによって一般的に廃棄される廃熱を利用できるため、一次エネルギーを節約する可能性があります。[92]家庭用燃料電池の一般的な容量範囲は、1〜3kW el、4〜8kW thです。[93] [94]吸収式冷凍機に接続されたCHPシステムは、廃熱を冷却に使用します。[95]
燃料電池からの廃熱は夏季には地中に直接放出され、さらなる冷却効果をもたらし、冬季には廃熱を直接建物内に送り込むことができる。ミネソタ大学はこの種のシステムの特許権を所有している。[96] [97]
コージェネレーションシステムは、85％の効率（40〜60％が電気、残りが熱）に達することができます。[6]リン酸燃料電池（PAFC）は、世界中の既存のCHP製品の中で最大のセグメントを占めており、90％近くの総合効率を提供できます。[98] [99]溶融炭酸塩（MCFC）と固体酸化物燃料電池（SOFC）も熱電併給発電に使用され、電気エネルギー効率は約60％です。[100]コージェネレーションシステムの欠点は、ランプアップとランプダウンの速度が遅い、コストが高い、寿命が短いことです。[101] [102]また、熱生産を平滑化するために温水貯蔵タンクが必要なことは、住宅のスペースが非常に貴重である国内市場では大きな欠点でした。[103]
デルタeeのコンサルタントは2013年に、燃料電池マイクロ複合熱電併給システムが世界販売の64%を占め、2012年には従来のシステムの販売量を上回ったと述べた。 [78]日本のエネファームプロジェクトでは、2012年から2014年の間に34,213台のPEMFCと2,224台のSOFCが設置され、そのうち30,000台がLNG、6,000台がLPGであったと述べている。[104]
燃料電池電気自動車（FCEV）
自動車
ホンダクラリティ、トヨタミライ、ヒュンダイix35 FCEV、ヒュンダイネクソの4台の燃料電池電気自動車が、商用リースおよび販売用に導入されています。2019年末までに、世界中で約18,000台のFCEVがリースまたは販売されました。[105] [106]燃料電池電気自動車は、燃料補給間の平均走行距離が505km（314マイル）[107]で、約5分で燃料補給できます。[108]米国エネルギー省の燃料電池技術プログラムによると、2011年の時点で、燃料電池は4分の1の電力で53〜59％の効率、フルパワーで42〜53％の車両効率を達成し、[109] 10％未満の劣化で120,000km（75,000マイル）を超える耐久性を実現しています。[110] 2017年のWell-to-Wheelsシミュレーション分析では、「経済性と市場の制約には対処していない」とゼネラルモーターズとそのパートナーは推定し、同等の走行距離の場合、天然ガスから生成された圧縮ガス水素で走行する燃料電池電気自動車は、内燃機関車よりも約40％少ないエネルギーを使用し、45％少ない温室効果ガスを排出できるとしました。[111]
2015年、トヨタは初の燃料電池車「ミライ」を5万7000ドルで発売した。[112]ヒュンダイはリース契約に基づき限定生産のヒュンダイix35 FCEVを発売した。 [113] 2016年、ホンダはホンダクラリティ燃料電池のリースを開始した。[114] 2018年、ヒュンダイはヒュンダイix35 FCEVに代わるヒュンダイネクソを発売した。2020年、トヨタはミライブランドの第2世代を発売し、オリジナルのセダン2014年モデルと比較して燃費を改善し、航続距離を拡大した。 [115]
2024年、ミライの所有者は、燃料電池電気自動車用の水素が入手できないことを理由に、カリフォルニア州でトヨタを相手取り集団訴訟を起こし、詐欺的な隠蔽と虚偽表示、カリフォルニア州の虚偽広告法違反、黙示の保証違反などを主張した。 [116]同年、ヒュンダイは、欠陥のある「圧力緩和装置」による燃料漏れや火災の危険性を理由に、当時米国で販売されていたネクソ車1,600台すべてをリコールした。[117]
批判
一部の評論家は、水素燃料電池自動車が他の技術と経済的に競争できる状態になることは決してないだろう、または利益が出るようになるまでには数十年かかるだろうと考えている。 [ 118] [119] [120]あるいは利益が出るようになるまでには数十年かかるだろうと。[77] [121]バッテリー電気自動車メーカー、テスラモーターズのCEO、イーロン・マスクは2015年に、水素の製造、輸送、貯蔵の非効率性やガスの可燃性などの理由から、自動車用燃料電池が商業的に実現可能になることはないと述べた。[122] 2012年、ラックスリサーチ社は「水素経済の夢は…近づいていない」とする報告書を発表した。報告書は、「資本コストが…2030年までに導入をわずか5.9GWに制限し、「ニッチな用途を除いて、導入にはほぼ乗り越えられない障壁となる」と結論付けている。分析では、2030年までにPEM定置型市場は10億ドルに達し、フォークリフトを含む車両市場は合計20億ドルに達すると結論付けられました。[121]他の分析では、米国における広範な水素インフラの欠如が燃料電池電気自動車の商業化に対する継続的な課題であると指摘されています。 [ 79]
2014年、The Hype About Hydrogen （2005年）の著者であるジョセフ・ロムは、FCVはまだ燃料費の高さ、燃料供給インフラの欠如、水素製造による汚染を克服していないと述べた。「今後数十年でこれらすべての問題を同時に克服するには、いくつかの奇跡が必要になるだろう。」[123]彼は、再生可能エネルギーは「今も将来も」FCV車両用の水素を製造するために経済的に使用することはできないと結論付けた。[118] Greentech Mediaのアナリストは2014年に同様の結論に達した。[124] 2015年、CleanTechnicaは水素燃料電池車の欠点のいくつかを列挙した。[125] Car Throttleも同様のことを述べた。[126] Real Engineeringによる2019年のビデオでは、水素で走る車が導入されたにもかかわらず、車の燃料として水素を使用することは、輸送による炭素排出量の削減には役立たないと指摘された。化石燃料から生産される水素の95%は二酸化炭素を排出し、水から水素を生産するのはエネルギーを消費するプロセスです。水素を貯蔵するには、液体に冷却するか、高圧のタンクに入れるかのいずれかでより多くのエネルギーが必要であり、水素を燃料ステーションに運ぶにはより多くのエネルギーが必要であり、より多くの炭素を排出する可能性があります。FCVを1キロメートル移動させるために必要な水素は、同じ距離をBEVを移動させるために必要な電気の約8倍のコストがかかります。[127]
2020年の評価では、水素自動車の効率は依然として38%に過ぎないのに対し、バッテリーEVの効率は80%であると結論付けられました。[128] 2021年にCleanTechnicaは、(a)水素自動車は依然として電気自動車よりもはるかに効率が悪い、(b)グレー水素（汚染プロセスで生成される水素）が利用可能な水素の大部分を占めている、(c)水素を配送するには、広大で高価な新しい配送および燃料補給インフラの構築が必要になる、(d)燃料電池自動車の残りの2つの「利点（長い航続距離と短い燃料補給時間）は、バッテリーと充電技術の向上により急速に失われている」と結論付けました。 [129] Nature Electronicsの2022年の研究もこれに同意しています。[130]国際気候環境研究センター（CICERO）による2023年の研究では、漏洩した水素はCO₂の11.6倍の地球温暖化効果を持つと推定されています。[131]
バス
2011年8月現在[アップデート]、世界中で約100台の燃料電池バスが運行されている。 [132]これらのほとんどは、 UTC Power、Toyota、Ballard、Hydrogenics 、およびProton Motorによって製造された。UTCバスは2011年までに97万km（60万マイル）以上走行した。[133]燃料電池バスは、ディーゼルバスや天然ガスバスよりも39％から141％燃費が良い。[111] [134]
2019年現在[アップデート]、NRELは米国で現在および計画中の燃料電池バスプロジェクトをいくつか評価している[135]
列車
鉄道事業者は、架空電化の費用を節約し、ディーゼル列車の航続距離を維持するために、列車に水素燃料電池を使用する可能性がある。しかし、列車の燃料電池は3年しか持たないこと、水素タンクのメンテナンス、電力バッファーとしてのバッテリーの追加の必要性などにより、費用がかさんでいる。[136] [137] 2018年には、ドイツのブクステフーデ-ブレーマーフェルデ-ブレーマーハーフェン-クックスハーフェン線で、最初の燃料電池駆動列車であるアルストム・コラディア・イリント編成の運行が開始された。[138]水素列車は、スウェーデン[139]と英国でも導入されている。 [140]
トラック
2020年12月、トヨタ自動車と日野自動車は、セブン-イレブン、ファミリーマート、ローソンと共同で小型燃料電池トラック（小型FCET）の導入を検討することで合意したと発表した。[141]ローソンは、トヨタ・ミライの燃料電池を搭載した日野デュトロを使用して、2021年7月末に東京都内で低温配送の実証実験を開始した。ファミリーマートは岡崎市で実証実験を開始した。[142]
トヨタは2021年8月、ケンタッキー州の自動車組立工場で、ゼロエミッションの大型トラックや大型商用車に搭載する燃料電池モジュールを製造する計画を発表した。同社は2023年に電気化学装置の組立を開始する予定である。[143]
2021年10月、ダイムラートラックの燃料電池トラックはドイツ当局から公道での使用の承認を受けた。[144]
フォークリフト
燃料電池フォークリフト（燃料電池リフトトラックとも呼ばれる）は、材料の持ち上げと輸送に使用される燃料電池駆動の産業用フォークリフトです。2013年には、米国で4,000台以上の燃料電池フォークリフトが材料処理に使用されていましたが、 [145]そのうち500台はDOE（2012）から資金提供を受けました。[146] [147] 2024年現在、世界中で約5万台の水素フォークリフトが稼働しており（その大部分は米国にあります）、2021年には120万台のバッテリー式電動フォークリフトが購入されました。[148]
ヨーロッパやアメリカのほとんどの企業は、排出ガス規制が必要な屋内で稼働するため、石油を燃料とするフォークリフトは使用せず、代わりに電動フォークリフトを使用している。[149] [150]燃料電池フォークリフトは3分で燃料補給でき、低温でも性能が低下しない冷蔵倉庫でも使用できる。FCユニットは、ドロップイン交換用として設計されることが多い。[151] [152]
オートバイと自転車
2005年、英国の水素燃料電池メーカー、インテリジェント・エナジー（IE）は、ENV（Emission Neutral Vehicle）と呼ばれる最初の実用的な水素駆動バイクを生産しました。このバイクは、4時間走行し、市街地で最高時速80km（50mph）で160km（100マイル）走行するのに十分な燃料を搭載しています。[153] 2004年、ホンダはホンダFCスタックを利用した燃料電池バイクを開発しました。[154] [155]
水素燃料電池を採用したバイク[156]や自転車[157]の他の例としては、イタリアのActa SpA [159]の燃料供給システムを採用した台湾のAPFCTのスクーター[158]や、 2011年にEUの車両型式承認を取得したIE燃料電池を搭載したスズキのバーグマンスクーター[160]などがある。スズキとIEは、ゼロエミッション車の実用化を加速するための合弁会社を発表した。[161]
飛行機
2003年、燃料電池のみで駆動する世界初のプロペラ機が飛行した。燃料電池はスタック設計で、飛行機の空力面と燃料電池を一体化させた。[162]燃料電池駆動の無人航空機（UAV）には、2007年に小型UAVの飛行距離記録を樹立したホライゾン燃料電池UAVが含まれる。 [163] ボーイングの研究者とヨーロッパ各地の業界パートナーは、2008年2月に燃料電池と軽量バッテリーのみで駆動する有人航空機の実験飛行試験を実施した。燃料電池実証機と呼ばれるこの航空機は、プロトン交換膜（PEM）燃料電池/リチウムイオンバッテリーハイブリッドシステムを使用して、従来のプロペラに連結された電動モーターを駆動した。[164]
2009年、海軍研究所（NRL）のイオンタイガーは水素を動力源とする燃料電池を使用し、23時間17分飛行した。[165]燃料電池は、以前はエンジンの始動と機内の電力需要に電力を供給するために使用されていた化石燃料発電機に代わる、航空機の補助電源としてテストおよび検討されており、炭素排出量を削減している。[166] [167] [検証失敗] 2016年、ラプターE1ドローンは、置き換えたリチウムイオン電池よりも軽量の燃料電池を使用してテスト飛行に成功した。飛行は高度80メートル（260フィート）で10分間続いたが、燃料電池には2時間飛行するのに十分な燃料があったと報告されている。燃料は、加圧されていないカートリッジ内の独自の化学物質で構成された約100個の固形1平方センチメートル（0.16平方インチ）ペレットに含まれていた。ペレットは物理的に頑丈で、50℃（122℉）の温度でも作動する。セルはアルコラ・エナジー社製である。[168]
ロッキード・マーティン・スカンクワークス・ストーカーは固体酸化物燃料電池で駆動する電動無人航空機である。[169]
ボート
22人乗りの燃料電池船であるHydraは、1999年から2001年までドイツのボン近郊のライン川で運航され、[ 170 ] 2000年の電気ボート会議中はベルギーのゲントで渡し船として使用された。この船は、旅客輸送のためにゲルマニッシャー・ロイド船級協会から完全な認証を受けている。 [171]小型旅客船Zemshipは、2003年から2013年にかけて製造された。この船は、7つの鉛ゲル電池を備えた100kWの高分子電解質膜燃料電池（PEMFC）を使用していた。これらのシステムと12の貯蔵タンクにより、燃料電池は560Vおよび234kWhのエネルギー容量を提供した。[172]ドイツのハンブルクで製造され、2008年に公開されたFCS Alsterwasserは、燃料電池で駆動する最初の旅客船の1つであり、100人の乗客を運ぶことができた。この船を動かすハイブリッド燃料電池技術は、プロトンモーターフューエルセル社によって開発されました。[173]
2010年に、12kWの燃料電池と2～3kgの金属水素化物水素貯蔵を備えたMF Vågenが初めて製造されました。また、25kWhのリチウム電池と10kWのDCモーターも使用しています。[172] Hornblower Hybridは2012年にデビューしました。エネルギーにはディーゼル発電機、電池、太陽光発電、風力発電、燃料電池を使用しています。[172]ブリストル製の12人乗りハイブリッドフェリーHydrogenesisは、2012年から運航しています。[172] SF-BREEZEは、41×120kWの燃料電池を使用する2モーターボートです。タイプCの貯蔵タンクを備えた加圧容器は、1200kgのLH2を保持できます。これらの船は現在も運航されています。[172]ノルウェーでは、液体水素を燃料とする燃料電池を搭載した初のフェリーが2022年12月に初試験運転される予定となっている。[174] [175]
ドイツ海軍とイタリア海軍の212型潜水艦は燃料電池を使用して、浮上することなく数週間潜水状態を維持します。[176] U212Aは、ドイツの海軍造船所であるハウヴァルトツヴェルケ・ドイチェ・ヴェルフトが開発した非原子力潜水艦です。[177]このシステムは9つのPEM燃料電池で構成されており、それぞれ30kWから50kWの電力を供給します。この船は静かなので、他の潜水艦の探知に有利です。[178]
ポータブル電源システム
ポータブル燃料電池システムは、一般的に重量が10kg未満で、出力が5kW未満のものに分類されます。[179]小型燃料電池の潜在的市場規模は非常に大きく、年間最大40%の潜在的成長率と約100億ドルの市場規模があり、ポータブル電源セルの開発に多くの研究が行われています。[180]この市場には2つのグループがあります。1つ目は、小型電子機器に電力を供給する1〜50Wの範囲のマイクロ燃料電池市場です。2つ目は、より大規模な発電（軍事拠点、遠隔地の油田など）用の1〜5kWの範囲の発電機です。
マイクロ燃料電池は、主に携帯電話やノートパソコンの市場への浸透を狙っています。これは、システム全体において、燃料電池がリチウムイオン電池よりも優れたエネルギー密度を提供するためと考えられます。電池の場合、このシステムには電池自体に加えて充電器も含まれます。燃料電池の場合、このシステムには電池、必要な燃料、および周辺機器が含まれます。システム全体を考慮すると、燃料電池は 530 Wh/kg のエネルギーを供給できるのに対し、リチウムイオン電池は 44 Wh/kg です。[180]ただし、燃料電池システムの重量は明らかに有利ですが、現在のコストは不利です。電池システムは通常 1Wh あたり約 1.20 ドルですが、燃料電池システムは 1Wh あたり約 5 ドルで、燃料電池システムには大きな不利があります。[180]
携帯電話の電力需要が増加するにつれて、燃料電池はより大きな電力を生成するためのより魅力的な選択肢になる可能性がある。携帯電話やコンピューターの長時間稼働に対する需要は消費者から頻繁に求められるものであり、燃料電池はラップトップや携帯電話の市場に進出し始める可能性がある。燃料電池の開発が加速するにつれて、価格は下がり続けるだろう。マイクロ燃料電池を改良するための現在の戦略は、カーボンナノチューブを使用することである。Girishkumarらは、電極表面にナノチューブを堆積させることで表面積が大幅に増加し、酸素還元率が向上することを明らかにした。[181]
より大規模な運用に使用する燃料電池も、大きな可能性を秘めています。燃料電池を使用するポータブル電源システムは、レジャー部門（RV、キャビン、船舶など）、産業部門（ガス/石油油井、通信塔、警備、気象観測所などの遠隔地への電力）、軍事部門で使用できます。SFC Energy は、さまざまなポータブル電源システム用の直接メタノール燃料電池を製造するドイツのメーカーです。 [182] Ensol Systems Inc. は、SFC Energy DMFC を使用するポータブル電源システムのインテグレーターです。[183] この市場における燃料電池の主な利点は、重量あたりの発電量が大きいことです。燃料電池は高価になる可能性がありますが、信頼性の高いエネルギーを必要とする遠隔地では、燃料電池は大きなパワーを発揮します。72 時間の遠出の場合、重量の比較は大きく、燃料電池の重量はわずか 15 ポンドであるのに対し、同じエネルギーに必要なバッテリーは 29 ポンドです。[179]
その他のアプリケーション
- 基地局やセルサイトへの電力供給[184] [185]
- 非常用電源システムは、照明、発電機、その他の装置を含む燃料電池システムの一種で、危機的状況や通常のシステムが故障した場合にバックアップリソースを提供します。住宅から病院、科学研究所、データセンターまで、さまざまな環境で使用されています。[186]
- 通信[187]機器と現代の海軍艦艇。
- 無停電電源装置( UPS )は、緊急電力を供給し、またトポロジーによっては、商用電源が利用できない場合に別の電源から電力を供給することで、接続された機器にライン調整も提供します。スタンバイ発電機とは異なり、UPS は瞬間的な停電から即座に保護できます。
- AC充電が容易に利用できない場所で使用できるスマートフォン、ラップトップ、タブレット。
- 小型電子機器用のポータブル充電ドック（携帯電話やPDA を充電するベルト クリップなど）。
- 小型暖房器具[188]
- 食品の保存は、例えば新鮮な魚が入っている輸送コンテナ内の酸素を排出し、自動的に酸素の排出を維持することによって達成される。[189]
- センサーには飲酒検知器も含まれ、燃料電池によって発生する電圧の量を利用してサンプル中の燃料（アルコール）の濃度を判定する。[190]
給油所
業界団体FuelCellsWorksによると、2019年末時点で、世界中で330の水素燃料補給ステーションが一般に開放されている。[191] 2020年6月現在、アジアでは178の一般公開水素ステーションが稼働している。[192]そのうち114は日本にある。[192]ヨーロッパには少なくとも177のステーションがあり、その約半数はドイツにある。[193] [194]米国には44の一般公開ステーションがあり、そのうち42はカリフォルニア州にあった。[195]
水素燃料ステーションの建設には100万ドルから400万ドルの費用がかかります。[196]
社会的影響
2023年時点では、燃料電池の導入に対する技術的な障壁が残っています。[197]燃料電池は主に倉庫、配送センター、製造施設での資材搬送に使用されます。[198]燃料電池はより幅広い用途で有用かつ持続可能になると予測されています。[199]しかし、現在の用途は低所得のコミュニティにはあまり届いていません。[200]ただし、アクセシビリティなど、包括性に向けたいくつかの試みが行われています。[201]
市場と経済
2012年、燃料電池産業の収益は全世界で10億ドルの市場価値を超え、アジア太平洋諸国が世界の燃料電池システムの4分の3以上を出荷しました。[202]しかし、2014年1月時点で、この業界でまだ黒字化を達成した上場企業はありませんでした。[203] 2010年には、燃料電池スタックが世界で14万個出荷され、2007年の11,000個の出荷から増加し、2011年から2012年にかけて、世界の燃料電池出荷は年間85％の成長率を示しました。[204] 田中貴金属は2011年に製造施設を拡張しました。[205] 2010年の燃料電池出荷の約50％は定置型燃料電池で、2009年の約3分の1から増加しており、燃料電池産業の主な生産国は米国、ドイツ、日本、韓国の4か国でした。[206]米国エネルギー省の固体エネルギー変換連合は、2011年1月時点で、据置型燃料電池は設置1キロワットあたり約724～775ドルで発電していると結論付けた。[207] 2011年、燃料電池の大手サプライヤーであるブルーム・エナジーは、同社の燃料電池は燃料、メンテナンス、ハードウェアの価格を含めて1キロワット時あたり9～11セントで発電していると述べた。[208] [209]
業界団体は、将来の需要に対して十分なプラチナ資源があると予測しており、[210] 2007年にブルックヘブン国立研究所の研究では、プラチナを金パラジウムコーティングに置き換えることができると示唆されており、これにより中毒の影響を受けにくくなり、燃料電池の寿命が延びる可能性がある。[211]もう1つの方法は、プラチナの代わりに鉄と硫黄を使用することである。これにより、燃料電池のコストが下がる（通常の燃料電池のプラチナは約1,500米ドルかかるのに対し、同量の鉄は約1.50米ドルで済むため）。このコンセプトは、ジョン・イネス・センターとミラノ・ビコッカ大学の連合によって開発されていた。[212] PEDOTカソードは一酸化炭素中毒の影響を受けない。[213]
2016年、サムスンは「市場の見通しが良くないため、燃料電池関連の事業プロジェクトを中止することを決定した」[214] 。
研究開発
- 2005年：ジョージア工科大学の研究者はトリアゾールを使用してPEM燃料電池の動作温度を100℃未満から125℃以上に上げ、これにより水素燃料の一酸化炭素の精製の必要性が減ると主張した。[215]
- 2008年：メルボルンのモナッシュ大学がPEDOTをカソードとして使用した。[34]
- 2009年：オハイオ州デイトン大学の研究者らは、垂直に成長したカーボンナノチューブの配列が燃料電池の触媒として使用できることを実証した。 [216]同年、燃料電池用のニッケルビスジホスフィンベースの触媒が実証された。[217]
- 2013年：イギリスのACAL Energy社は、模擬運転条件で1万時間稼働できる燃料電池を開発した。[218]同社は、燃料電池の製造コストを1kWあたり40ドル（300馬力で約9,000ドル）まで削減できると主張した。[219]
- 2014年：インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者らが、硫化水素で汚染されたPEFCを再生する新しい方法を開発しました。 [ 220]彼らは、硫化水素で汚染されたPEFCの本来の性能の95～100%を回復しました。彼らはSO2で汚染されたPEFCの再生にも成功しました。[221]この再生方法は、複数のセルスタックに適用できます。[222]
- 2019年：米陸軍研究所の研究者らは、水素生成用と内部の水素/空気発電所による電力生成用の2つの部分から成る、その場で水素を生成する燃料電池を開発した。[223]
- 2022年：デラウェア大学の研究者らは、低コストで動作し、1kWあたり約1.4ドルで稼働すると予測される水素燃料電池を開発した。この設計では、水酸化物交換膜燃料電池の空気供給から二酸化炭素が除去される。[224]
参照
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さらに読む
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- Gregor Hoogers (2003)。燃料電池技術 – ハンドブック。CRC Press。
- ジェームズ・ラーミニー、アンドリュー・ディックス (2003)。燃料電池システム解説(第 2 版)。ホーボーケン: ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。
- Subash C. Singhal、Kevin Kendall (2003)。「高温固体酸化物燃料電池 - 基礎、設計および応用」Elsevier Academic Press。
- Frano Barbir (2005)。PEM燃料電池 - 理論と実践。Elsevier Academic Press。
- EG&G Technical Services, Inc. (2004)。燃料電池技術ハンドブック、第 7 版。米国エネルギー省。
- マシュー・M・メンチ（2008年）「燃料電池エンジン」ホーボーケン：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社
- 彦坂典子（2012）「燃料電池：現在の技術課題と将来の研究ニーズ（初版）」エルゼビア・アカデミック・プレス。
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外部リンク
- 燃料電池の起源: 1840～1890年
- EERE: 水素、燃料電池、インフラ技術プログラム
- 水の電気分解と水素燃料電池の熱力学
- DoITPoMS 教育学習パッケージ:「燃料電池」