筐体内に収められた直接メタノール燃料電池（黒色の積層立方体）の実証モデル プロトン伝導性燃料電池の概略図 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 反応によって電気エネルギーに変換する電気化学セル です。 [ 2 ] 電池 とは異なります。一方、電池では、化学エネルギーは通常、電池内に既に存在する物質から供給されます。[ 3 ]
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。燃料電池の最初の商業利用は、1932 年にフランシス・トーマス・ベーコン によって水素酸素燃料電池が発明されてからほぼ 1 世紀後のことでした。発明者の名にちなんでベーコン燃料電池としても知ら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 の電力生成に使用されています。それ以来、燃料電池は他の多くの用途で使用されています。燃料電池は、商業ビル、工業ビル、住宅ビル、遠隔地やアクセス困難な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 ] 燃料電池車両の動力源として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 、そしてイオン（多くの場合、正に帯電した水素イオン（プロトン））が燃料電池の両側を移動できるようにする電解質 から構成されています。アノードでは、触媒によって燃料が酸化反応を起こし、イオン（多くの場合、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 電流を生成します。カソードでは、別の触媒によってイオン、電子、酸素が反応し、水やその他の生成物が生成されます。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、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 固体酸化物燃料電池 （SOFC）の10分まで幅があります。関連技術としてフロー電池が あり、これは充電によって燃料を再生することができます。個々の燃料電池は比較的低い電位（約0.7ボルト）しか発生しないため、用途の要件を満たすのに十分な電圧を得るために、燃料電池は「スタック」または直列に接続されます。[ 5 ] 二酸化窒素 やその他の排出物を発生させます。PEMFCセルは一般的にSOFCセルよりも窒素酸化物の発生量が少なく、低温で動作し、水素を燃料として使用し、プロトン交換膜を介して窒素がアノードに拡散してNOx を生成するのを制限します。燃料電池のエネルギー効率は一般的に40～60%ですが、廃熱を コジェネレーション 方式で回収すると、最大85%の効率が得られます。[ 6 ]
燃料電池には様々な種類がありますが、基本的な動作原理は共通しています。燃料電池は、アノード 、電解質 、カソード という3つの隣接する部分から構成されています。これら3つの部分の界面では、2つの化学反応が起こります。この2つの反応の結果、燃料が消費され、水または二酸化炭素が生成され、電流が発生します。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化させます。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。解放された電子は導線を通って移動し、電流を発生させます。イオンは電解質を通って陰極へと移動します。陰極に到達すると、イオンは電子と再結合し、通常は酸素などの第三の化学物質と反応して水または二酸化炭素を生成します。
燃料電池のブロック図 燃料電池の設計上の特徴は以下のとおりです。
電解質物質は、通常燃料電池の種類 を決定づけるものであり、水酸化カリウム、塩炭酸塩、リン酸などの多くの物質から作ることができる。[ 18 ] 最も一般的に使用されている燃料は水素である。 陽極触媒（通常は微細な白金粉末）は、燃料を電子とイオンに分解する。 陰極触媒（多くの場合ニッケル）はイオンを廃化学物質に変換し、最も一般的な廃物質は水である。[ 19 ] 酸化に耐性を持つように設計されたガス拡散層。[ 19 ] 一般的な燃料電池は、定格負荷時において0.6～0.7Vの電圧を発生します。電圧は電流の増加に伴って低下しますが、これにはいくつかの要因があります。
活性化損失 オーム損失（セル構成要素および相互接続部の抵抗による電圧降下） 物質輸送損失（高負荷下での触媒部位における反応物の枯渇により、電圧が急速に低下する）。[ 20 ] 必要なエネルギー量を供給するために、燃料電池は直列に接続して 電圧を 高めたり、並列に接続して電流を 供給したりすることができる。このような構成は燃料電池スタック と呼ばれる。また、各セルの表面積を大きくすることで、各セルからより多くの電流を流すことも可能である。
プロトン交換膜燃料電池 高温PEMFC の構造：導電性複合材料 （グラファイト 、カーボンブラック 、カーボンファイバー 、および／またはカーボンナノチューブで強化され、導電性がさらに向上）から製造された、 インミル 加工されたガスチャネル構造を持つバイポーラプレートを電極として使用します。[ 21 ] 多孔質カーボンペーパー。反応層は通常、 ポリマー 膜上に塗布されます。ポリマー膜。 PEMFCによって生成された水が空気チャネルの壁に凝縮する。セルの周りの金線は電流の収集を保証する。[ 22 ] 非貴金属触媒カソードとPt/Cアノードを備えたPEMFC MEA断面のSEM顕微鏡写真。[ 23 ] 典型的な水素-酸化プロトン交換膜燃料電池 （PEMFC）の設計では、プロトン伝導性高分子膜（通常はナフィオン ）が電解質溶液を含み、 アノード側 とカソード 側を分離しています。[ 24 ] [ 25 ] 固体高分子電解質燃料電池 （SPEFC ）と呼ばれていました。（ 高分子電解質膜 とプロトン交換メカニズム という同義語が同じ頭字語 になることに注意してください。）
陽極側では、水素が陽極触媒に拡散し、そこで陽子と電子に解離します。これらの陽子は酸化剤と反応し、一般に多重促進型プロトン膜と呼ばれるものを形成します。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（電力供給回路）を通って移動せざるを得ません。陰極触媒上では、酸素分子が （外部回路を通って移動してきた）電子と陽子と反応して水を生成します。
純粋な水素燃料の他に、燃料電池にはディーゼル 、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 炭化水素 燃料があります。これらの燃料を使用した場合の副産物は二酸化炭素 と水です。水素を使用する場合、天然ガス由来のメタンを水蒸気と反応させて水素を生成するプロセス（水蒸気メタン改質と呼ばれる）で 二酸化炭素 が放出されます。このプロセス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（例えばフォークリフトなど）で使用することも可能になります。
PEMFCのさまざまな構成要素は
双極板、 電極 、触媒 、膜、そして 集電体やガスケットなどの必要なハードウェア。[ 26 ] 燃料電池の各部分に使用される材料は、種類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 、カーボン ポリマー複合材など、さまざまな種類の材料で作られることがあります。 [ 27 ] 電極接合体 （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構成されています。PEMFCの触媒としては通常、白金や類似の貴金属が使用されますが、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です。[ 28 ] 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点 料金 2013年、エネルギー省は、年間10万台の自動車用燃料電池の生産を想定した場合、 80kWの自動車用燃料電池システムのコストを1キロワットあたり67米ドル、年間50万台の生産を想定した場合、1キロワットあたり 55米ドル にできると推定した。[ 29 ] Power Systemsは 、カーボンシルクで強化された触媒を実験しており、性能を低下させることなく白金の使用量を30%削減（1.0～0.7 mg/cm 2 ）できる。 [ 30 ] メルボルンの モナッシュ大学は 、カソード としてPEDOTを 使用している。[ 31 ] [ 32 ] 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記録されており、白金の1%未満のコストで、同等または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白金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ている。[ 33 ] 水と空気の管理[ 34 ] [ 35 ] このタイプの燃料電池では、膜を水和させる必要があり、そのためには水の生成速度と蒸発速度を正確に一致させる必要があります。水の蒸発速度が速すぎると膜が乾燥し、膜の抵抗が増加し、最終的には膜に亀裂が生じてガスの「短絡」が発生し、水素と酸素が直接結合して熱が発生し、燃料電池が損傷します。水の蒸発速度が遅すぎると電極が水浸しになり、反応物が触媒に到達できなくなり、反応が停止します。燃料電池内の水を管理する方法として、流量制御に重点を置いた電気浸透ポンプ などが開発されています。内燃機関と同様に、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、セル全体で同じ温度を維持する必要があります。2H₂ + O₂ → 2H₂O の反応 は 非常に発熱性が高いため、燃料電池内部で大量の熱が発生し、これは特に困難です。耐久性、耐用年数 、および一部のタイプのセルに対する特別な要件 定置型燃料電池の用途では、通常 、-35～40 ℃（-31～104 °F） の温度で40,000時間以上の信頼性の高い運転が求められる一方、自動車用燃料電池では、極端な温度下で5,000時間の寿命（240,000 kmまたは150,000マイル に相当）が求められる。現在の耐用年数 は2,500時間（約120,000 kmまたは75,000 マイル ）である。[ 36 ] 自動車用エンジンは、 -30 ℃（-22 °F） でも確実に始動でき、高い出力対体積比（通常2.5 kW/L）を備えている必要もある。 一部の（非PEDOT）カソードは一酸化炭素に対する 耐性が限られている。 [ 28 ]
リン酸燃料電池 リン酸燃料電池 (PAFC) は、1961 年にGV Elmore とHA Tanner 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、陽極から陰極へプロトンを移動させ、外部電気回路を介して陽極から陰極へ電子を強制的に移動させます。これらのセルは、一般的に 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、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。[ 37 ] コジェネレーション で使用すると、リン酸燃料電池の効率を 40 ～ 50% から約 80% に向上させることができます。[ 37 ] [ 38 ]
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ことを特徴としています。低温では、固体酸はほとんどの塩と同様に規則的な分子構造を持っています。より高い温度（CsHSO 4 の場合は140 ～ 150 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。[ 39 ]
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、初めて一般に公開されました。これは、アポロ宇宙計画で主要な電気エネルギー源として使用されました。[ 40 ] 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して電解質に吹き込まれます。したがって、全体の反応は、水素ガスと酸素ガスが結合して水を生成することです。反応物の供給がなくなるまで、セルは連続的に作動します。このタイプのセルは、343～413 の電位を提供します。[ 41 ] アルカリ陰イオン交換膜燃料電池 (AAEMFC) は、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、水系 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構成されているため、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、巻線チューブとして設計されます。SOFCは高い動作温度 （800～1000 ℃）を必要とし、天然ガスを含むさまざまな燃料で稼働できます。[ 6 ]
SOFCは、他のすべてのタイプの燃料電池のように陽子が 逆方向 （つまり陽極から陰極へ）に移動するのとは異なり、負に帯電した酸素イオンが 陰極 （燃料電池の正極側）から陽極（燃料電池の負極側）へ移動するという点で独特です。酸素ガスは陰極に供給され、そこで電子を吸収して酸素イオンを生成します。酸素イオンはその後、電解質を通って陽極で水素ガスと反応します。陽極での反応により、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。[ 42 ] [ 43 ]
陽極反応 ：2H₂ + 2O₂⁻ → 2H₂O + 4e⁻ 陰極反応 ：O₂ + 4e⁻ → 2O₂⁻ 反応 ：2H₂ + O₂ → 2H₂O SOFCシステムは、純粋な水素ガス以外の燃料でも稼働できます。ただし、上記の反応には水素が必要なので、選択する燃料には水素原子が含まれていなければなりません。燃料電池を稼働させるには、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）[ 44 ] [ 45 ] 改質することができます 。これらの燃料電池は開発の初期段階にあります[ 46 ] 。
SOFCシステムには、動作温度が高いため課題があります。その課題の1つは、アノードに炭素粉塵が堆積する可能性があり、内部改質プロセスが遅くなることです。ペンシルベニア大学で行われたこの「炭素コークス化」問題への対処研究では、銅ベースのサーメット （セラミックと金属からなる耐熱材料）を使用することで、コークス化と性能低下を軽減できることが示されています。[ 47 ] [ 6 ]
高い動作温度は、主にYSZ電解質の物理的特性によるものです。温度が低下すると、YSZのイオン伝導率も低下します。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。英国のSOFC燃料電池メーカーである Ceres Powerは 、同社のウェブサイトによると、SOFCシステムの動作温度を500～600℃に下げる方法を開発しました。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、システムのコストと起動時間を削減できます。[ 48 ]
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 °F） という高い動作温度を必要とします。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、セル内で電荷（この場合は負の炭酸イオン）の移動を可能にします。[ 49 ]
SOFCと同様に、MCFCはアノードで化石燃料を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 排出が発生します。MCFCに適合する燃料には、天然ガス、バイオガス、石炭から生成されるガスなどがあります。ガス中の水素は 、 電解質からの炭酸イオンと反応して、水、二酸化炭素、電子、および少量の他の化学物質を生成します。電子は外部回路を通って移動し、電気を生成して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。[ 49 ] [ 50 ]
アノード反応 : CO 3 2− + H 2 → H 2 O + CO 2 + 2e − 陰極 反応 ：CO₂ + ½O₂ + 2e⁻ → CO₃²⁻細胞反応 ：H₂ + ½O₂ → H₂O SOFCと同様に、MCFCの欠点としては、動作温度が高いため起動時間が遅いことが挙げられます。このため、MCFCシステムはモバイル用途には適しておらず、この技術は定置型燃料電池用途に最もよく使用されると考えられます。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により、アノードとカソードが腐食します。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。研究者たちは、コンポーネント用の耐腐食性材料や、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、アノードに炭素が蓄積して内部の燃料改質 プロセスを遅らせ、性能を低下させる「炭素コークス化」を起こしにくいです。そのため、石炭から作られるガスのような炭素を多く含む燃料もシステムに適合します。米国エネルギー省は、石炭を水素に変換する際に発生する硫黄や微粒子などの不純物に対する耐性をシステムに与えることができれば、石炭自体が将来の燃料オプションになる可能性さえあると主張しています。[ 6 ] 熱電併給 （CHP）システムで使用すると85%に達することもあります。[ 49 ]
FuelCell Energyは 、MCFC燃料電池を開発・販売している。同社によれば、MCFC製品は300kWから2.8MW のシステムまで幅広く、47%の電気効率を達成し、CHP技術を利用して全体的な効率をさらに高めることができる。DFC-ERGという製品はガスタービンと組み合わされており、同社によれば65%の電気効率を達成している。[ 51 ]
電気蓄電池 電気蓄電池は、従来の電気化学効果を利用して電力入力によって充電される従来の電池である。ただし、この電池には、電池を化学的に代替的に充電するための水素（および酸素）入力も含まれている。[ 52 ]
バイオ燃料電池 バイオ燃料電池は、酵素や微生物などの生物触媒を用いて、生物物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。このプロセスでは、陽極でグルコースなどの燃料が酸化され、電子と陽子が放出されます。電子は外部回路を通って移動し、電流を生成します。一方、陰極では、酸素が通常、水または過酸化水素に還元され、回路が完成します。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
カーボンナノチューブや金属ナノ粒子などのナノ材料の統合は、BFCの性能向上に利用されています。これらの材料は電極の表面積を増加させ、電子移動を促進し、結果として電力密度を高めます。3次元多孔質構造やグラフェンベースの材料は、導電性と安定性を向上させるために使用されており、BFCとスーパーキャパシタまたは二次電池を組み合わせたハイブリッドバイオ燃料電池が、安定した連続的なエネルギー出力を提供するために開発されています。[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]
燃料電池の種類比較 表中の用語集：
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では、陽極は負極端子であり、電解セル（電気分解が起こる場所）では、陽極は正極端子である。[ 62 ] 水溶液 [ 63 ] 水に関する、水に関連する、または水に似た 水から作られた、水を使った、または水によって作られた。 触媒 反応速度を消費せずに増加させる化学物質。反応後、反応混合物から回収できる可能性があり、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低下させ、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、白金粉末をカーボン紙または布に非常に薄くコーティングしたものでできている。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露出する。触媒の白金コーティング面は燃料電池の膜に面している。[ 62 ] 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では、陰極は正極端子であり、電解セル（電気分解が起こる場所）では、陰極は負極端子である。[ 62 ] 電解質 燃料電池、電池、または電解槽において、帯電したイオンを一方の電極から他方の電極へ伝導する物質。[ 62 ] 燃料電池スタック 個々の燃料電池を直列に接続します。燃料電池を積み重ねることで電圧を上げます。[ 62 ] マトリックス 何かが内部で発生し、発展し、形作られるもの。[ 64 ] 膜 燃料電池の分離層は、電解質（イオン交換体）として機能するとともに、燃料電池のアノード室とカソード室のガスを分離するバリアフィルムとしても機能します。[ 62 ] 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− ）は陰極から陽極へ輸送される。動作温度は通常650 ℃付近である。[ 62 ] リン酸燃料電池 （PAFC）電解質が濃リン酸（H 3 PO 4 ）で構成される燃料電池の一種。陽極から陰極へプロトン（H+）が輸送される。動作温度範囲は一般的に160～220 ℃である。[ 62 ] プロトン交換膜燃料電池 （PEM）固体ポリマー膜を電解質として組み込んだ燃料電池。陽極から陰極へプロトン（H+）が輸送される。 低温プロトン交換膜燃料電池（LT-PEMFC）の動作温度範囲は一般的に60～100℃である。[ 62 ] 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。[ 65 ] 固体酸化物燃料電池 （SOFC）電解質が固体で非多孔質の金属酸化物（通常は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− が陰極から陽極に輸送されるタイプの燃料電池。改質ガス中の CO は陽極でCO 2 に酸化される。動作温度は通常 800〜1,000 °C である。[ 62 ] 解答 [ 66 ] 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過程。 この過程によって形成される均一な混合物。特に 、単相液体系。 溶解状態。
主要な燃料電池タイプの効率
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」）と入力される総エネルギー量（「入力エネルギー」）の比率、または総入力エネルギーに対する有効出力エネルギーの割合によって測定されます。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一般的に40～60%です。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] 蒸気発電所は 通常30～40%の効率を達成しますが[ 70 ] 、複合サイクル ガスタービンと蒸気発電所は60%を超える効率を達成できます。[ 71 ] [ 72 ] 熱電併給 （CHP）システムでは、燃料電池、核分裂、燃焼などの一次動力サイクルで発生する廃熱 を回収して利用することで、システムの効率を最大 85～90% まで高めることができます。[ 6 ]
あらゆる種類の発電システムの理論上の最大効率は実際には達成されることはなく、燃料の生産、輸送、貯蔵、電気エネルギーの機械エネルギーへの変換など、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、さまざまな種類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[ 73 ] [ 74 ] 。
実際には 値は酸性の40%、溶融炭酸塩の50%、アルカリ性、固体酸化物、PEM燃料電池の60%まで示されている。[ 75 ]
燃料電池は、水素以外のエネルギーをバッテリーのように貯蔵することはできませんが 、太陽光 発電 や風力発電 などの断続的な電源に基づく独立型発電所などの用途では、電解槽 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します。[ 76 ] 2019年時点で、水素の90%は石油精製、化学薬品、肥料の生産（ハーバー・ボッシュ法 に水素が必要な場合）に使用され、 [77 ] 水蒸気メタン改質法 （約95%がグレー水素 、残りの大部分がブルー水素、 グリーン水素 は約1%のみ）を使用して生産されており、このプロセスでは二酸化炭素が排出されます。[ 78 ] 往復効率 として知られています）は、ガス密度やその他の条件によって「35～50%」になる可能性があります。[ 79 ]
固体酸化物燃料電池は、酸素と水素の再結合によって熱を発生させます。セラミックは800 ℃（1,470 °F） もの高温に耐えることができます。この熱を回収し、マイクロコージェネレーション （m-CHP）システムで水を温めるために利用できます。熱を回収した場合、ユニット全体の効率は80～90%に達しますが、これは生産および送電時の損失を考慮していません。現在、欧州国内市場向けにCHPユニットの開発が進められています。
ジェレミー・P・マイヤーズ教授は、 2008年に電気化学会 誌「Interface」 で、「燃料電池は燃焼エンジンに比べて効率的だが、主に酸素還元反応（および、水の電気分解によって水素を生成する場合の酸素発生反応）の非効率性のため、バッテリーほど効率的ではない。…グリッドから切り離された状態での運転、または燃料を継続的に供給できる場合に最も理にかなっている。頻繁かつ比較的迅速な起動が必要な用途、…倉庫などの密閉空間のようにゼロエミッションが要求され、水素が許容される反応物と見なされる用途では、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」と述べている。[ 80 ] [ 81 ]
アプリケーション 燃料電池推進方式を採用した212型潜水艦 。このドック入りしている艦は ドイツ海軍 が運用している。
力 定置型燃料電池は、商業、産業、住宅の主電源およびバックアップ電源として使用されます。燃料電池は、宇宙船、遠隔気象観測所、大規模公園、通信センター、研究ステーションを含む農村地域、および特定の軍事用途など、遠隔地の電源として非常に有用です。水素で動作する燃料電池システムは、コンパクトで軽量であり、主要な可動部品がありません。燃料電池には可動部品がなく、燃焼を伴わないため、理想的な条件下では最大 99.9999% の信頼性を達成できます。[ 86 ] [ 86 ]
燃料電池電解槽システムは燃料を内部に貯蔵せず、外部貯蔵ユニットに依存するため、大規模なエネルギー貯蔵にうまく適用でき、農村地域はその一例です。[ 87 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 88 ] [ 89 ] CO 2を除く) しか発生させません。これは、従来の燃焼システムで発生する 25 ポンドの汚染物質と比較して大幅に少ない量です。 [ 90 ]
そのようなパイロットプログラムの1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[ 91 ] 500米ガロン（1,900 リットル） のタンクに200ポンド/平方インチ（1,400 kPa） 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力バックアップを提供する。別の閉ループシステムは、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。[ 92 ]
燃料電池は、埋立地や廃水処理場からの低品質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。カリフォルニアにある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。[ 93 ] [ 94 ]
燃料電池車の構成要素の構成 トヨタ ミライ エレメントワン 燃料電池車
自動車 4台の燃料電池電気自動車が 商用リースおよび販売向けに導入されました。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 です。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。[ 108 ] [ 109 ] 505 km (314 mi)で [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ] 120,000 km (75,000マイル) 以上の耐久性があります。 [ 113 ] [ 114 ]
2015年、トヨタは初の燃料電池車であるミライを57,000ドルで発売した。[ 115 ] ヒュンダイix35 FCEVを発売した。 [ 116 ] [ 117 ] ヒュンダイix35 FCEVの 後継としてヒュンダイネクソ 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、 2014年の初代セダンモデルと比較して燃費効率 と航続距離を向上させた。[ 118 ]
2024年、ミライのオーナーらは、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って集団訴訟を起こした。訴訟では、詐欺的な隠蔽や虚偽表示、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が主張された。 [ 119 ] [ 120 ]
批判 水素燃料電池車は他の技術と経済的に競争力を持つことはないだろう[ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 80 ] [ 124 ]。 テスラモーターズ のCEOであるイーロン・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、自動車用燃料電池は商業的に実現可能になることはないだろうと述べた[ 125 ] [ 124 ] 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る。[ 82 ]
2014年、水素に関する誇大宣伝 ジョセフ・ロムは 、FCVは依然として高い燃料費、燃料供給インフラの不足、水素製造による汚染を克服していないと述べた。「今後数十年の間にこれらの問題をすべて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。」[ 126 ] [ 121 ] Greentech Media のアナリストも2014年に同様の結論に達した。 [ 127 ] CleanTechnicaは [ 128 ] Car Throttle も同様だった。[ 129 ] Real Engineering による2019年のビデオでは、水素で走る車両が導入されたにもかかわらず、自動車の燃料として水素を使用しても輸送からの炭素排出量の削減には役立たないと指摘した。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プロセスはエネルギーを消費します。水素を貯蔵するには、液体状態まで冷却するか、高圧でタンクに入れるために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輸送するにはさらに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のに必要な水素のコストは、BEVを同じ距離移動させるのに必要な電力の約8倍です。[ 130 ]
2020年の評価では、水素自動車の効率は依然として38%に過ぎず、バッテリーEVの効率は80%であると結論付けられました。[ 131 ] CleanTechnica あるグレー水素 が利用可能な水素の大部分を占めていること、(c)水素の供給には大規模で高価な新しい供給および燃料補給インフラの構築が必要であること、(d)燃料電池車の残りの2つの利点である「航続距離の延長と燃料補給時間の短縮」は、バッテリーと充電技術の向上により急速に失われつつあること、を結論付けました。[ 132 ] Nature Electronics [ 133 ] 国際気候環境研究センター （CICERO）による2023年の研究では、漏洩した水素の地球温暖化効果はCO2 の11.6倍強いと推定されています。[ 134 ]
列車 鉄道事業者は、架線電化の設置コストを削減し、ディーゼル列車が提供する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場合があります。しかし、列車の燃料電池の寿命がわずか3年であること、水素タンクのメンテナンス、および電力バッファとしての追加バッテリーの必要性により、費用が発生しています。[ 139 ] [ 140 ] アルストム コラディア iLint 多目的ユニットが、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運行を開始しました。[ 141 ]水素列車は、スウェーデン [ 142 ] [ 143 ]
ボート 燃料電池船（ハイドラ号 ）、ドイツ 、ライプツィヒ ドイツのボン近郊の ライン 川で 1999 年から 2001 年にかけて運航された 22 人乗りの燃料電池船Hydra [ 173 ] は、2000 年にベルギーの ヘント で開催された電気ボート会議でフェリー ボートとして使用されました。旅客輸送用にGermanischer Lloyd から完全に認証されています。 [ 174 ] のポリマー 電解質膜燃料電池 (PEMFC) を使用しました。これらのシステムと 12 個の貯蔵タンクにより、燃料電池は 560 V と 234 kWhのエネルギー容量を提供しました。[ 175 ] ドイツのハンブルク で製造されたFCS Alsterwasser は 2008 年に発表され、燃料電池で動く最初の旅客船の 1 つです。100 人の乗客を運ぶことができました。この船の動力源となったハイブリッド燃料電池技術は、プロトンモーター燃料電池社によって製造された。[ 176 ]
2010年にMF Vågenが初めて製造され、 12kWの燃料電池と2～3キログラムの金属水素化物水素貯蔵装置が使用された。また、25kWh のリチウム電池と10kW のDCモーターも使用されている。[ 175 ] ディーゼル発電機 、バッテリー、太陽光発電 、風力発電 、燃料電池をエネルギー源として使用している。[ 175 ] ブリストル で製造された12人乗りのハイブリッドフェリー、Hydrogenesisは2012年から運航されている。[ 175 ] 。タイプC貯蔵タンクを備えた加圧船は、1200kgのLH2を保持できる 。これらの船は現在も運航されている。[ 175 ] ノルウェーでは、液体水素 を燃料とする燃料電池で動く最初のフェリーが、2022年12月に最初の試験航海を行う予定だった。[ 177 ] [ 178 ]
ドイツ海軍とイタリア海軍の212型潜水艦は、 浮上せずに数週間潜航するために燃料電池を使用している。[ 179 ] [ 180 ] このシステムは、それぞれ30kWから50kWの出力を提供する9個のPEM燃料電池で構成されている 。この潜水艦は静音であるため、他の潜水艦の探知において有利である。[ 181 ]
携帯型電源システム 携帯型燃料電池システムは一般的に重量が 10 kg 未満で、出力が 5 kW 未満であると分類されています。 [ 182 ] [ 183 ] [ 183 ]
燃料電池を使用するポータブル電源システムは、レジャー分野（RV、キャビン、船舶など）、産業（ガス/石油井戸現場、通信塔、セキュリティ、気象観測所などの遠隔地への電力供給など）、および軍事で使用できます。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のドイツのメーカーです。 [ 184 ] [ 185 ] [ 182 ]
給油所 水素燃料補給ステーション 業界団体である FuelCellsWorks によると、2019 年末時点で、世界中で 330 か所の水素燃料補給ステーションが 一般に開放されていた。[ 193 ] [ 194 ] [ 194 ] [ 195 ] [ 196 ] [ 197 ]
水素燃料補給ステーションの建設費用は100万ドルから400万ドルです。[ 198 ]
社会的影響 2023年現在、燃料電池の普及には技術的な障壁が残っている。[ 199 ] [ 200 ] [ 201 ] [ 202 ] [ 203 ] [ 204 ]
市場と経済 2012年には、燃料電池産業の収益は世界全体で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。[ 205 ] [ 206 ] 田中貴金属は 2011年に製造施設を拡張しました。[ 207 ] [ 208 ] [ 209 ] [ 210 ] [ 211 ]
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」[ 212 ] 。
研究開発 2013年：英国企業ACAL Energyは、模擬運転条件下で10,000時間稼働できる燃料電池を開発したと発表した。[ 213 ] [ 214 ] 2014年：インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者らは 、硫化水素で 汚染されたPEFCの再生のための新しい方法を開発した。 [ 215 ] 彼らは、硫化水素で汚染されたPEFCの元の性能の95～100％を回復させた。彼らはSO2 で汚染されたPEFCの再生にも成功した。 [ 216 ] [ 217 ] 2019年：米国陸軍研究所の 研究者らは、水素生成用と、内部の水素/空気発電所による発電用の2つの部分からなる現場水素生成燃料電池を開発した。[ 218 ] 2022年：デラウェア大学 の研究者らは、より低コストで動作し、約1.4ドル/kW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を 除去する。[ 219 ] 2024年、KAISTの 研究者らは、テープキャスティングでスラリーを積層し、その後積層構造を焼結することによって陽子燃料電池を作成する方法を開発した。3種類の異なるスラリーは、堆積前に共鳴音響混合（RAM）を使用して作成された。[ 220 ]
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外部リンク 燃料電池の起源：1840年～1890年 EERE：水素、燃料電池、インフラ技術プログラム 水と水素燃料電池の電気分解の熱力学 DoITPoMS教育学習パッケージ：「燃料電池」
