おそらく燃料電池について聞いたことがあるでしょう 。 2003年、ブッシュ大統領は水素燃料イニシアチブ（HFI）と呼ばれるプログラムを発表しました。 彼の一般教書演説中。このイニシアチブは、2005年のエネルギー政策法（EPACT 2005）および2006年のアドバンスドエナジーイニシアチブの法律に支えられており、2020年までに燃料電池車を実用的かつ費用効果の高いものにするための水素、燃料電池、インフラストラクチャ技術の開発を目指しています。米国はこれまでに10億ドル以上を燃料電池の研究開発に費やしてきました。
では、とにかく、燃料電池とは正確には何ですか？なぜ政府、民間企業、学術機関が協力してそれらを開発および生産しているのですか？燃料電池は、汚染されることなく、静かに効率的に電力を生成します。化石燃料を使用する電源とは異なり、稼働中の燃料電池からの副産物は熱と水です。しかし、これはどのように行われますか？
この記事では、既存または新たな燃料電池技術のそれぞれについて簡単に説明します。 高分子電解質膜燃料電池の詳細を説明します （ PEMFC ）作業し、燃料電池が他の形態の発電とどのように比較されるかを調べます。また、燃料電池を実用的で手頃な価格で使用できるようにするために研究者が直面するいくつかの障害についても調査し、燃料電池の潜在的な用途について説明します。
あなたがそれについて技術的になりたいのであれば、燃料電池は電気化学エネルギー変換装置です。 。燃料電池は、化学物質の水素と酸素を水に変換し、その過程で電気を生成します。
私たちがよく知っている他の電気化学デバイスはバッテリーです。バッテリーにはすべての化学物質が内蔵されており、それらの化学物質も電気に変換します。これは、バッテリーが最終的に「死んで」、あなたがそれを捨てるか、それを再充電することを意味します。
燃料電池では、化学物質が常にセルに流入するため、セルが死ぬことはありません。セルに化学物質が流入している限り、電気はセルから流出します。現在使用されているほとんどの燃料電池は、化学物質として水素と酸素を使用しています。
次のセクションでは、さまざまな種類の燃料電池について見ていきます。
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燃料電池は、都市の発電所のガスタービン、車のガソリンエンジン、ラップトップのバッテリーなど、他の多くのエネルギー変換デバイスと競合します。タービンやガソリンエンジンなどの燃焼エンジンは、燃料を燃焼させ、ガスの膨張によって生成された圧力を使用して機械的な作業を行います。バッテリーは、必要に応じて化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。燃料電池は両方のタスクをより効率的に実行する必要があります。
燃料電池は、モーター、ライト、または任意の数の電気機器に電力を供給するために使用できるDC（直流）電圧を提供します。
燃料電池にはいくつかの異なるタイプがあり、それぞれが異なる化学的性質を使用しています。燃料電池は通常、動作温度と電解質の種類によって分類されます。 彼らは使用します。一部の種類の燃料電池は、定置型発電所での使用に適しています。その他は、小型のポータブルアプリケーションや自動車への電力供給に役立つ場合があります。燃料電池の主な種類は次のとおりです。
エネルギー省（DOE）は、輸送用途の最も可能性の高い候補としてPEMFCに焦点を当てています。 PEMFCは、電力密度が高く、動作温度が比較的低くなっています（摂氏60〜80度、華氏140〜176度の範囲）。作動温度が低いということは、燃料電池が暖まって発電を開始するのにそれほど時間はかからないことを意味します。次のセクションでPEMFCを詳しく見ていきます。
これらの燃料電池は、工場や町に電力を供給することができる大規模な定置型発電機に最適です。このタイプの燃料電池は、非常に高い温度（700〜1,000℃）で動作します。この高温は、燃料電池の一部がオンとオフを繰り返した後に故障する可能性があるため、信頼性を問題にします。ただし、固体酸化物形燃料電池は、連続使用すると非常に安定します。実際、SOFCは、特定の動作条件下で、燃料電池の中で最も長い動作寿命を示しています。高温には利点もあります。燃料電池で生成された蒸気をタービンに送り、より多くの電力を生成することができます。このプロセスは、熱電併給（CHP）と呼ばれます。 システムの全体的な効率が向上します。
これは、燃料電池の最も古い設計の1つです。米国の宇宙計画は1960年代からそれらを使用してきました。 AFCは汚染の影響を非常に受けやすいため、純粋な水素と酸素が必要です。また、非常に高価であるため、このタイプの燃料電池は商品化される可能性が低いです。
SOFCと同様に、これらの燃料電池は大型の定置型発電機にも最適です。それらは摂氏600度で作動するので、より多くの電力を生成するために使用できる蒸気を生成することができます。固体酸化物形燃料電池よりも作動温度が低いため、このようなエキゾチックな材料は必要ありません。これにより、デザインが少し安価になります。
リン酸型燃料電池は、小型の定置型発電システムで使用できる可能性があります。ポリマー交換膜燃料電池よりも高温で動作するため、ウォームアップ時間が長くなります。このため、車での使用には適していません。
メタノール燃料電池は、作動温度に関してはPEMFCに匹敵しますが、効率は劣ります。また、DMFCは触媒として機能するために比較的大量の白金を必要とするため、これらの燃料電池は高価になります。
次のセクションでは、DOEが将来の車両に電力を供給するために使用する予定の燃料電池の種類である PEMFC について詳しく見ていきます。 。
燃料電池の発明ウィリアムグローブ卿は1839年に最初の燃料電池を発明しました。グローブは、水に電流を流すことで水を水素と酸素に分解できることを知っていました（電気分解と呼ばれるプロセス）。 ）。彼は、手順を逆にすることで電気と水を生み出すことができると仮定しました。彼は原始的な燃料電池を作成し、それをガスボルタ電池と呼びました。 。彼の新しい発明を実験した後、グローブは彼の仮説を証明しました。 50年後、科学者のルードウィッヒモンドとチャールズランガーは燃料電池という用語を作り出しました。 電力を生産するための実用的なモデルを構築しようとしている間。
高分子交換膜燃料電池 （PEMFC）は、最も有望な燃料電池技術の1つです。このタイプの燃料電池は、おそらく車、バス、そしておそらくあなたの家にさえ電力を供給することになるでしょう。 PEMFCは、あらゆる燃料電池の中で最も単純な反応の1つを使用します。まず、PEM燃料電池の内容を見てみましょう。
図1 PEMFCには4つの基本的な要素があることがわかります。
加圧水素ガスの画像（H 2 ）アノード側で燃料電池に入る。このガスは、圧力によって触媒を通過します。 H 2 の場合 分子は触媒上の白金と接触し、2つのH + に分裂します イオンと2つの電子（e - ）。電子はアノードを通って伝導され、そこで外部回路を通り抜け（モーターを回すなどの有用な仕事をします）、燃料電池のカソード側に戻ります。
一方、燃料電池のカソード側では、酸素ガス（O 2 ）は触媒を強制的に通過し、2つの酸素原子を形成します。これらの原子のそれぞれは強い負電荷を持っています。この負電荷は2つのH + を引き付けます イオンは膜を通過し、そこで酸素原子と外部回路からの2つの電子と結合して、水分子（H 2 O）。
単一の燃料電池でのこの反応は、約0.7ボルトしか生成しません。この電圧を妥当なレベルまで上げるには、多くの個別の燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを形成する必要があります。 。 バイポーラプレート ある燃料電池を別の燃料電池に接続するために使用され、両方の酸化を受けます。 および削減 条件と可能性。バイポーラプレートの大きな問題は安定性です。金属製のバイポーラプレートは腐食する可能性があり、腐食の副産物（鉄およびクロムイオン）は燃料電池の膜と電極の効果を低下させる可能性があります。低温燃料電池は軽量金属を使用しています 、グラファイト およびカーボン/熱硬化性複合材料 （熱硬化性樹脂は、高温にさらされても剛性を維持する一種のプラスチックです）バイポーラプレート材料として。
次のセクションでは、燃料電池車がいかに効率的であるかを見ていきます。
燃料電池の化学アノード側 ：2H₂→4H⁺+4e⁻
カソード側 ：O₂+4H⁺+4e⁻→2H₂O
正味の反応 ：2H₂+O₂→2H₂O
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汚染の削減は、燃料電池の主要な目標の1つです。燃料電池車をガソリン車やバッテリー車と比較すると、燃料電池が今日の車の効率をどのように改善するかがわかります。
3種類の車はすべて同じコンポーネント（タイヤ、トランスミッションなど）が多いため、車のその部分を無視して、機械的な動力が生成されるまでの効率を比較します。燃料電池車から始めましょう。 （これらの効率はすべて概算ですが、大まかな比較を行うには十分に近い必要があります。）
燃料電池に純粋な水素が供給されている場合、最大80％の効率が得られる可能性があります。つまり、水素のエネルギー含有量の80％を電気エネルギーに変換します。ただし、電気エネルギーを機械的仕事に変換する必要があります。これは、電気モーターとインバーターによって実現されます。モーター/インバーターの効率の妥当な数値は約80パーセントです。つまり、発電の効率は80％であり、それを機械的電力に変換する効率は80％です。これにより、全体の効率は約 64パーセントになります。 。ホンダのFCXコンセプトカーは60％のエネルギー効率を持っていると報告されています。
燃料源が純粋な水素でない場合、車両には改質装置も必要になります。改質装置は、炭化水素またはアルコール燃料を水素に変えます。それらは熱を発生し、水素以外の他のガスを生成します。彼らはさまざまな装置を使って水素を浄化しようとしますが、それでも、それらから出てくる水素は純粋ではなく、これが燃料電池の効率を低下させます。改質装置は燃料電池の効率に影響を与えるため、DOEの研究では、水素の製造と貯蔵に関連する課題にもかかわらず、純粋な水素燃料電池車に集中することを決定しました。
次に、ガソリン車とバッテリー車の効率について学びます。
水素水素は宇宙で最も一般的な元素です。しかし、水素は地球上に元素の形で自然に存在するわけではありません。エンジニアや科学者は、化石燃料や水などの水素化合物から純粋な水素を生成する必要があります。これらの化合物から水素を抽出するには、エネルギーを発揮する必要があります。必要なエネルギーは、熱、電気、さらには光の形でもたらされる可能性があります。
ガソリン車の効率は驚くほど低いです。排気として出たり、ラジエーターに入る熱はすべて無駄なエネルギーです。エンジンはまた、それを動かし続けるさまざまなポンプ、ファン、および発電機を回す多くのエネルギーを使用します。したがって、自動車用ガスエンジンの全体的な効率は約 20パーセントです。 。つまり、ガソリンの熱エネルギー含有量の約20パーセントだけが機械的仕事に変換されます。
バッテリー駆動の電気自動車はかなり高い効率を持っています。バッテリーの効率は約90％で（ほとんどのバッテリーはある程度の熱を発生するか、加熱が必要です）、電気モーター/インバーターの効率は約80％です。これにより、全体の効率は約 72パーセントになります。 。
しかし、それだけではありません。車に電力を供給するために使用される電気は、どこかで生成されなければなりませんでした。 （原子力、水力、太陽光、風力ではなく）燃焼プロセスを使用する発電所で生成された場合、発電所で必要な燃料の約40％のみが電気に変換されます。車を充電するプロセスでは、交流（AC）電力を直流（DC）電力に変換する必要があります。このプロセスの効率は約90％です。
したがって、サイクル全体を見ると、電気自動車の効率は、自動車で72パーセント、発電所で40パーセント、自動車の充電で90パーセントです。これにより、全体的な効率は 26パーセントになります。 。全体の効率は、使用する発電所の種類によって大きく異なります。たとえば、自動車の電気が水力発電所で発電されている場合、基本的に無料であり（燃料を燃やして発電することはありません）、電気自動車の効率は約 65％> 。
科学者たちは、燃料電池の効率を高め続けるために、設計を研究および改良しています。 1つのアプローチは、燃料電池とバッテリー駆動の車両を組み合わせることです。 Ford MotorsとAirstreamは、 HySeries Drive という名前のハイブリッド燃料電池駆動列を搭載したコンセプトカーを開発しています。 。フォードは、車両の燃費が1ガロンあたり41マイルに匹敵すると主張しています。車両はリチウム電池を使用して車に電力を供給し、燃料電池は電池を充電します。
燃料電池車は、燃料を燃焼しない発電所に依存するバッテリー駆動車と同じくらい効率的である可能性があります。しかし、実用的で手頃な方法でその可能性に到達することは難しいかもしれません。次のセクションでは、燃料電池エネルギーシステムを実現するためのいくつかの課題について検討します。
黄金の触媒ナノスケール科学は、燃料電池開発者に非常に求められている答えを提供するかもしれません。たとえば、金は通常、非反応性の金属です。ただし、ナノメートルサイズに縮小すると、金の粒子は白金と同じくらい効果的な触媒になる可能性があります。
燃料電池は私たちの電力問題への答えかもしれませんが、最初の科学者はいくつかの主要な問題を整理する必要があります：
燃料電池に関連する問題の中で最も重要なのは、それらがどれほど高価かということです。燃料電池の構成部品の多くは高価です。 PEMFCシステムの場合、プロトン交換膜、貴金属触媒（通常はプラチナ）、ガス拡散層、およびバイポーラプレートがシステムのコストの70％を占めます[出典：水素経済の基礎研究の必要性]。 （ガソリン車と比較して）競争力のある価格であるためには、燃料電池システムはキロワットあたり35ドルの費用がかかる必要があります。現在、予測される大量生産価格は1キロワットあたり73ドルです[出典：Garland]。特に、研究者は触媒として機能するために必要な白金の量を減らすか、代替品を見つける必要があります。
研究者は、耐久性があり、摂氏100度を超える温度で動作し、氷点下の周囲温度でも機能するPEMFC膜を開発する必要があります。燃料電池が燃料中の不純物に対してより高い耐性を持つためには、摂氏100度の温度目標が必要です。車の発進と停止は比較的頻繁に行われるため、サイクリング条件下で膜が安定していることが重要です。現在、特に動作温度が上昇すると、燃料電池のオンとオフが繰り返されるときに膜が劣化する傾向があります。
PEMFC膜は水素プロトンを移動させるために水和する必要があるため、研究では、氷点下、低湿度環境、および高動作温度で動作し続けることができる燃料電池システムを開発する方法を見つける必要があります。摂氏約80度では、高圧ハイドレーションシステムがないと水分補給が失われます。
SOFCには耐久性に関連する問題があります。固体酸化物システムには、材料の腐食に関する問題があります。シールの完全性も大きな懸念事項です。 SOFCのコスト目標は、PEMFCシステムよりも制限が少なく1キロワットあたり400ドルですが、材料費が高いため、その目標を達成するための明確な手段はありません。セルが動作温度まで繰り返し加熱され、その後室温まで冷却されると、SOFCの耐久性が低下します。
エネルギー省の燃料電池技術計画では、現在利用可能な空気圧縮機技術は車両の使用には適していないため、水素燃料供給システムの設計に問題があると述べています。
PEMFC車両が消費者にとって実行可能な代替手段となるためには、水素の生成と供給のインフラストラクチャが必要です。このインフラストラクチャには、パイプライン、トラック輸送、給油所、水素製造プラントが含まれる場合があります。 DOEは、市場性のある車両モデルの開発が、それをサポートするインフラストラクチャの開発を促進することを期待しています。
300マイルは、従来のゴルフ練習場（ガソリンが満タンの車で運転できる距離）です。燃料電池車と同等の結果を出すために、研究者は水素貯蔵の考慮事項、車両の重量と体積、コスト、および安全性を克服する必要があります。
PEMFCシステムは、改良が加えられるにつれて軽量化と小型化が進んでいますが、それでも標準的な車両で使用するには大きすぎて重すぎます。
燃料電池の使用に関連する安全上の懸念もあります。立法者は、燃料電池車または発電機に関連するインシデントを処理する必要がある場合に、ファーストレスポンダーが従うべき新しいプロセスを作成する必要があります。エンジニアは、安全で信頼性の高い水素供給システムを設計する必要があります。
研究者はかなりの課題に直面しています。次のセクションでは、米国や他の国々がこれらの障害を克服するための研究に投資している理由を探ります。
芳香族ベースの膜現在のパーフルオロスルホン酸膜の代替品は、芳香族ベースの膜です。この場合の芳香族は、膜の心地よい香りを指すのではなく、実際にはベンゼン、ピリジン、インドールなどの芳香環を指します。これらの膜は高温でより安定していますが、それでも水和が必要です。さらに、芳香族ベースの膜は、水和を失うと膨潤し、燃料電池の効率に影響を与える可能性があります。
米国政府が大学、公的機関、民間企業と協力して、燃料電池を実用的なエネルギー源にするというすべての課題を克服しているのはなぜですか？燃料電池の研究開発には10億ドル以上が費やされています。水素インフラストラクチャの構築と維持にはかなりの費用がかかります（一部の見積もりでは5,000億ドルを超えると推定されています）。なぜ大統領は燃料電池に投資する価値があると考えるのですか？
主な理由は、石油と関係があります。アメリカはその石油の55パーセントを輸入しなければなりません。 2025年までに、これは68パーセントに成長すると予想されます。アメリカ人が毎日使用する石油の3分の2は輸送用です。路上にあるすべての車両がハイブリッド車であったとしても、2025年までに、現在と同じ量の石油を使用する必要があります[出典：FuelCells2000]。実際、アメリカは世界で生産されるすべての石油の4分の1を消費していますが、世界人口の4.6％しかここに住んでいません[出典：米国の石油依存の国家安全保障への影響]。
専門家は、より多くの低コストの供給源が枯渇するにつれて、石油価格が今後数十年にわたって上昇し続けると予想しています。石油会社は、ますます困難な環境で石油鉱床を探す必要があり、それが石油価格を押し上げるでしょう。
懸念は経済安全保障をはるかに超えています。外交問題評議会は、2006年に「米国の石油依存の国家安全保障への影響」というタイトルの報告書を発表しました。タスクフォースは、米国の石油への依存の高まりが国の安全をどのように危うくするかについての多くの懸念を詳述しました。報告書の多くは、石油を需要する国と石油を供給する国との間の政治的関係に焦点を当てていました。これらの石油が豊富な国の多くは、政情不安や敵意に満ちた地域にあります。他の国々は人権を侵害し、ジェノサイドのような政策を支持することさえあります。そのような政策への資金提供を避けるために石油の代替案を検討することは、米国と世界の最善の利益になります。
石油やその他の化石燃料をエネルギーに使用すると、汚染が発生します。映画「不都合な真実」から、気候変動と地球温暖化が世界終末時計の将来の調整に影響を与えるという発表まで、汚染問題が最近ニュースになっています。エネルギーのために化石燃料を燃やす代わりの方法を見つけることは、誰にとっても最大の利益です。
燃料電池技術は、石油依存の魅力的な代替手段です。燃料電池は汚染を引き起こさず、実際には副産物として純水を生成します。エンジニアは短期的には天然ガスなどの水素源から水素を生産することに集中していますが、水素イニシアチブは将来、再生可能で環境に優しい水素生産方法を検討する予定です。水から水素を生産できるため、米国はエネルギー生産を国内のエネルギー源にますます依存する可能性があります。
他の国々も燃料電池の用途を模索しています。石油依存と地球温暖化は国際的な問題です。いくつかの国は、燃料電池技術の研究開発努力を進めるために提携しています。 1つのパートナーシップは、水素経済のための国際パートナーシップです。
明らかに、科学者や製造業者は、燃料電池が現在のエネルギー生産方法の実用的な代替手段になる前に、やるべきことがたくさんあります。それでも、世界的な支援と協力があれば、実行可能な燃料電池ベースのエネルギーシステムを実現するという目標は、数十年後には実現する可能性があります。
廃棄物で動く燃料電池ペンシルバニア州立大学の環境エンジニアは、廃水で作動する燃料電池を開発しました。細胞は微生物を使って有機物を分解します。次に、物質は水素と電子を放出します。燃料電池は廃水中の有機物の約80％を分解する可能性があり、PEMFCと同様に、出力は熱と純水です。燃料電池によって生成されたエネルギーは、水処理プラントのポンプシステムに電力を供給するのに役立つ可能性があります。
水素経済のための国際パートナーシップ
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