クリーン輸送用水素燃料電池の動向と展望
この記事では、水素燃料電池、その応用の動向と展望に焦点を当てます。 20 世紀が内燃機関の世紀であれば、21 世紀は自動車産業における水素エネルギーの世紀になる可能性があるため、今日の自動車業界では水素ベースの燃料電池への注目が高まっています。すでに今日では、水素電池のおかげで宇宙船が動き、世界の一部の国では発電のために水素が 10 年以上使用されています。
水素燃料電池は、水素と酸素の化学反応によって電気を生成するバッテリーのような電気化学装置です。化学反応の生成物は純水ですが、たとえば天然ガスを燃やすと環境に有害な二酸化炭素が生成されます。
さらに、水素電池はより高い効率で動作できるため、特に有望です。効率的で環境に優しい自動車エンジンを想像してみてください。しかし、現在、インフラ全体が石油製品に特化して構築されており、自動車産業における水素電池の大規模導入は、このような障害やその他の障害に直面しています。
一方、1839 年以来、水素と酸素が化学的に結合して電流が得られること、つまり水の電気分解プロセスが可逆的であることが知られていました。これは確認された科学的事実です。燃料電池は 19 世紀にすでに研究され始めていましたが、石油生産の発展と内燃機関の開発により、水素エネルギー源が残され、それらは珍しい、採算が悪く、生産コストが高いものになりました。
1950 年代、NASA は必然的に水素燃料電池に頼らざるを得なくなりました。彼らは宇宙船用にコンパクトで効率的な発電機を必要としていました。その結果、アポロとジェミニは水素燃料電池で宇宙に飛び、これが最善の解決策であることが判明しました。
現在、燃料電池は実験技術から完全に廃されており、過去 20 年間でその広範な商業化において大きな進歩が見られました。
水素燃料電池への期待は無駄ではありません。彼らの研究の過程では、環境汚染は最小限であり、技術的な利点と安全性は明らかです。さらに、この種の燃料は基本的に自律型であり、重くて高価なリチウム電池を置き換えることができます。
水素電池の燃料は化学反応の過程で直接エネルギーに変換され、従来の燃焼よりも多くのエネルギーが得られます。燃料消費量が少なく、化石燃料を使用する同様の装置に比べて効率が 3 倍高くなります。
反応中に発生する水と熱の利用方法を適切に整理すればするほど、効率は高くなります。水、エネルギー、熱のみが放出されるため、有害物質の排出は最小限に抑えられますが、伝統的な燃料を燃焼する最もうまく組織化されたプロセスであっても、窒素酸化物、硫黄、炭素、その他の不要な燃焼生成物が必然的に形成されます。
さらに、従来の燃料産業自体が環境に悪影響を及ぼしますが、水素燃料電池は完全に再生可能なエネルギー源から水素の製造が可能であるため、生態系への危険な侵入を回避します。このガスは瞬時に蒸発するため、たとえ漏れても無害です。
燃料電池の動作には、どの燃料から水素が得られるかは関係ありません。 kWh / l 単位のエネルギー密度は同じですが、この指標は燃料電池を作成する技術の向上に伴い常に増加しています。
水素自体は、天然ガス、石炭、バイオマス、または電気分解（風力、太陽エネルギーなど）のいずれであっても、任意の便利な地元の供給源から入手できます。地域の電力供給者への依存はなくなり、システムは通常、電力網から独立しています。
セルの動作温度は非常に低く、要素の種類に応じて 80 ～ 1000 °C の範囲で変化しますが、従来の最新の内燃エンジンの温度は 2300 °C に達します。燃料電池はコンパクトで、生成中の騒音は最小限で、有害物質の排出がないため、作動するシステム内の都合の良い場所に設置できます。
原理的には、電気だけでなく、化学反応中に放出される熱も、水の加熱、暖房、冷房などの有用な目的に使用できます。このアプローチにより、セル内でのエネルギー生成効率が向上します。 90%。
セルは負荷の変化に敏感であるため、電力消費が増加すると、より多くの燃料を供給する必要があります。これは、ガソリン エンジンや内燃発電機の仕組みと似ています。技術的には、燃料電池は可動部品がないため非常に簡単に実装され、設計はシンプルで信頼性が高く、故障の可能性は基本的に非常に小さいです。
プロトン交換膜を備えた水素酸素燃料電池（たとえば、「ポリマー電解質を備えた」）には、ポリマー（ナフィオン、ポリベンズイミダゾールなど）からのプロトンを伝導する膜が含まれており、アノードとカソードの 2 つの電極が分離されています。各電極は通常、白金またはプラチノイドと他の化合物の合金などの担持触媒を備えたカーボン プレート (マトリックス) です。
アノード触媒上では、水素分子が解離して電子を失います。水素陽イオンは膜を通って陰極に輸送されますが、膜は電子の通過を許さないため、電子は外部回路に与えられます。カソード触媒上では、酸素分子が電子 (外部通信によって供給される) および入ってくるプロトンと結合して、反応の唯一の生成物 (蒸気および/または液体の形) である水を形成します。
はい、今日の電気自動車はリチウム電池で動作します。しかし、水素燃料電池はそれらを置き換えることができます。バッテリーの代わりに電源を使用することで、はるかに軽量な重量をサポートできます。さらに、車の出力は、バッテリーセルの追加による重量の増加によってまったく増加するのではなく、単にシリンダー内にあるシステムへの燃料の供給を調整することによって増加することができます。そのため、自動車メーカーは水素燃料電池に大きな期待を寄せています。
10 年以上前、世界中の多くの国、特に米国と欧州で水素自動車の開発に向けた取り組みが始まりました。酸素は、車両に搭載された特別なフィルタリングコンプレッサーユニットを使用して大気から直接抽出できます。圧縮水素は、約 400 気圧の圧力で頑丈なシリンダーに貯蔵されます。給油には数分かかります。
環境に優しい都市交通の概念は、2000 年代半ばからヨーロッパで適用されており、そのような旅客バスはアムステルダム、ハンブルク、バルセロナ、ロンドンで長い間見られています。大都市では、有害な排気ガスがないことと騒音の低減が非常に重要です。初の水素燃料鉄道旅客列車である Coradia iLint は、2018 年にドイツで運行開始されました。2021 年までに、このような列車がさらに 14 両運行される予定です。
今後 40 年間で、自動車の主なエネルギー源としての水素への移行は、世界のエネルギーと経済に革命を起こす可能性があります。しかし、少なくともあと 10 年間は石油とガスが主要な燃料市場であり続けることは明らかです。それにもかかわらず、多くの技術的および経済的障壁を克服する必要があるという事実にもかかわらず、一部の国はすでに水素燃料電池を搭載した車両の開発に投資を行っています。
水素は爆発性ガスであるため、水素インフラ、安全なガソリンスタンドを構築することが主な課題です。いずれにしても、水素を使用すると、車両の燃料費とメンテナンス費を大幅に削減し、信頼性を高めることができます。
ブルームバーグの予測によると、2040年までに自動車の消費電力は現在の日量1,300万バレルではなく1,900テラワット時となり、これが電力需要の8％に相当し、現在世界で生産される石油の70％が輸送用燃料の生産に使用されるという。 。もちろん、現時点では、バッテリー電気自動車市場の見通しは、水素燃料電池の場合よりもはるかに顕著で印象的です。
2017 年の電気自動車市場は 174 億ドルでしたが、水素自動車市場はわずか 20 億ドルでした。この違いにもかかわらず、投資家は引き続き水素エネルギーに関心を持ち、新たな開発に資金を提供しています。
そこで2017年、アウディ、BMW、ホンダ、トヨタ、ダイムラー、GM、ヒュンダイなどの大手自動車メーカー39社が参加する水素評議会が設立された。その目的は、新しい水素技術を研究開発し、その後広く普及させることです。