燃料電池

燃料電池は燃料と空気混合して放出されるエネルギーを利用して電気を作ります。燃料電池の最も一般的な燃料は水素で、空気中の酸素と反応して水だけを生成します。燃料電池は、常に燃料が供給されるバッテリーのような働きをするので、燃料が尽きることはありません(十分な燃料がある限り)。燃料電池は、水素経済にとって重要な役割を果たしています。水素分子はメタン、水、バイオマスなどの物質に含まれていますが、いずれの場合も水素を取り出すためには何らかのエネルギーが必要です。水素の製造方法には、石油、ガス、石炭などのほとんどの燃料から水蒸気改質と呼ばれる方法で分離する方法と、水から電気分解と呼ばれる方法で抽出する方法の2つがあります。化石燃料から水素を分離すると、二酸化炭素が放出されます。電気分解で水から抽出する際に使用するエネルギーが太陽光風力であれば、生成された水素は排出されないため、無害なものとなります。水素は再生可能なバイオガスからも分離することができ、排出される炭素は化石由来ではなく、自然の炭素循環の一部であることを意味します。

ダイレクトメタノール型燃料電池。実際の燃料電池スタックは、画像中央の層状のバイキュービック構造であるZoom
ダイレクトメタノール型燃料電池。実際の燃料電池スタックは、画像中央の層状のバイキュービック構造である

エネルギーの変換方法

水は、酸素原子1個と水素原子2個からなる分子です。水を酸素と水素に分けるのにはエネルギーが必要で、水として戻すときにエネルギーが放出されます。燃料電池は、水素と酸素をくっつけて、そのエネルギーを電気という形で放出します。

燃料(エネルギー源、通常は水素)と空気(酸素を含む)は、燃料電池の反対側に入れられます。燃料電池の中央には、電解質と呼ばれる「スクリーン」があり、電極と呼ばれる2枚の金属板で挟まれています。燃料電池の種類によって、燃料と空気を分離するためにどのようなスクリーンが使われているかに基づいて名前が付けられています。スクリーンは、イオンとも呼ばれる特定の電荷を帯びた分子だけを通すことができます。

イオンを発生させるためには、電子を系の一方の側から他方の側に運ばなければならない。電子は燃料側の金属板で燃料から分離され、反応を完了させるためには空気側に移動する必要があります。スクリーンは電子を通さないので、電子は別のワイヤーを通って空気側のもう一方の金属板へと移動します。電子の移動によって電流電気)が発生します。ワイヤーは電気を使える場所です。例えば、電線を半分に切って、その間に電球を接続することができます。

その間に、イオンは、画面を通過し、分子(すでに反対側にある)と電子(ワイヤーを介して移動し、電源エレクトロニクスへのエネルギーを与える)反対側にある電子と反応します。水は、それらが排気管を介して出てくる(と、燃料の種類に応じて、時折他の製品)、形成されています。

効率性

燃料電池は、酸素と水素を組み合わせて電気を作ります。効率は非常に良い(約40~70%)。反応時に排熱を利用すれば、最大83%の効率が得られます。また、燃料電池は、天然ガス、メタノール、LPG(液化石油ガス)、ナフサ、灯油など様々な燃料を使用することができます。

特徴

燃料電池の中には、水のみを生成するタイプもあり、汚染がないことを意味する。ほとんどのタイプの燃料電池は、従来の(「カロリー」の)発電に比べて排出量がはるかに少ない。燃料電池は、従来の発電機、例えばディーゼルエンジンなどと同じ燃料を消費することができるが、効率は約2倍で、同じ量のエネルギーを半分の燃料で生産することができ、少なくとも半分の量の汚染を引き起こす。さらに、燃料電池を直接変換して使用することで、NOx、SOx、粒子状物質のような二次排出物を発生させるリスクが少なくなり、これらは燃焼の副作用であり、地球温暖化の原因となり、基準汚染物質として知られています。

燃料電池は非常に静かです。彼らは、空気を動かすためのいくつかのファンと水を動かすためのポンプの脇に可動部分を持っていないので、彼らは非常にまれに修理を必要とすることを意味しますが、建物のようなものに電力を供給するために使用されるいくつかの大規模な燃料電池は非常に壊れやすいことができます。

汚染物質の排出量が非常に少ないため、燃料電池はフォークリフトのように建物の中を移動する車両によく使用されています。燃料電池は非常に静かなので、探知されないように、一部の軍用潜水艦で使用されています。燃料がより効率的に使用されるため、燃料電池は新たな燃料を調達することなく、より長く作動することができます。これにより、天候や研究ステーション、宇宙船、軍事基地などの入手が困難な場所でも使用することができます。

宇宙船は純粋な水素と酸素を含むロケットを使って打ち上げられるため、搭載されている電気は、これらの燃料を利用できる非常に効率的な燃料電池を使って生産されます。さらに、宇宙船に搭載されている燃料電池は、排気から純粋な水を生成し、それをさらに回収して宇宙飛行士の飲料水として使用することができます。

燃料電池の種類

燃料電池は、インナースクリーン(電解質)の種類によって分類することができます。例えば、リン酸型燃料電池は低温用です。その方が安全性が高いので、大電流を必要とする携帯電話や自動車の電源に使われています。アルカリ燃料電池には、通常、水酸化カリウム(KOH)が含まれています。メタノール燃料電池は、メタノールを電気化学的に反応させて使用します。このタイプの燃料電池は、よりシンプルなシステムに適しています。しかし、メタノール型燃料電池は反応速度が遅いため、出力密度が低い。

燃料電池の重要な種類としては、以下のようなものがあります。

  • リン酸型燃料電池(PAFC) - リン酸型燃料電池は、今日、商業的に利用可能です。彼らは、熱と発電を組み合わせるための最も一般的な燃料電池です。
  • プロトン交換膜型燃料電池(PEM) - これらの燃料電池は、比較的低温(約175°F)で動作し、高出力密度を有し、電力需要のシフトを満たすために迅速に出力を変化させることができ、迅速な起動が必要とされる自動車などのアプリケーションに適しています。市販の燃料電池車はすべてこのタイプの燃料電池を使用しています。この燃料電池の欠点は、高純度の水素を必要とするため、製造コストが高くなることです。
  • 溶融炭酸塩燃料電池(MCFC) - これらの燃料電池は非常に高温で動作し、天然ガスのようなより複雑な燃料を水素燃料に変換してセル自体で使用することができます。起動と停止に数時間かかるため、大型ビルやビジネス向けの定置電力のように、連続運転が可能な用途にのみ使用されます。
  • 微生物燃料電池(MFC) - 呼吸をする微生物を利用して、酸化還元反応を利用して有機基質を電気エネルギーに変換する燃料電池。

アプリケーション

燃料電池には多くの用途がある--大手自動車メーカーが燃料電池車の実用化に向けて動き出している。トヨタは「ミライ」、ホンダは「クラリティ」をそれぞれ発売している。燃料電池は、バス、ボート、電車、飛行機、スクーター、フォークリフト、自転車に動力を与えている。燃料電池で動く自動販売機、掃除機、高速道路の道路標識などがある。携帯電話、ノートパソコン、携帯電子機器用の小型燃料電池も予測されている。病院、クレジットカードセンター、警察署、銀行では、燃料電池を使用して施設に電力を供給しています。廃水処理場や埋立地では、発生するメタンガスを電気に変換するために使用されています。燃料電池は古くから宇宙空間で使用されています。通信会社は、携帯電話、ラジオ、911のタワーで燃料電池を使用しています。

質問と回答

Q:燃料電池はどのように電気を発生させるのですか?


A: 燃料電池は、燃料と空気を混ぜてエネルギーを放出する反応を起こし、水や時には二酸化炭素を作ることで電気を発生させます。

Q: 燃料電池に使われる最も一般的な燃料は何ですか?


A: 燃料電池で最もよく使われる燃料は、水素です。

Q: 燃料電池は電池とどう違うのですか?


A: 燃料電池は、常に燃料を供給しているため、燃料が十分にある限り、電池切れを起こさないという点で電池と異なります。

Q: 水素経済とは何ですか?


A: 水素経済とは、化石燃料への依存度を下げるために、燃料として水素を使用することを指します。

Q: 水素はどのように作られるのですか?


A: 水蒸気改質法と呼ばれるプロセスで水素を製造するか、電気分解法と呼ばれるプロセスで水から抽出することができます。

Q: 化石燃料から水素を分離するとどうなるのですか?


A: 化石燃料から水素を分離すると、二酸化炭素が発生します。

Q:水素は有害なものを排出しない方法で製造できるのですか?


A:はい、水素を製造するためのエネルギーが太陽光や風力などの再生可能エネルギーであれば、製造された水素は排出されないので、良質のものです。また、水素は再生可能なバイオガスから分離することができます。つまり、排出される炭素は化石由来ではないので、自然の炭素サイクルの一部となります。

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