燃料電池の仕組み：電気化学的変換とゼロエミッション作動

主要な電気化学プロセス：水素の酸化と酸素の還元

燃料電池は水素と酸素の間の化学反応を利用して電気を生成するものであり、重要な点として、何ものも燃焼することなくこれを実現します。水素がアノード側に到達すると、白金を主成分とする触媒の働きによって、水素は陽子と電子に分解されます。電子はセルの外側を通る配線を移動し、実際に電力として利用できる電流を生み出します。一方、これらの陽子はプロトン交換膜（または略してPEM）と呼ばれるものを通過し、セルの反対側へと移動します。カソード側に到達した陽子は、回路を戻ってきた電子および酸素分子と結合し、副産物として純粋な水を生成します。この一連のプロセスは、従来のエンジンが依存する熱伝達とは異なり、非常に効率的に機能します。その結果、PEM燃料電池は通常、投入エネルギーの約半分から3分の2を直接電気エネルギーに変換できます。これは、ガソリン車がカルノーサイクルと呼ばれる基本的な熱力学的原理に制限されるため達成できる効率の約2倍に相当します。

主要な利点は以下の通りです.

• 補助システム以外に可動部がなく、ほぼ無音で作動
• 燃料と酸化剤が供給されていれば、連続した電力出力が可能
• モジュール式の拡張性—キロワット級の携帯型ユニットからメガワット級の定置型プラントまで対応可能

バッテリーとは異なり、燃料電池はエネルギー貯蔵装置ではなくエネルギー変換装置であるため、充電のダウンタイムなしで持続的な運転が可能

燃料電池がCO₂、NO₂、粒子状物質を排出せず、水のみを排出する理由

燃料電池は燃焼ではなく電気化学反応で作動するため、規制対象となる排出物を一切出しません。水素にはそもそも炭素が含まれていないため、運転中にCO2が生成される余地がありません。さらに、反応は最大でも約100度C程度で行われ、窒素酸化物が発生し始める1,300度Cという高温には遠く及びません。炎も発生しないため、煤や灰、大気汚染の原因となる未燃焼炭化水素も完全に排除されます。排出されるのは基本的に純粋な水蒸気のみであり、工業プロセスで回収・再利用されることもあります。そのため、これらのシステムは屋内や混雑した都市部、あるいは大気質規制が厳しい場所などにおいて非常に適しています。EPAの推奨事項に適合し、欧州のクリーンエア規制と一致し、WHOのガイドラインにも合致します。

脱炭素が困難な分野における燃料電池の応用

重負荷輸送：トラック、バス、列車、船舶

重装輸送において、燃料電池はバッテリーでは十分に対応できないいくつかの大きな課題を実際に解決しています。エネルギー貯蔵容量、充填にかかる時間、そして車両重量への影響について考えてみてください。水素駆動トラックも今まさに注目を集めています。これらの大型トラックは1回の給油で500〜800キロメートル走行でき、充填時間は20分未満で、従来のディーゼルエンジンとほぼ同じです。これは、3〜4トンもの余分な重量を追加する巨大なバッテリーパックを搭載するよりもはるかに優れています。この技術はすでに世界中で広がりを見せ始めています。中国やヨーロッパの一部、さらにはカリフォルニアに至るまで、5,000台以上の水素バスが運行されています。用途はバスにとどまらず、さらに広がっています。ドイツのコラディアiLint列車や、ノルウェーの水素フェリー（HYDROGEN）プロジェクトなどがその一例です。特に港湾は恩恵を受ける分野です。なぜなら、多くのコンテナ作業が排出量の多い窒素酸化物や粒子状物質を大気中にばらまくディーゼル機械に大きく依存しているためです。燃料電池への転換により、発生源での排出がゼロになるため、港湾当局が2030年および2050年までの国際海事機関（IMO）の炭素排出削減目標を達成するのに貢献します。

産業用電源およびバックアップシステム：ディーゼル発電機の置き換え

燃料電池は、データセンター、病院、工場など、従来はディーゼル発電機がバックアップ電源として使用されてきた重要なインフラに対して、クリーンで信頼性の高い電力を提供します。ディーゼル発電機と比較して、これらのシステムは建物内や敏感な作業の周囲で、有害な窒素酸化物、二酸化硫黄、または微細粒子を排出しません。構造上の特徴により、50キロワットの小規模な設置から3メガワット規模の大規模なシステムまで、容易にスケーリングが可能です。稼働時間は、バッテリーの経年劣化を心配するのではなく、主に利用可能な水素の供給量に依存します。圧縮水素タンクを使用する場合、ほとんどの装置は3日以上連続で定格負荷での運転が可能であり、オンサイトに大量のディーゼル燃料を貯蔵する場合に比べて火災リスクを低減できます。米国エネルギー省の報告によると、燃料電池バックアップを導入する企業は昨年約40％増加しました。99.999％を超える非常に高い信頼性と、多くの企業が現在、環境・社会・ガバナンス（ESG）の目標を経営判断で重視していることを考えれば、この成長は当然のことです。

水素燃料電池エコシステムの実現：インフラ、安全、および政策

水素貯蔵、給油インフラ、および運用上の安全プロトコル

燃料電池の大規模な展開を実現するには、コストがかからず安全な水素供給方法を確立することが極めて重要です。水素を貯蔵する方法は基本的に3つあります。1つ目は約350～700バールの高圧ガスタンク、2つ目はマイナス253度セルシウスという極低温で液体として貯蔵する方法、そして3つ目は金属ハイドライドや特殊吸着材料を用いる比較的新しい方法です。それぞれの方法は、用途に応じて利点が異なります。2023年時点のデータを見ると、世界には160か所以上の公共水素ステーションが存在し、主にカリフォルニア、日本、韓国、ドイツの一部などに集中しています。しかし、トラックやバスといった大型車両向けにこのインフラを拡張する場合、状況は急速に複雑になります。中規模のステーション1か所を建設するには、通常200万から300万ドルの費用がかかります。許認可手続きに必要な書類作成や、既存の電力網への接続といった追加の課題もあり、誰もが避けたい複雑さが重なります。

安全性は、ISO/TS 15916、SAE J2601、欧州水素安全ハンドブックなど、国際的に調和された工学基準によって規定されています。これらは以下の事項を義務付けています。

• 10,000回以上の圧力サイクルおよび弾道衝撃に耐えることが認証された複合材水素タンク
• 自動リーク検出機能、熱遮断装置および圧力解放装置を備えた給油ノズル
• 水素濃度が可燃下限界の1%未満に保たれるように設計された施設内の閉鎖空間換気システム

実際の検証は、ヨーロッパのH2モビリティプログラムなどの取り組みから得られており、29か所のステーションにわたって標準化されたプロトコルにより、相互接続性、安全性、および広範な普及に不可欠なユーザーの信頼を実証しています。

カーボンニュートラル達成への道における燃料電池

燃料電池は、従来の電化が十分に機能しない分野において、カーボンニュートラルな経済を実現するうえで特に重要な役割を果たしています。これらのシステムは、電解によって再生可能エネルギー源から生成されたグリーン水素を取り込み、電気へと変換し、排出物としては水蒸気のみを生成します。つまり、CO₂排出もなければ、窒素酸化物もなく、有害な粒子物質が大気中に放出されることもありません。燃料電池が特に興味深い点は、再生可能エネルギー源と連携して動作する方法にあります。太陽光や風力による発電量が過剰になった場合、そのエネルギーを無駄にするのではなく、余剰エネルギーを水素として蓄えることができます。その後、需要が急増した時点で、貯蔵された水素を電気に再変換するのです。このアプローチにより、誰もが廃止を望んでいる従来型の化石燃料ベースのバックアップ発電所に頼ることなく、電力網をよりレジリエントにすることが可能になります。

世界は水素を主要なプレーヤーとして真剣に取り取り組んでおり、国際エネルギー機関（IEA）によると、2030年までに水素インフラへ約1000億ドルが投資されると約束されています。燃料電池の価格も大幅に下がっており、2015年以降、生産規模の拡大と優れた触媒材料の開発により、約60％低下しました。政府の政策も徐々に整備されつつあります。最近の米国のインフレ削減法（Inflation Reduction Act）では、クリーン水素1キログラムあたり3ドルの税額控除が提供され、欧州連合（EU）も再生可能エネルギー指令を改訂しました。こうした変化により、燃料電池はもはや実験的な存在ではなく、通常のインフラの一部になりつつあります。今後を見ると、排出量削減が極めて困難な分野において、これらのシステムが全体のエネルギー需要の約15％を満たす可能性があると推定されています。これは、ネットゼロ目標を達成する上で燃料電池が非常に重要であることを意味していますが、広範に普及するまでにはまだ課題が残っています。

よくある質問

燃料電池とは何ですか？
燃料電池は、水素の化学エネルギーを酸素との電気化学反応を通じて電気エネルギーに変換する装置です。

燃料電池は排出物を発生しますか？
燃料電池は主に副産物として水蒸気を生成し、CO2、NOx、または粒子状物質などの規制対象汚染物質を排出しません。

燃料電池は輸送分野で使用できますか？
はい、燃料電池はトラック、バス、列車、船舶などの大型輸送部門で increasingly 使用されています。

水素を使用する際の安全対策は何ですか？
安全対策には、認定された水素タンク、漏れ検出システム、および水素濃度を安全に保つための適切な換気が含まれます。