燃料電池自動車

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ボーイングの燃料電池実証機

燃料電池自動車又はFCV (Fuel Cell Vehicle) は搭載した燃料電池から水素又は改質水素を燃料とし、空気中の酸素を反応させて発電して電動機を駆動する車両である。水素のみを反応させる場合は電気自動車と同様、走行時にCO2CO,NOx,SOxなどの有害な排気ガスを出さない。

歴史[編集]

最初の道路を走ることの出来る燃料電池自動車(Allis-Chalmers 燃料電池トラクターを除く))[1]1966年昭和41年)にゼネラルモータースによって製造され[2]、最初の水素自動車は1807年François Isaac de Rivazによって製造された。日本においては1969年昭和44年)、工業技術院大阪工業試験所において燃料電池自動車の試験が行われた。[3]これは電気自動車(軽トラック)の荷台に燃料電池を載せたものだった。

エネルギー効率[編集]

燃料電池自動車への利用が考えられている固体高分子形燃料電池の発電効率は30~40%である。この数字そのものは、コンバインドサイクルを用いない一般的な火力発電所の効率は40%前後であることを考えると小さいとは言えないが、燃料となる水素の調達と取り回しで大きなエネルギーが消費されるため、燃料電池自動車をとりまくエコシステム全体としてみれば必ずしもエネルギー効率は高くない。まず自然界に採集可能な水素は存在しないから、水素は副生水素を利用するほかは水の電気分解や天然ガスの改質などによって生成しなければならない。またトヨタやホンダの車両は水素を350ないし700気圧に圧縮して格納するが、これを標準状態理想気体として考えると1気圧から700気圧に圧縮するには1モルあたり約15kJのエネルギーが必要であるから、圧縮と冷却の効率を100%とすると170Lのタンク一本につき22kWhものエネルギーが燃料を格納するためだけに消費されることになる。それゆえ一般に燃料電池自動車の「Well-to-Whell」効率は電気自動車に比べて大きく劣る。実際に、たとえば風力発電による電力を水素に変換し燃料電池自動車に充填して使うよりも、そのまま電気自動車へと充電するほうが3倍程度効率が良いとされる[4]

なお、水素製造に投入するエネルギーに対し、製造された水素が貯蔵や輸送、発電を経て動力となり最終的に車のタイヤへと伝わる駆動エネルギーの比は、圧縮水素を使用する場合は22%、液体水素の場合は17%にとどまる[5]。これに対し、通常のガソリン自動車の効率は13%程度である[6]が、現代におけるガソリンのEPRは平均して300%程度であることから、ガソリン製造に投入するエネルギーに対する駆動エネルギーの比はおよそ40%となる。なお、製造水素のEPRは製法にもよるが30~80%程度である。

分類と規格[編集]

燃料電池自動車は燃料電池と規格により分類され、[7] 他には定置型燃料電池の用途や可搬型燃料電池の用途の規格がある。

車載用燃料電池の詳細[編集]

全ての燃料電池は電解質、正極、陰極の3つの部品で作られている。[8]燃料電池の機能は既存の蓄電池と似ているが充電の代わりに水素を補給される。[9]固体高分子形、ダイレクトメタノール形、リン酸形、炭酸溶融塩形、固体酸化物形、再生型等、異なる種類の燃料電池がある。[10]

2009年時点においてアメリカで使用される大半の自動車はガソリンを使用しておりアメリカ国内で排出される一酸化炭素の60%以上と温室効果ガスの約20%を排出している。[11] 一方、水素自動車は僅かな汚染物質しか排出しない。大部分は水と熱であるが燃料電池で使用される水素が再生可能エネルギーのみによって生産された場合以外は水素の製造工程において汚染物質を発生する。[12]

車載用燃料電池システムの課題[編集]

水素社会実現のための切り札として注目されているシステムであるが以下に示す課題もある。

≪( )内は補足説明。また、下線部の補足説明は、その課題項目に従属する補助項目※1、※2を参照。

  ただし、氷点下の環境下からのシステムの低温始動性については、熱容量の低減、排水特性の改善、ヒーターやバーナーの使用等により可能となったため、以下の課題から除外する。≫

[1]気体水素を70MPa(700気圧)の圧力で充填している高圧水素ガスタンク※1を車載する燃料電池車※2の車両価格は、

   CFRP(カーボンファイバ強化プラスチック)や白金を使用しているため、非常に高価である。

      ※1:高圧水素ガスタンクは高強度アルミニウム(6069-T6)製円筒容器をCFRPで被覆/積層したもので車載するものと基本構造は同じ [13]

         高圧水素ガスタンクの内圧の圧力限界は定格70MPaの2.25倍 [14] 、サイクル寿命は11250回以上である [15]

         常時気体水素ガスを満充填している状態における水素脆性破壊等に対する耐久時間については明らかにされていない。

      ※2:この燃料電池車の燃料電池は、カチオン交換形気体水素燃料電池スタックで構成され、電解質膜は強酸性のため [16]

         電極触媒には耐蝕性に優れた白金を使用している。燃料電池出力密度の最大値は、1A/cm2×約0.45V=約0.45W/cm2である [17]

[2]高圧水素ガスタンクは円筒状 [18] であり、偏平形状に成型するのが非常に困難であるため、数本に分割して搭載する必要がある。

   このため、高圧水素ガスタンク間に空きスペースを生じ、空間の利用率が悪くレイアウトの自由度も低い [19]

[3]高圧水素ガスタンクは、ガソリンタンクの2倍以上のスペースが必要 [20]

   (水素を気体の状態で高圧水素ガスタンクに充填しているため、液体の状態で充填しているガソリンタンクより体積が大きくなる。

    このタイプの燃料電池システムを軽自動車へ展開する場合は、航続距離をガソリン車より短く(例えば、1/2)する等の工夫により、

    高圧水素ガスタンクの実装上のスペースの問題を解決する必要がある。)

[4]高圧水素ガスタンクを車載する場合の噴出ガスの乗員への火炎暴露に対する安全対策。

   (高圧水素ガスタンクは、CFRPで被覆されているため、強い応力の印加で潰されても、安全弁から水素ガスが放出されるか、または、部分的に亀裂を生じて

    水素ガスが放出されるため、事故発生時の火災により、高圧水素ガスタンクのCFRP被覆が焼損した場合を除いてタンク自体が爆発・粉砕することはない。

    しかし、この際に、噴出ガスが発火すると乗員が火炎暴露する危険性がある [21] 。)

[5]高圧水素ガスタンクへの水素ガス充填時の爆発に対する対策。

   (水素ステーションは、接地工事によりアースを確保しているが、人体からのアーク放電には注意が必要である。このため、水素濃度が500ppmを超えるとガス漏れ警報を発動する [22] 。)

[6]水素燃料の充填は、セルフではできない。

   (70MPaディスペンサで高圧水素ガスを充填する場合、高圧ガス保安責任者免状取得者及び6ヶ月以上経験者の保安監督により、高圧ガス保安係員が行う必要がある。

    しかし、この様に、保安監督を行っていてもディスペンサーの金属フレキシブルホースが割れる等の水素脆性破壊が疑われる事例が発生している [23]

    この破損したホースは、Hydrogenius へ送られ分析されたが、分析結果は明らかにされていない。問題対処の方法として、半年毎に金属フレキシブルホース

    の交換を実施している。万一、70MPaの高圧ガスのジェット噴流が人体に接触した場合、瞬時に火傷・穿孔・切断する危険性を否定できない。

    また、動脈を損傷した場合は、失血性ショックによる心肺停止状態に陥る危険性が予想される。)

[7]水素ガスを70MPaまで圧縮するのは容易ではない。

   (燃料電池車用CHG(圧縮水素ガス)は高圧圧縮機により充填されるが、航続距離を延長する場合はガス圧の向上が不可欠である。

    圧縮は、初段の圧縮機で20MPa、次段で40Mpa、最終段で70MPaを超過する圧力まで圧縮する。

    プレクーラーの設置はスペースの制約上困難な場合がある。ガス圧を向上させると電力使用量も増加する [24] 。)

[8]車室内への水素ガス漏洩対策。

[9]排気管内からのハマダラ蚊の発生によるマラリア原虫の拡散に起因する伝染病発生防止対策。

[10]排気管内の防カビ対策と燃料電池スタックの高分子電解質膜への生分解耐性評価。

[11]車体水没時における排気管からの外圧印加/雨水浸入による燃料電池スタックの発電特性への影響評価。

[12]氷点下の環境下における生成水の氷の結晶が成長することによる燃料電池スタックへの膨張破壊・穿孔損傷等の影響評価。

[13]排気管からの排水による路面凍結のスリップ事故発生の評価。(排水量は少なくない。)

[14]水素/酸素リサイクル社会の実現。(一方的な酸素消費問題。)

[15]低酸素/超低酸素環境下における燃料電池スタックの発電特性への影響評価。

    (低気圧・高所・換気システムのない比較的長いトンネル内の中央付近における渋滞現場等 / エアエレメントの目詰まり・トンネル内の火災現場・土砂崩れに埋没・水没等)

[16]高温多湿環境下(大陸の環境として気温50℃以上、湿度90%以上等)における燃料電池スタックの発電特性への影響評価。

[17]高塵埃環境下(走行中に大型ディーゼル車の高濃度の黒鉛の混じった排気ガスを被った場合等)における燃料電池スタックの発電特性への影響評価。

[18]可燃性ガス環境下(ガス漏れ事故現場、換気システムのない比較的長いトンネル内に充満するメタンガスやエタンガス等)における防爆対策と燃料電池スタックの発電特性への影響評価。

[19]水素ステーションの設置費用の削減と候補地の確保。(数億円の費用が必要 [25] 。)

[20]水素原子が遮蔽材の結晶粒界をすり抜ける問題に対する対策 [26]

    (空気中に含まれる窒素/酸素と水素の多原子分子である水加ヒドラジン80%※1のように扱う粒子の大きさを大きくすることにより、実用的な遮蔽効果を獲得する研究が実施されている。

     この液体燃料は、1気圧/常温の環境下で比較的容易に扱えるため、ステンレス鋼タンク(V2A、SUS304、SUS347等)に充填して持ち運ぶことができ、給油の際の国家資格は不要で、セルフ給油が可能である。

     この液体燃料を用いて実証実験を行っている国内の自動車メーカーでは、従業員がセルフ給油を行っている。

       (気体水素を燃料とする燃料電池車の場合は、水素ガスを70MPaの圧力で充填するディスペンサが必要で、実証実験を実施するためには、水素ステーションの建設が必須であるが、

        水加ヒドラジンを用いた液体燃料電池の場合は、給油ポイントに設置された直射日光の当たらない冷暗所に水加ヒドラジンを充填したステンレス鋼タンクを置いておけば実証実験は可能であるため、

        水加ヒドラジンステーションの建設は行っていない。)

     軽自動車タイプのコンセプトカーには、貴金属フリー液体燃料電池※2の35kW出力ユニットが搭載されており、20リットルの液体燃料で約500km走行可能である。

     ただし、この燃料は、アルカリ性で皮膚等の人体に対して有害(発ガン区分2B [27] 、ガソリンも発ガン区分2B [28]

     であるため、車載されている燃料タンク内ではジェル状にして、給油する時や燃料電池スタックに燃料を供給する時は液体になる仕組みを開発中だが、他の液体燃料についても検討中である。燃料としてのコストは安い。

     また、この燃料の搭載車では、ゴム部品をアルカリに強いものに置換する必要がある。また、同社は、小型発電ユニットのコンセプトモデル(FC_dock 05c(=FC-Dock 5C))を開発している。

     水加ヒドラジンは、テフロン、ポリエチレン、ポリプロピレン等、ガラス、ゴム、コルクを侵すことがある。

     燃料を充填する容器には、ポリ容器のようなボトル式カートリッジを使用しているが、材質や水加ヒドラジン液体燃料に対する耐蝕性については明らかにされていない。

     このユニットは、AC100Vアース付2連コンセントを装備しており、プリウスPHV、TESLAモデルS、コンバートEV(Convert Electric Vehicles:改造電気自動車、

     衝突安全性能をメーカーが保証したエンジン車をベース車両とすることで、車検を通り易くし、ナンバープレートを取得して公道を走行できるようにした個人で製作できる電気自動車)を充電することが可能である。

     走行しながら充電できるようにコンバートEV側のシステム変更を行い、車載/接続することにより、充電時間の短縮、充電回数の低減、航続距離の延長等が期待できる。

     ただし、車室内の酸素を消費しないように設置場所をトランクルーム内等にする工夫が必要となる。)

        ※1:水加ヒドラジン80%は、Hydrazine hydrate:H4N2・H2Oでヒドラジン含量=80.0×32.04/50.060=51.2%で構成され、無色液体、アンモニア様の微特異臭あり、

           水やアルコールと混和する、軽油より発火し難く、広く流通しており、化粧品や結核の薬等の原料に使用されている。

        ※2:貴金属フリー液体燃料電池(PMfLFC:Precious-Metal-free Liquid feed Fuel Cells) [29] は、アニオン交換形液体燃料電池スタックで構成され、電解質膜はアルカリ性のため、

           電極触媒には安価なニッケル等を使用できる。燃料電池出力密度の最大値は、約1.25A/cm2のとき0.5W/cm2である [30]

[21] 高性能バッテリを搭載する必要がある。

   (燃料電池+ブラシレスモーター※1+ラジエターの組み合わせでは、燃料電池への水素流入量を制御することで発電電力を能動的に制御して、

    ブラシレスモーターを駆動することになるが、この方法では、応答速度が遅く、ブラシレスモーターの俊敏さが発揮できなくなる。

    また、必要となる電力のピークに合わせて燃料電池スタックの容量を決定する必要があり、大容量のものを搭載することが必要で、大型化・高コスト化するという問題が生じる。

    このため、燃料電池とブラシレスモーターとの間に電気二重層コンデンサ [31] やリチウムイオンバッテリ [32] 等を介在させて加速時に必要な大電流を確保すると共に、

    燃料電池スタックのセル数の削減/最適化により、燃料電池を小型軽量化・低コスト化する必要がある。

    この搭載されるエネルギーバッファは、常時充放電を繰り返すため、電気二重層コンデンサとリチウムイオンバッテリの両方を搭載することにより、

    電気二重層コンデンサに脈動成分を吸収させることで、リチウムイオンバッテリの充放電容量の減少を抑制する方法が考えられるが、

    自動車メーカーによるコンセプトの違いから何れか一方を搭載することが多い [33] 。リチウムイオンバッテリは、小型で大容量のものを製造可能である反面、

    電気化学反応を利用しているため、起電力は温度の関数であり、内部抵抗が比較的大きく、繰り返し充放電を行うと充電容量が減少(内部抵抗も増加)していく。

    この充放電サイクル寿命の消耗を抑制するためには、充放電深度を浅くする必要があり、ハイブリッド車のように、ある程度のバッテリ搭載量が必要となる。

    そこで、リチウムポリマバッテリ(=リチウムイオン・ポリマ・バッテリ)のように内部抵抗を小さくして、発熱による充放電サイクル寿命の劣化を抑制し、

    充放電深度を深くすることで、搭載するバッテリセル数の削減/バッテリ冷却システムの低消費電力化・簡略化等により、バッテリパックの体積と重量を削減する

    研究開発が行われている。一方、電気二重層コンデンサは、分極作用による電荷蓄積効果を利用しているため、温度の影響を無視(-25〜+70℃の範囲内)でき、

    内部抵抗が比較的小さく、繰り返し充放電を行っても充電容量が減少しない反面、小型で大容量のものを実現するのが難しいという特徴があるため、

    俊敏な加減速が必要なスポーツ走行がコンセプトの場合は電気二重層コンデンサ(厳密には、このタイプがFCV(Fuel Cell Vehicles:燃料電池車)である。)を搭載し、

    航続距離の延長に貢献するバッテリ走行がコンセプトの場合はリチウムイオンバッテリ

    (厳密には、FCVとEV(Electric Vehicles:電気自動車)とのハイブリッド車、FCHV(Fuel Cell Hybrid Vehicles)である [34] 。)を搭載する傾向がある。

    また、エンジンは搭載していないため、ブラシレスモーターで発電する回生ブレーキ(エンジン搭載車のエンジンブレーキに相当)により発電した電力を蓄電するために、

    長い下り坂にも、ある程度対応※2できるような比較的容量の大きなバッテリを搭載する必要があるが、

    実際は、大容量のエネルギーバッファは搭載せず、エネルギーバッファに充電できない回生エネルギーは、ブラシレスモーターの三相インバータ回路をモーターブレーキモードで動作させ、

    制動トルクによる制動力を発生させ、ブラシレスモーターの電流経路全体をヒーターの代わりに使用して回生エネルギーをジュール熱に変換しながらラジエターを介して、発生した熱を大気中に廃棄する。

    この際、長い下り坂の途中で、ブラシレスモーターの内部温度が動作温度範囲を超過して保護回路が作動しないように、制動トルクによる制動力の効き具合を調整するが、

    制動力が不足する場合は、フットブレーキも使用して必要となる制動力を確保する必要がある。ただし、油圧ポンプ(電気式)によるブレーキシステムの場合はベーパーロック現象等に注意する必要がある。

    この回生エネルギーの廃棄量を削減するためには、反応後の水を再び水素ガスと酸素ガスに電気分解して、酸素ガスは大気中に放出し、水素ガスは高圧水素ガスタンクに充填すればよいが、

    水素ガスを70MPa超過の圧力まで圧縮するのに、電気分解とは別に数段の高圧圧縮機を駆動する電力が必要となり、エネルギー変換効率が良くない。

    結局、エネルギーバッファの性能向上(大容量・小型軽量化、低内部抵抗化、長寿命化、低コスト化等)が不可欠である。)

       ※1:ブラシレスモーター(別名:DCブラシレス交流モーター)=モーターブレーキモード付三相インバータ回路+水冷式三相交流永久磁石同期電動機

       ※2:完全対応のためには、EVと同等以上のバッテリ容量が必要。EVのバッテリセルは急速充電に対応するため、電流容量の大きなリチウムポリマバッテリセルを搭載している。

          EVにおける、三相インバータ回路のモーターブレーキモードは、100%充電に近い充電状態で長い下り坂を下る時等に使用するが、充電を80%充電で完了させることで、

          更に20%充電未満の長い下り坂の回生エネルギーを充電することが可能となり、モーターブレーキモードの使用によるモーターの発熱/回生エネルギーの廃棄を回避することができる。

          ただし、これを実現するためには、バッテリセル配置の温度分布のバラつき等により分圧電圧の不均衡が発生しても、バッテリセルの端子電圧が充電電圧の上限値を超過して

          バッテリセルが過充電状態とならないように充電電流を僅かにバイパス(過充電状態に達した場合、バッテリセルの端子電圧を保持したまま充電電流を全てバイパスすると

          発熱(=端子電圧×バイパス電流を時間積分したジュール熱)が大きく危険であるため、バイパスせずに遮断する。)することで分圧電圧を能動的にバランスさせる

          電圧バランス回路付保護回路(=充放電FET+過充電保護回路+過放電保護回路+過電流保護回路+熱保護回路+電圧バランス回路+各保護回路の保護回路)

          を内蔵したバッテリセルを搭載する必要がある。

関連項目[編集]

脚注[編集]

  1. ^ HistoryWired: A few of our favourite things”. 2009年10月23日閲覧。
  2. ^ The First Fuel Cell on Wheels” (2008年10月21日). 2009年10月23日閲覧。
  3. ^ [1]
  4. ^ Ulf Bossel On Hydrogen” (2006年12月11日). 2009年6月2日閲覧。
  5. ^ Efficiency of Hydrogen PEFC, Diesel-SOFC-Hybrid and Battery Electric Vehicles (PDF)” (2003年7月15日). 2009年1月7日閲覧。
  6. ^ 電気自動車の開発と自動車の環境効率評価”. 国立環境研究所. 2013年12月4日閲覧。
  7. ^ FC Vehicle standards
  8. ^ "Basics", U.S. Department of Energy, Retrieved on: 2008-11-03.
  9. ^ "What Is a Fuel Cell?", オンライン燃料電池情報, Retrieved on: 2008-11-03.
  10. ^ "Types of Fuel Cells", U.S. Department of Energy, Retrieved on: 2008-11-03.
  11. ^ "Fuel Cells for Transportation", U.S. Department of Energy, updated September 18, 2009. Retrieved June 7, 2010
  12. ^ "Fuel Cell Vehicles", Fuel Economy, Retrieved on: 2008-11-03.
  13. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P348~P352 (PDF)
  14. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P348 (PDF)
  15. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P347 (PDF)
  16. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P201~P204,P212,P225 (PDF)
  17. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P215 (PDF)
  18. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P351 (PDF)
  19. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成17年度 欧米における燃料電池自動車の政策動向,技術動向調査 P12 (PDF)
  20. ^ 日本自動車研究所(JARI)2007 年度JARI 国内訪問インタビュー調査結果の概要 P316 (PDF)
  21. ^ 日本自動車研究所(JARI)爆発・火災試験 (PDF)
  22. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P408 (PDF)
  23. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P357 (PDF)
  24. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P404~P407 (PDF)
  25. ^ 水素・燃料電池実証プロジェクト(JHFC)燃料電池システム等実証研究 第2期報告書 P187 表1.2.2-20 海外水素ステーション比較表 (PDF)
  26. ^ (社)日本アルミニウム協会他 水素用アルミ材料の基礎研究 (PDF)
  27. ^ SHOWA 安全データシート(SDS) 水加ヒドラジン (PDF)
  28. ^ ENEOS 安全データシート(SDS) レギュラーガソリン (PDF)
  29. ^ 水加ヒドラジンを用いた貴金属フリー液体燃料電池(PMfLFC:Precious-Metal-free Liquid feed Fuel Cells) (PDF)
  30. ^ 水加ヒドラジンを用いた貴金属フリー液体燃料電池の出力 (PDF)
  31. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P247 (PDF)
  32. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P392 (PDF)
  33. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成19年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 P246 (PDF)
  34. ^ 日本自動車研究所(JARI)平成18年度第3 回海外実証試験調査-1 P216 (PDF)

出典[編集]

Carr. "The power and the glory: A special report on the future of energy", page 11. The Economist, 2008.

外部リンク[編集]