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燃料電池とは？
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燃料電池とは、水素の化学エネルギーを電力に転換する装置です。水素と酸素を化学反応させて水をつくり、その過程で副産物として電気を発生させます。
燃料電池は、産業の脱炭素化に不可欠なクリーンエネルギー技術として、非常に期待されています。これまでのところ大型車両や宇宙船、データセンター、貯蔵施設などに使用されています。将来的には、医療や軍事などの現場や、携帯電子デバイスでの利用も想定されています。
燃料電池の仕組み
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燃料電池は、水電解を逆にしたような仕組みをもちます。水電解では電力を使用し、水を水素と酸素に分解します。一方で燃料電池では、水素と酸素を結合させて水を形成することにより、電力を生成します。
外部貯蔵タンクから燃料電池の陽極側に水素燃料を供給します。一方、陰極側では酸素を空気から抽出します。陽極では水素が酸化（電子を失い、プラスに帯電）されます。一方、陰極では酸素が還元（電子を獲得し、マイナスに帯電）されます。電解質を利用し、陰極と陽極の間でイオンを移動させます。水は、陰極か陽極のいずれかで形成されます（燃料電池のタイプによって異なります）。
酸化時には、余分な電子が外部負荷回路を通過し、陽極から陰極まで移動します。この電流が燃料電池から出力されます。
燃料電池のタイプ
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PEM燃料電池
プロトン交換膜（PEM）燃料電池は、ポリマー電解質膜燃料電池とも呼ばれています。水素を陽極に供給し、触媒を使用して酸化させます。水素イオンがPEMを通って陰極に達します。一方、電子は外部負荷回路を通って陰極に達します。酸素は陰極で還元され、水素イオンと結合して水を形成します。電子流により生成した電流が、PEM燃料電池から出力されます。
PEM燃料電池は、他の水素燃料電池と比較して低温（通常50～100°C）で作動します。また出力密度が高く、起動時間が短いのも特徴です。主に乗用車や商用車などの輸送用として開発されており、今後は航空宇宙分野での使用も想定されています。
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固体酸化物形燃料電池
固体酸化物形燃料電池は耐久性とエネルギー効率に優れており、廃熱の利用が可能な用途に適しています。PEM燃料電池とは異なり、起動時間が長く作動温度が高い（最高1,000°C）ことから、輸送用途に最適とは言えません。主に病院やデータセンターなどの建屋内で使用する固定発電機向けに開発されています。
固体酸化物形燃料電池は作動温度が高いため、非常に高い耐久性を備えていなければなりません。3M™ ネクステルセラミックファイバー／テキスタイル製の燃料電池コンポーネントは、極度の高温・低温と熱サイクルに対する耐性を備えています。そのため、スタックの健全性を維持し、セルの寿命を延ばすことができます。
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アルカリ形燃料電池アルカリ形燃料電池では水溶性アルカリ電解質（一般には水酸化カリウム）を使用し、水酸化物イオンを陰極から陽極に移動します。陰イオン交換膜を使用した固体アルカリ形燃料電池の試験も行われています。水は陽極で形成され、負荷回路の電子流を生成します。
アルカリ形燃料電池は､最も古いタイプの水素燃料電池です。1932年に発明され、1968～1972年にかけてNASAのアポロ計画に使用されました。アルカリ形燃料電池は、大部分がPEM燃料電池や固体酸化物形燃料電池へ置き換わりつつあるものの、エネルギー効率性に優れ信頼性が高いことから、今も宇宙船に使用されています。また材料コストが比較的低いことも、アルカリ形燃料電池の長所です。
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リン酸形燃料電池リン酸形燃料電池では、電解質としてリン酸水溶液を使用します。pem燃料電池と同じく、水素イオンが電解質を通って陰極に達します。一方、電子は負荷回路を流れます。水素イオンが陰極で酸素と結合し、水を形成します。
リン酸形燃料電池は他の燃料電池と比較して、燃料流に含まれる不純物（CO₂など）に対する耐性に優れています。そのため、副産物としてCO₂を排出する水蒸気改質法により製造された水素を利用することができます。150～200°Cで作動するため、固体酸化物形燃料電池のように極度の高温に達することなく、廃熱を効率的に利用することができます。
クリーンエネルギー技術への扉を開く
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グリーン水素の重要性燃料電池は、クリーンエネルギーへの移行をサポートし、世界の気候変動に対する目標の達成に貢献する技術として、大いに期待されています。燃料電池の作動時には、電力と熱、水以外は生成しません。
ただし、それだけで燃料電池をゼロエミッション技術だと言い切ることはできません。使用する原材料やエネルギー源によっては、水素製造時にCO₂が排出される可能性があるからです。
CO₂排出量の少ない再生可能なエネルギー源（風力、太陽光など）を使用した水電解法により生成される水素を、グリーン水素といいます。このグリーン水素を燃料電池に供給するのであれば、大量のエネルギーをつくりながらもカーボンフットプリントをごくわずかに抑えることができます。すなわち、化石燃料に対する依存度を抑え、脱炭素社会の実現に向け大きく前進することになるのです。
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再生可能エネルギーの担体重要なのは､水素はエネルギー源ではないということを理解しておくことです。化石燃料は自然に地下で形成され、抽出・精製されることによってエネルギーを供給します。一方、水素を製造する際には、水素が燃料として供給する量以上のエネルギーを必ず消費します。
それでもなお水素が注目されているのは、水素はエネルギーの担体として機能できるからです。水素を利用すれば、元々は別のエネルギー源から供給されるエネルギーを貯蔵し、輸送し、活用することができます。
たとえば風力や太陽光など間欠性のあるエネルギー源の場合、供給が需要を上回る時間帯につくられた余分なエネルギーで水素を製造し、貯蔵しておきます。水素燃料電池があれば、風力や太陽光による電力供給が少ない時間帯でも、その水素をエネルギーに変換して利用できます。輸送もできるため、電力発電の場から遠く離れた場所でも（自動車などに）エネルギーを提供することができます。これこそが、クリーンエネルギー技術と産業の脱炭素化において、水素燃料電池が担う重要な役割なのです。
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バッテリーを上回る長所
- 燃料電池はリチウムイオンバッテリーと同じように、再生可能エネルギーをさまざまな用途に利用できます。燃料電池がバッテリーとは違うのは、燃料電池はエネルギー自体を貯蔵するのではなく、水素貯蔵タンクから供給される燃料をエネルギーに変換する装置であるということです。
- 水素燃料電池にはリチウムイオンバッテリーに比べて、さまざまな利点があります。
- 第1に、水素のエネルギー密度は、一般的なバッテリーを大幅に上回っています。自動車用途の場合、同レベルのバッテリー駆動車の設計と比較して軽量であるにもかかわらず、走行距離をさらに伸ばすことができます。
- 第2に、燃料電池への燃料補給に要する平均時間は、リチウムイオンバッテリーの充填時間を大幅に下回っています。この特性は、車両のダウンタイムを最小限に抑えなければならない商業輸送や配送（長距離セミトレーラートラックから戸別配送バンまで）において、重要な意味を持っています。
- 最後に、燃料電池の寿命は一般的にリチウムイオンバッテリーよりも長く、リサイクル性にも優れています。そのため、燃料電池の製造によって生じるカーボンフットプリントを抑えることができます。
先進材料ソリューションを探る
3Mは燃料電池技術に長年取り組んできた実績と、エネルギーセクターにおける数十年に及ぶ経験を活かし、水素経済の未来を切り拓くサポートをします。
