水素・燃料電池システムの原理と開発動向

化学エネルギーを直接に電気エネルギーに変換する燃料電池は環境負荷が小さく高効率な発電装置として定置用発電システムや電動フォークリフトの他、電気自動車等への搭載が進められてきた。また、コスト低減が進んで来た再生可能エネルギーの余剰電力を水素に一度変換して蓄え、再度、水素から電力を得る装置として改めて注目が高まっている。それに伴い、燃料電池に関連する研究開発もより一層活発化していくものと推察される。 　そうした状況を踏まえて、本講では、特に自動車搭載等でさらなる普及が期待される固体高分子形燃料電池 (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell) を中心に、燃料電池の動作原理や構成などの基礎的な事項から最新の研究開発動向、各種部材 (主に電極触媒と電解質膜) の要求特性と開発動向、並びに期待される応用・用途や普及に向けての課題と展望を解説する。

1. 燃料電池の原理と再生可能エネルギー
   • 燃料電池と水素エネルギーを理解するための電気化学の基礎を最初に説明し、続いて燃料電池の原理および再生可能エネルギー社会での役割を解説する。
   • キーワード:エネルギー変換、燃料電池の原理・種類と特徴、理論効率、電解質、電極触媒、SDGs、水素エネルギー
2. 電極触媒の役割と開発状況
   • 燃料電池の速度論と電極触媒の役割について解説する。また、トラックや船舶等、将来のHDV (大型・商用モビリティ) 用を目指して進んでいる触媒開発の現状を紹介する。
   • キーワード:電極反応、分極、酸素還元反応 (ORR) 、CO被毒、白金触媒、コアシェル触媒、カーボン担体、非白金系触媒、貴金属資源
3. 電解質膜とアイオノマーの役割と開発状況
   • 燃料電池において電解質膜に求められる特性を説明するとともに、発電の本体であるMEA (電極・膜接合体) の構造やアイオノマーの役割と開発状況について解説する。PFAS規制の動向についても言及する。
   • キーワード:イオン交換膜、ラジカル耐性、フッ素系膜、炭化水素系膜、触媒被覆用電解質 (アイオノマー) 、PFAS規制 等
4. 水素システム実用化に向けた課題
   • 水素の特性や製造法を概説後、水電解法概要、貯蔵・運搬および安全など普及に関わる種々の開発動向について、国内や海外の状況を説明する。
   • キーワード:各種水電解法 (アルカリ水電解、プロトン交換膜水電解、アニオン交換膜水電解、固体酸化物水電解) 、水電解の過電圧、高圧水素、液化水素、アンモニア、有機ハイドライド、水素安全
5. 水素・燃料電池システム実用化の課題と開発状況 (海外情勢を含む)
   • エネファーム等定置用システム、FCEV、HDV等の水素・燃料電池システムの概要と開発状況と今後の展望について解説する。
   • キーワード:FCEV、HDV、BEV、LCA、欧米中韓等の状況
6. まとめ
• 質疑応答