Honda FCX

前回に引き続き「燃料電池車のひみつ」を題材に基本となる燃料電池の仕組みを学習する。

水の電気分解実験
水の電気分解実験[1]

まず中学の理科の授業を思い出してみよう。学生時代をはるか昔に終えられた方は「水の電気分解」実験を覚えているだろうか。水に電気を通しやすくするための電解質(水酸化ナトリウム)を加えて2本の電極を浸す。この2極間に電気を通すと、負極側に水素(H2)、正極側に酸素(O2)が発生する、つまり水が電圧をかけることによって水素と酸素に分解される実験である[1][2]。水酸化ナトリウム(NaOH)は水に加えるとナトリウムイオン(Na+)と水酸化イオン(OH-)に電離する。水(H2O)自体もちょっとだけ電離して水素イオン(H+)と水酸化イオン(OH-)に分かれる。従って、水酸化ナトリウム溶液の中は以下のような状態となっている。
NaOH→Na++OH-
H2O→H++OH-

陽極にはマイナスの電荷を持つ水酸化イオンが引き寄せられ、電子を渡すことで水と酸素になる。つまり陽極から酸素が発生する。
4OH-→2H2O+O2+4e-(電子)

4つの電子は陰極側へ流れ(※)、陰極にはプラスの電荷を持つナトリウムイオンと水素イオンが引き寄せられる。Naはイオン状態の方が安定するので、電子と水素イオンが結合して、陰極では水素が発生する。はあ~、久しぶりに化学反応式を見たら疲れた(私は本当に工学部出?)。
4e-+4H+→2H2

(※)電子の動く方向と電流の向きが反対なのは概念的には合わないが(中学の頃もなんで?と思っていた)、有名なボルタ先生の電池の頃は「電流は電池の正極から負極に流れる」とされた。しかしそれから100年後、電子が発見されると「電流とは負極から正極へ向かう電子の流れ」と定義された。但し、ボルタ先生の概念が既に広まっていたため変更されず、後世の人々は「電流の向きと反対方向に電子は流れる」というややこしい覚え方をしなければならなくなった[3]。自動車の走行方向と同じで、馴染んだルールを途中で変えると混乱を起こして危険だからね。

グローブ卿
グローブ卿はおじいさんのように描かれているが、燃料電池を発明したのは彼が28歳のとき(「燃料電池のひみつ」より)
Sir William Robert Grov
Sir William Robert Grov

ここまで理解できれば、本題の燃料電池はこの逆の発想である。水(H20)+電気→H2+O2ということは、逆も真なりでH2+O2→水+電気、つまり水素と酸素を反応させると、水と電気ができるはずだと頭の良い人が考えた。燃料電池の原理を考えたのは1801年、英国の化学者・デービー卿(Sir Humphry Davy)による。あのファラデーのお師匠さんらしい。現在の燃料電池の原型、希硫酸(電解質)に浸した2つの白金電極に水素と酸素を供給して電力を得る実験に初めて成功したのは本書でも書かれている通り、英国のグローブ卿(Sir William Robert Grov)、1839年のことだ。彼はもともと英国の裁判官であった。病気になって法廷の仕事を休んでいるとき、何か研究しようと電池の研究を始めたという面白い経歴を持つ。ナイトの称号は燃料電池開発にではなく、裁判官としての業績に対して贈られたもの[4][5]。

燃料電池スタックの構成
燃料電池スタックの構成[6]

燃料電池の種類にはいくつもあるが、自動車用として主に開発されているのは高分子電解質型(PEFC)というもので、電解質にイオン交換膜を用いている。燃料電池のメカニズムをこのPEFCタイプを事例に紹介する[7][8]。基本構造は負極(燃料or水素極)と正極(酸素極)とその間にある電解質膜の3要素で構成されたものに、両側からセパレーターという要素で挟みこんで一つのセルを構成している。セパレーターにはそれぞれ溝が切ってあり、その溝を通して負極に水素を、正極に空気(酸素)を送り込む(上図)。

燃料電池スタック発電原理
燃料電池スタック発電原理(単体セル)[8]

負極では電極に塗られた金属(主に白金)の触媒作用によって、水素は電子を奪い取られて水素イオンになり、電子は負極から正極に移動する。
2H2→4H++4e-

一方、正極では電極に塗られた白金の触媒作用によって、酸素が電極から電子を受け取り酸素イオンになる。負極で電子を奪い取られ正の電荷を帯びた水素イオンは、正極の電子に引き付けられ電解質(イオン交換膜)の中を通って陽極に達し、正極に送り込まれた酸素と反応して水になる。電子が負極から正極に流れるので電流が生じ、電力が発生する。
4e-+2O2+4H+→2H2O

燃料電池スタック構造図
燃料電池スタック構造図[8]

このような単セルだけでは起電力は小さい。乾電池を直列につなぐようにセルを積層化して電圧を稼ぐ。このセルを積層化したものを燃料電池の心臓部、「スタック」と呼ぶ。電流は電極の面積で決まり、電圧は積層の数で決まる。電力=電流×電圧だから、たくさんの電力を得ようとするとこのスタックを大きく厚くせざるを得ない。いかに小さく薄くできるかがスタックの課題となる。

アポロ宇宙船の燃料電池試作機
アポロ宇宙船の燃料電池試作機(1962)[9]

燃料電池が最初に実用化されたのは自動車ではなくロケット。アメリカの有人宇宙船ジェミニ5号(1965)に搭載されたGE社製のもので、出てくる水を宇宙飛行士の飲料水として用いた。当時、燃料電池車は細々と研究される対象でしかなかった。グローブ卿の発明から150年後の1989年、カナダのベンチャー企業・バラード社が小型軽量、高性能のスタックを発表したことで、宇宙開発以外においても燃料電池が一躍脚光を浴びることになる[7]。

-20℃ COLD START Honda FCX
-20℃ COLD START(「燃料電池のひみつ」より)

ところで本書の中には車体の側面に“-20℃ COLD START”と書かれたFCXが登場する。先に学んだように燃料電池は水しか排出しないが(正確には発電によって水と熱が発生する)、実はこの水が実用的な車を開発する上で厄介者となってしまう。今年の冬も非常に寒いが、氷点下になれば水は凍結する。スタックが凍ってしまえば発電できなくなる。ホンダはこの低温始動の問題を2003年に開発した「Honda FC STACK」でいち早く解決した。新しく開発した電解質膜によって-20℃から+95℃までの発電が可能になったのだ。だから“-20℃”という数字が誇らしげにプリントされている。過酷な寒冷地テストの繰り返しでFCXは元気だったが、開発スタッフがバタバタ倒れたという逸話も書かれている。最新のデータ[10]によれば、各社従来車並みの実用域レベルに達しているらしいが、-30℃の低温始動性を有するのはホンダとトヨタのFCVだけらしい。

高圧水素ガスタンク
70MPaの高圧水素タンク(トヨタ燃料電池「FCHV-adv」)[11]

次にスタック(発電機)に水素燃料をどう供給するか?最もシンプルなのは車両に水素ガスを貯蔵する方法(現在はこの方式が主流)だが、水素は気体ではエネルギー密度が低いので、十分な航続距離を確保しようとすれば大容量のタンクが必要になるし、省スペース化を図ろうとすればかなりの高圧で圧縮しなければならない。500~600km程度のガソリン車並みの航続距離を得るために、現在は70MPa(700気圧)もの高圧で水素を充填するのが世界的な標準となっている[10]。これだけの高圧に耐えうるよう、水素タンクはアルミライナーの上にカーボンファイバーとグラスファイバーでぐるぐる巻きにしたプロパンガスのボンベのようなもの(上図)でスペース効率は決して良いとはいえない。液体水素ならばその問題は解消されるが、如何せん-253℃に保たなくてはいけない。水素吸蔵合金(文字通り圧力や温度を利用して比較的簡単に水素を吸蔵し、また可逆的に水素を放出することができる合金)では重くなってしまう[7]。

NECAR1,2&3
Mercedes-Benz NECAR 1(中央)、2(左)&3(右)[12]

フォード、日産と技術提携を発表したダイムラーは、研究室レベルではなく実際に人が乗って走ることを実証できるFCVをいち早く開発した企業である。1994年に実証実験車「NECAR1」を初めて公表し、1997年にAクラスという小型乗用車に燃料電池を搭載した「NECAR3」を発表したときは、2004年に量産して市販すると宣言した(実際にはトヨタとホンダに先を越されたが)ことも含め世界に衝撃を与えた。フォードとは既にこのときから技術提携を行っている。共同開発に携わったバラード社の功績は大きいが、このクルマの発表を機に現在にまで至る世界的な燃料電池車の開発競争が加速することになった。

NECAR3のスタック
化学プラントのようなNECAR3のスタック(メタノール改質型)[13]
FCXクラリティPF
FCXクラリティのプラットフォーム(高圧水素ガス型)[14]

このNECAR3には床下にバラード製のスタックを搭載、後席と荷室には燃料のメタノールのタンクと、メタノールから水素を取り出す改質器が組み込まれた。最高時速は120km、後続距離は400km。しかし室内はさながら化学プラントの様相を呈していた(上写真)。ダイムラーが燃料にメタノール(CH3OH)を使うことにこだわったのは、メタノールが常温で液体のため、比較的多くのエネルギーを搭載できることと、水素供給のインフラ整備の困難さであった。メタノールであれば運搬もしやすく、供給ステーションも現実的になる。メタノールを製造するための1次資源、天然ガスも豊富に存在する。しかし、この方式の最大のネックである改質時間が長く起動に時間がかかることに加え、改質の過程でCOやCO2が出てしまい完全なゼロエミッションになり得ない、改質器の重量がかさむ等の理由から、現在ではシンプルな高圧水素ガスの方式が主流になっている[7][10][15]。

かつてアメリカで起こった大型飛行船ヒンデンブルグ号の炎上事故の印象が強くて、水素は危険だと思う方も多いと思う。しかし、引火性の高いガソリンを積んで我々は安全にクルマを運転できている訳だから、それほど心配はいらない。水素の安全性についてはここに詳しい。

太陽電池式水素ステーション1 太陽電池式水素ステーション2
ホンダの太陽電池式水素ステーション@ロスアンゼルス[16]

高圧水素ガスを使うとしても水素の製造、供給インフラの整備はどうするのかといった問題は残る。水素は化石燃料や水から容易に製造できる。近年、シェールガス革命と呼ばれるくらいシェールガス(頁岩層から採取できる天然ガス)の埋蔵量と経済性が世界中で注目されたり、メタンガスを結晶中に貯め込んだ氷状の固体物質であるメタンハイドレードが日本近海に大量に眠るといわれるなど水素の原料となる天然ガス資源が注目されるようになった。しかし天然ガスや石油から水素を作るとしても、先に述べたメタノール改質器と同じく発生ステージが異なるだけでCOやCO2の排出は避けられない。水から生成する原理は一番最初に述べた「水の電気分解」。電気の力で作った水素でまた電気を作る、なんだか訳がわからなくなってきたが、これも大量の電気を使うのだから、原子力や自然エネルギーでも使わない限り、水素を作る過程でやはりCO2等の排出が問題になる。完全で安心なゼロエミッション社会を達成するには、不安定な太陽光や風力に頼らざるを得ないのだろうか。

ホーム・エネルギー・ステーション
ホーム・エネルギー・ステーション(HESII)構成概念図[16]
ホンダが研究しているFCVに供給する水素と併せて電気や熱を発生させる装置。ステーションは、家庭で都市ガスとして使われている天然ガスから水素を取り出しFCVへ供給する。また取り出しだ水素から燃料電池を使って発電し、家庭に電気を供給する。発電時に出る排熱は、給湯などに利用することで高効率に水素燃料を活用できる。家庭に燃料電池を設置すれば、発電所からの送電ロスも減らせる。(「燃料電池のひみつ」より)

燃料電池の発電効率は高いといわれるので(排熱まで利用すれば80%以上とも)、仮に水素製造過程での排出ガスに多少目をつぶるとして水素の輸送インフラを考えてみる。都市ガスは天然ガスだから、現在のライフラインをそのまま使える。普及が期待されている家庭用の定置式燃料電池はこの都市ガスで電気を作るという発想なので現実的な方法だ。都市ガスから作った水素をステーション、あるいは家庭に貯蔵しておけばよい。このように水素は新しいクリーンエネルギー社会を実現する要として多いに注目されている。では水素社会はバラ色なのかというと、前述したように電気→水素→電気のサイクルに疑問も残るし、参考に懐疑的な意見もリンクしておく。

私は「技術はシンプルであれ」という考えなので、機械システムとしての自動車の理想形は電気自動車(EV)だと思っている。しかし、自動車の黎明期では様々な動力源があった中でEVはガソリンを中心にした内燃機関自動車に駆逐された。内燃機関の構造がバッテリーとモーターのそれより複雑であったにも関わらず。理由は石油社会の到来、エネルギーの主役が変わったことによる。そして石油燃料のエネルギー密度が抜群に高かったからだ。石油の次の主役が天然ガスだとすれば、これを原料とする水素燃料の自動車が次世代自動車の姿だと過去の歴史からは予測が立てられる。

EVの燃料源となる2次電池は、110年ほど前に発明された鉛蓄電池がまだ主流であることからも他の技術に比べ技術革新が非常に遅いと言われる[17]。リチウムイオン電池のエネルギー密度(後続距離)が画期的に向上しないこともあり、EV市場は期待されたほど拡大していない。EV急速充電方式の国際標準化で日米欧が対立(中国も独自路線)しているのも普及の足を引っ張っている[18]。またシンプルゆえにEVは少しの電気知識があれば誰もが製作、市場参入できるという技術的ハードルの低さも、既存の自動車メーカーにとっては脅威になる中、FCVの肝である高出力のスタックや高圧水素の貯蔵方法は一長一短で開発できるものではない。高度な電気化学の知識とノウハウが必要になるのでリバースエンジニアリングされにくく、自動車の内燃機関が独自の進化を遂げたように、燃料電池は自動車特有の技術として囲い込めるポテンシャルがある。これは新興勢力の成長著しい自動車業界の持続可能な成長戦略を考える上で非常に重要なことだ。

シェールガス
シェールガスは資源革命となるか?[19]

次世代自動車の開発競争からは、原子力(電気)vs天然ガス(水素)vs石油(内燃機関)といったエネルギー業界の覇権争いも透けて見える。本書「燃料電池のひみつ」の結論、「答えは燃料電池車だ!」の理由が、地球環境問題解決のためだけではないことを、我々は常に認識しておく必要がある。社会に大きな影響を及ぼす自動車産業の周辺には、様々な思惑が交錯するからね。児童書のテーマ設定がピュアなだけに、心の薄汚れたおじさんは色々と裏読みをしてしまうのだ。1期目に「グリーン・ニューディール政策」を提唱し、元々は原発業界とも関係が深かった[19]米・オバマ大統領は、今や「米国発のシェールガス革命が世界を席巻する」と公言している[20]。先日の一般教書演説でもシェールガスやシェールオイルの開発を加速させることに言及している。このアメリカの政策転換が意味するところは大きい。今回の一連の合従連衡は、自動車各社の経営者がこれらの動きを敏感に察知して、電気自動車から燃料電池車に投資の軸を移したようにも見えるのである。

日産とEV

原子力マフィアの影響力が強い日仏資本の日産はEVに最も資本投入した企業であるが、今回の提携は複雑な立場であろう。エネルギーの潮流を見誤ったかもしれない。ただ、先に動いたのはゴーンさんではないだろうか。燃料電池の起動にバッテリーは不可欠だし、基本コンポーネンツはEVと多くが重なる。燃料電池で作った電気を2次電池に充電するといったハイブリットFCV(FCEV)という考えもあるので、電気自動車は燃料電池車までの一里塚、先行投資と考えているのかもしれない。投資回収はちょっと先になるかもしれないが。

技術的には数歩先んじているトヨタと液体水素自動車の開発では歴史を有するBMWが連携したことで液体水素燃料の解もあり得るのか。片やFCVのフロンティアを自負するダイムラーを中心とした日仏米独の国際連合はうまく意思統一ができるのか。そして本書の主人公、巧者ホンダはいかなる戦略を模索しているのか、沈黙が不気味である。今後のエネルギーの主役を占う意味でも、FCV開発競争に目が離せない。

自動車の未来を変える

[参考・引用]
[1]水の電気分解のおさらい、燃料電池アカデミー、東京ガスホームページ、
http://www.tokyo-gas.co.jp/pefc/basics/index.html
[2]水の電気分解の実験(参考)、電気分解、中学理科を攻略しよう りかちゃんのサブノート、
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/ion5.html
[3]【電流・電圧、回路、磁界】 なぜ,電子の流れる方向と,電流の流れる方向は違うのか?、中学生からの質問(理科)、進研ゼミ中学講座、
http://chu.benesse.co.jp/qat/5790_r.html
[4]燃料電池は、いつ、どこで、発明された?、燃料電池アカデミー、東京ガスホームページ、
http://www.tokyo-gas.co.jp/pefc/history/index.html
[5]燃料電池の効率、村上信明、昨日今日いつかくる明日~読切り「エネルギー・環境」~、長崎総合科学大学バイオマス研究室、
http://www.mech.nias.ac.jp/biomass/murakami-book-7kou.htm
[6]燃料電池スタック、MFCテクノロジーオフィシャルサイト、
http://www.nenryo-denchi.com/business/index.html
[7]燃料電池車・電気自動車の可能性、飯塚昭三、p78-80、グランプリ出版、2006
[8]V Flow FCスタック、FCX CLARITY、Press Information、ホンダホームページ、
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/FCX-CLARITY/200807/12.html
[9]APOLLO FUEL CELL PROTOTYPE、Smithsonian Institute、
http://scienceservice.si.edu/pages/059032.htm
[10]燃料電池自動車の開発動向、大仲英巳、高温学会誌、Vol.35、No.5、P231-238、2009
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jhts/35/5/35_231/_pdf
[11]トヨタ、新型燃料電池車「FCHV-adv」のリース販売を開始、Tech On!、2008年8月29日、
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080829/157152/
[12]Chronicle of H2 Use at Daimler、TECHNICITY、daimler-technicity.com、
http://www.daimler-technicity.de/en/hchronicle/
[13]特集:ダイムラー、燃料電池車に懸ける思い、時事ドットコム、
http://www.jiji.com/jc/v4?id=201007daimler&p=daimler-0501
[14]V Flow FCプラットフォーム、FCX CLARITY、Press Information、ホンダホームページ、
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/FCX-CLARITY/200807/14.html
[15]水素エネルギー革命 飛躍する燃料電池、駒橋徐、日刊工業新聞社、2002
[16]FCX進化と取り組み、Press Information、ホンダホームページ、
http://www.honda.co.jp/factbook/auto/fcx/200412/11.html
[17]「エンジンのないクルマ」が変える世界、大久保隆弘、日本経済新聞出版社、2009
[18]EV充電規格で日米欧が火花 最悪のシナリオ警戒、中国参戦で乱立の恐れも、産経ニュース、2012年10月31日、
http://sankei.jp.msn.com/economy/news/121031/biz12103112010005-n1.htm
[19]米原発業界を守るオバマ大統領の事情、水野博泰、日経ビジネスONLINE、2011年4月11日、
http://business.nikkeibp.co.jp/article/world/20110407/219354/?bpnet&rt=nocnt  
[20]シェールガス革命で世界は激変する、東洋経済ONLINE、2013年1月8日、
http://toyokeizai.net/articles/-/12402
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