燃料電池

燃料電池は、水素や他の燃料の化学エネルギーを利用して、クリーンで効率的に電気を作り出します。 燃料が水素であれば、電気と水と熱だけが生成物となります。

なぜ燃料電池を研究するのか

燃料電池は、輸送、マテリアルハンドリング、定置型、ポータブル型、緊急時のバックアップ電源など、幅広い用途に使用することができます。 燃料電池は、現在多くの発電所や乗用車で使用されている従来の燃焼方式の技術と比較して、いくつかの利点があります。 燃料電池は、内燃機関よりも高い効率で動作し、燃料中の化学エネルギーを最大60％の効率で電気エネルギーに変換することができます。 また、燃料電池は内燃機関に比べて排出ガスが少ない。 水素燃料電池は水しか排出しないため、二酸化炭素を排出せず、運転時にスモッグや健康被害を引き起こす大気汚染物質も排出しません。

燃料電池のしくみ

燃料電池は電池と同じで、電池切れや充電の必要がありません。 燃料が供給されている限り、電気と熱を生み出すことができる。 燃料電池は、負極（アノード）と正極（カソード）の2つの電極を電解液で挟み込んだ構造になっている。 陽極には水素などの燃料が、陰極には空気が供給される。 水素燃料電池では、アノードの触媒によって水素分子が陽子と電子に分離され、電子はそれぞれ別の経路でカソードに到達する。 電子は、外部の回路を通り、電気の流れを作ります。 陽子は電解質を通って陰極に移動し、そこで酸素や電子と結合して水と熱を発生させます。

• 燃料電池の部品
• 燃料電池システム
• 燃料電池の種類

Fuel Cell Technologies Officeの燃料電池アニメーションを見て、燃料電池の動作を確認してください。

Research and Development Goals

米国エネルギー省（DOE）は、国立研究所、大学、産業界のパートナーと密接に協力して、燃料電池開発における重要な技術的障壁を克服しようとしています。 燃料電池業界では、コスト、性能、耐久性が依然として重要な課題となっています。

• コスト-プラチナは燃料電池の最大のコスト構成要素の1つであるため、R&Dの多くは、現行の白金族金属（PGM）およびPGM合金触媒の活性および利用率を高めるアプローチ、ならびに長期的な用途のための非PGM触媒のアプローチに焦点を当てています。
• 性能-燃料電池の性能を向上させるために、R&Dは、低コストで効率と耐久性を向上させたイオン交換膜電解質の開発、最先端のMEAコンポーネントの統合による膜電極アセンブリ（MEA）の改良、モデル検証のためのデータを提供するための輸送モデルとin-situおよびex-situ実験の開発、劣化メカニズムの特定とその影響を軽減するためのアプローチの開発、定置用および携帯用電力アプリケーションに特化したコンポーネント、サブシステム、およびシステムに関するコア活動の維持に注力しています。
• 耐久性-重要な性能要因は、アプリケーションの期待に応える燃料電池システムの寿命という意味での耐久性です。 DOEの耐久性目標は、現実的な動作条件で、定置用燃料電池は40,000時間、輸送用燃料電池は5,000時間です。 最も要求の厳しいアプリケーションでは、現実的な運転条件には、燃料や空気中の不純物、始動と停止、凍結と解凍、湿度と負荷のサイクルなどが含まれ、燃料電池システムの材料や部品の化学的・機械的安定性にストレスを与えることになる。 R&Dでは、燃料電池の劣化メカニズムを理解し、それを軽減するための材料や戦略を開発することに重点を置いています。

技術ターゲット

技術ターゲットの詳細については、燃料電池技術室の「Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan」の「Fuel Cells」のセクションをダウンロードするか、以下の各ターゲットテーブルを参照してください。

• 軽自動車用の燃料電池システム、スタック。 システム、スタック、およびコンポーネント
  • 小型輸送アプリケーション用の燃料電池システム、スタック、およびコンポーネント
  • 高分子電解質膜燃料電池コンポーネント
  • 燃料電池システムの加湿器および空気圧縮システム
• 燃料電池搭載の 燃料電池バス
• 燃料電池バックアップ電源システム
• 定置用（熱電併給）燃料電池システム
• ポータブル電源および補助電源アプリケーション用燃料電池システム

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