【自動車部品と制御を学ぶ】FCスタックの基本がわかる!

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燃料電池スタック(FCスタック)の解説

今回のコラムでは、FCV(Fuel Cell Vehicle、燃料電池自動車)のキーテクノロジーである「FCスタック」(燃料電池スタック)について、基本的な技術、必要特性および開発課題について解説します。
 

1.FCVシステムの構成

FCVシステムの基本構成を図1に示します。
車両上で発電を行うのがFCスタック(fuel cell stack)です。

FCスタックには、発電のための水素と酸素が供給されます。
供給される水素と酸素は、発電に適する圧力と量になるように制御されます。

FCVの基本システム構成

一度の水素タンク満充填で走れる距離、すなわち航続距離を伸ばすためには、発電したエネルギーを消費するモータの効率を向上させるとともに、FCスタックの発電効率の向上も必要です。
FCスタックの作動が最適となるような温度にするため、FCスタックを冷却する機構も必要となります。

FCVの燃料電池で発電された電気はモータに直接送られるか、バッテリに蓄電されます。
燃料電池は、‘電池’と言っても電気を蓄えるものではなく、発電を行うものです。
バッテリにはEV(電気自動車)やHEV(ハイブリッド車)に用いられるものと同様にニッケル水素電池やリチウムイオン電池が用いられますが、発電量を全て蓄電せずそのままモータに供給して動力として使用できるため、EVに比べてバッテリ容量が小さくて済みます。

 

2.燃料電池の原理

FCスタックの基本機能である燃料電池発電の原理について図2に示します。

燃料電池の原理

現在量産されているFCVの燃料電池では、電極として「燃料極」と「空気極」を用います。
燃料極では、電子の分離とイオン化を行い、空気極では電子の結合と非イオン化を行います。

二つの電極に挟まれた電解質ではイオンのみが移動できます。
燃料極で生成された水素イオンが空気極に向かって移動します。

一方、燃料極で分離された電子は電気回路を移動し、これにより電流が発生します。
電流の流れの向きの定義は電子の移動の向きの逆ですので、電流は空気極から燃料極に向かって流れます。

 

3.FCV用燃料電池スタックの構造

次に実際のFCVにおけるFCスタックの構成・構造のイメージを図3に示します。

FCスタック(燃料電池スタック)の構成

FCスタックは、一つの燃料電池であるFCセルを重ね合わせて直列接続した構造となっています。
車両用としての出力を発生させるためのセル枚数が必要となります。
例えばトヨタMIRAI(第2世代)のセル枚数は330枚です。

図2の燃料電池の原理で示した電解質の役割を行うものが水素イオン交換膜です。
水素イオン交換膜と触媒電極(燃料極、空気極) を接合したものは膜・電極接合体MEA、Membrane Electrode Assembly)と呼ばれます。

固体高分子形のFCスタックでは、固体高分子膜が電解質(水素イオン交換)の機能を果たします。
電極はシート状で、電極での反応の活性化のためにシートに担持された触媒を用います
固体高分子形の使用温度80℃付近において高い触媒特性を得るために、触媒金属として白金(Pt)が使用されます。

膜・電極接合体、ガスケット、そしてセパレータで構成されるコンポーネントは「セルモジュール」と呼ばれます。

セパレータ(バイポーラプレート)の機能は、各要素の分離・仕切り、水素あるいは空気の供給流路の形成、そして隣接するセルの電気接続を行うことです。

 

4.FCVスタックに関する必要特性及び開発課題

FCスタックの原理や構成から推定できるものもあると思いますが、FCスタックを車両に適用するためには以下に述べるような必要特性と開発課題があります。

  • 出力密度(スタック体積当たりの最大出力)向上
  • 長時間放置後の低温始動性向上
  • 水分制御(蒸気圧雰囲気に近い条件で電解質膜を加湿する方法)
  • 触媒の活性と効率の向上
  • 触媒の耐被毒性向上(耐CO被毒)
  • 電解質膜の高イオン導電性を得るための必要加湿量の低減
  • 電解質膜の化学的安定性と耐熱性向上
  • 電解質膜の耐亀裂強度向上
  • 耐熱性(例えばセル温度で最大120℃)または冷却方法・制御
  • 小型化(電解質膜の薄膜化と強度の両立、高効率化によるセル枚数及びセル厚の低減)
  • コスト低減(特に電解質膜コストの低減、触媒貴金属の使用量低減、セル化工程の合理化)

 
現在、車両用燃料電池としては、低温作動と小型化に有利なことから、固体高分子膜を用いる固体高分子形燃料電池PEFC、Polymer Electrolyte Fuel Cell)が量産化されていますが、これ以外の方式としては、固体酸化物形SOFC)、リン酸形PAFC)、溶融炭酸塩形MCFC)などがあります。

 
(日本アイアール株式会社 特許調査部 H・N)
 


☆FCV・燃料電池技術に関する特許調査・技術情報調査は日本アイアールまでお気軽にご相談ください。


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