【水素】燃料電池自動車の仕組み 水素エンジンと何が違う?【電気】
【書き起こし】【水素】燃料電池自動車の仕組み 水素エンジンと何が違う?【電気】
(00:01) [音楽] 皆さんこんにちは メカのロマンを探求する会今回のお題は これ 燃料電池自動車を開設 水素エンジン車と何が違う 自動車の動力源といえば100年以上が ガソリンを使う内燃機関が主役でした ところが最近諸般の事情によって 内燃機関以外の努力が注目されていると いうかガソリンエンジンやディーゼル エンジンをそれらに置き換えようとする 動きが世界中で進んでいます その代替機関の筆頭は 充電可能な二次電池で モーターを回す電気自動車とその他に水素 を燃料にエンジンを動かす 水素エンジン自動車や 燃料電池自動車という名前もよく出てき ます 燃料電池車は水素を使って走るのですが 水素エンジンを使った自動車や 電池という単語が共通である2電池を使う タイプの電気自動車の音とは一体何が違っ ているのでしょうか またトヨタが実際に販売している 未来の燃料電池は
(01:03) 個体高分子型というタイプですが 具体的にどうやって電気を作るのでしょう かということで今回は 燃料電池自動車について調べてきましたの で ご紹介したいと思います 燃料電池車の画用 早速ですが燃料電池の仕組みは絵のように なります 水素などの燃料と 酸素を使って電気科学的に電気を作り出し ますこうやって作った電気で車を走ら せようという魂胆なわけですね [音楽] 燃料電池の詳しい話は動画の後半にします ので 興味がある方はぜひ最後までお付き合い ください 燃料電池は英語でフューエルセルなので これにBクルを付けたFCVという略称が 燃料電池自動車になります 電気自動車 EVの一種ではあるものの EVという文字はありませんなお 二次電池が主役のEVをpevと呼びます バッテリーのBですね 燃料電池は電池という名前がついています が2次電池のように充電と放電が可能な
(02:07) わけではなくまた乾電池のように使い捨て でもあります かといって発電機のように機械的 エネルギーを電気に変換するわけでもない のでちょっとややこしいですね 言葉のジャンル的には 太陽電池とか原子力電池の仲間だと言え ます 早速初代未来のカットモデルを見てみ ましょうなお 未来は初代と2代目では中身が全然違い ますが 情報や写真が入手しやすい初代をメインに 扱います 外見は普通の車と変わらないですよねでも 中身は 当たり前なのですがガソリン車と全く 異なる構造になっています ボンネットの中にあるのは電動モーターと 制御装置です [音楽] 燃料電池車とはいえそもそもは電気自動車 なので 必須な装備ですね 肝心の燃料電池はシートの下に設置されて います 主役であるのにも関わらず 意外とコンパクトですよね 初代未来は燃料電池のセルが330個も 積まれていてしかも直列接続されています
(03:11) これで200V台前半になるようです なんで直列にするのかというと 燃料電池の一つで得られる電圧が低いため 直列にして電圧を大きくする必要がある ためです 未来の燃料電池は330個のセルを直列に つないだ上でさらにコンバーターで昇圧し て 650vにまで電圧を高めています [音楽] 初代未来の燃料電池の発電能力は 114kwとなっていますこれがどれ くらいのパワー感かというと 馬力に直すと155馬力ですね 103系電車の主電動機は1時間定格 110kwで 電動車1両につき4台積まれています だから未来の燃料電池章内で103系電車 の電動車1両を動かせます このサイズでそんな電力を得られるのかと 思うとなかなか感動しますよね さてカットモデルで目立つ存在といえば その後ろにある水素タンクです 未来の燃料電池は水素を燃料とするのです
(04:17) がある程度の航続距離を確保しようとする 場合 ガソリン車と比べるとこんなに大きな タンクを搭載する必要があるんです また実は未来はハイブリッド車でもあるん です 普通ハイブリッド車といえば ガソリンエンジンなどの内燃機関と 二次電池+ 電動モーターの組み合わせを指しますが 未来の場合は 燃料電池と二次電池を組み合わせています 最後に回すモーターは共通です 後部座席に見えるのが走行用の二次電池 です ガソリンエンジンの自動車はハイブリッド 化しようとすれば モーターや発電機に加えて 制御装置も追加しなければなりませんが 未来はもともとEVなので 燃料電池と二次電池を並列に運用するだけ になります ではなぜ未来はわざわざハイブリッド化さ れているのでしょうか 理由が意外と簡単で 回生ブレーキを使用するためです 回生ブレーキを使用することで 期間全体の効率を向上させることができ ますこのあたりはプリウスなどの ハイブリッドとは
(05:21) 少し毛色が異なります ガソリンハイブリッド車の種目的は 効率に特化したガソリンエンジンを 得意な回転域でのメッシュをするための 補助としてモーターを併用していて 回生ブレーキのためにわざわざ ハイブリッド化しているわけではありませ ん [音楽] 自動車が走行しているというのは 車体が運動エネルギーを持った状態です 直線的に動くフライホイールだと思えば わかりやすいかと思います ディスクブレーキはドラムブレーキという 装置は 走行している自動車の運動エネルギーを 削って熱に変えて 減速する装置です その列は基本的に待機中に捨てるだけと なり 役立てることはできません 海水ブレーキは運動エネルギーを削るのは 削るのですが 熱に変換せず モーターを発電機として駆動させることで 機械的な抵抗を生み出してブレーキとした 上で 電気エネルギーを出力させます 減速した上に電気エネルギーも得られると いう一石二鳥のシステムです 未来やプリウスなどのハイブリッド車や
(06:27) 多くの電車は回生ブレーキを採用しており ハイブリッド車はバッテリーに蓄えて最 加速時に使用 電車の場合は下線に電気を戻して 他の電車を動かしたり 電力網に送ったりしています なお発電してもそれを使わずに抵抗器で熱 に変換してしまうタイプは 回生ブレーキとは言わずに発電ブレーキと 言います 発電してもそれを受け取ってくれる負荷が ないと モーターを使って発電してもブレーキが 効かなくなりこの現象を改正執行と言い ます 鉄道の場合 運行する電車の本数が極端に少ない路線や 車両設備の都合で 作った電力を抑えるようできない場合 回生執行になってしまうので 車体の抵抗器を使って熱に変えてしまう 方法がありこれが発電ブレーキです 変電所にこの機能を持たせている時もあり ます 実は0系新幹線のタップ制御は 整流器を使って交流を直流にして 直流モーターを回しているので 回生ブレーキが使用できないんですねだ から減速時はモーターで作った電気を
(07:33) わざわざ抵抗器で熱に変えているんです 自動車は他の誰ともつながっておらずここ の乗り物なので 他の自動車に電力回すことはできませんが ハイブリッド車は走行用のバッテリーを 持っているのでバッテリーより高い電圧を かけてやれば 負荷になりつつ充電できますそれを加速の 際などに自分自身で消費することができ ます 加速時は水素で電気を生み出してそれを モーターで機械的エネルギーに変換し 車体を動かすことで運動エネルギーとして 車体に蓄えられる 減速時は運動エネルギーをモーターで回収 して 二次電池に蓄積サイド加速するときに バッテリーの電気も併用してモーターを 回します これによってメカニカルなブレーキでは 本来捨ててしまうはずのエネルギーを回収 できるため 全体的な効率を向上させることができます さらにメカニカルなブレーキはあまり使い すぎると 加熱でフェードやペーパーロックを起こし て能力低下が起こりますがこれを抑制でき ます
(08:38) 他の動力と比較してみる 構造上の違い 燃料電池自動車と水素エンジン自動車や 二次電池式電気自動車また従来のガソリン 自動車との違いについて何が残高よく わからなくなってしまうこともあるかと 思うのでそれぞれを並列に書いて比べると このようになりますまずは内燃機関だけで 走る自動車です 燃料としてガソリンや水素をタンクに蓄え ておいて 待機中の酸素を使ってそれらを燃やします そして 発生した熱でガスの圧力を高めて膨張させ て ピストンとクランク機構を使って機械的な エネルギーである 軸の回転として取り出してタイヤを回し ます 従来のガソリンエンジンと水素エンジンの 構造は基本的には変わりませんとはいって も水素で内燃機関を動かすのは相当難しい ようです 水素は異常燃焼を起こしやすくバック ファイヤーの回避に多大な労力を要します さらに空気とうまい具合に混合させるのも 困難です 次にリチウムイオン電池などの二次電池を
(09:41) 使った電気自動車です bevというやつですね 基本的なシステムはバッテリーに蓄えられ た電気でモーターを回して走るという ミニ四駆と大差ないものなので 比較的理解しやすいかと思います 全体的なシステムとしては 外部から電力を直接受け取ってそれを リチウムイオン蓄電池などの二次電池に 科学的変化として蓄えます 放電の際は逆の反応を少し 電気を取り出します そして主役の燃料電池自動車です 燃料電池は水素を燃料として 空気中の酸素も利用しますここまでは水素 エンジン自動車と同じです最終的に電気を 使って電動モーターを回してタイヤを 動かすというのは 電気自動車と同じですところがそこに至る までのプロセスエネルギーの取り出し方が まるで異なります 燃料電池は水素と酸素が反応するときの 電子の動きを外に引っ張り出して 直接電気を取り出すことができ 作った電気でモーターを回して走ります ですので電気自動車の一種ではあるものの
(10:48) 充電が必要な2次電池を使ったタイプとは 全く異なりますちょっと 強引な言い方をすれば2次電池を使った 電気自動車の 二次電池の部分を 燃料電池に置き換えた自動車ということが できます 燃料電池車の特徴 燃料電池を使った自動車は 他の動力源を使う自動車と比べてどんな 調子があるのでしょうか何と比べるかに よって長所短所も変わってきますが メジャーなものを見ていきます 燃料電池車は排ガスが実質的に出ないタイ ガソリン車水素の充填は二次電池の充電 よりもはるかに短時間で済むタイミーブイ 航続距離が長いタイbev期間の振動が ほぼない体内燃機関コストがべらぼうに 高い体内燃機関bev水素ステーションが 未発達タイガソリン車BV純度の高い水素 が必要耐水素エンジンそもそも水槽どう やって調達するかが課題 燃料電池は排ガスが実質的に出ない 水素燃料とするタイプの燃料電池は 水と電気と熱くらいしか生み出しませんだ
(11:53) から 排ガスという問題は 全く生じませんもちろんbevも同様です 実は水素を使ったエンジンは 燃焼時の熱によって 空気中の酸素と窒素が反応して 窒素酸化物が生成されるので 同じ水素を使っていても 排ガスの面では燃料電池の方が若干 クリーンと言えます 水素の充填は二次電池の充電よりもはるか に短時間で済む BVの大きな欠点として 二次電池の充電時間の長さが上げられます 対して水素燃料であれば ガソリンほど気軽ではありませんが 比較的短時間で補給することができます コストがベラボーに高い 自動車に搭載する個体分子型と呼ばれる 燃料電池には 触媒としてプラチナが必要です プラチナを使わないタイプの燃料電池も あるのですが 機動性やエネルギー密度などの要件が自動 車に向かないため プラチナを使用するこのタイプを選択せ ざるを得ません 未来の燃料電池においてはプラチナの使用
(12:57) 量を減らす努力がされていますがそれでも 0にできているわけではありませんまた プラチナ以外の材料やそれを加工する技術 も特殊なものが必要でコスト増に拍車を かけています システム全体を見てみると EVそのものがある程度高価なものなので それだけでも自動車とするにはお高いもの となります モーターとかそれを制御するパワー コントロールユニットですねそれに燃料 電磁文が乗っかかるわけです [音楽] トヨタは成熟したハイブリッドの技術や パーツを利用できるためパワー コントロールユニットやモーターは既存の ものの流用を行っていて 電気自動車という点でのコストはある程度 抑えられているようです さっき燃料電池の電気を コンバーターで処罰して 650vにすると言いましたがこの電圧 って最近のトヨタのハイブリッド車と同じ 電圧なんですね 初代未来のモーターは RX450Hと同じ型式のものが搭載され ています
(14:00) ハイブリッド技術はEVに生かすんだろう と思っていましたが 燃料電池車にも使っているんですねこれは トヨタらししたたかさかもしれません 水素ステーションが見張った図 純度の高い水素が必要そもそも水素をどう やって調達するかが課題 やはり最後に行き着くのは水素の供給な気 がします 水素を生成する方法には 化石燃料を加筆して作ったり 水の電気分解を行ったりバイオマスを利用 したりなどなどあるようですが 個人的な感想で言えばどれもパッとしない 気がします 電気は電気として使った方が効率が良さ そうだし 化石燃料から水素を作る場合はCO2が 発生しますそもそも 化石燃料でエンジンを回した方が手っ取り 早い気もしますただ 工場でCO2が出るのであれば大気中に 放出せずに埋め立てることにより 排出量を減らせる 的なことが資源エネルギー調のホーム ページに書いてあります このあたりの技術は今後に期待ですね さらに
(15:04) 燃料電池を動かすには 水素を燃やす水素エンジンの場合よりも より純度の高い水槽が必要になりますもし 水素エンジン車と燃料電池が普及したとし て 水素ステーションがどうなるのか 気になるところです 燃料電池の仕組み 燃料電池は水素を燃料として空気中の酸素 も利用することで 電気を得る装置です 水素と酸素を利用するのであればエンジン を動かして発電機を回しても最終的には 電気を得ることができるのですが プロセスが全く異なります 水素エンジンは水素と酸素が激しく結合 つまり燃焼するときの熱によって ガスの圧力を高めその圧力と帯気圧の差分 のエネルギーをピストンで回収して クランクシャフトを回転させますこれは 直感的にもイメージがつきやすいシステム ですよね 一方の燃料電池は 水素と酸素が結合するという点は同じなの ですが 燃焼させるのではなく 結合するときの電子の動きよりをします 電流というのは電子の流れですので
(16:10) 水素と酸素を使って電子を動かしてやれば それはそのまま電流となり 発電という行為が可能になるわけです中 学校の理科の授業で 水に少量の水酸化ナトリウムを溶かした 液体に電流を流して 水素と酸素を作る電気分解の実験を行った かと思います 燃料電池はそれの逆をやるだけです 水素と酸素について 燃料電池を語る前に 水素と酸素の話をしておきます 世の中のものは分子が集まってできてい ます 例えば水は酸素原子と水素原子で構成され ていますしエタノールは 酸素水素炭素の格減しでできていますこの 原子という粒をさらに細かくすると 用紙と中性子からなる原子核とその周りを 回る電子で構成されています 用紙は電気的にプラス1 電子はマイナス1なので 基本的には一つの原子の中で 用紙と電子の数は一致していて 追加で電気的に中性な中性子が原子角に 含まれています
(17:16) ほとんどの水素原子については例外で 原子核に忠誠子がいません 水素分子も酸素分子も 通常の気体状態では原子2つで1つの文章 を構成していますこれは電子の数的にその 方が安定しているからで2つの原子の電子 をそれぞれ共有して 安定を保っていますこれを共有結合と言い ます 水分子も同様に共有結合ですね 燃料電池 燃料電池は水素と酸素から電気を作るの ですが 種類がいくつかあります 実は燃料も水素だけしか使えないわけでは ありません トヨタが実際に販売している未来の燃料 電池は個体高分子型というタイプなので この燃料電池がどういう仕組みなのかを見 ていきましょう 固体高分子型燃料電池の構成はこのように あります中心にmeaと呼ばれる心臓部が あり 燃料極 個体高分子膜 空気局を貼り合わせてありますさらにその 外側に
(18:17) セパレーターという壁を設置して一つの セルとしています トータルでご相構造ですね そしてセパレーターにはいくつもの溝が 切られているので セパレーターと電極の間の隙間に水素や 酸素が流れることができるようになってい ます 次に心臓部であるmeaを見てみます meaは電解質の膜を電極でサンドイッチ してあるのですが 原曲とは言っても鉄とかどうではありませ ん 主な材質はカーボンになっています マンガン乾電池の正極みたいな感じですか ねところが電極をいただければ燃料電池は 機能しませんいや動くのかもしれませんが 実用的ではありませんここで活躍するのが プラチナ 白金ですね 燃料電池の電極はカーボンとプラチナで 構成されていて プラチナが酸素分子と水素分子を分解し ます プラチナを使用することで 酸素分子や水素分子の結合を緩め 文章原子に分解した上で一旦プラチナ原子
(19:21) に吸着しますこれで下準備が完了します プラチナ自身は化学反応を起こして他の 物質になってしまったり 消費されて減るわけではありませんが 反応を促進する役割を持ちこういう物質を 触媒と言います 車のマフラーの触媒と同じですね マフラーの触媒はアドブルーのように反応 させてなくなるわけではありません ここでまずは水素が供給される 燃料極を見てみます 燃料極ではプラチナによって水素分子が 水素原子に分解されていますさらに水素 分子は電子と水素イオンつまり用紙に分解 されます 普通の水素の原子角には中性子がなく 電子がいなくなると用紙になるんです 次に 酸素が供給される空気局を見てみます こちらも燃料極と同様に 空気中の酸素分子が酸素分子に分解され プラチナに吸着されます また燃料極の話に戻ってこちらは吸着され た水素が電離して用紙になっていて
(20:28) 水素から切り離された電子が余っています ここで安定を求めた要素と電子が 別ルートで空気極に向かっていきます 燃料極と空気局の間にある電解質というの は 電気を流す物質で 燃料電池の場合は 要所を通すために使われますというか用紙 専用ルートです まず容姿です 用紙は電子と分かれてしまったのですが そのままでは不安定な状態です 世の中の施設類として 物事は安定する方向に進んでいきますので 用紙も安定を求めて 電解質の中を進んでいき 酸素に到達しますここで安定した水という 物質になりたいんですねところが容姿は プラスの電荷を持っているので 酸素と一緒になるためには電子が足りませ ん 電子は燃料極で用紙と離れ離れになりまし たが 電線を経由して空気局にやってきます 最終的に燃料極では 容姿にもプラス 酸素原子1個+
(21:30) 電子2個が結合して 水が生成されます 燃料電池自動車から水が発生するというの はこういう理由なんですね では肝心の電気はどうやって発生させるの でしょうかそれは電子が燃料極から電線を 通って空気局に移動する部分ですね 電流というのは電子の流れなので 電子が電線を通って移動するというのは そのまま電流を意味します 燃料電池は最終的に水素と酸素を結合さ せるのですがもともと電気的に中性である 水素原子を構成する用紙こと電子1個が それぞれ別ルートを移動し 電子だけのルートが存在することで 電気を取り出すことができるんです 水素を酸素で燃焼させるとその場ですべて が行われるため 電気を取り出すことができません 話をまとめると 燃料電池の基本は セパレーター 燃料極 電解質空気局セパレーターの5層構造に なっています
(22:34) 肝心の機体はセパレーターの水を通って 燃料極に水素が 空気局に酸素が供給されます それぞれの電極で水素分子が水素原子に 分割 酸素分子が酸素分子に分割された上で 各々プラチナに吸着されます 次に水素原子がさらに細かくなって 用紙と電子になります 燃料極の水素を作っていた用紙は 電解質を通って空気極へ向かい 電子は電線を通って空気局に向かいます 電子の流れは言い換えれば電流ですので これで電気を作ることができたと言えます 最後に空気局では 水素の用紙 水素の電子 酸素が結合し 水が発生します 基本的な構造はとてもシンプルだと思い ますただしセル1つが発生する電圧は1 ボルトにも満たないので 通常はこれを何年にも直列にして使用し ますこのまとめられたセルをスタックと 言います このように同じ水素を使う燃料電池と水素
(23:39) エンジン車はやっていることが全く異なる のがわかります 燃料電池は 二次電池のEVと比べればあまり目立ち ませんが 着実に研究は進められていますということ で最後までご視聴ありがとうございました このチャンネルでは今後につながる動画の ネタも募集しています何かリクエストが あればコメント欄にお願いしますそれでは バイバイ [音楽]
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