膜技術が自動車産業における燃料電池の商業化をどのように推進しているか

グローバル プロダクト スペシャリスト、WL Gore & Associates、Simon Cleghorn 著

間違いなく、水素は私たちのクリーン エネルギーの未来にとって重要であり、水素の主要な下流アプリケーションとして、燃料電池技術は日々成熟しています。 WL Gore & Associates (Gore) では、水素が低炭素で持続可能なエネルギー システムというグローバル ビジョンを推進しています。そして、エネルギー源としての水素の採用において重要な役割を果たしている運輸部門ほど、これが明白な場所はありません。

この将来の可能性を実現する手段は、陽子交換膜 (PEM) 燃料電池スタックです。これは、適切な専門知識があれば、燃料電池スタックとシステムの性能と信頼性を劇的に改善することで、FCEV の商用化を加速できる膜技術を利用しています。

現在、輸送の二酸化炭素排出量を削減できる技術には、燃料電池電気自動車 (FCEV) とバッテリー電気自動車 (BEV) の 2 つがあります。

3 ～ 5 分の短い燃料補給時間、400 マイルを超える航続距離、利用可能な水素インフラの急速な拡大により、燃料電池車は信じられないほどの牽引力を獲得し、モビリティの未来に新たな可能性を切り開いています。

さまざまな種類の燃料電池技術をさらに詳しく調べると、プロトン交換膜 (PEM) 燃料電池は、自動車用途に多くの有望な可能性を提供します。それでは、多くの利点のいくつかと、PEM 燃料電池スタック システムが車両にとって優れたソリューションである理由を見てみましょう。

固体酸化物型燃料電池 (SOFC) や直接メタノール型燃料電池 (DMFC) と比較して、水素 PEM 型燃料電池は、高い出力密度、軽量で体積が小さく、動作前の予熱が不要な魅力的な動作温度範囲を提供します (図 1)。 .

これにより、自動車メーカーは、乗用車から商用車、長距離物流トラックまで、燃料電池駆動製品の幅広いポートフォリオを提供できるようになります。この優れた汎用性により、PEM 燃料電池スタックおよびシステムは、燃料電池市場で 64% のシェアを占めるようになりました (図 2)。

PEM 燃料電池技術の潜在的な利点は、自動車メーカーが投資することを非常に重要なものにしています。ただし、技術は、規模の経済を達成するために、商業的に実行可能で競争力のあるものでなければなりません。そのため、燃料電池スタックのエンジニアが広く受け入れられるようにするには、膜技術の専門家と提携し、PEM、スタック、およびシステムを最適化して、FCEV の商業化のニーズを次の 3 つの大きなカテゴリで実現する必要があります。

1. 信頼できる性能 – PEM の電力密度と耐久性の特徴、およびスタックとシステムで最適なパフォーマンスを得るために膜技術を活用する方法を理解します。
2. 技術サポート – 車両プログラムの目標を達成するために、使用に適したソリューション、技術的専門知識、およびサービス サポートを確保します。
3. 供給保障 – 品質、一貫性、およびスケーラブルな生産を実現するために、水素燃料コンポーネントおよび材料の信頼できるサプライ チェーンを維持します。

信頼できる性能

燃料電池の PEM は、空気 (酸素) から水素を分離し、陽子をアノードからカソードに輸送し、セル内で電子が短絡するのを防ぎます。これにより、PEM は燃料電池における水素からエネルギーへの変換に不可欠な要素となります。自動車用燃料電池スタックの PEM は、高温や乾燥の可能性がある条件下で確実に動作し、優れた性能を発揮するために、高いプロトン コンダクタンス (電力密度を可能にする) を持ち、化学的劣化や機械的故障に耐性があり、低いガス透過性を示す必要があります。

より薄い PEM を利用することで、エンジニアはプロトン抵抗を減らしながら水の輸送を増やし、特に低い RH (相対湿度) でのパフォーマンスを向上させることができます。ただし、従来より薄い PEM は機械的特性に影響を与え、燃料電池の寿命を損なう可能性があります。

さらに、PEM が薄くなると、ガスクロスオーバーが増加し、燃料効率が低下するだけでなく、化学的分解を加速する有害なラジカルの濃度が増加し、製品寿命が短くなる可能性があります。

これらのトレードオフは、PEM を延伸ポリテトラフルオロエチレン (ePTFE) でマイクロ強化することによって大幅に削減できます。数十年にわたる材料工学の経験から開発されたゴアの複合強化 PEM 技術は、高度に設計された ePTFE、高性能アイオノマー、独自の膜添加剤の組み合わせに基づいており、化学的劣化に対抗します。その結果、特定のアプリケーション要件に対応する低抵抗で耐久性のある製品設計が実現します (図 3)。 PEM の材料と設計、および燃料電池スタックとシステムにおける継続的な研究開発の取り組みは、それらの相互作用とトレードオフを理解して最終用途の性能とコストを最適化するための総合的なアプローチを採用する必要があります。

技術サポート

PEM の研究開発から生産および商品化に移行するにつれて、新しく異なる製品要件が発生します。 PEM サプライヤーは、自動車メーカーのカスタマイズされた使用に適したニーズをサポートするための技術的な専門知識と知識を持っている必要があります。

コンポーネントのサプライヤーは、コンポーネントの潜在的な性能のトレードオフと、燃料電池スタックおよびシステム内の他のコンポーネントとの潜在的な相互作用を深く理解していることが重要です。 PEM の場合、ゴアはモデリング、in-situ (燃料電池内) および ex-situ テスト方法の両方を開発して、これらの相互作用の理解を可能にし、製品設計を加速させました。

重要なことに、主要なPEMサプライヤーは、材料の変化に起因する可能性のある低性能および/または経時的な電力損失の原因を特定するために、その場で電気化学分析(燃料電池内)を実行できる必要があります。自動車部品サプライヤーは、現場で返却された MEA/PEM スタックの故障モードとメカニズムを診断するために、ex-situ 事後分析ツールをすぐに利用できるようにする必要があります。

全体的な技術サポートの全体像を完成させるために、PEM サプライヤーは、複雑な問題解決のための表面科学調査、熱的、機械的および物理的特性評価、化学分析、および微細構造特性評価をサポートする包括的なグローバル分析リソースを持っている必要があります。

供給保障

自動車メーカーが燃料電池の大量生産に移行するにつれて、PEM メーカーは、製品コストと品質リスクを最小限に抑えながら、一貫した高性能製品で高い生産歩留まりを確保する必要があります。一貫した原材料と精密な膜コーティング技術を備えた PEM サプライヤーは、細胞間のばらつきを最小限に抑えることで、均一性と品質を確保できます (図 4)。これにより、燃料電池スタック メーカーは、スタック内のセル内およびセル間の性能分布を正確に制御できます。その結果、スタックの生産歩留まりが向上し、コストが削減され、スタックの寿命が改善されます。

もう1つの重要な考慮事項は、原材料の供給です。広範な研究開発協力とサブサプライヤーとの安全な商業パートナーシップに基づいて、実績のある信頼できる原材料サプライチェーンを確立している PEM メーカーはほとんどありません。

業界の需要を満たすのに必要な量の高性能 PEM を生産できるサプライヤーを見つけることはさらに困難です。これが成功に不可欠であると理解しているゴアは、ePTFE 補強の専門知識とグローバル ネットワーク リソースを活用して、供給のセキュリティ、プロセスの安定性、品質の一貫性を大規模に確保しています。

燃料電池技術を貨物輸送やその他の目的で商業的に実行可能にする

現在、燃料電池技術は乗用車用 FCEV で効果的に開発、展開、テストされています。これらの進歩と学習により、他の運輸業界部門で PEM 技術の多くの利点がもたらされるため、素晴らしいニュースです。貨物輸送業界でも燃料電池技術を商業的に実行可能にします。

商用アプリケーションの燃料電池システムの開発者は、現在、ゴアの PEM 技術の進歩に基づいて技術を拡張するために、同様の共同モデルに注目しています。

その利点は明らかです。クリーンな水素エネルギーで走行するトラックは、より軽量な燃料電池スタックを使用できるため、積載量が増えて効率が向上し、競争の激しい業界で重要なパフォーマンス指標である総所有コストが削減されます。

要約すると、燃料電池スタックのエンジニアは膜技術の専門家と提携して、FCEV の PEM、スタック、およびシステムの商業化のニーズを 3 つの大きなカテゴリーで実現する必要があると考えています: 信頼性の高い性能、専門家による技術サポート、および供給の安全性 – すべてのタイプの自動車メーカーを可能にします。水素で動く未来に備えるために。

ゴアとその GORE-SELECT について詳しく知りたい場合^® 膜技術、ご覧ください https://www.gore.com/alt-energy.

WL ゴア アンド アソシエイツ

Hydrogen Council の賛助会員である WL Gore & Associates は、産業を変革し生活を改善する世界的な材料科学企業です。ゴアはその歴史を通じて、宇宙から世界最高峰、人体の内部構造に至るまで、最も困難な環境で複雑な技術的課題を解決してきました。現在、12,000 人を超える従業員を擁し、年間 $45 億の収益を上げています。