- 新型PEM燃料電池の出力は従来の4倍。
- 新材料の界面がプロトンの効率的な移動を促進し、従来の課題を解決。
- この技術は航空宇宙システムにとって重要であり、エネルギー需要に合致。
- 中国の水素エネルギー産業は拡大しているが、コスト効率の課題は残る。
中国の科学者チームが、従来の設計の4倍の出力を持つ新型のプロトン交換膜（PEM）燃料電池を開発した。この進展は、水素エネルギーシステムが自動車や航空宇宙分野で実用化される可能性を高めるものである。この技術は、水素燃料電池の大きな課題の一つである、発電を担う触媒層を通過するプロトンの移動速度を解決した。北京理工大学のアシスタント教授である李傑氏は、この新技術により「燃料電池車の出力スタックがより小さく、軽量になり、車両はより強力な持続的な出力とより長い走行距離を得ることができる」と語った。
PEM燃料電池は通常、摂氏60度から80度の範囲で動作し、貯蔵された水素エネルギーの約50％から60％を電気に変換する。電池内では、水素分子が陽極で電子とプロトンに分解される。プロトンは電解質膜を通過し、電子は外部回路を通じて電力を生成する。陰極では、プロトンと電子が酸素と結合して水を生成する。触媒層は長年にわたって課題を抱えていた。Nafionのような材料は、ナノスケールで触媒を密集して包み込み、プロトンが反応部位に迅速に移動するのを妨げていた。
新材料の界面がプロトンの移動を向上させる
北京理工大学の研究チームは、プロトン移動のための追加のサイトを提供するブレンステッド酸-ルイス塩基界面を開発した。実験結果によると、プロトンの拡散は10倍向上し、プロトンの導電性は6.5倍向上した。また、活性化エネルギーは半分以下に減少した。
4倍の出力 この新型燃料電池は、標準的な動作条件下で、1平方センチメートルあたり0.75ワットの出力を0.7ボルトで達成し、これは従来の設計の約4倍に相当する。このシステムは、1グラムあたりの白金に対する出力が6.9キロワットであり、これは燃料電池の触媒として高価な白金を使用する上で重要な指標である。30,000回の加速圧力テストサイクル後、新しいシステムは初期のピーク出力の63％を維持したが、従来のシステムは同じ条件下で30％しか維持できなかった。研究者は、この複合材料が実際の規模で生産可能であると指摘した。
「現在、実験室では3日間で約100グラムを作ることができ、これは10個の100キロワット級のスタックをサポートするのに十分である」と李傑氏は述べた。
航空宇宙分野での技術の応用
道路交通を超えた可能性 この技術は、重量、スペースの制限、出力密度が重要な考慮事項である応用において有利である可能性がある。研究者は、特に液体酸素を利用する航空宇宙システムにとって重要であると強調した。効率的なプロトン移動は、燃料電池の全体的な性能に大きな影響を与えるからである。「私たちの技術は、より小さなスタックボリューム内でより高い効率とより高い出力密度で電力を生成する方法を解決しました。これは、航空宇宙エネルギーシステムの需要に合致しています」と李傑氏は述べた。この進展は、中国の水素エネルギー産業の拡大と時を同じくしている。中国の水素生産能力は2025年末までに年間5100万トンを超える見込みである。
中国はまた、電解水を利用して生成される再生可能水素プロジェクトの53％を占めている。
規模の拡大はまだ次の課題 2025年末までに、中国の燃料電池車の数は約32,000台となる見込みである。2026年3月には、3つの中央政府部門が2030年までに100,000台の燃料電池車を達成し、水素価格を1キログラムあたりRMB¥25（約HK$28）に引き下げる目標を設定した。この新技術は、工業規模でコスト効率よく生産し、同時に長期的な安全性と信頼性を維持できることを証明する必要がある。「燃料電池車はバッテリー電気自動車を真似る必要はない」と李傑氏は述べた。
「バッテリー電気自動車は短距離旅行に適していますが、燃料電池は大型トラック、長距離輸送、そして迅速な給油と長距離走行が必要な状況に適しています」と李傑氏は述べた。「次に、チームはさまざまなシナリオ向けのハイパフォーマンス燃料電池スタックの構築とテストを行います。また、関連する材料と技術を拡大し、実際の製品に変換します。」このチームの研究結果は『サイエンス』誌に掲載されている。
項目 仕様 出力 1平方センチメートルあたり0.75ワット 1グラムあたりの白金に対する出力 6.9キロワット プロトン拡散の向上 10倍 プロトン導電性の向上 6.5倍 初期ピーク出力の維持率 63%
新型水素燃料電池の潜在的な影響
この新型水素燃料電池技術の進歩は、特に自動車や航空宇宙分野において、出力と効率を向上させる可能性を示している。中国の水素エネルギー産業の急速な拡大に伴い、この技術がうまく応用されれば、水素燃料車の普及を促進し、重型輸送のエネルギー使用方法を変化させる可能性がある。しかし、工業規模での生産を実現し、コスト効率を維持することは、今後の発展における重要な課題である。