はじめに

機械工学を後ろ盾に

本稿では機械工学のバックグランドを踏まえながら、水素・燃料電池の基礎を概説する。燃料電池を含む水素システムはエネルギーシステムである以上、関わる学理、工学、技術は広範囲であり、ここでは網羅できない。したがって、水素システムの基軸となる燃料電池の構造、原理、効率などに絞って解説する。

燃料電池の基礎

燃料電池の効率がボトルネック

代表的な水素システムは水電解水素製造、貯蔵・輸送、燃料電池発電から主に構成される。水素システムの最上流である再生可能エネルギー起源電力をW_RE、水電解効率をη_WE、貯蔵（や輸送）に要する動力W_C、燃料電池発電効率η_FCとすると、燃料電池の発電出力WEは、

W_E＝(W_REη_WE−W_C)η_FC 　　　 　　　（1）

となる。したがって総合効率と位置付けられる往復効率η_RTは、

η_RT＝W_E/W_RE＝(η_WE−W_C/W_RE)η_FC 　　　（2）

となる。それぞれの技術レベルが高くとも、効率、動力比はη_WE＝0.9、W_C/W_RE＝0.1、η_FC＝0.5の程度で、往復効率η_RTは0.4となる。燃料電池効率η_FC が水素システムの往復効率η_RTのボトルネックであることが分かる。このことが燃料電池を最初の題材にする理由である。

燃料電池発電効率の上限、すなわち最大効率は熱力学のギブス自由エネルギー、ブレイクダウンして電圧などに帰着される。実際の効率は最大効率よりも低く、その原因は不可逆損失にある。さらに燃料電池を含む電気化学分野では、不可逆損失を電圧換算し、これを過電圧と命名して損失を解析する。効率をサラリと話題にしたが、効率をよく理解するためにも構造、原理、そして燃料電池の種類をまず示す。次いで最大効率、実際の効率をエンジンとの対比を意識しながら概説する。

燃料電池の外観と動作原理