燃料電池とバッテリー: 違いは何ですか?

世界が二酸化炭素排出量の削減に役立つ革新的なテクノロジーに注目しているため、資源の不足が大きな課題となっています。

単一の技術だけではグリーン移行に対応するのに十分ではないため、燃料電池と電池関連の技術の両方に巨額の投資が行われています。 大規模投資の中には、電気自動車（EV）、風力タービン、電車、飛行機、商用輸送車両、公共インフラ向けの新しいバッテリー技術などがあります。

解説

現在、リチウムイオン電池はEV用電池の約70％、系統蓄電池の約90％を占めている。 市場は年平均成長率 13.1% で成長しており、2031 年までに 1,350 億ドルに達すると予測されています。燃料電池市場も急速に成長しており、年間 36% 成長し、2028 年までに 290 億ドルに達すると推定されています。

燃料電池とバッテリーの違いは必ずしもよく理解されているわけではありません。 この記事では、その違いと、それらが将来のイノベーションにおいて果たす役割について検討します。

リチウムイオン電池と燃料電池は、非常によく似た化学反応によって電気を生成します。 ただし、化学反応に使用されるエネルギー源は異なります。 簡単に言えば、バッテリーは貯蔵されたエネルギーを使用して電力を生成し、燃料電池は水素が豊富な燃料を使用して電力を生成します。

リチウムイオン電池には、アノードとカソード、および残りの空間を満たす電解質セパレーターが含まれています。 アノードとカソードの両方がリチウムイオンを蓄えることができます。 リチウムイオンが電解質を通って電極間を移動するときに、エネルギーが生成され、蓄えられます。

バッテリーとは異なり、燃料電池はコンポーネントに化学エネルギーを蓄積しません。 代わりに、水素またはメタノール、アンモニア、エタノールなどの他の水素が豊富な燃料に蓄えられた位置エネルギーを変換することによってエネルギーを生成します。

バッテリーと同様に、燃料電池が電気回路に接続されると、水素イオンがカソードからアノードに移動し、化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。

リチウムイオン電池は、リチウム、ニッケル、コバルトなどの供給が不足している材料を使用して作られています。 これらの物質の生産量は年間 25% 以上増加していますが、地球上には需要を満たすのに十分な鉱物が存在しません。

セルビア向けに予定されていた24億ドルのリチウムプロジェクトは環境採掘への懸念から2022年に中止され、一部の専門家は不足が今後何年も続く可能性が高いと指摘している。

その結果、いくつかの国 (および企業) が電池の製造に必要な資源を管理しようとしています。 必然的に、他の人はそれらを構築することができなくなります。

同時に、品薄になると価格が高騰します。 これらの希少金属を輸入しなければならない国は、生産や価格をコントロールすることができません。 これが、インドがリチウムイオン電池技術から燃料電池に移行しようとしている大きな理由だ。

希少資源への依存度が低い電池を開発しようとしている企業もある。 たとえば、LiFePO4 バッテリー (リン酸鉄リチウム) はリチウムを使用しますが、ニッケルやコバルトは必要ありません。 研究者らは、さらに一般的な材料を使って他のタイプの電池の構築も試みているが、まだ許容できる性能レベルは得られていない。

燃料電池はリソースの点でそれほど複雑ではありません。 構造にはアルミニウムやステンレス鋼などの一般的な材料が使用されています。 彼らの燃料である水素も、宇宙で最も豊富な化学元素です。

100%効率の良いエネルギー源はありません。 エネルギーの一部は、他の形態のエネルギーに変換されるときに失われます。 エネルギーは、熱、光、音、磁気損失など、さまざまな形で失われることがあります。 目標は、エネルギーの損失量を減らして効率を向上させることです。

バッテリーまたは燃料電池を使用する EV パワートレインは、エンジンの熱、蒸発、石油抽出、精製、輸送によってエネルギーの 80% も失われる可能性があるガソリンエンジンに比べてエネルギー効率が大幅に優れています。 ただし、バッテリーや燃料電池も影響を受けないわけではありません。 エネルギー損失は、保管、充電、放電中に発生する可能性があります。

バッテリーは燃料電池よりもエネルギー損失が大幅に低くなります。 バッテリーは、貯蔵された化学エネルギーの 80 ～ 90% を再利用できます。 熱によって失われたエネルギーの一部は、EV の客室に暖房を提供したり、飛行機の乗客の食事を温めたりするなど、他の目的に再利用できます。

失われたエネルギーを熱として再利用することをコージェネレーションといいます。 EV メーカーはこの方法を効率的に使用して、バッテリーの消耗を削減します。 熱によって失われたエネルギーで車室内を暖房することで、バッテリー電力の消耗を避けることができます。

これに対し、燃料電池は一般にエネルギーの 40% ～ 60% を変換して電力を生成します。 廃熱からのコージェネレーションを使用すると、理論的には燃料電池のエネルギー効率を 85% まで向上させることができます。

寒い気候では、燃料電池はバッテリーとほぼ同じ効率になります。 これは、EVのバッテリーが電気エネルギーの最大40％を暖房に使用するためです。

EV 所有者にとっての不満の 1 つは、車両の充電に時間がかかることです。 電池の充電には時間がかかります。 通常の EV バッテリーの場合、フル充電には 45 分から 2 時間かかります。 最良のシナリオでは、急速充電には 20 ～ 25 分かかります。

高速充電を実現するには、バッテリーを非常に厳密な温度許容範囲内に維持する必要があります。 バッテリーに流れる電流により過剰な熱が発生するため、冷却が必要になる場合があります。 バッテリーは0℃以下では充電できないため、寒い場所では加熱する必要がある場合もあります。

大型のバッテリーは小型のバッテリーよりも高い電力 (つまり、より多くの kW) で充電できますが、通常、充電時間ははるかに長くなります。 配送トラック、バス、電車、飛行機などの商用車両の場合、充電ステーションがまだ大型バッテリーに対応していないため、充電時間が大幅に長くなります。

たとえば、多くの EV バスは充電に 4 ～ 5 時間を要しますが、多くの状況ではこの時間は現実的ではありません。 商用車の充電に必要な時間は大幅に短縮できる可能性がありますが、はるかに高い電力 (つまり、メガワット単位) で充電できる専用ステーションを開発する必要があります。 たとえば、テスラは最近、1 MW 以上で充電できる充電ステーションを発表しました。

燃料電池車の満油は、電気自動車の充電よりもはるかに速くなります。 ガソリン車にガソリンが充填されているのと同じように、燃料電池タンクには水素を豊富に含む燃料が充填されています。 わずか数分で完了します。 これにより、充電時間が実用レベルに短縮されるため、燃料電池は商用車用途にとって非常に魅力的になります。

燃料電池とバッテリーは環境に優しい未来のためのソリューションの一部ですが、環境に影響を与えないという意味ではありません。 それらは単に、より汚染の多いテクノロジーを置き換えるだけです。

燃料電池には水素を豊富に含む燃料が必要ですが、その燃料がどのように生成されるかが重要です。 水素の起源と環境への影響を理解するために、色分類システムが開発されました。 例えば：

私たちが製造する水素が汚染されたエネルギー源に由来するものであれば、私たちの努力は逆効果になります。

同様に、バッテリーの充電に使用される電力も、風力、水力、石炭などのさまざまな電源から供給され、環境に影響を与える可能性があります。

電池に使われるレアメタルの抽出も影響する。 リチウム鉱山は膨大な量の水を必要とし、広い面積を占めます。 一例として、蒸発池を使用するチリのリチウム鉱山では、1 日あたり 2,100 万リットルの水が必要です。 これらの設備では、1 トンのリチウムを生産するために約 220 万リットルの水が必要です。

業界が厳格な環境規制を受けていない場合、ニッケル粉塵は私たちが呼吸する空気を汚染する可能性もあります。 カナダ政府は、ニッケル生産を電池メーカーにとってより魅力的なものにすることを目指して、ニッケル生産の大気質規制を緩和したが、電池製造業界とその公衆衛生への影響についての議論を巻き起こした。

LFP (リン酸リチウム鉄) として知られる LiFePO4 バッテリーは、コバルトやニッケルの代わりに鉄を使用するリチウムイオンバッテリーの一種です。 その結果、他の種類のリチウムイオン電池よりも環境への影響が低くなります。

結局のところ、あらゆるテクノロジーは環境に悪影響を与える可能性があります。 私たちの産業の電化だけでは十分ではありません。 私たちの目標が環境への影響を軽減することである場合、バッテリーと燃料電池のサプライチェーン全体を監視し、規制する必要があります。

世界が革新的なテクノロジーの開発と導入を続ける中、私たちは結果として生じる可能性のある新たな問題を理解し、安全管理方法を更新し続ける必要もあります。

リチウムイオン電池や燃料電池にも危険がないわけではありません。 燃料電池は水素および水素を豊富に含む燃料を使用しますが、これらの燃料は引火性と爆発性が高くなります。 水素は、ガスまたは極低温液体として加圧タンクに保管されます。 水素を燃料とする自動車で事故が発生した場合、大規模な爆発が起こる可能性があります。

トヨタ ミライは、10,000 ポンド/平方インチ (psi) の圧力で圧縮された水素ガスを 2 つの別々のタンクに貯蔵します。 タンクは非常に激しい衝撃に耐えられるようカーボンファイバーで強化されているが、爆発の可能性は依然として存在しており、そのため水素を充填したタンクを持ち歩き回るのは最も安全な考えではないのではないかとの意見もある。

リチウムイオン電池では、いわゆる熱暴走が発生し、消火が非常に困難になることがあります。 それでも爆発は起こらず、乗客は車から降りる時間ができた。 これは、バッテリーが故障を遅らせ、徐々に発生するように設計されているためです。 多くの場合、それらは単なる臭いや煙から始まります。 数秒、数分、さらには数時間後に、障害はセルからセルへと連鎖反応を起こします。

燃料電池とバッテリーはどちらも将来に大きな可能性を秘めています。 イノベーションにより、安全性が向上し、環境への影響をさらに軽減できます。

バッテリーは、200 年以上前から存在する、より成熟したソリューションです。 ただし、バッテリーのエネルギー密度はすでにピークに近い値に達している可能性があります。 燃料電池はあまり成熟していない技術ですが、より高い航続距離を必要とする用途にストレージ ソリューションを提供する可能性があります。

現在、自動車業界のさまざまな分野が電動化に向けてさまざまな方向に向かっています。 リチウムイオン電池はほとんどの自動車用途に最適なソリューションとなっていますが、バス、電車、トラック、飛行機などの商用車には燃料電池が好まれています。 電池生産をほとんど制御できない国々も燃料電池に移行しているようだ。

—ステファン・メランソンは、製造業にレーザー技術を提供するカナダのグループである Laserax の電気自動車技術の専門家です。

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