クルマの未来を担う？燃料電池スタックの仕組み
車を知りたい
先生、「燃料電池スタック」ってよく聞くんですけど、一体どんなものなんですか？
自動車研究家
いい質問だね！ 燃料電池スタックは、燃料電池という車の心臓部を形成する重要な部品なんだ。たくさんの小さな電池を積み重ねて、大きなパワーを生み出すんだよ。
車を知りたい
小さな電池を積み重ねるんですか？ どうしてそんなことをするんですか？
自動車研究家
小さな電池をたくさん積み重ねることで、大きな電力を生み出すことができるんだ。燃料電池車は電気で走るんだけど、その電気を効率よく作るために、燃料電池スタックが必要なんだよ。
燃料電池スタックとは。
「燃料電池スタック」とは、多数の燃料電池セルを積み重ねてひとつのユニットにしたものです。燃料電池セルは、セパレーター、アノード、電解質膜、カソードといった部品で構成されています。100枚程度のセルを直列に接続することで、より大きな電力を得られる「スタック」が完成します。燃料電池車は、このスタックを複数搭載し、水素や空気の供給、電力出力、冷却水などのためのコネクターを備えたケースに収めています。一般的に「燃料電池」と呼ぶ場合は、このスタックの状態を指すことが多いです。
燃料電池車のコア技術！燃料電池スタックとは？
水素で走るクルマとして注目を集めている燃料電池車。環境性能の高さから次世代自動車の筆頭として期待されていますが、その心臓部ともいえるのが「燃料電池スタック」です。
燃料電池スタックは、発電の要となる燃料電池セルを複数積み重ねたものを指します。それぞれのセルでは、水素と酸素の化学反応によって電気を生み出します。この時、外部から取り入れた空気中の酸素と、車載のタンクに貯蔵された水素が反応し、電気とともに、排出物として水だけが生み出されます。
燃料電池スタックは、従来のガソリン車に搭載されているエンジンに相当する重要な部分です。このスタックの性能が、そのまま燃料電池車の出力や燃費に直結するため、開発競争が激化しています。
燃料電池スタックの構造：セルが織りなす発電の仕組み
燃料電池スタックは、多数の燃料電池セルを積層してひとつのユニットにしたものです。それぞれのセルは、電解質を挟んで anode（アノード）と cathode（カソード）と呼ばれる2つの電極で構成されています。
アノードには水素が、カソードには空気が供給され、水素はアノードに触媒によって電子とプロトンに分離します。プロトンは電解質を通ってカソードへ移動し、電子は外部回路を通ってカソードへ流れ込みます。この電子の流れが電流となり、私たちが利用する電気エネルギーとなります。カソードでは、電子とプロトンが空気中の酸素と反応して水を生み出します。
このように、燃料電池は化学反応によって直接電気を作り出すため、発電効率が高く、排出物は水のみというクリーンなエネルギー源として注目されています。
燃料電池スタックは、セルの数を増やすことでより大きな電力を得ることができるため、自動車などの移動体から、家庭用や産業用の発電装置まで、幅広い用途への活用が期待されています。
100枚以上のセルを積層！その理由とメリット
燃料電池車に使われている燃料電池スタックは、薄いセルを100枚以上も積み重ねた構造をしています。なぜ、このような構造になっているのでしょうか？
実は、燃料電池はセル1枚だけでは、ごくわずかな電力しか生み出すことができません。そこで、多くのセルを積層することで、実用的なレベルの発電量を確保しているのです。
セルを積み重ねることで得られるメリットは、それだけではありません。積層構造は、システム全体のコンパクト化にも貢献しています。限られたスペースに多くのセルを搭載することで、車両設計の自由度を高めることにも繋がるのです。
燃料電池スタックのケースの中身：水素から電気への変換を支える技術
燃料電池車は、水素と酸素の化学反応によって電気をつくり、モーターを回転させて走る、次世代のエコカーとして注目されています。その心臓部である燃料電池スタックは、一体どのような構造で、どのようにして電気を生み出しているのでしょうか？
燃料電池スタックは、数百枚のセルが積み重なって構成されています。それぞれのセルは、電解質を挟んで、プラス極とマイナス極となる2つの電極で構成されています。
燃料電池スタックに水素が供給されると、マイナス極で水素が水素イオンと電子に分かれます。水素イオンは電解質を通ってプラス極へ移動し、一方、電子は外部回路を通ってプラス極へと流れます。この電子の流れが電流となり、モーターを動かすのです。
プラス極では、水素イオンと電子、そして空気中の酸素が反応して水が生成されます。これが燃料電池の基本的な仕組みです。
このように、燃料電池スタックは、水素と酸素から電気と水だけを排出するため、環境に優しい発電装置として期待されています。しかし、高価であることや、水素ステーションの整備など、実用化にはまだ課題も残されています。
未来への道：燃料電池スタックの進化と可能性
燃料電池スタックは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を生み出す、クリーンなエネルギーシステムです。その高いエネルギー変換効率と排出ガスの少なさから、次世代自動車の動力源として期待が高まっています。燃料電池スタックは、多数のセルを積層して構成されており、各セルで水素と酸素が反応して電気を発生します。この電気がモーターを駆動し、車を走らせるのです。
燃料電池スタックは、従来のガソリン車に比べて、エネルギー効率が高く、排出ガスもクリーンであるという利点があります。また、水素は様々な方法で製造できるため、エネルギー源の多様化にも貢献できます。 さらに、燃料電池スタックは、出力密度が高く、小型化・軽量化が可能であるため、自動車以外にも、様々な分野への応用が期待されています。たとえば、家庭用燃料電池や携帯用電源など、私たちの生活の様々な場面で活躍する可能性を秘めていると言えるでしょう。