FCスタックとは
FCスタックとは、燃料電池車の発電装置のことです。
別名は燃料電池スタックであり、燃料電池車のことをFCV (Fuel Cell Vehicle) と呼びます。主に水素と酸素が反応して水に代わる際に発生する電気を使用してエネルギーが放射します。
その結果、有毒な廃棄ガスが発生しないため、近年注目されている脱炭素化技術の一つです。
FCスタックの使用用途
FCスタックは、燃料電池車の動力源として用いられます。水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることで、電気出力を得て車の動力源にします。
FCスタックを用いた燃料電池車は、出力が強い上に小型化されていることで、需要が高まってきています。また、カーボンニュートラルの達成にむけた脱炭素化技術としても注目されています。
エネルギーの変換効率が高い、環境への有害な排出ガスが抑えられる、低ノイズや高速負荷応答が可能などが特徴で、燃料電池車のキーテクノロジーです。
FCスタックの原理
燃料電池車は通常、固体高分子形燃料電池 (英: Polymer Electrolyte Fuel Cell) で発電します。発電した際のエネルギーが駆動部に伝わることで作動しますが、この時に発電装置の役割を担っているのが、FCスタックです。
現在多くの燃料電池車の燃料電池として適用されているのが、水素と酸素を使った発電です。燃料極には水素、空気極には酸素が供給されます。燃料極と空気極の2層に挟まれた電解質では、燃料極で生成された水素イオンが空気極に向かって移動しています。
その際に燃料極で分離された電子が電子回路を移動することで、電流が発生するという原理です。車両用のFCスタックとしてはこの原理が一般的であり、低温での動作や小型でも高い発電効率が得られることがメリットです。
車載に搭載した水素と大気中の酸素をFCスタックに取り込むことで、発電を行い、その電気エネルギーによってバッテリーとモーターを駆動し、車両を動かすことができます。
FCスタックの構造
FCスタックは、平板状のセルを積み重ねてスタック構造にし、複数を直列接続することで、車両用に必要な出力を得る構造となっています。セルの内部は燃料極、電解質、空気極の3層で構成されており、セル単独でも発電可能ですが、燃料電池車に必要な電圧を作るために、いくつものセルを積み重ねたスタック構造の形にして用いられます。
また、発電中は熱を発するため、スタックを冷却して温度上昇を抑えながら使用します。
FCスタックの特徴
FCスタックには、通常の自動車との違いがいくつかあります。快適な走りを実現したり、少ない電力で走ることができるのは、FCスタックにしかない特徴を持っているからです。
それ以外にも、一度の充填で長く安全に走れるのが特徴の一つとして挙げられますが、それらを実現するためには多くの工夫がなされています。
1. バッテリー
FCスタックで発電された電気は、モーターに直接送られるか、バッテリーに蓄積されます。FCVのバッテリーには、ガソリン以外を原動力とする自動車である電気自動車やハイブリッド車同様、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池が用いられます。
2つの電池の特徴は、直接モーターに供給できるため、電気自動車よりもさらにバッテリの容量が少なくても問題ないような仕組みである点です。
2. 冷却水
FCスタックは専用の冷却水を必要とします。主成分は冷却性能と不凍化に優れたエチレングリコール水溶液で、感電防止のための低導電性を持ちます。
この機能により、事故の際などに発火する恐れや感電する恐れを減らすことができるため、各メーカーでも多く使用されています。また、メーカーや車種によって使用する冷却水を分けることで、最適な走りを実現しています。
3. 環境への配慮
走行時に水のみを排出することから、CO2の削減に役立ちます。電力を生み出すための燃焼をすることもないため、窒素酸化物の発生もありません。
多くの自動車で使用されるガソリンを一切必要としないFCスタックは、排気ガスの問題解決にも役立ちます。また、発電効率が良いことから、短い充電時間で長時間稼働することが可能です。