黒鉛 - 株式会社ペチーノノーザンライツ

燃料電池は実行可能な環境に優しい電源となっており、技術の進歩は続いています。現在、燃料電池は商業用、工業用、住宅用の建物の一次電源およびバックアップ電源としてすでに使用されています。ただし、燃料電池は、フォークリフト、自動車、バス、ボート、オートバイ、潜水艦などのさまざまな車両に電力を供給するためにも使用されています。燃料電池技術が向上するにつれて、燃料電池のバイポーラプレート、ガス拡散層、触媒に高純度グラファイトを使用することの重要性がますます明らかになってきています。

電気自動車（EV）産業が成長するにつれて、航続距離が大きな課題であることが判明しています。燃料電池は定置用途と移動用途の両方で使用できますが、後者では燃料補給ステーションへのアクセスが必要です。ただし、標準的な電気自動車は、バッテリーの制限がさらに大きくなっています。これは、車両が長距離を走行する多くの商業用途や、人口密度が低く走行距離が長い国ではあまり現実的ではありません。燃料電池は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンと同等の航続距離で電力を供給できます。したがって、燃料電池は、中国や北米などの大量輸送機関やバス、特に車両が毎日中心点に戻るフリートタイプの用途で頻繁に使用されています。燃料電池バスは米国の多くの州と英国でも運行されています。

自動車メーカーはますますこのテクノロジーを大規模に検討しています。ダイムラーとホンダはすでに燃料電池車をリースしており、トヨタやヒュンダイなどの他の自動車メーカーもこれに追随している。

燃料電池は、水素含有燃料と空気酸素または他の酸化剤との電気化学反応を通じて、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する電気化学装置です。バイポーラプレート (BP) は多機能な特徴を持つ燃料電池の重要なコンポーネントです。セルからセルに電流を流し、活性領域から熱を除去し、ガスと冷却剤の漏れを防ぎます。ガス拡散層 (GDL) は、燃料ガスと空気からの酸素を均一に分配するために不可欠です。触媒と触媒基材は、燃料電池の電気化学反応の速度を高めるために重要です。

燃料電池のグラファイトは、燃料電池構造の必須コンポーネントであるバイポーラプレートの導電性材料として使用されます。超薄型グラファイトバイポーラプレートは、電気伝導性と熱伝導性を向上させ、長寿命の動作を保証するために、純粋で高品質でなければなりません。

最も人気のある技術の 1 つである固体高分子型燃料電池のバイポーラプレートには、大きなフレーク状の高純度グラファイトが必要です。微粒黒鉛は添加剤や充填剤としても使用されますが、これは燃料電池の比較的小さな成分です。

グラファイトは GDL でも使用されており、グラファイトはこの層の多孔性に影響を与えます。

最後に、高純度グラファイトが触媒基材として使用され、汚染を回避しながら貴触媒金属を反応化学物質と密接に接触させることができます。

燃料電池は燃焼ではなく電気化学プロセスに依存しているため、燃料電池からの有害な排出物は実際には存在しません。最もクリーンな燃料燃焼プロセスと比較しても、絶対的な変革です。燃料電池からの副産物は水と熱だけです。燃料電池は、燃料をエネルギーに変換する点でも内燃機関よりもはるかに効率的です。燃料電池には可動部品がないため、静かで、耐久性があり、信頼性が高く、メンテナンスをほとんど必要とせずに長持ちします。

EUは、再生可能エネルギーのイノベーションへの取り組みを加速する世界的な取り組みであるミッション・イノベーションを通じて、再生可能水素の研究とイノベーションに関する国際協力を積極的に推進している。クリーン水素ミッションの目標は、2030 年までにエンドユーザーのクリーン水素のコストを 2 ドル/kg まで削減し、2030 年までに世界中で少なくとも 100 の水素バレーを開発することです。実施されている国家政策は国際エネルギー機関によって記録されています。 (IEA) 水素に関する報告書1

RePowerEuropePlan 戦略 2 の一環として、欧州連合は 2020 年に、水素加速器、水素エネルギーネットワーク、欧州クリーン水素同盟、さまざまな研究イニシアチブなどの多くの活動から構成される包括的な水素戦略 3 を採択しました。今年7月8日、欧州委員会はエネルギーシステム統合と水素に関するEU戦略を採択した4。前者は充電インフラと送電網に取り組む一方、水素戦略は長距離および大型車両と水素インフラに焦点を当てている。

輸送車両用の水素インフラには、自家用車とは異なる給油インフラに関する問題があります。欧州委員会は、輸送車両については、水素燃料ステーションは「地域または地元の電解槽によって簡単に供給できるが、その配備は車両の需要と軽量車両と大型車両のさまざまな要件の明確な分析に基づいて行う必要がある」と考えている。したがって、大型道路車両、大型バス、特殊用途車両、および長距離道路貨物輸送においては、水素燃料電池の使用をさらに奨励する必要があります。

欧州委員会はまた、欧州の幹線ネットワークの約46％が現在もディーゼル技術によって運行されており、そのため、電化が困難または費用対効果が高くない他の実行可能な鉄道商業ルートにも水素燃料電池列車を開発できる可能性があると指摘した。

並行して、欧州クリーン水素アライアンス5 は、トラック/バス、小型車両、電車、船舶、燃料電池、ドライブトレイン、タンク、水素給油ステーション (HRS) に焦点を当てた円卓会議を開催しています。水素政策は現在、多くのヨーロッパ諸国にも広がっていますが、大きな違いがあります。 2021年には加盟国34カ国中19カ国が国家水素戦略を策定しており、地政学的変化により議論や活動が加速している。

大容量 (200 kW 以上) 定置型燃料電池の世界展開に関する欧州委員会の共同研究センター (JRC) の報告書を受けて、より強力な欧州プレゼンスを構築するための推進要因と障壁が特定され、燃料電池・水素観測所 (FCHO) は 6は、2022 年 6 月にテクノロジー、需要と供給、政策、標準に関するレポートを発行しました。7

European Clean Hydrogen Alliance8 は、加盟国が 2030 年までに着手することを示唆した 750 以上の投資プロジェクトのパイプラインを特定しました。プロジェクトはほぼすべての EU 加盟国にあり、水素の生産 (50 GW 以上の電解槽設置プロジェクト)、輸送が含まれます。産業、モビリティアプリケーション、エネルギーシステム、建物内でのその使用法。

Horizon Europe のもとでのクリーン水素パートナーシップ 9 は、2021 年から 2027 年の期間に EU から 10 億ユーロの支援を受けて研究レベルを向上させており、これに（パートナーシップの民間メンバーからの）少なくとも同額の民間投資が補完され、総予算がもたらされています。 20億ユーロを超えるまで。

国際エネルギー機関は水素に関する報告書の中で、2010 年から 2019 年までの燃料電池の特許出願の進展により、欧州が日本に次いで第 2 位であることを示しました10。

EU には、欧州共通利益の重要プロジェクト (IPCEI) を特定するシステムがあります。この分野における最初のIPCEIは「IPCEI Hy2Tech」と呼ばれ、41のプロジェクトが含まれ、2022年7月に承認された。エンドユーザーに焦点を当てた産業プロセスとモビリティ分野を脱炭素化するための水素バリューチェーンのための革新的な技術を開発することを目的としている。

2022年9月、欧州委員会は、IPCEI Hy2Techを補完する2番目のプロジェクトである「IPCEI Hy2Use」を承認し、水素関連インフラの構築と、産業分野への水素の統合のための革新的でより持続可能な技術の開発を支援することになる。このプロジェクトには、13 加盟国の 29 社と 35 のプロジェクトが参加しています。加盟国は最大52億ユーロの公的資金を提供する予定で、これによりさらに70億ユーロの民間投資が可能になることが期待されている。

「miniBIP II」と呼ばれる共同研究プロジェクト11において、フラウンホーファー材料・ビーム技術研究所 IWS ドレスデン、ドイツの自動車グループ、ダイムラー、およびフィンランドの鉄鋼会社オウトクンプ・ニロスタは、より高速で、より複雑でなく、より少ないコストで、より経済的な代替手段を開発しました。コストがかかり、より環境的に持続可能な大量生産が可能になります。バイポーラプレートの連続生産に金を使用する代わりに、プレートを非常に薄いカーボンコーティングでコーティングします。物理蒸着を使用することにより、真空チャンバー内の電気自動車が最初に炭素を蒸発させ、その後、炭素がステンレス鋼上に高純度で均一な非常に薄い層として蒸着されます。

Horizon Europe 傘下のもう 1 つのプロジェクトは PEMTASTIC です。このプロジェクトは、Imerys、ドイツ空軍飛行センター、燃料電池メーカー、学者が結集し、HD 用途向けの膜電極接合体 (MEA) の耐久性を向上させるという主要な技術的課題に対処することを目的としています。これらの課題は、モデルベースの設計と、高温 (105°C) での過酷な動作に合わせた革新的な材料を使用した耐久性のある CCM の開発を組み合わせることで解決されます。定量的目標は、20,000 時間の耐久性に相当し、0.30 g/kW の Pt 負荷で 0.65 V で 1.2 W/cm2 という最先端の電力密度を維持します。

JRC の EU の戦略的技術および分野の重要な原材料によると。先見性のある研究 12 : 「e モビリティへの移行には、自動車だけでなく、電動自転車、スクーター、大型輸送用のバッテリー、燃料電池、軽量のトラクションモーターが必要になります。防衛と航空宇宙は常に戦略的に重要であり、今後も重要です。彼らはテクノロジー開発の最前線に立っており、ほぼすべてのテクノロジーを導入しています。」

JRCは報告書全体を通じて、これらの用途における黒鉛を含む原材料供給のボトルネックに対処する必要性を指摘している。

米国では、燃料電池車には電気自動車よりも多くのグラファイトが含まれていると推定されています。米国地質調査所は、「燃料電池は、他のすべての用途を合わせた量と同じ量の黒鉛を消費する可能性がある」と述べています。世界の燃料電池市場は急速な成長を遂げており、2025 年まで 20.9% の CAGR で成長し続けると予想されています。

研究プロジェクトへの投資は今後も継続される可能性が高く、今後数年間で燃料電池材料の新たな開発が期待されます。次回の欧州燃料電池フォーラム13は、2023年7月4～7日にスイスのルツェルンで開催される予定です。

コリーナ・ヘベストライト博士欧州炭素・黒鉛協会事務局長 http://www.ecga.net/ https://www.linkedin.com/company/ecga-carbon-graphite/?originalSubdomain=be https://twitter.com/エクガ_C

なお、この記事は第12版にも掲載されます。季刊誌。

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コリーナ・ヘベストライト博士欧州炭素・黒鉛協会事務局長 http://www.ecga.net/ https://www.linkedin.com/company/ecga-carbon-graphite/?originalSubdomain=be https://twitter.com/ Ecga_C なお、この記事は第 12 版にも掲載されます。