燃料電池関連銘柄

燃料電池とは

燃料電池

乾電池などの一次電池、充電可能な二次電池は蓄えられた電気を使うため容量に限界がある。燃料電池は電気化学反応によって燃料の化学エネルギーから電力を取り出すのでその燃料が供給可能であれば永続的に放電を行うことができる。

燃料電池は自動車や一般家庭用電池、更にはパソコンやスマートフォンといった電子機器への活用も期待されている。自動車やスマホで既に実用化されているものもあるが、未だ研究途上であり、今後も燃料電池関連銘柄の物色は続くと注目されている。

燃料電池関連銘柄一覧

コード 銘柄名 企業情報・業務内容
3441 山王 同社の新規事業に関する「金属複合水素透過膜の開発」が、14年に続き国立研究開発法人産業技術総合研究所福島再生可能エネルギー研究所の15年度「被災地企業のシーズ支援プログラム」に採択された。貴金属量を大幅低減した薄くてしなやかな金属系水素透過膜(100%水素の精製)を研究する。この波及効果は、FCV用水素ステーション等に用いられる水素精製技術に利用できるという。
6391 加地テック 燃料電池自動車(FCV)に供給する水素ステーションの基幹設備であるオイルフリータイプ・82MPa仕様の水素圧縮機ユニットの販売納入を進めている。2004年に世界で初めて全段ピストン式・110MPaオイルレス圧縮機の開発に成功するなど、超高圧水素圧縮機の製造販売に取り組んでいる。
5907 JFEコンテイナー 2006年2月に高圧ガス保安協会(KHK)より高圧ガス輸送用のアルミ・カーボン FRP 容器の認定を取得した。水素輸送トレーラー・天然ガス輸送トレーラーの大幅な軽量化が可能になった。
8088 岩谷産業 一般販売が開始された燃料電池自動車(FCV)や、導入が期待される燃料電池バスへの水素需要に対応すべく、商用水素ステーションの整備に取り組んでいる。同社は1941年以来水素を取り扱い、工業用圧縮水素・液化水素については製造から輸送・貯蔵・供給・保安まで一貫した全国ネットワークを築いている。
6497 ハマイ 水素 燃料電池自動車向け安全栓(PRD)PRD-AT002 ステンレス製/アルミ製は、世界初のグローバル規格適合品。2009年水素燃料自動車35MPa向けインタンクバルブを共同開発した。安全栓(PRD)は、「未知の燃料」への安全と安心を確保する重要な部品。
5482 愛知製鋼 トヨタ(7203)が販売する燃料電池車“MIRAI”の高圧水素系部品に高圧水素用ステンレス鋼“AUS316L-H2”の供給を開始した。供給を開始したのは、13年11月に発表した“AUS316L-H2”に冷間加工を加えて高強度化を図った鋼材であり、高圧水素系のいくつかの部品に適用されている。

燃料電池の方式

燃料電池の方式

情報源: 燃料電池 – Wikipedia

燃料電池は使用する電解質の種類によって以下の種類の方式に分類される。各項目の詳細説明は「燃料電池 – Wikipedia」より抜粋。

固体高分子形燃料電池 (PEFC)

固体高分子(膜)形燃料電池(PE(M)FC, Polymer Electrolyte (Membrane) Fuel Cell)は、イオン交換膜を挟んで、正極に酸化剤を、負極に還元剤(燃料)を供給することにより発電する。イオン交換膜としてナフィオンなどのプロトン交換膜を用いた場合は、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)とも呼ばれる。起動が早く、運転温度も80-100℃と低い。水素を燃料に用いる場合では、触媒に高価な白金を使用しており、燃料中に一酸化炭素が存在すると触媒の白金が劣化する。発電効率は30-40%程と燃料電池の中では比較的低い。
リン酸型に次いで実用化が進んでいるが、発電効率が低いため、小型用途での発電使用が想定されている。触媒として使用される白金の使用量を減らすことと、電解質として使用されるフッ素系イオン交換樹脂の耐久性の向上とコストが今後普及の課題である。
室温動作と小型軽量化が可能であるため、携帯機器、燃料電池自動車などへの応用が期待されている。

りん酸形燃料電池 (PAFC)

りん酸形燃料電池(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)は、電解質としてリン酸(H3PO4)水溶液をセパレーターに含浸させて用いる。動作温度は200℃程度で、発電効率は、約40%LHV。固体高分子形燃料電池と同様に白金を触媒としているため、燃料中に一酸化炭素が存在すると触媒の白金が劣化する。従って、天然ガスなどを燃料とする場合は、あらかじめ水蒸気改質・一酸化炭素変成反応により一酸化炭素濃度が1%程度の水素をつくり、電池本体に供給する必要がある。
工場、ビルなどの需要設備に設置するオンサイト型コジェネレーションシステムとして100/200kW級パッケージの市場投入がなされ、すでに商用機にて4万時間以上の運転寿命(スタック・改質器無交換)を達成している。

溶融炭酸塩形燃料電池 (MCFC)

溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)は、水素イオン(H+)の代わりに炭酸イオン(CO32-)を用い、溶融した炭酸塩(炭酸リチウム、炭酸カリウムなど)を電解質として、セパレーターに含浸させて用いる。そのため、水素に限らず天然ガスや石炭ガスを燃料とすることが可能である。動作温度は600℃-700℃程度。常温では固体の炭酸塩も動作温度近傍では溶融するため、電解質として用いることができる。PAFCに競合する選択肢として、250kW級パッケージが市場に投入されつつある。発電効率は約45%LHV。白金触媒を用いないためPEFCやPAFCと異なり一酸化炭素による被毒の心配がなく、排熱の利用にも有利である。内部改質方式とされるが、プレリフォーミング用の改質器をシステム内に設置するのが一般的のようである。火力発電所の代替などの用途が期待されている。
なお、通常の燃焼反応では、空気中の窒素の存在により排ガス中の二酸化炭素濃度は約20%が上限であり、更に二酸化炭素濃度を高めるには空気の代わりに酸素を用いなければならない。しかし、MCFCは炭酸イオンが電池反応に介在し、空気極側の二酸化炭素と酸素が選択的に燃料極側に移動・蓄積するため燃料極側排ガスの二酸化炭素濃度は80%程度にも達する。この性質を利用し、MCFCで二酸化炭素の回収を行うことが試みられている。日本国内では経産省補助事業として中国電力・中部電力が共同実施している。

固体酸化物形燃料電池 (SOFC)

固体酸化物形燃料電池(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)は、固体電解質形燃料電池とも呼ばれ、動作温度は700-1,000℃を必要とするので高耐熱性の材料が必要となる。また、起動・停止時間も長い。電解質として酸化物イオンの透過性が高い安定化ジルコニアやランタン、ガリウムのペロブスカイト酸化物などのイオン伝導性セラミックスを用いており、空気極で生成した酸化物イオン(O2-)が電解質を透過し、燃料極で水素あるいは一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。そのため、水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども、脱硫処理は必要であるが、簡単な水蒸気改質処理(一酸化炭素の除去が不要で、燃料中に若干の未改質ガスを含む改質)により燃料として用いることが可能である。活性化電圧降下が少ないので発電効率は高く、すでに56.1%LHVを達成している例もある。家庭用・業務用の1kW-10kW級としても開発されている。 原理的には発電部分における改質(ニッケルを含む燃料極における直接内部改質)が可能であるが、吸熱反応による発電部分の極端な温度変化を防ぐために、プレリフォーマー(発電反応による熱や反応後の燃料を燃焼した熱を利用した間接内部改質)を採用するのが一般的である。燃料極としては、ニッケルと電解質セラミックスによるサーメット、空気極としては導電性セラミックスを用いる。大型SOFCは、燃焼排ガスをガスタービン発電や蒸気発電に利用すれば、極めて高い総合発電効率を得ることが出来ると予測されるため、火力発電所の代替などの用途が期待されている。
日本ガイシ株式会社は2009年6月11日に独自構造のSOFCを開発し、世界最高レベルの63%の発電効率(LHV)と90%の高い燃料利用率を達成したと発表した。
2011年10月、JX日鉱日石エネルギーが市販機としては世界で初めてSOFC型エネファームを発売

アルカリ電解質形燃料電池 (AFC)

アルカリ電解質形燃料電池(AFC, Alkaline Fuel Cell)は、水酸化物イオンをイオン伝導体とし、アルカリ電解液を電極間のセパレータに含侵させてセルを構成している。PEFCと同様、高分子膜を用いるタイプも報告されている。最も構造が簡単であり、アルカリ雰囲気での使用であることから、ニッケル酸化物等の安価な電極触媒を利用することができること、常温にて液体電解質を用いることからセル構成も単純にできるため、信頼性が高く、宇宙用途などに実用化されている燃料電池である。一方、改質した炭化水素系燃料から水素を取り出す場合、炭化水素が混入しているとアルカリ性電解液が炭酸塩を生じて劣化する。同様に空気を酸化剤として用いると電解液が二酸化炭素を吸収して劣化するため、純度の高い酸素を酸化剤として用いる必要がある。水素の純度を高めるためには、パラジウムの膜を透過させることにより純度を高める。電解質が水溶液であるため、作動温度域は電解液が凍結・蒸発しない温度に制限される。また、温度によりイオンの移動度(拡散係数)が変わり、発電力に影響するため、温度条件が厳しい。ニッケル系触媒は配位性のある一酸化炭素、炭化水素、酸素および水蒸気等により活性が下がるので水素燃料の純度は重要である。これらを不純物として含む改質水素の使用は望ましくない。
21世紀現在の燃料電池の研究開発上ではほとんど目を向けられることはないが、年少向けの教材から、アポロ計画やスペースシャトルまで広く「実用化」されている。アポロ13号における事故はこの燃料電池に供給する液体酸素供給系統の不具合に起因したものであり、燃料電池そのものの問題ではない。
ダイハツ工業は産業技術総合研究所と共同で水加ヒドラジン(N2H4・H2O)を燃料として0.50W/cm2の出力密度を達成したと発表している。この場合、燃料電池への炭化水素の混入はなく、排出物は水と窒素のみとなる。

直接形燃料電池 (DFC)

直接形燃料電池(DFC, Direct Fuel Cell)は、改質器を介さずに燃料を直接セルスタックに供給し、液体燃料であるメタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンを使用するものが開発されている。つまり、DFCは燃料電池それ自身の方式を指す言葉ではない。固体酸化物形燃料電池は全てDFCに属する。燃料として用いる物質はいずれも炭素を含む化合物であるため、反応(発電)によって二酸化炭素が生成して排出される。そのため、アルカリ性水溶液の電解質は使用できない。燃料供給ポンプや放熱ファンを使うか否かで、パッシブ型とアクティブ型に区分される。1. 燃料極の白金に反応中間体である一酸化炭素が強吸着(被毒)してしまい反応速度が遅く、2. 水溶性の高い燃料を用いた場合では燃料のクロスオーバーが起こるため、電力・発電効率とも低いが小型軽量のものが作れる。例えば、直接形メタノール燃料電池(DMFC)では、数十mW-10W程度の小規模小電力発電に適している。これらは、小型携帯電子機器の電源としての用途が考えられている。米国では2008年には出力1Wのものが販売されていた。

バイオ燃料電池

食物からエネルギーを取りだす生体システムを応用した燃料電池である。酵素の働きにより糖分を分解し、電気エネルギーを取りだす。環境の変化に対しても安定して働く強力な酵素が不可欠であり、研究開発では、酵素の寿命を伸ばすことなどが課題となっている。血液中の糖分を利用する体内埋め込み型ペースメーカーや、ノートパソコンや携帯機器の電源などへの応用が期待される。また類似の研究には、光合成による植物の生体システムを応用した「太陽光バイオ燃料電池」もある。

燃料電池の実用化

燃料電池は様々なものへの実用化が進んでいる。安全面と導入コストの問題を抱えてはいるが、今後もあらゆる電気機器、電子機器で燃料電池が使われ始めるだろう。

トヨタのFCV(燃料電池自動車)「MIRAI」

MIRAI

情報源: トヨタ MIRAI | トヨタ自動車WEBサイト

燃料電池の実用化で真っ先に思い浮かぶのがトヨタ(7203)のFCV(燃料電池自動車)「MIRAI」だろう。2014年年末に発売され、政府による補助金も後押しとなり一気に受注が殺到。2016年時点の注目では納車が2019年以降となるとされており、早くとも3年ほど待たなければ入手できない状況となっている。

自動車業界ではEV(電気自動車)とFCV(燃料電池自動車)の覇権争いとなっており、政府はこのMIRAIを普及させ、世界の新型自動車の基準をFCVに持っていきたいという狙いもあるかもしれない。燃料となる水素を補給する為の水素ステーション設置にも補助金を出している。

スマホにも燃料電池が搭載される日は近い

既に燃料電池式のモバイルバッテリーは発売されている。このバッテリーは1週間充電不要で使うことができ、従来のバッテリーをはるかに上回る蓄電量を誇っている。現在はスマホの外部充電機器(バッテリー)として燃料電池が利用されているが、今後はスマホ内蔵電池にも燃料電池が利用され、1週間以上充電せずとも使い続けることが可能となってくるだろう。

燃料電池のデメリット

燃料電池は発電効率が良く、送電ロスが少ない。更には環境に優しいというメリットがある。しかし、未だ爆発的に普及が進まないのには相応のデメリットがあるからだ。

コストが高い

新型電池ということでやはりどうしてもイニシャルコストとランニングコストが割高となってしまう。これは各社での燃料電池開発が進み、大量生産可能となれば解決してくるであろう問題と言える。

寿命が短い

これは既に解決されつつある問題でもある。燃料電池に限らず全ての電池には寿命があり、使える時間は限られている。数年後には従来の電池をはるかに凌ぐ長寿の燃料電池が出てくる可能性も大いにあるだろう。

安全性の問題

水素は水素爆発というものがある為に過度に危険視される傾向にある。水素燃料電池などは爆発の危険性があるのではないかと度々取り上げられるが、実際のところ爆発することなどほぼ無いと専門家は言う。ただ、新たに導入する新型電池ということでリスク面を限りなくゼロにしなければならない。どんな製品であればリスクをゼロにするのは難しく、安全性を重視すればするほどその分実用化は遅れてしまう。

燃料電池関連銘柄の現状と今後

燃料電池関連一覧で上げた銘柄のほぼ全てがトヨタ(7203)のFCV(燃料電池自動車)「MIRAI」に関するものやそれに伴う水素ステーション関連の銘柄となっている。日本においては燃料電池関連銘柄≒水素ステーション関連銘柄と言っても過言ではない。今後はスマホやウエアラブル端末といった分野で燃料電池を活用する技術を持つ企業が燃料電池関連銘柄として注目を集めてくるかもしれない。

燃料電池とリチウムイオン電池の比較

充電可能な二次電池の中でも特に効率の良いリチウムイオン電池。燃料電池はこのリチウム電池と比較されることが多々ある。自動車の電池技術を見てもEV(電気自動車)はリチウムイオン電池が使われることが多く、FCV(燃料電池自動車)と比べられる。燃料電池はリチウムイオン電池よりもエネルギー密度を数倍に増加させることが可能であるが、小型化が難しいとも言われている。リチウムイオン電池は小型化され携帯などの電池として利用されているが、エネルギー効率面で燃料電池に劣る。

現状は用途によって使い分けれているが、いずれかの技術革新が進みデメリットがなくなるようなこととなれば一方に収束する可能性も十分にありうる。

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