エネルギー変換効率について。

質問

水素を燃料として使う場合には２通りあって、１つは水素を燃焼させて力学的エネルギーを取り出す方法、もう一つは燃料電池を使って電気化学的エネルギーを取り出す方法があると理解しています。燃料電池のエネルギー変換効率は40～60%と聞きますが、水素を燃焼させた場合の変換効率はどのくらいなのでしょうか？水素自動車の記事を読んでいて疑問を抱きました。

回答No.2

kenchin · ベストアンサー

この問題は、変換効率を理解することが必須ですね～。
で、その理解は後回しとして、水素を使って車を走らせる
場合に、燃料電池を使う場合と、「水素ガスエンジン」
を使った場合の効率は、どちらも大差有りません。

　※：水素ガスエンジンが自動車で実用化されているか
　　　どうかは不勉強故不明です。(^^;)
　　　ただし、水素ガスエンジンでの発電効率が40%前後
　　　ですし、燃料電池での発電効率も40%前後なので
　　　「結局は同じ」ってことになりますわね。
　　　なお、どちらの方式も、最終の仕事を「車を
　　　走らせた仕事量」で捉えると、２％前後に
　　　なると思いますよ。

□
【従来型の燃焼を利用したもの】
　[元]水素
↓
　[変換方法]エンジンによる燃焼で、熱エネルギーを
　　　　　　回転エネルギーとして取り出し
↓
[最終形態]車輪を回して車を走らせる

【燃料電池を利用したもの】
　[元]水素
↓
　[変換第１段階]：燃料電池で電気と熱の形に変換
↓
　[変換第２段階]：電気をモータによって回転に変換
↓
[最終形態]車輪を回して車を走らせる

この場合、「車を走らせる」って仕事を「車輪を回して
実現」するなら、要は何らかの方法で元のエネルギーを
車輪の回転に変換する必要があるんですが、この変換に
伴って損失が出てくるんですが、水素ガスエンジン単体
の効率は恐らく40%前後で、他方の燃料電池も電気への
変換効率は、電気へは40%前後で、その後にモータの効率
が加わりますから、最終は40%弱になります。

　※：で、車輪と地面との摩擦抵抗や、車体への風の
　　　抵抗を含めて最終は20%前後になるでしょう。

□
蛇足ですか....。
変換効率は「どの様なエネルギー源を、どの様な最終形
態に変換するか？」っていう意味で、公式としては

　　変換後の有効エネルギー量
　　----------------------　× １００　（％）
　　変換前の有効エネルギー量

で表されるんですが、最終形態を仕事量として捉えると

　　　最終段階での総仕事量
　　----------------------　× １００　（％）
　　変換前の有効エネルギー量

になります。

で、最終段階をどのような形にしたいのか？
例えば、車を走らせる場合なら車輪の「回転力」に変換
しますし、飛行機ならガスタービンの回転力（と排ガス
の推力）に変換したいっと。

つまり、この「どの様な最終形」かが問題でして、質問
の中に「燃料電池は40～60%」とありましたが、これは
「電力として約40%、熱も含めると60%」って意味で
ご覧になった資料に書いてあったと思うんですね。

　※：実際には、燃料電池は電力として40%前後
　　　熱も含めて80%前後が現在の主流です。

ところが、燃料電池で熱を取りだしても、そいつは車の
推進力には（現状では）使えませんから、ガスエンジン
と燃料電池の効率はトントンに落ちちゃいます。

　※：現在でも、廃熱を回転力に変換する技術は
　　　大きな機械では実現できていまして、工場など
　　　では珍しくもなく稼働しているんですが、車に
　　　搭載できる軽量・小型の物は実用化されていない
　　　と思います。

お礼

大変丁寧でかつ迅速なご返答をありがとうございます。
水素を燃焼させてエネルギーを取り出す方法はＢＭＷが採用していたと思います。
廃熱利用もできる燃料電池は発電所での方が活躍しそうですね。

回答を読んでまたもう一つ質問が出てきたのですが、エンジンは昔から大金をつぎ込まれて研究されてきた一方でモーターはエンジンほど力を入れられてきていないように思えます。畑違いであまりよくわかりませんが、もしこれからよりよいモーターが開発されると「回転力」までのエネルギー変換効率はエンジンのよりずっとよくなるということは起こりうるでしょうか？

最後に変換効率がトントンと言ってある文献をありましたら紹介していただけないでしょうか。お願いします。（英語文献歓迎です。参考文献に書きやすいので。）

回答No.3

kenchin

>水素を燃焼させてエネルギーを取り出す方法はＢＭＷが
>採用していたと思います。

おぉ、既に実用化されていたんですね。
不勉強故の無知を補っていただき、また一つ新しい知識
を増やすことが出来ました。　心からお礼申し上げます。

>廃熱利用もできる燃料電池は発電所での方が活躍しそう
>ですね。

う～ん、良いアイデアですね。

確かに、頭の中で考えた段階では、効率が良くなる可能
性が大きいです。　ただ、タービン発電機に目に見える
程度の好影響を与えるくらいですから、相当の交換能力
を持った燃料電池が必要ですけども

　○小型の物を多数設置する場合
　　　小型の機器へ、加熱される水を分配して流す必要
　　　がありますが、システムとして安定した分配機構
　　　を開発できるか？がポイントですね。
　　　あとは設置面積（設置スペース）なんかの経済面
　　　も初期には問題になるかな？
　○大型の物を少数設置する場合
　　　燃料電池って、実用化されている物は容量に限り
　　　があるんですよ。　つまり、小さな物はいくらで
　　　もつくれるor作りやすいが、大きな物は、主とし
　　　て交換過程でつかう高分子膜の大きさや耐久度の
　　　の問題で限界がありそうですわ。
　　　ただ、これだって資源（金・人・物・時間等）を
　　　投入すれば、１０年程度で可能でしょうね～。

なんてことが言えそうですね。

で、燃料電池は「小規模分散型」として優れているんで
すけども、こうなると、過程への普及が現実的でして
従来の「大規模な発電機でないと高効率が保てない」と
いう現実を「家庭で使う電気と熱を同時に供給すること
で、従来型発電所より高効率でエネルギーを供給する」
ことが可能になりますよね。

ですんで、家庭への普及が始まると、従来型発電所への
普及はメリットの大半を失いそうです。

　　※：実際、家庭へ導入できるレベルの製品市販は
　　　　順調にいけば数年以内でしょう。
　　　　車への適用が広がれば、製造量が増えることで
　　　　開発メーカも資源を突っ込む様になるでしょうし
　　　　そうなれば耐用年数も飛躍的に伸びるでしょう。
　　　　また、大量生産で単価減少も期待できますよね。

□
>回答を読んでまたもう一つ質問が出てきたのですが、
>エンジンは昔から大金をつぎ込まれて研究されてきた
　　　～　回答者編集　　中略　～
>一方でモーターはエンジンほど力を入れられてきていない>ように思えます。畑違いであまりよくわかりませんが、もしこれからよりよいモーターが開発されると「回転力」までのエネルギー変換効率は
>エンジンのよりずっとよくなるということは起こりうる
>でしょうか？

これは「システム全体としては内燃機関（エンジン）より
効率が上がる可能性はあるけど、モーター単体でいけば
もう損失の減少は限界に来ている」ってことが言えます。

モーターの代表的な損失は以下の通りです。

　○風損
　　　モーターの軸が廻るときに、モーター内部の気体
　　　をかき混ぜますが、その際の風の抵抗です。
　　　扇風機を回そうとしたら、空気が羽根に当たって
　　　抵抗になるって感じがわかりやすい例ですかね？
　○軸受け部分の摩擦抵抗
　　　固定されたケースと回転体である軸との間に発生
　　　する摩擦ですね。
　○コイル等の内部抵抗
　　　金属って抵抗ですよね。　ですから、金属で出来
　　　たコイルに電流を流すと抵抗によって電力の一部
　　　が熱に変化しちゃいますけど、これが回転力への
　　　変換を目的とする場合は損失になります。

で、現状のモータ効率は、悪いもので９０％前半、良い
物になりますと９０％後半（９８％とか）になるんです
けど、この域には生まれて直ぐに到達してるんですね。

つまり、その原理的に高効率が約束されていて、いくら
資源を投入しても、効率の向上は期待できないと。

　　※：モータ屋さんごめんなさい。
　　　　実際は、英知を結集した偉大な技術です。(^^;)

他方、エンジンってのは、例えばディーゼルサイクルな
んて熱力学の原理を機械にしてるんですが、その実用の
段階では非常に進歩する余地が多かったと言えます。

　　※：例えば、ディーゼルの直噴システムや、ガソ
　　　　リンのツインカム等。

云うなら、モーターの本体や原理の実現に関わる部分よ
りも、材料（例えば、超伝導素材とか）の開発結果が
効率を左右しますので、モーターへの資本投下は、エン
ジンのそれに比較して効果が無かった。
それよりも、モータへの電力供給システムの効率が
システム全体の効率にはネックになっているから、ここ
の部分を良くすることで、高効率は達成可能ですね～。

　※：現在は燃料電池が主流ですが、こいつの効率も
　　　もっと上がるでしょう。　一種怪しい話では
　　　あるんですが、技術屋同士のアングラ情報じゃ
　　　「５０％近い燃料電池（のコァ部分）が実験室
　　　では生まれた。ただし、耐久時間が余りに短い
　　　ために実用化は不可能。　でも、できない相談
　　　でもなさそうだ」ってのもあります。

□
>最後に変換効率がトントンと言ってある文献をありま
>したら紹介していただけないでしょうか。

誠に申し訳ないことに、手元には、該当する文献が無い
んですよ。
ただ、文献を見るまでもなく、簡単に解明する方法を
記載しておきます。

google辺りで「ガスエンジン　効率」をキーにして検索
すると、参考URLなんてのが引っかかりますよね？
このページなら「発電効率３９％」ですし、他には４０
％を越える商品も出ています。

で、この発電原理としては

　Ａ：燃料を燃焼させて回転力に変換
　　↓
　Ｂ：回転力を発電機で電力に変換
　　↓
　Ｃ：電力の発生

って流れですから、仮に発電機（モータ）の効率を
９５％として、上のシステムを計算すると

　Ｃ（％）＝Ａ（％）×Ｂ（％）
　３９％＝Ａ（％）×９５％
　Ａ（％）＝４０前後（燃料電池と同等）

っていう風に、ガスエンジンの効率が見えちゃいます。

　※：参考URLは、比較的大型のエンジンですが、車
　　　くらいの容量なら、小型になっても効率は落ち
　　　ませんね～。　といいますか、元は車用エンジン
　　　の技術が元になって組上がっているこのクラス
　　　ですんで、効率が上がったり落ちたりしたら
　　　目も当てられないわけで....(^^;)

私が「文献」の形で見てきた物は古い物が大半ですから
この辺りをそのものズバリで書いていないんです。
正確に言うと、最新商品のカタログデータが元になる
性質の物ですから、文献は無意味って側面もあります。

ですので、お急ぎなら上の式で判断してください。
なお、ズバリの表現を使っている文献（この場合は
論文等に引用できる信頼性を、文献自体や文献を書いた
作者にゆだねるって意味ですが）を探してみます。

参考URL：

http://www.tokyo-gas.co.jp/indus/products/pro01_10.html

お礼

詳細な補足をありがとうございました。モーターは元来優れものだったのですね。勉強になりました。各自動車メーカーがモーターかエンジンか最終的にどちらを採用するのか面白そうですね。またガス会社もこれから大変ですね。周りで見ている者にとってはなんだか未来が面白そうです。ありがとうございました。

回答No.1

noname#5277

現状では燃料電池よりも若干劣ります。
３０％くらいかな？
ただそれ以上に、安全性が重要な課題だったりします。

将来的にはもっと高い効率のものが出てくるかも知れません。
水素利用に関するホームページを下に書いておくので参考にしてみてください。

参考URL：

http://www.nedo.go.jp/itd/fellow/project/6.html

お礼

早速のご返答ありがとうございます。確かに安全性も重大な課題ですね。これがクリアされないといくら技術面やコスト面で優れていても売れませんからね。ありがとうございます。