エネルギー変換効率について。

Question

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。

kenchin · Accepted Answer

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。

kenchin · Answer

>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

noname#5277 · Answer

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

エネルギー変換効率について。

この問題は、変換効率を理解することが必須ですね～。

>水素を燃焼させてエネルギーを取り出す方法はＢＭＷが

現状では燃料電池よりも若干劣ります。

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