水素エネルギーの応用
燃料電池の最適な性能を実現するには、水素の純度を確保することが重要です。
高度な水素純度検出技術により、燃料電池の最適な性能が保証されます。微量の水分、微量の酸素、微量の一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、全炭化水素、硫黄などの汚染物質を監視・制御することで、燃料電池を保護し、運転効率を最大限に高めます。
燃料電池における水素純度の重要性
燃料電池は、水素エネルギー供給チェーン、特に鉄道、自動車、船舶などの輸送分野において重要な役割を果たしています。燃料電池は水素を効率的に電気に変換し、唯一の副産物として水のみを生成するクリーンエネルギーを生み出します。水素が製造システムから直接供給される場合でも、貯蔵システムから供給される場合でも、燃料電池が最適な性能を発揮するには高純度の水素が必要です。高純度水素に不純物が混入すると、燃料電池の性能が低下し、長期的な損傷を引き起こす可能性があります。
燃料電池は不純物に対して非常に敏感であり、不純物はさまざまな悪影響を引き起こす可能性があります。水分（H2O）、酸素（O2）、窒素（N2）、一酸化炭素（CO）などの微量の汚染物質でさえ、エネルギー変換効率を阻害し、出力を低下させる可能性があります。これらの汚染物質は、時間の経過とともに、燃料電池のコンポーネント、特に触媒（プロトン交換膜）を損傷し、高額なメンテナンスまたは交換コストにつながる可能性もあります。GB/T 37244-2018「プロトン交換膜燃料電池自動車の燃料仕様 - 水素」/ISO 14687:2019(E)に準拠した燃料電池の場合、この規格ではH2O、O2、N2などの不純物の濃度に厳しい制限が設定されているため、水素の純度を維持することが特に重要です。水素中の不純物の具体的な特性と含有量は、水蒸気メタン改質（SMR）、メタノール熱分解、コークス炉ガスからの酸素製造、灰色水素精製、または電気分解など、供給源によって異なります。水素製造方法によって発生する汚染物質は異なる場合があり、水素が燃料電池に入る前に、これらの汚染物質を監視・制御する必要がある。
燃料電池用水素の主要純度検出指標
燃料電池に使用される水素が高性能に必要な基準を満たしていることを保証するためには、以下の主要な純度検出指標が不可欠です。
●水素中の水分（水蒸気）：水分含有量が過剰になると、燃料電池内部の電気化学反応が阻害され、効率が低下し、燃料電池の部品が損傷する可能性があります。水素中の微量水分含有量を監視することは、燃料電池の最適な性能を維持するために水素が十分に乾燥していることを確認する上で非常に重要です。
● 水素中の酸素：酸素が混入すると、燃料電池の出力と効率が低下する可能性があります。ごく少量の酸素でも、時間の経過とともに燃料電池の性能を著しく低下させる可能性があります。酸素含有量を継続的に監視することで、水素にこの有害な汚染物質が含まれていないことを確認できます。
● 一酸化炭素（CO）：一酸化炭素は、燃料電池、特にプロトン交換膜（PEM）燃料電池にとって最も有害な汚染物質の一つです。COは白金触媒に吸着し、水素-酸素反応を促進する触媒の能力を低下させます。微量のCOでも、燃料電池の性能と寿命を著しく低下させる可能性があります。触媒の被毒を防ぐためには、CO含有量のモニタリングが不可欠です。
● アンモニア（NH3）：燃料電池用水素中の微量アンモニア含有量を検出することは、触媒の保護、燃料電池性能の維持、安全性の確保、および品質管理にとって極めて重要です。実用化においては、水素中の微量アンモニア含有量を正確に検出するために、高感度TDLASレーザー分析法および分析装置が求められます。
● 水素純度レベル：水素の全体的な純度は、燃料電池に使用される水素の許容汚染物質レベルに関する要件を定めたGB/T 37244-2018「プロトン交換膜燃料電池車用燃料仕様 - 水素」やISO 14687:2019(E)などの厳格な基準に準拠する必要があります。水素純度を継続的に監視することで、水素がこれらの基準に準拠していることが保証され、性能低下が防止され、燃料電池の効率が最大化されます。
追加の安全上の考慮事項：設置とシステムの完全性
純度に関する懸念に加え、燃料電池システムにおける水素の貯蔵および供給においては、設置時の安全性とシステム全体の健全性を確保するための具体的な対策も不可欠です。水素供給における漏洩は重大な安全リスクをもたらす可能性があるため、漏洩検知システムを設置する必要があります。さらに、不活性ガスを添加することで燃焼リスクを低減し、偶発的な着火事故からシステムを保護することができます。
燃料電池用水素の純度を検出するために、どのような分析装置が使用されますか？
燃料電池の運転に必要な水素純度を維持するために、水素が燃料電池に入る前に、さまざまな高度な分析装置を用いて不純物を検出し除去する。
| 測定項目 | 応用 | おすすめ商品 |
| 水分（H2O） | 水分分析装置は水素中の水蒸気を検出し、燃料電池の運転に十分な乾燥状態であることを確認することで、効率の低下や燃料電池部品の損傷を防ぎます。 | CI-AM171\ CI-PC35-2 |
| 水素純度（H2） | 純度分析装置は、水素の全体的な品質に関するリアルタイムデータを提供し、GB/T 37244-2018「プロトン交換膜燃料電池車用燃料仕様－水素」、ISO 14687:2019(E)などの燃料電池用途の純度基準を満たしていることを保証します。これにより、汚染リスクのない効率的な燃料電池運転が保証されます。 | CI-551-2、CI-PC9280-PDHIDクロマトグラフ |
| 酸素（O2） | 酸素分析装置は、水素中の酸素の存在を継続的に監視し、酸素濃度が許容範囲内に維持されるようにするとともに、触媒の被毒を防ぎます。 | CI-PC95-2\ CI-PC951-2\ CI-PC935 |
| 一酸化炭素（CO） | 一酸化炭素分析装置は、微量の一酸化炭素濃度を検出し、燃料電池内の白金触媒の被毒を防ぎ、高効率を維持するために不可欠である。 | CI-PC21\ CI-PC9280-PDHIDクロマトグラフ |
| 二酸化炭素（CO2） | 燃料電池用水素中の微量二酸化炭素の検出は、効率的かつ安定した運転を確保し、燃料電池の耐用年数を延ばすための重要な対策である。 | CI-PC21\ CI-PC9280-PDHIDクロマトグラフ |
| CnHm\CH4 | 炭化水素化合物は燃料電池内部で酸化反応を起こし、二酸化炭素と水を生成する可能性がある。これは水素濃度を低下させ、燃料電池の出力を減少させるだけでなく、触媒の汚染や劣化を引き起こす可能性もある。 | CI-PC9001\ CI-PC61\ CI-PC9260\ CI-PC9280-PDHID クロマトグラフ |
| 窒素 | 窒素含有量を検出することで、水素の純度を評価することができます。窒素濃度が高いと水素濃度が希釈され、燃料電池の出力が低下するため、燃料電池が最適な性能で動作することが保証されます。 | CI-PC9280-PDHIDクロマトグラフ |
| (N2) | ||
| アンモニア（NH3） | 燃料電池用水素中の微量アンモニア含有量の検出は、触媒の保護、燃料電池性能の維持、安全性の確保、および品質管理にとって極めて重要である。 | CI-PC62 |
水素製造用途
●天然ガスパイプラインに注入された水素の濃度を測定する（輸送用―ここでは、水素が天然ガスパイプラインを介して輸送されるシナリオを指す）。
● 燃料電池の汚染を防ぐため、貯蔵水素の純度／品質を測定する。
● コークス炉ガスからの蒸気メタン改質（SMR）、メタノール熱分解、酸素生成の測定。灰色水素精製および水電解水素製造プロセスの検出と品質管理。
● 水素貯蔵の安全性と純度。
