1. 燃料電池車とPEFCとは何か（3行でつかむ）

燃料電池は、水素を燃やさずに、電気化学反応で直接、電気に変える装置です。燃料電池車（FCEV）は、高圧水素タンクの水素と空気中の酸素を、車上の燃料電池スタックに送って発電し、モーターを回します。

• 仕組み：DOEによれば、燃料電池は電解質をはさんだ二つの電極からなり、水素極で触媒が水素分子をプロトンと電子に分け、電子は外部回路を通り、プロトンは電解質を通って空気極に行き、酸素と電子と結びついて水と熱ができます事実
• PEFCの特徴：DOEは、固体高分子膜を電解質とするPEM燃料電池が、動作温度が約80℃と低く、起動が速く部品の摩耗が少ない一方、貴金属触媒（主に白金）が必要でコストが上がるとしています。主に車載向けで、乗用車、バス、大型トラックに向くとされています事実
• 実車：トヨタのMIRAIの燃料電池スタックは、固体高分子形で、セル数330個を直列に接続し、最高出力は128 kW（メーカー公称、型式FCB130）です。水素は70 MPaの高圧タンク3本（合計141 L）に貯蔵します事実

2. 単セルの構成 ― 膜・触媒層・拡散層・セパレータ

PEFCの単セルは、数種類の材料を重ねたものです。DOEは、中心を膜電極接合体（MEA）とし、膜、触媒層、ガス拡散層（GDL）からなる、と説明しています。MEAをスタックに組み込むための部品が、セパレータ（バイポーラプレート）とガスケットです事実。

1枚のセルが出す電圧は1 V未満なので、使える電圧にするため、セルを積み重ねて直列につなぎます。DOEによれば、典型的なスタックは数百のセルからなります事実。 MIRAIの330セル、最高出力128 kW（メーカー公称）から、1セルあたりの最高出力は平均で約390 Wです本稿の計算（128,000 ÷ 330 ＝ 388）。

3. 本稿の計算：セル電圧が下がると、排熱が増える

燃料電池は、水素の持つエネルギーの一部を電気にし、残りを熱にします。セルの電圧が高いほど効率は高く、低いほど熱が増えます。DOEは、スタックの排熱の指標Q/ΔTを、基準電圧1.25 Vを使った式で定義しています事実。

4. 素材技術者の視点①：膜 ― フッ素系高分子が、プロトンだけを通す

Kusoglu と Weber の総説は、パーフルオロスルホン酸（PFSA）アイオノマーが、数十年研究されてきたにもかかわらず、その複雑な振る舞いが科学的な課題を生み続けているとし、物理的・輸送的性質と構造の対応、複合膜、劣化、薄膜を論じています事実。

すべて事実（DOE「Technical Targets for PEM Fuel Cell Components」［参考資料4］）。現状値は3M社の補強・化学安定化した膜（ペルフルオロイミド酸〔PFIA〕系）の2015年の報告にもとづく実験室の値で、車載システムの実績ではありません。水分圧が低いほど、また温度が高いほど、プロトン抵抗は大きくなります。

5. 触媒層・拡散層・セパレータ

(1) 触媒層 ― 白金の量が、コストと資源の問題

DOEの電極触媒の目標は、白金族金属（PGM）の総量を、定格出力（総出力）1 kWあたり0.125 g以下にすることです。2015年の現状は0.16 g/kW（3M社の報告）でした。 酸素還元の質量活性（0.9 V、iR補正後）の目標は0.44 A/mg-PGM、2015年の現状は0.5 A/mg超です。白金を使わない触媒の活性は、現状0.016 A/cm²（0.9 V）に対し、目標は0.044 A/cm²超です事実。

DOEの2020年の記録は、2017年型MIRAIのスタックの白金族金属量を、約0.3 g/kWとしています（トヨタの論文を根拠にしたDOEの記述）事実。

(2) ガス拡散層 ― 「水を逃がしつつ、膜は乾かさない」

拡散層は、炭素繊維の紙で、繊維の一部がPTFEで被覆されています。PTFEが撥水して細孔が開いたままに保たれ、水が溜まりすぎるのを防ぎます。内側に、炭素とPTFEの薄い層（マイクロポーラス層）を塗ることが多く、膜の導電率を保つための水分保持と、細孔を開けるための水の排出のバランスを調整します事実（DOE）。 拡散層とPTFEの関係は、本シリーズ『フッ素樹脂とPFAS』編も参照してください。

(3) セパレータとガスケット

セパレータは金属・炭素・複合材で、セルどうしの電気的接続、スタックの機械的強度、ガスと冷却液の流路を担います。ガスケットは、縁をシールするゴム状の高分子です事実（DOE）。

すべて事実（DOE［参考資料4］）。DOEが腐食の評価に使う環境は、pH 3、フッ化水素0.1 ppm、80℃の溶液です。年50万システムの量産を想定した値で、現状値は実験室・メーカーの報告にもとづきます。

6. 劣化 ― 触媒の溶出と膜の化学的劣化

PEFCの劣化は、電位・湿度・温度のサイクルによって、触媒、担体、膜で別々に進みます。

(1) 触媒（白金）の溶出と、炭素担体の腐食

Ettingshausenらは、自動車の運転に近い条件で、市販の膜電極接合体に起動停止の繰り返しと高電位を与え、白金の溶出と移動を調べました。 起動停止の試験では、起動と通常運転の動的な繰り返し（白金の酸化と還元のサイクル）によって、白金の溶出が大きく進み、膜の中に大きな白金の析出が見られました。炭素の腐食も見られましたが、多孔度の低下や白金分散度の低下は大きくありませんでした。 一方、高い一定電位にさらした試料では、炭素腐食により三次元の空気極の構造が大きく損なわれ、白金の溶出は目立たず、膜中の析出も少なかったと報告しています事実。

(2) 膜の化学的劣化

Zatoń、Rozière、Jonesの総説は、PFSA膜の劣化現象を、化学劣化の機構、その緩和策、今後の研究課題として整理しています事実。 LANL（ロスアラモス国立研究所）のAgarwalらの資料は、膜の寿命を延ばすためにセリウムなどのラジカル消去剤を加える方法で、セリウムが膜から移動して失われると、劣化が進む（セリウムの枯渇＝故障）という問題を示し、セリウムを固定する戦略（クラウンエーテル、ホスホン酸）を紹介しています事実。

• 加速試験の条件：開回路電圧（OCV）、90℃、相対湿度30%、25 cm²の単セル、約30 µmの膜
• 結果（実験室）：クラウンエーテルを入れた膜（CRE）は、基準の膜に比べてフッ化物の放出速度が24%低く、寿命が1.8倍（基準の膜は310時間、CREの膜は550時間）。ホスホン酸を加えた膜の化学耐久試験（5 cm²の単セル、90℃、30%RH）の図には、「フッ化物放出58%低下、寿命4倍」との注記もある（資料の図の注記で、基準の膜との比較条件は本稿では確認していません）

注意：これはLANLの発表資料で、査読を経ているとは限りません。加速試験の「寿命」は、実際の走行時間と直接は対応しません。

7. 素材技術者の視点②：「起動停止」と「氷点下」が、材料を最も痛める

すべて事実（DOE［参考資料2・3］）。現状値は過去の報道発表や論文の値で、各システムが他の目標も同時に満たしたとは限りません（DOEの注記）。

Lin らは、実際の車両条件で使うPEFCスタックの冷間起動を、定電圧モードで調べました。スタックは単セルより冷間起動に有利で、−15℃から95秒で急速起動できました。ただし、起動に失敗したあとは、各セルの性能の揃いが悪くなり、性能低下はガス入口に近いセルから遠いセルへ小さくなる、と報告しています事実。

ヒョンデの新型NEXOは、低温での運転性の改善、より耐久性の高い膜構造、セル性能の均一化に加え、スタックの凍結を防ぐ「Wake Up」機能を採用した、と発表しています（メーカー公称。具体的な作動条件は公表資料で確認できませんでした）事実。

8. 各社の公表仕様 ― メーカー公称と条件

トヨタ、ヒョンデ、ホンダの公式資料で確認できる範囲を整理します。数値はすべてメーカー公称で、測定方法・車両条件・発表日が異なります。異なる条件の数字を並べて優劣を決めることはできません。

すべて事実（各社の公式資料）。ただしメーカー公称の値で、第三者の検証は本稿では確認していません。

9. DOEの目標と、現状の距離

DOEは、車載の燃料電池について、システムとスタックの「現状」と「目標」を公表しています。目標と現状は別の量です。2020年の記録は、現状として並べた数値が、同じシステムで同時に達成されたものとは限らないと注記しています事実。

すべて事実（DOE Program Record 20005［参考資料2］）。排熱指標は低いほど良く、コストも低いほど良い指標です。

10. フッ素樹脂とPFASとの関係

PEFCは、フッ素系の高分子を二か所に使っています。電解質膜とアイオノマー（PFSAなど）と、拡散層のPTFEです（DOEの説明）。DOEの膜の目標の現状値も、フッ素系の膜（3M社のPFIA系）の値でした事実。

本シリーズ『フッ素樹脂とPFAS』編が整理したとおり、OECD（2021年）のPFASの定義は、完全にフッ素化されたメチル基またはメチレン基の炭素を少なくとも1つ持つ物質を広く含みます。PFSAの側鎖や主鎖、PTFEは、こうした炭素を持つので、定義に当てはまりうる、と読めます（本記事による解説）。

ただし、PEFC用の膜・アイオノマーが、各地域のPFAS規制でどう扱われるか（用途の適用除外、提案の段階など）は、本稿が参照した公式資料では確認できませんでした。規制の最新の状況は、公式資料で個別に確認する必要があります未確定／将来。

11. 課題と、本稿で確認できなかったこと

(1) 「メーカー公称」の読み方

航続距離は試験法（WLTP、EPA、日本のWLTC）で、出力は総出力か純出力かで、耐久は試験条件で意味が変わります。同じ表に並んでいても、同じ条件の値とは限りません。

(2) 材料の寿命は、運転の仕方で決まる

触媒の溶出も、膜のラジカル劣化も、凍結の損傷も、起動停止・電位・湿度・温度の履歴に依存します。実験室の加速試験の寿命と、実車の走行時間は、同じものではありません。

12. 用語集

13. 参考資料（一次情報）

1. トヨタ自動車 「MIRAI 主要諸元表」2026年3月版（PDF） — https://toyota.jp/pages/contents/mirai/002_p_001/pdf/mirai_spec_202603.pdf
2. 米国エネルギー省（DOE） Hydrogen and Fuel Cells Program Record 20005「Automotive Fuel Cell Targets and Status」2020年8月31日（PDF） — https://www.hydrogen.energy.gov/docs/hydrogenprogramlibraries/pdfs/20005-automotive-fuel-cell-targets-status.pdf
3. 米国エネルギー省（DOE） 「DOE Technical Targets for Fuel Cell Systems and Stacks for Transportation Applications」 — https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-fuel-cell-systems-and-stacks-transportation-applications
4. 米国エネルギー省（DOE） 「DOE Technical Targets for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Components」 — https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-polymer-electrolyte-membrane-fuel-cell-components
5. 米国エネルギー省（DOE） 「Types of Fuel Cells」 — https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells
6. 米国エネルギー省（DOE） 「Parts of a Fuel Cell」 — https://www.energy.gov/eere/fuelcells/parts-fuel-cell
7. トヨタ自動車 「Toyota Develops New Fuel Cell System」2025年2月14日（ニュースリリース） — https://global.toyota/en/newsroom/corporate/42218558.html
8. ヒョンデ（Hyundai Motor Company） 「Hyundai Motor’s All-New NEXO Sets New Standards in Hydrogen Technology and Electrified Mobility」2025年11月11日 — https://www.hyundai.com/worldwide/en/newsroom/detail/0000001056
9. ヒョンデ（Hyundai Motor Company） 「Hyundai Motor Unveils ‘the all-new NEXO’ FCEV with Bold New Design and …」2025年4月2日 — https://www.hyundai.com/worldwide/en/newsroom/detail/0000000927
10. ホンダ 「Honda Advances Hydrogen Strategy with Production Launch of Fuel Cell Electric Vehicle in Ohio」2024年6月6日 — https://global.honda/en/newsroom/news/2024/4240606eng.html
11. Ettingshausen ら 「Dissolution and Migration of Platinum in PEMFCs Investigated for Start/Stop Cycling and High Potential Degradation」Fuel Cells, 11, 238-245, 2011 — https://doi.org/10.1002/fuce.201000051
12. Agarwal, Komini Babu, Borup（LANL） 「Cerium Immobilization Strategies」LA-UR-24-31241, 2024年10月17日（会議用の発表資料） — https://www.osti.gov/biblio/2472567
13. Zatoń, Rozière, Jones 「Current understanding of chemical degradation mechanisms of perfluorosulfonic acid membranes and their mitigation strategies: a review」Sustainable Energy & Fuels, 1, 409-438, 2017 — https://doi.org/10.1039/c7se00038c
14. Lin, Zhu ら 「Consistency analysis of polymer electrolyte membrane fuel cell stack during cold start」Applied Energy, 241, 2019 — https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.03.091
15. Kusoglu, Weber 「New Insights into Perfluorinated Sulfonic-Acid Ionomers」Chemical Reviews, 117, 987-1104, 2017 — https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00159

14. 主張と出典の対応表（監査）

最終更新：2026年10月8日／出典は一次情報（政府・国立研究所の記録、メーカーの公式資料、査読論文）に限定しています。メーカーの値は「メーカー公称」と明記しています。 構造の整理や材料設計上の読み取りを含むため、それらは「解説」として出典付きの事実と区別しています。 現行車種の膜の厚さ・白金量・定格点の電圧、各社の耐久改善の比較条件、PFAS規制での扱い、実走行の耐久データは、公開された一次情報で確認できなかったため記載していません。 DOEの「現状」は出所の異なる値の寄せ集めで、すべてを同時に達成した製品の実績ではありません。水素は可燃性ガスで、取扱いには法令・規格が適用されます。本記事は解説であり、設計・運用・取扱いの個別の助言ではありません。 図はすべて説明用の概念図です。図1〜図4はベクター作図、ヒーロー画像と図5はAI生成イメージであり、いずれも実際の断面写真・顕微鏡像・車両の実物を示すものではありません。