燃料電池

燃料電池（ねんりょうでんち、 英：fuel cell）は、電気化学反応によって電力を取り出す装置（電池）のひとつである。

目次 1 概要 2 種類 2.1 固体高分子形燃料電池 (PEFC) 2.2 アルカリ電解質形燃料電池(AFC) 2.3 リン酸形燃料電池 (PAFC) 2.4 溶融炭酸塩形燃料電池 (MCFC) 2.5 固体酸化物形燃料電池 (SOFC) 2.6 バイオ燃料電池 3 歴史 4 普及の課題 5 関連項目 6 脚注 7 参考文献 8 外部リンク

概要

燃料電池は、乾電池などの一次電池や鉛蓄電池などの二次電池とは異なり、水素などの燃料と酸素などの酸化剤を供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる化学電池である。熱機関を用いる通常の発電システムと異なり、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換途上で熱エネルギーや運動エネルギーという形態を経ないため、熱機関特有のカルノー効率に依存しないことから発電効率が高い。また、システム規模の大小にあまり影響されず、騒音や振動も少ない。そのため、ノートパソコン、携帯電話などの携帯機器から、自動車、鉄道、民生用・産業用コジェネレーション、発電所、軍事まで多様な用途・規模をカバーするエネルギー源として期待されている。

燃料電池には様々な燃料が用いられるが、主として水の電気分解の逆反応である 2H₂ + O₂ → 2H₂O によって電力を取り出す場合が多い。用いられる電気化学反応、電解質の種類などによって燃料電池は幾つかのタイプに分けられる。なかでも固体高分子形燃料電池は室温動作が可能かつ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。

欧州のキャンピングカーにおいて、メタノールを使用したものや、液化石油ガス (LPG) を使用するものが、今後数年の間に採用される模様^[要出典]。

種類

燃料電池の開発段階に応じて、リン酸形燃料電池を第一世代型燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池を第二世代型燃料電池、固体酸化物形（固体電解質形）燃料電池を第三世代型燃料電池と呼称されていた時期もある（主として1980～90年代）。しかしながら、固体高分子形燃料電池が開発の主役となってから、この呼称が用いられることはほとんどない。

固体高分子形燃料電池 (PEFC)

詳細は固体高分子形燃料電池を参照

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向上とコストダウンが普及のボトルネックとなっている。

アルカリ電解質形燃料電池(AFC)

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しみこませてセルを構成する燃料電池。最近では、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、現在宇宙用途などに実用化されている唯一の燃料電池である。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、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為にはパラジウムの膜を透過させる事により純度を高める。電解質が水溶液である為、作動温度域が電解液の凍結、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)が変わる為、発電力に影響するので、温度条件が厳しい。 ニッケル系触媒は一酸化炭素等の炭化水素や酸素、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。改質水素の使用は望ましくない。

近年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・スペースシャトルまで広く「実用化」されており、決して過少評価されるべきものではない。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において生じたトラブルに起因したものであり、燃料電池そのもののトラブルではない。

ダイハツ工業と産業技術総合研究所が水加ヒドラジン（N₂H₄・H₂O）を燃料として0.50W/cm2の出力密度を達成した^[1]との報道がある。この場合、燃料電池への炭化水素の混入はなく、排出物は水と窒素となる。

リン酸形燃料電池 (PAFC)

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市場投入（100/200kW級パッケージ）がなされている。電解質としてリン酸(H₃PO₄)を用いる。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、予め水蒸気改質・一酸化炭素変成・一酸化炭素選択酸化反応により純度の高い水素をつくり、電池本体に供給する必要がある。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。代表メーカーは東芝燃料電池システムや富士電機システムズなど。

溶融炭酸塩形燃料電池 (MCFC)

火力発電所の代替などの用途が期待されている。水素イオン(H⁺)の代わりに炭酸イオン(CO₃^2-)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。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の対抗馬として、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だ。代表メーカーはFuel Cell Energy（丸紅・川崎重工）や石川島播磨重工業など。

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^[2]。

固体酸化物形燃料電池 (SOFC)

別称は固体電解質形燃料電池。火力発電所の代替などの用途が期待されている。動作温度は700～1000℃程度でMCFCよりも高く排熱の利用は更に有利であるが、高耐熱の材料が必要となる。また、起動停止時間も長くなりがちである。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(O^2-)が電解質を透過し、燃料極で水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（PAFCやPEFCでは水素イオンが発電反応に介在）。そのため、水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども燃料として用いることが可能。家庭・業務用1～10kW級としても開発されており、その発電効率は56.1%LHVを達成している（PEFCの最高値は公称37.5%LHV）。内部改質方式であり、改質器は不要とされる。触媒も特に必要ない。電極材としては導電性セラミックスを用いる。代表メーカーはSiemens-Westinghouseや三菱重工業、日本特殊陶業、TOTO、三菱マテリアル（関西電力）、京セラなど。

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^[3]。生体触媒（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。実用化では、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の開発、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。その他、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」の研究開発が行われている。

歴史

燃料電池の原型は1842年にイギリスのウィリアム・グローブによって作製された。この燃料電池は、電極に白金を、電解質に希硫酸を用いて、水素と酸素から電力を取り出し、この電力を用いて水の電気分解をすることができた。

その後、燃料電池は発電システムとしては、熱機関により動かされる発電機の陰に置かれることになったが、1955年、ゼネラルエレクトリック社(GE)に勤務していた化学者であるW. Thomas Grubbはスルホ基で修飾されたスチレンによるイオン交換膜を電解質として用いた改良型燃料電池を開発した。3年後、他のGEの化学者であるLeonard Niedrachは触媒として用いられるプラチナの使用量を減らす方法を探していた。この成果は'Grubb-Niedrach 燃料電池'として知られる事となる。GEは当時進行中だったジェミニ宇宙計画に採用する為にこの技術を開発を進めるようにNASAに働きかける。これは燃料電池の最初の商業用途となった。1965年にアメリカの有人宇宙飛行計画であるジェミニ5号で炭化水素系樹脂を使用した固体高分子形燃料電池が採用され、再び燃料電池が注目されるようになった。1959年、フランシス・トーマス・ベーコンは5kwの定置式燃料電池の開発に成功した。1959年、Harry Ihrigが率いるチームによって15kw出力の燃料電池トラクターがAllis-Chalmersの米国横断フェアーで公開された。このシステムは水酸化カリウムを電解質として使用して、圧縮水素と酸素を反応させていた。1959年、ベーコンと協力者は5kwの装置で溶接機の電源として使用できることを示した。1960年代、プラット&ホイットニー社は米国の宇宙計画に於いて宇宙船の電力と水を供給する為にベーコンの米国での特許の使用許諾を得た。アポロ計画からスペースシャトルに至るまで燃料電池は電源、飲料水源として使用された。その際は材料の信頼性による検討の結果、アルカリ電解質形燃料電池が採用された。

民生用燃料電池として、住宅用のコジェネレーションシステムや発電施設向けに研究開発が続けられた。日本においては、通商産業省の省エネルギー政策（ムーンライト計画）に基づき、リン酸形、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池の開発が始められた。1991年（平成3年）には、東京電力五井火力発電所で、出力1万1000kWのリン酸形燃料電池の実証運転が行われている。

1987年、カナダのバラード パワーシステム社がフッ素系樹脂(Nafion)を電解質膜に用いた固体高分子形燃料電池を開発した。この電解質膜の耐久性に優れていたことから、燃料電池が再び注目されるようになり、研究開発が盛んになる。

米国防総省と国防総省高等研究事業局(DARPA)のローレンス・H・デュボワは、様々な液体炭化水素（メタノール、エタノールなど）で動く燃料電池に可能性を見ていた。彼はそこで、南カリフォルニア大学(USC) のローカー炭化水素研究所に所属していた酸の世界的な専門家スルヤ・プラカッシュと、ノーベル賞受賞者のジョージ・A・オラーに声をかけた。USCはジェット推進研究所(JPL)、カリフォルニア工科大学の協力の下、液体炭化水素が直接酸化するシステムを発明し、その後これはダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)技術と名付けられた。

1994年、ダイムラーベンツ（当時）が燃料電池自動車の試作車を発表した。また、トヨタは1997年の東京モーターショーに燃料電池自動車の試作車を発表し、2005年までに量産化することを宣言した。

2001年にはソニー、日立製作所、日本電気(NEC)などの日本の大手電気機器メーカーが相次いで携帯機器向けの燃料電池の開発を発表している。

2002年12月にはトヨタFCHVおよびホンダFCXの燃料電池自動車の市販第一号が日本政府に納入され、小泉純一郎首相が試乗を行った。現在は首相官邸と経済産業省で使用されているが、24時間のフルメンテナンス体制付きのリース契約となっている。2003年には都バスにトヨタ・日野製FCHVが納入、2004年末までお台場周辺で運行された。2005年には日野製愛知万博FCHV-BUSが納入。また、2004年には日産も横浜市などへ納入した。2006年からは愛知万博で使用された水素ステーションが移設された中部国際空港でも運行されている。これらの公共バスは現在、一般人が乗る事が出来る燃料電池車であるといえる。

燃料電池の実用化には消防法や毒物劇物取扱法、電気事業法や建築基準法などの法的規制緩和が必要であるとされ、電気設備技術基準などの見直しが行われた。2002年10月にはアメリカ運輸省(DOT)が燃料電池の飛行機内持ち込みを許可するなど、燃料電池普及に向けた規制緩和の方針をいち早く打ち出している。また、安全基準や性能評価について国際的な基準制定の動きもある。

普及の課題

触媒として使用する白金の使用量を減らす事と電解質の寿命、耐久性、コスト、インフラ整備が課題となっているため、普及には時間がかかると予想される。^[4]

関連項目

• ハイブリッドカー
• 電気自動車
• コジェネレーション

脚注

参考文献

• 竹原善一郎監修『燃料電池技術とその応用』　2000年　（テクノシステム刊）
• 『日経エレクトロニクス』　2001年 10/22号　p117～p145　「今そこに燃料電池」
• 『日経エレクトロニクス』　2002年 6/3号　p59～p68　「燃料電池、携帯機器に載る」
• 『日経エレクトロニクス』　2003年 1/20号　p49～p55　「売るに売れない燃料電池」
• 『燃料電池2004』　2004年　（日経エレクトロニクス・D&M日経メカニカル・日経エコロジー合同別冊）
• 『燃料電池2005』　2005年　（日経BP社刊）
• 『日経エコロジー』　2008年　6号　特集　普及前夜の燃料電池

外部リンク

• JR東日本　NEトレインPDF
• SOFC(固体酸化物形燃料電池)の基礎知識