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燃料電池の基礎知識

燃料電池の基礎知識

著者:敬愛(けいあい)技術士事務所 所長 森田 敬愛(もりた たかなり)

地球環境問題への取り組みがこれ以上遅れると、将来世代の生存は危ういかもしれません。さまざまな取り組みが進められている中で、燃料電池はエネルギー・環境問題の解決に大きく貢献すると期待されています。長年の多くの研究開発により、最近では、家庭用燃料電池が導入され、燃料電池自動車が市販されるまでになりました。本連載では、今後ますます期待される燃料電池の基礎知識を解説します。

第1回:燃料電池とは何か?

1. 電池にはさまざまな種類がある

電池と聞いて、皆さんは何を思い浮かべるでしょうか。携帯電話(従来型携帯電話やスマートフォンなど)を長時間使うと、電池の充電残量が減り、電池切れして困ったという経験は、多くの人がしていると思います。

テレビやエアコンなどのリモコンには、多くの場合、乾電池と呼ばれる電池が使われています。形状は、一般的には円筒形で、主に単1型~単4型のサイズがあります。また、小型電子機器には、コイン型(またはボタン型)と呼ばれる平らな形状の電池も使われます。屋外を歩いていると、一般住宅の屋根の上に太陽電池と呼ばれる電池が設置されているのを目にすることも多くなりました。このように、電池と一言でいってもさまざまな種類があることが分かります。

電池は、化学電池と物理電池の2つに大きく分類できます(図1)。

図1:電池の種類

・化学電池

化学電池は、化学物質の電気化学反応、すなわち、電池内部の負極では物質から電子が取り出される酸化反応が、正極では物質に電子が与えられる還元反応が起こります。その過程で電子を外部電気回路に取り出して電気エネルギーとして利用します。

さらに化学電池は、一度放電してしまうと充電ができない使い切り型の一次電池と、繰り返し充電して使える二次電池に分けることができます。

一次電池の代表例に、マンガン乾電池やアルカリ乾電池があります。マンガン乾電池では、負極に亜鉛Zn、正極に二酸化マンガンMnO2が使われています。負極の亜鉛が酸性の電解質中に溶解してイオンになるときに電子を放出し、この電子を電気エネルギーとして利用します。アルカリ乾電池は、電解質にアルカリ性の電解質が使われていることからその名がついています。マンガン乾電池よりも放電容量が大きく、寿命が長いという特長があります。

二次電池の例としては、小型電子機器類に使われることが多いリチウムイオン電池やニッケル水素電池、今も多くの自動車に使われている鉛蓄電池などが挙げられます。その他、バナジウムVなどの金属のイオンが溶解している電解液を正極と負極に循環させ、金属イオンの酸化還元反応を利用して発電するレドックスフロー(Redox Flow)電池を、蓄電システムに適用するための開発が進んでいます。

・物理電池

物理電池は、電池内部で物理的に起こる電子のエネルギー変化を利用しています。図1に代表例として示した太陽電池では、シリコンSi系の半導体(金属と不導体の中間の性質の材料)を使ったタイプが多く使われています。電池に光が照射されると、電池材料の価電子帯(電子が詰まった場所)の電子が光エネルギーを吸収し、エネルギー状態の高い伝導帯(電子が自由に移動できる場所)に励起(れいき)されます。このように太陽電池は、伝導帯に励起された電子を外部回路に取り出すことで電気エネルギーとして利用でき、太陽光が当たっている間は発電を続けることができます。

本連載の主題である燃料電池は、化学物質のエネルギーを電気エネルギーに変換する化学電池に分類できます。次の項では燃料電池の発電原理を見てみましょう。

2. 燃料電池の発電原理

図2に燃料電池の発電原理の模式図を示します。

図2:燃料電池の発電原理

図2:燃料電池の発電原理

硫酸のような水素イオンを含む電解質溶液中に白金Pt電極を2本浸せきして外部負荷回路を接続します。一方の電極には水素ガスを、もう一方の電極には酸素ガスを供給します。そうすると、各電極表面上で次のような反応が進行します。

負極:2H2→4H++4e

正極:O2+4H++4e→2H2O

全反応式: 2H2+O2→2H2O

負極では、水素ガスが白金電極表面で水素イオンと電子に分かれる酸化反応が起こり、生成した電子は外部回路を通じて正極へ移動します。一方、正極では、酸素分子が電解液中の水素イオンおよび負極から移動してきた電子と反応する還元反応が起こり、最終的に水が生成されます。負極で生成した電子は、正極へ移動する際、外部負荷で電気エネルギーとして利用されます。

上の全反応式だけを見ると、水素と酸素が反応し、水が生成するだけのように見えます。実際に水素を酸素と直接反応させると燃焼反応が進み、熱を発生しながら水を生成させます。このときは、水素分子と酸素分子の間で原子が直接組み換わる化学反応が進行し、熱エネルギーが放出されます。しかし電気エネルギーを直接得ることはできません。

化学電池で電気を得るには、物質の酸化反応と還元反応を別々の場所で進行させ、電子をいったん外部回路へ取り出す必要があります。これが電気化学反応です。上の反応式で示したとおり、水素の酸化反応と酸素の還元反応を別の場所で進行させる過程で、電子をいったん外部回路に取り出すことで、化学物質が持つ化学エネルギーを電気エネルギーとして利用することができるのです。

図2では電極に白金を使用しています。他の材料ではどうでしょうか? 実は、水素の酸化反応および酸素の還元反応を最も速やかに進めることができる電極材料は白金であることが知られています。水素酸化反応よりも酸素還元反応の活性化エネルギーが大きいため(このエネルギーの山を越えないと反応が速やかに進まない)、燃料電池の反応を効率よく進めるには、特に正極反応の活性化エネルギーを下げる必要があります。そこで活性化エネルギーを下げる能力が高い電極材料、すなわち触媒が必要になります。市販が始まった燃料電池自動車に使われている固体高分子形燃料電池には、電極触媒として活性が高い白金が使われています。これについては第4回で詳しく説明します。

3. 燃料電池は「電池」ではなく「発電機」

一般的な乾電池やリチウムイオン電池などの化学電池の内部には反応物質が充填(じゅうてん)されており、全ての物質が反応し尽くすと発電できなくなります。一次電池は充電できない使い切りタイプのため、新しい電池に交換する作業が発生します。これに対してリチウムイオン電池では、放電した後は外部から電気エネルギーを供給して充電でき、繰り返し使うことができます。一次電池、二次電池のどちらも、一度に発電できる量と時間は、電池内に充填されている化学物質の量に依存します。

それでは燃料電池ではどうでしょうか。燃料電池は、基本的には電池内部に化学物質を充填していません。つまり、負極に水素を、正極に酸素(多くの場合は空気を利用)を外部から供給し続ける限り発電を継続できます。これは、例えば天然ガスを燃料として稼働している火力発電所で、天然ガスを供給し続けている限り発電機が稼働し続け、発電を継続できるのと全く同じことです。したがって、燃料電池の発電様式から考えると、身の回りにある一般的な電池というよりも発電機と呼ぶ方がいいのかもしれません。

燃料電池の英語表記はFuel Cellです。Fuelは燃料の意味です。Cellはもともと小さく区分けされた部屋の意味を持ち、ここから派生して細胞や電池を表します。このためFuel Cellの訳語として燃料電池という日本語が当てられたものの、一般的な電池と燃料電池では発電様式に大きな違いがあることが分かります。

4. 燃料電池の特長

天然ガスを燃料とする火力発電所では、温室効果ガスとされる二酸化炭素が大量に排出されます。これに対し燃料電池では、発電原理で示した反応式から分かるとおり、全くの無害である水が排出されるだけです。燃料電池の1つ目の特長として、非常にクリーンで環境に優しい点が挙げられます。ただし、燃料の水素をどのように調達するかが問題となります。現状では化石燃料由来の水素が大部分です。つまり、水素の製造過程で二酸化炭素が排出されています。それでもなお、全体のエネルギー効率を考えると、燃料電池は省エネ効果が高い技術です。本連載の後半では、二酸化炭素を排出せずに水素を製造する取り組みを解説します。

2つ目の特長として、燃料電池は電気化学的な反応で発電するため、機械的にタービンを回す火力発電とは異なり、静かに発電できる点が挙げられます。実際の燃料電池のシステムにはさまざまな補器類が設置されるため、全く騒音が出ないわけでありません。しかし、一般的な火力発電所に比べて静粛性が高いのは大きな利点です。

3つ目に挙げられるのは、火力発電などに比べて理論発電効率が非常に高いことです。実際には理論値の発電効率は得られず、エネルギー損失は熱として排出されます。しかし、家庭用燃料電池のエネファームでは、この排熱も回収して有効利用することで、非常に高い総合エネルギー効率が得られます。燃料電池は省エネに大きく貢献する発電機といえるでしょう。

いかがでしたか? 今回は、燃料電池の発電原理や特長を紹介しました。次回は、低温型の燃料電池の種類を解説します。お楽しみに!

 

第2回:燃料電池の種類1-低温形-

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前回は、燃料電池の発電原理とその特長を紹介しました。燃料電池には使われる材料の違いによってさまざまな種類があります。本連載では、第2回と第3回で各種燃料電池の発電原理や特長、そして歴史的背景を解説していきます。

今回は、比較的低温で稼働する燃料電池の基礎知識について解説します。

1. 主な燃料電池の種類

燃料電池にはさまざまな種類があり、使われる電解質によって名前が付けられています。その中の代表的な5種類の燃料電池について解説します(図1)。

図1:主な燃料電池の種類

図1:主な燃料電池の種類

これらは作動する温度によって低温形と高温形の2つに分けられます。それぞれの種類の英語表記から、下のような略称がよく使われます。

アルカリ形燃料電池               AFC: Alkaline Fuel Cell

りん酸形燃料電池                  PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell

固体高分子形燃料電池            PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell

溶融炭酸塩形燃料電池            MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell

固体酸化物形燃料電池            SOFC: Solid Oxide Fuel Cell

それでは各種類の燃料電池の詳細を説明していきます。

2. アルカリ形燃料電池(AFC)

アルカリ形燃料電池(以下AFC)は、名前のとおり、水酸化カリウム(KOH)などを含んだアルカリ水溶液が電解質に使われます。負極に導入された水素が電極触媒表面で電解質中のOHと反応し、水が生成します。この時に発生する電子が、外部回路を通って電気エネルギーとなります。正極では、導入された酸素と電解液中の水、そして外部回路を通ってきた電子が電極触媒表面で反応し、OHが生成します。生成したOHは負極へ向かって電解質中を移動していきます(図2)。

図2:アルカリ形燃料電池(AFC)の発電原理

図2:アルカリ形燃料電池(AFC)の発電原理

作動する温度は条件によりさまざまです。AFCは比較的低温(60~80℃程度)で作動するため、電極触媒には低温でも活性が高い貴金属系材料が多用されます。電解質はアルカリ性で、酸性電解質に比べて電極に高い耐腐食性が必要でないため、ニッケル(Ni)のような安価な材料を電極触媒に使うこともでき(電池出力はやや低下しますが)、製造コストを下げることが可能です。

英国の技術者であるフランシス・トーマス・ベーコンが1939年に開発したAFCは、より改良されて宇宙船用の電源として使われるようになりました。1960年代に始まったアポロ計画でも採用されましたが、アポロ13号ではAFCの故障(正確には酸素タンクの故障)が原因で、宇宙飛行計画が大幅に変更されました。映画「Apollo 13」(1995年)ではこの時の様子が描かれ、燃料電池の話も登場します。その後、NASAによるスペースシャトル計画(1981~2011年)にもAFCが使われました。

3. りん酸形燃料電池(PAFC)

りん酸形燃料電池(以下PAFC)では、電解質に濃度が約100%の液体りん酸(H3PO4)を使い、水素イオン(H+)がその中を移動します。負極および正極では次のような反応が進行します。

負極: 2H2 → 4H+ + 4e

正極: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O

全反応式: 2H2 + O2 → 2H2O

作動温度は200℃程度で、電解質に酸性溶液を使用するため、電極触媒には比較的低温でも活性が高く、かつ酸性溶液中でも耐腐食性が高い白金(Pt)触媒が使われます。これは、電気伝導性がある炭素粉末上にナノメートルスケールのPt粒子が結合した材料です(第4回で詳しく説明します)。

続きは、保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

4. 固体高分子形燃料電池(PEFC)

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

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第3回:燃料電池の種類2-高温形・その他-

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前回は、比較的低温度領域で作動する燃料電池について解説しました。今回は、高温度領域で作動する燃料電池の基礎知識(発電原理、特長、開発の歴史など)を解説します。また、燃料として直接水素を導入しない種類の燃料電池についてもいくつか紹介していきます。

1. 溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)

溶融炭酸塩形燃料電池(以下MCFC)の発電原理を図1に示します。電解質にはLiやKの炭酸塩の混合物が使われます。600~700℃程度の運転温度では電解質が溶融状態になっており、炭酸イオン(CO32-)が電解質中を移動します。電解質の炭酸塩が溶融状態で稼働することから、溶融炭酸塩形と呼ばれます。

図1:溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)の発電原理

図1:溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)の発電原理

燃料として負極に導入された水素は電解質中のCO32-と反応し、水と二酸化炭素が生成します。この時に生じた電子が正極へ移動し、外部回路で電気エネルギーとして利用されます。負極での反応には、やはり触媒が必要となります。稼働温度が比較的高いため、触媒には白金(Pt)などの高価な貴金属ではなく、ニッケル(Ni)などのより安価な金属が使用できます。

正極には酸素と二酸化炭素を導入します。これらが外部回路から移動してきた電子と電極上で反応してCO32-が生成し、電解質中を負極へ向かって移動します。正極の反応にも触媒が必要で、 Ni酸化物などが使われます。正極の反応には二酸化炭素が必要なので、負極で生成した二酸化炭素を正極にリサイクルして利用します。このため、MCFCの全反応式には二酸化炭素は見かけ上入っていません。

本連載第1回の4章で説明したように、現状では化石燃料由来の水素が燃料として使用されています。化石燃料の改質反応で水素を取り出す際、不純物としてCOが生成します。MCFCでは、負極触媒上で起こる次の反応により、COも燃料として使用することができます。

CO + H2O → H2 + CO2

低温形燃料電池、特に固体高分子形燃料電池(PEFC)の場合、水素中にCOが含まれていると、使用するPt触媒の表面が被毒(表面の活性点にCOが吸着)されてしまいます。その結果、触媒活性が低下するため、十分なCOの除去が不可欠です(次回解説)。これに対し、MCFCではCOを除去せずに、そのまま燃料として利用できる点が大きな特長のひとつです。

MCFCは、高温で作動することから高い発電効率が期待されます。また、高温の排熱も有効利用でき、発電容量が数百kWからMW級のプラントが開発されてきました。日本では1000kW級プラントの開発まで進みましたが、商用化には至りませんでした。現在は、米国のFuel Cell Energy社が主要メーカーとしてMW級プラントを世界中に出荷しています。

2. 固体酸化物形燃料電池(SOFC)

固体酸化物形燃料電池(以下SOFC)の発電原理を図2に示します。各種燃料電池の中ではSOFCの作動温度が一番高く、700~900℃程度で運転されます。酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO2)に酸化イットリウム(イットリア:Y2O3)を少量加えて安定化させた固体酸化物(イットリア安定化ジルコニア:YSZ)を電解質に使うため、その名がついています。この電解質中を酸化物イオン(O2-)が移動することで発電します。

図2:固体酸化物形燃料電池(SOFC)の発電原理

図2:固体酸化物形燃料電池(SOFC)の発電原理

固体のセラミックス材料中を酸化物イオンが伝導する様子を図3に示します。ジルコニア(ZrO2)の結晶内にはZr4+とO2-が規則正しく配列しています。ここにイットリア(Y2O3)を少量加えると、Zr4+の一部がY3+に置き換わります。そうすると、全体のイオンの電荷バランスをとるために、O2-の一部が酸素欠陥の状態となります。温度が高くなると、この酸素欠陥を埋めようとしてO2-が移動するようになります。

図3:YSZ中をO2–が移動する様子の模式図

図3:YSZ中をO2-が移動する様子の模式図

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3. 直接メタノール形燃料電池(DMFC)

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

4. 水素以外を燃料として利用する燃料電池

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