燃料電池

燃料電池とは、水素や都市ガスなどの燃料と空気中の酸素とを化学反応させることによって得られるエネルギーを電力として取り出すような電池のことを指します。

前項までで扱った一次電池や二次電池との明確な違いとして、一次電池や二次電池は最初から蓄えられている分のエネルギーしか取り出せませんが、燃料電池は電池の外から燃料(水素や都市ガス)と酸素を供給することで、燃料電池そのものは何も消費せず、(理屈の上では)燃料が供給される限り継続的にエネルギーを生産し続けることができます。

燃料電池の化学反応式は多くの場合、以下のようになります。

これは水の電気分解の逆反応になっています。水を電気分解するためには結構なエネルギーを外から加えなければいけませんが、裏を返せば、水素と酸素を反応させて水にすれば、結構なエネルギーが取り出せるということになります。

また、この反応を起こしやすくするために、燃料電池の中には触媒(白金触媒)が入っていることが多いです。触媒とは、化学反応を起こしやすくする(活性化エネルギーを下げる)ためのもので、それ自身は反応によって消費されないため、上記の通り、燃料電池は燃料がある限りいくらでも動かし続けることが可能です。

以上が燃料電池の基本的な(かつ重要な)事項になりますが、もう少し詳しく書くと、燃料電池はいくつかの種類に分けられます。その代表例として、以下の3タイプを紹介します。

• 固体高分子形
• りん酸形
• 固体酸化物形

固体高分子形

固体高分子形は発電効率が低い(30～40%)ものの、小型化が容易であることから、家庭用などに用いられます。動作を始める温度は80～100℃と低いことも家庭用として使いやすい一因となっています。

このタイプでは、まず、改質器で燃料(都市ガスなど)から水素を発生させ、その水素を燃料極に送ります。燃料極で水素は電子を放出して水素イオンとなり、電解質の中を通って空気極に進みます。

この際に放出した電子が電流として負荷を流れることで、この燃料電池は直流電源として成立します。そして、空気極で電子を受け取って酸素と化合することで水が生成します(発熱反応なので、同時に熱も出ます)。

このタイプは、燃料電池の電解質にイオン交換膜を用いていることから、固体高分子形と呼ばれています。また、触媒には白金触媒を使います。

りん酸形

りん酸形の発電効率は固体高分子形よりも少し良く、40～45%程度です。動作温度は150～200℃と、こちらも固体高分子形よりも高くなっています。

こちらは工場やビルなどのオンサイト型(定置型)の電源として多く使われていて、実用化という面では今のところ最も普及しています。

仕組みとしては固体高分子形と同様で、燃料を水素にし、それをイオン化させ、酸素と化合して最終的に水となります。ちなみに、触媒に白金触媒を用いるのも一緒です。

固体高分子形と異なるのは、こちらは電解質にりん酸を用いているという点です。

固体酸化物形

固体酸化物形の発電効率はかなり高く、45～65%くらいあります。ただし、動作温度が700～1000℃とかなり高いため、電池の強度や耐久性の面で課題が残り、まだ普及しているとは言い難いです。

仕組みは上記の2タイプとは少し異なり、イオン化するのが水素ではなく酸素になります。つまり、最初、空気極にて酸素が電子を受け取り、酸化物イオンになります。次に、酸化物イオンが電解質の中を通って空気極から燃料極へと移動します。

そして、燃料極にて水素と反応して電子を放出することで水になります。この際に出た電子が電流として負荷を流れることで、直流電源としての役割を果たします。

また、このタイプは電解質に固体電解質(セラミックス)を用いています。高温のため触媒がなくても反応が進むので、触媒は不要です(白金触媒は値段が高いので、触媒不要はメリットになります)。