燃料電池とは

「水素」と「酸素」を化学反応させて発電する『燃料電池』

燃料電池とは?

「水素」と「酸素」を化学反応させて、直接「電気」を発電する装置です。「電池」という名前はついていますが、蓄電池のように充電した電気を溜めておくものではありません。燃料電池の燃料となる「水素」は、天然ガスやメタノールを改質して作るのが一般的です。「酸素」は、大気中から取り入れます。また、発電と同時に熱も発生しますので、その熱を活かすことでエネルギーの利用効率を高められます。

『燃料電池』のしくみ

水の電気分解と発電の仕組み

外部から供給された水素分子(H2)は、マイナスの電極内にある触媒に吸着され活性な水素原子(H-H)となります。この水素原子は、水素イオン(2H+)となり2個の電子(2e-)を電極へ送り出します。この電子は外部回路を通って反対側のプラスの電極に電流として流れます。プラスの電極では、外部から供給された酸素分子(O2)が外部回路から戻ってきた電子を受け取り酸素イオン(O2-)となります。一方マイナス電極で電子を取られてプラスの電荷を帯びた水素イオン(2H+)は、電解質を伝ってプラスの電極に移動し、マイナスの電荷を帯びた酸素イオンと結合し水(H2O)となります。

水の電気分解と発電の仕組み

燃料電池の基本構成

燃料電池の構成単位をセル(単電池ともいいます)といいます。セルは平たい乾電池のようにプラスの電極板(空気極)とマイナスの電極板(燃料極)が固体高分子膜(電解質膜)をはさんだ構造をしています。空気極と燃料極には数多くの細い溝が掘られていて、ここを外部から供給された酸素(空気:酸素は空気中に約20%含まれています。)と水素(都市ガスの原料である天然ガスを分解して水素が得られます。)が通ることによって、反応が起こります。水素は電解質膜と接する面まで入り込んで、電子を遊離して水素イオンとなり、電子は外に出て行きます。電解質膜中を移動した水素イオンは、反対側の電極に送られた酸素と外部から電線を通じて戻ってきた電子と反応して水になります。この電子とイオンに分かれるところが燃料電池の原理の重要な点です。電子が電線を移動することは、電流が流れること、すなわち電気が発生することになるのです。

セルの基本構成図

「燃料電池」はいろいろな用途がある夢のエネルギーです。

燃料電池は、大型のものは発電施設として、中規模のものは地域コミュニティやオフィスビルなどに、小規模なものは家庭などに備えつけられて、電気と熱を供給できます。さらに小型のものは、自動車や船舶などの駆動源に使えます。さまざまな場所で燃料電池が活躍できるよう、さらなる技術開発と普及に向けた標準化などが進められています。

メリット1
電気と同時に熱も利用できるので、総合エネルギー効率が高くなります。
メリット2
発電の際には水しか排出されず、振動も騒音もありません。
メリット3
都市ガス、メタノールなどの燃料や水の電気分解など、さまざまな方法で燃料となる水素を取り出すことができます。

燃料電池自動車

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