従来の蓄電池や充電池とはまったく異なる性質を持つ“燃料電池”が、様々な業界で注目を集めています。まだまだ燃料電池は普及途上ですから、どのような電池なのか、よく知らない方も多いかと思います。
そこで、詳しい仕組みや種類、メリットおよびデメリットについて、この記事で解説していきます。今後の社会では、燃料電池が欠かせない社会になると予測されているため、ぜひ一読してもらいたいです。
燃料電池の仕組みについて解説
燃料電池がどんな発電装置かというと、水素と酸素を化学反応させることで、直接電池を作り出す仕組みです。たとえば火力発電は、エネルギーを燃焼してタービンを回す方式のため、摩擦熱などロスがどうしても生じてしまいます。対して燃料電池は、化学反応から直接的に電気を得られるところが、大きなポイントです。
冒頭でもお伝えしたとおり、燃料電池は一般的に市販される蓄電池や充電式電池とは大きく異なるものです。電気を溜めておく働きはなく、化学反応を発生させるために燃料と酸素を随時供給する必要があります。酸素は空気中から取り入れるので問題ありませんが、水素をどのように安定供給するかが課題の一つです。
燃料電池に欠かすことができない水素は、天然ガスやLPG、メタノールなどを改質する方法が主流です。ただし、将来的には再生可能エネルギーによる電気分解やバイオマス発電を採用する動きになると見込まれます。
ここからは、燃料電池の構造に関して、具体的に見ていきましょう。外部から水素が供給されると、燃料極にある触媒の働きでプロトン（水素イオン：H+）と電子（e-）に分かれます。電子（e-）は、電極へと送り出され、プロトン（H+）は電解質膜を通って他方の電極（空気極）に移動します。送り出された電子を空気極へ移動させる外部回路をつなげると、電流が流れて発電する仕組みです。同時に空気極では、外部から供給された酸素がプロトンと結合して水を生成します。発電と同時に熱も発生するため、その熱を活用するとエネルギー効率が上がるのです。
燃料電池の種類はどのようなものがあるの？
燃料電池はいくつかの種類があり、区別する要素は電解質の素材や用途です。以下、主な4つの燃料電池について説明していきます。
●固体高分子型燃料電池（PEFC）
電解質に固体高分子膜（イオン交換膜）を使用しており、70〜90℃という他種より低い作動温度で運用します。発電効率は、改質したガスを用いる場合30%～40%です。また、電極には白金を用いることが多いです。小型でコンパクトなため、燃料電池自動車や家庭用エネファーム、携帯機器などに搭載されています。
白金は希少金属であり、大量生産が難しいという問題点も存在します。さらに白金の触媒は、メタノールなど燃料ガスの一酸化炭素による被毒作用が起こり、改質ガス中の一酸化炭素を除去しなければなりません。そのため、白金の代替材料の研究が進められています。
●リン酸型燃料電池（PAFC）
電解質にリン酸水溶液を使用し、発電効率は35〜42％です。作動温度は150℃～200℃で、発電出力は最大1,000kW程度です。4種類のうち最も歴史が長く、1980年代に研究開発が開始しました。
下記の溶融炭酸塩型燃料電池や固体酸化物型燃料電池と比較して面積あたりの出力が劣るため、移動用ではなく定置型として利用されることが多いです。主な用途として、電力やガス会社をはじめ、病院、ホテル、ビル、食品工場、半導体工場など業務用の施設で多数導入されています。
●溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）
電解質に炭酸リチウムや炭酸ナトリウムの混合物を溶融させたものを電解質に使用します。そして、水素イオンではなく、炭酸イオンを用いるのも特徴です。作動温度は約650℃～700℃、発電効率はおよそ40～50％、発電出力は1〜10万kWです。
高温で作動するため、エネルギー効率を向上させることが可能であり、火力発電など高出力発電設備の代替としての活用が期待される電池です。工場や発電施設のほか、海外では一部の水道公社が試験的に導入し始めています。
●固体酸化物型燃料電池（SOFC）
電解質にセラミックスであるジルコニアを使用するもので、固体電解質となります。作動温度は700℃～1,000℃、発電効率は40%～65%です。発電出力が1〜10万kWと大きく、家庭用や自動車向けの開発が進められています。白金触媒が無くとも電池反応を起こすことができ、セラミックス技術は日本企業に強みがあります。さらなるコストダウンや小型化が期待されています。
燃料電池のメリット、デメリットを解説
燃料電池には、従来の電池にはない様々なメリットがありますが、デメリットもあわせて確認していきましょう。
●メリット① 環境への負荷が少ない
燃料電池は発電の際、水しか排出しません。環境破壊の原因として問題になっている二酸化炭素(CO2)や窒素酸化物(NOｘ)、硫黄酸化物(SOｘ)、粒子状物質(PM)などを大気中に放出せず、地球温暖化防止につながります。
●メリット② 効率性が高い
発電時には、電気と同時に熱も生み出します。この熱もエネルギーとして用いれば、最大80％以上という高いエネルギー効率が期待できるのです。この数値は、大規模な火力発電所をしのぐ水準とされ、燃料電池の普及を目指す大きな理由に挙げられます。
●メリット③ 騒音を出さない
化学反応で発電するため、エンジンやタービンを使用しません。そのため、振動や騒音の心配がほぼ不要ですので、ビルの内部や市街地にも設置可能です。家庭用エネファームにも多く搭載されています。
次に、デメリットとして挙げられる点を紹介します。
●デメリット① コストが高い
まだコモディティ化していない燃料電池は、どうしても値段が高くなってしまいます。一般家庭用の燃料電池、燃料電池自動車など、いずれもコストがかかり、一般的に広く普及するのは現時点だと厳しいと言わざるを得ません。国や自治体の補助金だけでなく、生産技術の向上によるコスト低下も求められます。
●デメリット② 寿命が長くない
2024年時点で、燃料電池の平均寿命はおよそ10年です。価格が高い割には長持ちしないと思って、手を出しにくい方もいるでしょう。ただし、寿命が12年以上といった耐久性のある燃料電池も研究開発されているので、今後寿命が伸びる可能性は十分あります。
まとめ
燃料電池は、水素と酸素の化学反応から電気を作り出すという、これまでの電池の概念を大きく変えた装置です。全世界的にカーボンニュートラル社会を目指す動きが活発化していますから、二酸化炭素などの有害物質を排出しない燃料電池が脚光を浴びるのは、当然の流れではないでしょうか。用途も幅広く、一層の普及が望まれますが、コストの壁など解決すべき課題も残されています。皆さんの身近なところでも、燃料電池を使用するものが増えていくはずです。ぜひ気にかけてみてください。
