燃料電池

 燃料電池とは、水素と酸素の化学反応(水の電気分解の逆反応)により、電力と熱を発生させる技術である。発電の際、発生するものは水のみであり、二酸化炭素は発生しない。また燃料電池自体には駆動する部分がないため、騒音・振動等もなく、きわめて環境に良い発電であるが、水素が必要であり、多くの場合、天然ガスの改質により水素を製造する。ただし、自動車設置用の燃料電池の場合は、ガソリン改質による製造が多い。
 下図に示す通り、燃料電池は、事業所や自動車用のエネルギー源としてだけでなく、家庭用の分散エネルギー源として利用すれば、大規模な発電所を建設しなくとも各家庭レベルで電力負荷に対して柔軟に対応できるようになる。さらに、携帯用パソコンの電源などとしても利用できることから、今後の広範な応用が期待されている。

燃料電池 概念図

燃料電池 概念図
出典:中央環境審議会地球環境部会(第51回)配付資料「経済産業省ヒアリング追加説明資料」(燃料電池の導入促進)
http://www.env.go.jp/council/06earth/y060-51/mat03-6.pdf

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1.背景

1)燃料電池の開発経緯

 燃料電池の原理は、水の電気分解で水素と酸素が生じる反応の逆反応を行わせ、水素と酸素から水を作る際に電気を得るものである。
 燃料電池は、宇宙船用のエネルギー源として、1960年代からNASA(アメリカ航空宇宙局)で研究が進められ、アポロ宇宙船にも搭載された。これは、燃料電池が水素と酸素から水を生じるというクリーンな反応を利用するため、宇宙船内での汚染の問題が生じないこと、生じた水を飲料水としても利用できることが大きな理由であった。
 その後、燃料電池の一般利用は進まなかったが、1990年代に入り、環境問題への関心が高まる中、燃料電池の環境保全効果に大きな期待が集まり、研究開発も活発化した。燃料電池の環境面のメリットとしては、発電の段階では燃焼過程がないため排ガスを生じないこと、従来の発電よりも高効率で、排熱を利用したコージェネレーション等により総合効率をさらに高められること、その結果、省エネルギーと二酸化炭素の排出削減につながることがあげられる。
 燃料電池は、近年では工場、自動車、家庭用に開発が進められ、既にリン酸形燃料電池(PAFC)が実用化されているほか、他の種類の燃料電池の開発も進んでいる。また、将来はパソコンなどの小型機器の電源としても利用できると期待されている(図1)。こうしたことから、燃料電池は新しい産業分野として、雇用拡大への寄与も期待されている。
 なお、燃料電池のうち自動車用燃料電池については、別稿「燃料電池車」で取扱い、ここでは、それ以外の分野で利用される燃料電池について述べる。

図1 燃料電池 概念図

図1 燃料電池 概念図
出典:中央環境審議会地球環境部会(第51回)配付資料「経済産業省ヒアリング追加説明資料」(燃料電池の導入促進)
http://www.env.go.jp/council/06earth/y060-51/mat03-6.pdf

2)燃料電池の特徴

 前述した通り、燃料電池のメリットとしては、二酸化炭素排出削減につながるクリーンな燃料としての環境問題への貢献があげられるが、エネルギー源の多様化と分散型電源の利用促進の面からもメリットが大きい。
 分散型エネルギーシステムは、従来型の大規模発電所による集中的な発電システムとは異なり、工場や各家庭など、それぞれのエネルギーの需要側で小規模な発電を行うシステムであり、そのためのエネルギー源は分散型電源と呼ばれる。これまでの集中型の発電システムでは、遠隔地にある発電所から送電線を引いて長距離にわたって電力を供給するため、大規模な送配電のインフラ整備が必要になり、送電ロスも大きいが、分散型エネルギーシステムではこうした問題は生じない。また、分散型エネルギーシステムでは、発電の際の排熱をそれぞれの需要家のニーズに応じて有効利用することが可能になる。このほか、電源が分散することによる大規模停電への対応力の向上といったメリットもある。このような分散型電源を組み合わせて、地域レベルの小規模な電力供給を行うシステムはマイクログリッドと呼ばれている(図2)。
 一般的に火力発電は小規模になると効率が低下するが、燃料電池は小規模であっても一定の効率を達成できるため、分散型エネルギーシステムの要素として非常に有効と考えられる。

図2 マイクログリッドによる分散型エネルギーシステムのイメージ

図2 マイクログリッドによる分散型エネルギーシステムのイメージ
出典:新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)「よくわかる!技術解説 新エネルギー/分散型エネルギー」
http://app2.infoc.nedo.go.jp/kaisetsu/neg/neg07/index.html

2.技術の概要

1)燃料電池の原理

 燃料電池の原理は水の電気分解の逆反応である。その直流電気発生のメカニズムを図3に示す。

-アノード(電池のマイナス極)で、白金の触媒作用により、水素(H2)が水素イオン(H+)と電子(e-)に分解する(酸化反応)。 H2→2H++2e- 
この際、水素イオンは電解質を通ってプラス極へ、電子は電線を流れてプラス極へ移動する(直流電流が流れることに相当する)。
-カソード(電池のプラス極)で、空気中に含まれる酸素(O2)と電解質を通ってきた水素イオン及び電線からきた電子が反応し、水を生成する(還元反応)。 1/2O2+2H++2e-→H2O

図3 燃料電池の概念図

図3 燃料電池の概念図
出典:燃料電池実用化推進協議会「燃料電池について」
http://www.fccj.jp/index0.html

 燃料電池の方式によっては、電解質を移動するイオンが水素イオンの代わりに、炭酸イオン(CO32-)、酸素イオン(O2-)となる場合があるが、アノードからカソードへ電線を通って電子が流れるという原理は同じである。なお、触媒の白金は、高価であることに加えて、一酸化炭素によって活性を失う(被毒)という課題がある。

 以上のメカニズムから、燃料電池としての3大要素としては次のものが挙げられる。

  1. 水素燃料の供給(水素を使用しないMCFC型では必須ではない)
  2. 電解質の存在
  3. マイナス極での酸化反応の条件成立(作動温度および酸化反応触媒)

 このうち、2と3の電解質と作動温度によって、燃料電池は次の4種類に分類される。次節ではこれらの4種類の燃料電池について説明する。

  • リン酸形燃料電池(PAFC: Phosphoric Acid 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)
  • 固体高分子形燃料電池(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)

(2)水素ガスの供給
 水素を使用する燃料電池では、水素をいかに供給するかが重要なポイントとなる。代表的な水素の供給法は、水素を含む化石燃料(天然ガス、石炭等)から水素を得るプロセスである。
 天然ガスの改質は、触媒表面で天然ガスと水蒸気を反応させ、水素を分離するプロセスである。
 石炭ガス化は、石炭に酸素、空気、水蒸気等を接触させて、水素や一酸化炭素、メタン等のガスを得る技術で、クリーンコールテクノロジーの一種である(詳細はクリーンコールテクノロジーの解説を参照されたい)。この過程で得られた水素を燃料電池に供給することができる。
これ以外の水素供給方法としては、バイオマスを直接ガス化する研究やバイオマスのメタン発酵で得たメタンから水素を分離する研究、風力発電で得たエネルギーから水素を製造する研究などが行われている。

2)燃料電池の種類

(1)リン酸形燃料電池(PAFC)
 リン酸形燃料電池は、リン酸水溶液を電解質とし、作動温度は150℃~200℃、発電効率は36%~38%である。各方式の中で、最も実績が長く、わが国では1981年に新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の研究開発が開始されている。図4に示すように定置型として用いられるが、同じ重量、容積では他の種類の燃料電池よりも出力が劣るので、移動型には用いられない。
 燃料電池では最も早く実用化され、1980年代から1990年代にかけて公的研究機関や電力会社、ガス会社、各種工場に200台以上が導入された。高価な白金触媒を使用するため、コストが高いのが課題で、広く普及するには至っていない。

図4 リン酸型燃料電池によるオンサイト型1MWプラント

図4 リン酸型燃料電池によるオンサイト型1MWプラント

(2)溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)
 炭酸リチウム・炭酸ナトリウムの混合物を溶融させたものを電解質とし、水素イオンの代わりに、炭酸イオンを用いる。作動温度は650℃~700℃、発電効率は、40%~50%である。アノードはニッケル(Ni)を用いており、アノード、カソードでの反応は以下のように表される。アノードではニッケルの触媒作用により、水素と炭酸イオンが反応し、このときに電子が奪われ、この電子がカソードに与えられる。カソードでは酸素と二酸化炭素が与えられた電子を受け取って炭酸イオンが生じる。

-アノード H2+CO32-→H20+CO2+2e-
-カソード 1/2O2+CO2+2e-→CO32-

 MCFCでは、排熱が高温であるため、排熱利用と組み合わせたトータルなシステムを設計することによりエネルギー効率を向上させることができる。排熱利用と組み合わせた有望なシステムとしては、高温の排ガスを回収してガスタービンや蒸気タービンを回して発電を行なうコンバインドサイクル発電があげられる。現在はまだ実証試験段階であるが、250kW級から火力発電代替用の数万kW級までの用途が想定されている。実際のシステムでは、下図に示すような多孔式の電極板と電解質板の組み合わせ(セル)が多数集積したスタックと呼ばれるユニットが用いられる。
 高温で動作し、腐食性のある電解質を用いるため、耐久性の向上が実用化の課題である。そのためには、電極の多孔式構造を長期間保持することが必要になることから、耐腐食性の電極板の開発等が進められている。なお、ニッケル触媒は一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に酸化するため(シフト反応)、白金触媒とは異なり、一酸化炭素が燃料中に含まれていても問題はない。したがって、石炭ガス化による一酸化炭素を含むガスも使用することができる。ただし、石炭ガス化ガスを用いる場合、硫黄やばいじん等の不純物に対するさらなる耐久性向上も必要である。

図5 MCFCスタック及び電極構造

図5 MCFCスタック及び電極構造
出典:電中研レビュー第51号「燃料電池発電技術(MCFC 実用化への挑戦)」
http://criepi.denken.or.jp/jp/pub/review/No51/

(3)固体酸化物形燃料電池(SOFC)
 固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質として酸素イオン伝導性を示す固体酸化物を利用する。電解質としてはセラミックスであるジルコニアを用いるのが一般的で、作動温度は700℃~1,000℃、発電効率は45%~60%である。固体電解質を用いるため、他の燃料電池のような薄膜状の電解質板構造をとる必要がなく、大型化が可能になる。
 SOFCのメリットとして、高温の排ガスを利用して外部熱源なしに天然ガスを改質して水素製造を行うことができる。また、高温反応であるため、高価な白金触媒を用いることなしに電池反応を起こすことができる。さらに、電池内でシフト反応を行うため、石炭ガス化ガス等、一酸化炭素が元々の燃料中に含まれていても問題はない。日本が蓄積してきたセラミックス技術を活用できるというメリットもある。
 SOFCはまだ実証試験段階であり、排熱を有効に利用できるようなトータルなシステムの設計が重要である。具体的な利用用途としては、小型用(1kW)から火力発電代替用の数万kW級までの用途が想定されている。民生用では、下図に示すように、ガスエンジン給湯器や固定高分子型燃料電池と役割を補完しながら、電力需要の多い住宅を中心に導入されるものと期待されている。
高温で動作するため、長期的に安定して発電するためには材料の耐久性向上が必要であり、信頼性確保のために実証データの蓄積が進められている。また、機器の立ち上がりが遅く、高温を維持するための機構や人に対する安全性の確保も必要になる。

図6 固体酸化物形燃料電池(SOFC)の特長

図6 固体酸化物形燃料電池(SOFC)の特長
出典:中央環境審議会地球環境部会(第51回)配付資料「経済産業省ヒアリング追加説明資料」(燃料電池の導入促進)
http://www.env.go.jp/council/06earth/y060-51/mat03-6.pdf

(4) 固体高分子形燃料電池(PEFC)
 固体高分子膜を電解質とし、作動温度は70℃~90℃である。発電効率はメタノール・天然ガス等の改質ガスを用いた場合30%~40%である。アノードには白金を用いており、白金触媒は低温で水素分子を水素イオンに変換する。作動温度が低いため、取扱が容易で運転操作性が優れる。また、電流密度が高いため、小型軽量化が可能であり、小規模電源や、移動用電源に適している。さらに、電解質が固体高分子膜であるため、電解質の散逸の問題がなく、保守性も容易である。
 システムの構造は、図7に示すとおり、薄膜状の電解質膜の両側に電極が配置され、さらにこれらがセパレータと呼ばれる隔壁に収納されて1つのセルを構成する。これらのセルがさらに集積してスタックを形成する。
 一方、固体高分子形燃料電池の課題としては、白金を代替する新たな材料の開発、電解質膜の改良による耐久性の向上があげられる。
 白金触媒は、燃料ガスの一酸化炭素による被毒作用があるため、改質ガス中の一酸化炭素の除去管理が厳しく要求される。したがって、石炭ガス化ガスなど、一酸化炭素を多く含むガスの利用が困難である。また、特にカソードでは酸化還元反応の速度が遅いことから、大量の白金触媒が必要とされ、白金使用量が増加するが、白金は希少金属であることから、その利用は資源量の制約も受けることになる。
 このような背景から、白金触媒の使用量を極力低減するための研究や代替材料の研究が進められている。白金の使用量を低減するには、ルテニウム等との合金化による触媒活性の向上や合金を微粒子化することによる表面積の拡大が進められている。白金の代替材料としては、ルテニウム系合金や鉄、ニッケル、コバルト系の合金などの開発が行われているほか、ナノメートルレベルの微細な中空球殻状の炭素構造の中に鉄、コバルト、ニッケルなどの遷移金属錯体を添加したカーボンアロイと呼ばれる新素材も研究されている。

図7 固体高分子形燃料電池(PEFC)の構成例

図7 固体高分子形燃料電池(PEFC)の構成例
出典:中央環境審議会21世紀環境立国戦略特別部会(第9回)配付資料「美しい星へのいざない」(革新的技術開発)
http://www.env.go.jp/council/32tokubetsu21c/y320-09/mat02-1-2.pdf

3.普及促進の取組み及び導入事例

1)環境省の取り組み

 環境省では「地方公共団体対策技術率先導入補助事業」において、燃料電池コージェネレーションを含む二酸化炭素排出削減事業に対して補助を行っている。燃料電池コージェネレーションの具体例を図8に示す。このシステムでは、都市ガスから水素を製造して燃料電池による発電を行い、燃料電池の排熱から温水を製造して床暖房、風呂の給湯等を行う。このように燃料電池をシステムの中心にすえて、電力と熱を供給することにより、民生部門(住宅)の二酸化炭素排出を大幅に削減することができる。

図8 燃料電池コージェネレーションシステム

図8 燃料電池コージェネレーションシステム
LPG:液化石油ガス、H:水素、FCスタック:燃料電池スタック、
DSM::デマンドサイドマネジメント(電力需要の需要側管理)、PM:パワーマネジメント(電力の管理)
出典:中央環境審議会 総合政策部会 環境と経済の好循環専門委員会(第2回)配付資料 (作成:松下電器産業(株))
http://www.env.go.jp/council/02policy/y024-02/mat_02_3.pdf

2)廃棄物からの水素エネルギー製造

 有機系の廃棄物は、石油などの有用な物質と同様に、主に炭素や水素などの元素からできている。国立環境研究所では、廃棄物を資源と考え、廃棄物から水素をとり出して利用する研究を進めている。このシステムでは、木質、廃プラスチックなどの燃やせる廃棄物を熱分解ガス化して水素を取り出す。また、生ごみなど水分が多く、焼却に不適な廃棄物からはメタン発酵によりメタンを取り出し、改質して水素に変換する。こうして生成した水素を燃料電池に供給して、エネルギー源として利用する。
 このようなシステムが普及すれば、廃棄物等のバイオマス資源からの水素エネルギー生産システムとして、循環型社会と低炭素社会の確立に貢献することになると期待される。

図9 ゴミから水素を製造するしくみ

図9 ゴミから水素を製造するしくみ
出典:国立環境研究所「ふしぎを追って-研究室の扉を開く- ゴミ(4)水素エネルギーを作り出す」
http://www.nies.go.jp/kenkyusaizensen/2005-2006/050817.html

3)メタン発酵燃料電池導入(サッポロビール)

 サッポロビール(株)の千葉工場(千葉県船橋市)では環境対策を重視しており、ゴミゼロ・再資源化100%を達成しているほか、二酸化炭素の排出削減と再生可能エネルギーの活用の観点から燃料電池や太陽光発電を導入している。同工場のシステムは、ビール製造の廃液をメタン発酵させて、メタンガスを取り出し、さらにそれを水素に変換して燃料電池に供給している(図10、図11)。このようなシステムは、2)で述べた廃棄物からのエネルギー生産システムの実施例と言うことができる。

図10 サッポロビール(株)におけるメタン発酵燃料電池システムのフロー

図10 サッポロビール(株)におけるメタン発酵燃料電池システムのフロー
出典:環境省 燃料電池活用戦略検討会「バイオマス資源の有効利用に資する燃料電池活用戦略」
http://www.env.go.jp/earth/report/h15-01/06_3.pdf

図11 サッポロビール(株)千葉工場

図11 サッポロビール(株)千葉工場
出典:環境省 燃料電池活用戦略検討会「バイオマス資源の有効利用に資する燃料電池活用戦略」
http://www.env.go.jp/earth/report/h15-01/06_3.pdf

4)超小型のマイクロ燃料電池の開発

 本稿では燃料電池の大規模な用途を中心に紹介してきたが、燃料電池は小型でも効率良くエネルギーを得ることができるため、パソコン、携帯電話等の電源としても期待されている。下図に超小型のマイクロ燃料電池の例を示す。この例では、微細なセラミックス管を用いて角砂糖大に集積した小型高出力密度の燃料電池(SOFC)集積体(キューブ)を開発した。
 燃料電池は、空気中の酸素を利用することができるため、現在ボタン電池として使用されている亜鉛空気電池などを代替・補完する新しい用途が開発されることも期待される。

図12 超小型燃料電池の開発例

図12 超小型燃料電池の開発例
(写真提供:(独)産業技術総合研究所、ファインセラミックス技術研究組合、日本特殊陶業(株))
左から順に:1cm角キューブ :2mm径チューブ  0.8mm径チューブ
出典:(独)産業技術総合研究所 プレスリリース(2007年3月29日)
http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2007/pr20070329/pr20070329.html

引用・参考資料など

(2009年6月現在)