環境技術解説

※掲載内容は2021年8月時点の情報に基づいております。
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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、家庭用で実用化が進んでいる。2009年には家庭用燃料電池（エネファーム）が市場投入され、2020年12月には累計約34万台導入されている。また、パソコンやスマートフォンなどの小型機器の電源としても利用できる（図1）。

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
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）

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。燃料電池は燃料である水素と、空気中の酸素との電気化学反応から電気エネルギーを直接取り出すため発電効率が高い。また、電気と熱の両方を有効利用することで、さらに総合エネルギー効率を高めることが可能である。

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。また、分散型エネルギーシステムにおいても、従来型のガスコジェネなどでは燃料を輸送する必要があり、物流に係るエネルギー・コストを要するが、地域のエネルギーを利用する場合においては、この影響が軽微となり、分散型システムにメリットが生じる。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。

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
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」

一方で、将来的には、太陽光発電で発電した電気で水を電気分解して水素にして貯蔵し、その水素を再び電気として使用することが考えられるが、その場合のエネルギーロスが、蓄電池の充放電と比べて大きくなることが懸念される。また、前述したとおり、分散型エネルギーシステムでは送電ロスは少なくなるが、水素の運搬に係るエネルギー消費も忘れてはならない。例えば、地域の太陽光発電により水素を生産するのであれば、運搬に関わるエネルギー消費は軽微であるが、海外から水素を輸入するようなケースでは、運搬に大量のエネルギーを要する。

そのため、日々使用する電気は蓄電池を活用し、貯蔵性の高い水素はローカルなエリアで非常時に備えたエネルギーとして活用するなど、特性を踏まえた使い分けが望まれる。なお、蓄電池など電力の貯蔵については「電力貯蔵技術」の解説を参照されたい。

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　燃料電池の仕組み

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（CO₃^2-）、酸素イオン（O^2-）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。

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分類され、次の4種類が代表的な燃料電池である。次節ではこれらの4種類の燃料電池について説明する。

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。

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。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方法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方法、再生可能エネルギーで得たエネルギーから水素を製造する方法などがある。2020年2月には福島県浪江町に太陽光などの再エネによる水の電気分解で毎時1200Nm³（１Nm³は標準状態で1m³のガス量のこと）の水素を製造可能な「福島水素エネルギーフィールド」が完成している（図4）。

水素は、製鉄において鉄鉱石（酸化鉄）から酸素を取り除くプロセスで炭素による還元の一部を水素による還元に置き換えるといった用途で使用することが期待される他、さまざまな化学プロセスや、アンモニアの合成など多くの用途で使用される。そのため再エネ由来の水素をエネルギー用途として活用することが、必ずしも優先順位が高いとはいえない。

図4　福島水素エネルギー研究フィールド（FH2R）
出典：新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）ニュースリリース（2020年3月7日）

３）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35%～42%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5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。

図5　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＋CO₃^2-→Ｈ₂０＋CO₂＋2e^-
－カソード　1/2O₂＋CO₂＋2e^-→CO₃^2-

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。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6　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）」

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40%～65%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。

家庭用・業務用の1～10kW級としても開発され、2011年10月にはJX日航日石エネルギーがSOFC型エネファームを発売している。SOFCの場合、装置の構成がPEFCよりシンプルで、小型化や大幅なコストダウンが可能であり、且つ燃焼ガスをガスタービン発電や蒸気発電に利用することで高い総合発電効率を得られるとされ火力発電所の代替などの用途で期待されている。2019年には京セラ（株）らがそのセラミック技術等を活かし、世界最小サイズの定置型家庭用燃料電池コージェネレーションシステムを発売。また大阪ガス（株）等とともに発電効率・耐久性が向上させた製品も販売している。

図7　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）

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。作動温度が低く取扱いが容易で運転操作性が優れ、材料も安く抑えられる。また、電流密度が高く、電解質が薄い膜なため、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8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。

図8　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）

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日清紡HDと群馬大学が開発したカーボンアロイが2017年にカナダのメーカーに採用された。ただし、カーボンアロイも製造プロセスにおいて高温での焼成や酸処理を必要とするため、コストがかかることが課題であった。2019年には東北大が「鉄フタロシアニン系有機金属錯体」非白金酸素還元触媒の作製に成功するなど、世界各国で非白金触媒の開発が進められている。

４．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「地域連携・低炭素水素技術実証事業」において、水素の本格的な利活用を進めるため、国内において低炭素な水素サプライチェーンの実証を行っている。

図9に示すように水素の利活用による脱炭素化のためには、利用時のみでなく製造時や貯蔵・輸送時なども含め、一貫した取り組みが必要である。同省では、風力発電・家畜ふん尿由来のバイオガスから製造した水素、苛性ソーダ工場から発生する未利用の副生水素などそれぞれの地域資源を使った水素によりサプライチェーン構築を推進している。

図9　脱炭素化にむけた水素サプライチェーン
出典：環境省「地域連携・低炭素水素技術実証事業」

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は、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への選択肢を増やすことが期待される。

九州大学などはベトナム・メコンデルタ地方の農村部でSOFCを核とする「低炭素エビ養殖システム」の実証を行い、エビ養殖池ヘドロや稲わら、ココナッツの搾りかすを資源とした高効率発電に成功している。また、下水汚泥からの水素製造も以前より注目されていたが、2020年に東京都と民間企業5社で、プラントの製作コスト削減・量産化に向けた共同研究に着手した。

図10　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」

有機系の廃棄物は、生ごみのような水分含有率が高いものから、木くずなど貯蔵性の高いものまで多様である。木くずなどの木質系バイオマスについては、水素に変換しなくてもバイオマス発電（直接燃焼）の用途に使用できる。また湿潤系のバイオマスについては、発酵技術によりメタンやエタノール等を生成し燃料とする方法もある。詳しくは、「バイオマス発電」の解説を参考にされたい。

３）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、スマートフォン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11　超小型燃料電池の開発例
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：産業技術総合研究所　プレスリリース（2007年3月29日）

引用・参考資料など