燃料電池の特徴と原理、その応用
燃料電池とは
燃料電池の特徴
燃料電池は、一次電池や二次電池（詳しくは別の記事にまとめる）と同じく、化学反応によって電気エネルギーを取り出す「化学電池」に分類される。
燃料電池が一次電池や二次電池と異なるところは、「電気を貯める」のではなく「電気を作り出す」電池であるということ。
燃料となる物質（水素）を使い、酸素との化学反応によって電気エネルギーや熱エネルギーを取り出すことができる。反応において生じるのが水だけであることが特徴である。
燃料電池の用途
燃料電池は、大きく分けると以下の2つとして用いられる。
・燃料電池自動車
・定置用燃料電池
燃料電池自動車
燃料電池を利用した自動車は、水素と空気中の酸素の化学反応によって電気エネルギーを発生させて走行する。
走行時に排出するのは水だけであり、地球温暖化の原因となる二酸化炭素CO2などの有害物質を排出しない「エコカー」として注目される。
その他、振動が少ない、走行が静かである、ガソリン車の2倍のエネルギー効率を持つなどのメリットがある。
一方、燃料電池自動車には以下のような課題がある。
・水素ステーションがガソリンスタンドほど普及しておらず、充填が不便
・高価な金属触媒である白金が使用されているため、自動車の価格が高い
定置用燃料電池
定置用燃料電池は、家庭や産業施設に設置する発電装置として使用される。
例えば、家庭用燃料電池システムでは燃料（都市ガス、LPガス）から作られる水と、大気中の酸素により発電する。
また、発電するときに発生する熱を取り出すこともできるため、お湯や暖房など必要に応じて様々な用途に利用することができる。
燃料電池の基本構造
ここでは固体高分子形燃料電池の基本構造についてまとめる
基本的な構成は「触媒層」、「電解質膜」、「ガス拡散層」とその外側に設置されている「セパレーター」である。
触媒層
2つの触媒層はそれぞれ「燃料層（アノード）」と「空気層（カソード）」と呼ばれることもある。触媒層は主に白金微粒子とカーボンで構成されている。
アノードでは水素の酸化反応が起こり、電子とプロトンが生じる。
カソードでは外部から酸素を取り込み、アノードにおける酸化反応で生じた電子とプロトンとの還元反応によって水を生じる。
電解質
電解質はイオンのみを通すという性質を持ち、アノードの酸化反応によって生じたプロトンをカソードの方へ伝達する重要な役割を担う。
電解質の性能は燃料電池の性能を左右するものであることから、プロトン伝導性、耐久性、ガスの低透過性が求められる。
ガス拡散層
触媒層への水素や酸素の供給、カソード側における還元反応で生じた水をセパレーターへ排出、集電の役割を担う。
多孔質素材（微細なすき間）でできており、水素や酸素が通って電極に供給される。
セルとセルスタック
画像引用元：http://www.ifs.tohoku.ac.jp/nanoint/jpn/about/contents5/index.html
燃料電池の基本構成単位を「セル」という。セルを積み重ねたものが「セルスタック」である。
燃料電池自動車では、数100枚のセルがスタックとして収納されている。
燃料電池の分類
燃料電池には反応温度が300℃以下の「低温形」と、それ以上の「高温形」がある。電解質の種類によって主に以下の4種類に分類される。
リン酸形燃料電池（PAFC）
リン酸水溶液を電解質として用いる。触媒には白金が使われ、作動温度が200℃の低温形である。
高温で動作させると電解質が蒸発しやすく電解液消失量が多くなるため、低温であることが重要な条件となる。
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したものを電解質とする。
600～700℃で動作する高温型である。電池自体の電圧が高いため、高温の排ガスを用いてガスタービンを動作させることもできる。
腐食性のある電解質を用いるため、耐久性が課題である。
固体酸化物形燃料電池（SOFC）
酸素イオンの透過性が高いイオン電導性セラミックスを電解質とする。
600～1000℃という高温で動作する。燃料には水素だけではなくメタンや一酸化炭素を使うこともできる。
固体電解質を用いるため、小型化することも大型化することも可能である。
空気極では酸素が電子を受け取り酸素イオンO^2-となる。燃料極では水素、一酸化炭素、メタンなどが供給され、空気極から移動してきた酸素イオンと反応する。
以下のような反応が起こる。
・空気極
O2 + 4e- → 2O^2-
・燃料極
H2 + O^2- → H2O + 2e-
CO + O^2- → CO2 + 2e-
CH4 + 4O^2- → CO2 + 2H2O + 8e-
固体高分子形燃料電池（PEFC）
イオン電導性を持つ高分子（イオン交換膜）を電解質とする。
常温で作動するため、立ち上がりにかかる時間を短縮できる。
また、電流密度が高く電解質が薄い膜であるため、小型化・軽量化が可能である。家庭用や自動車用など様々な用途に適していることから、現在期待されている燃料電池である。
PEFCの電解質膜には、アイオノマーである「ナフィオン™」がよく用いられる。アイオノマー（ionomer）とは「イオン（ion）」+「ポリマー（polymer）」のことである。高分子電解質であり、プロトン伝導体としての役割を持つ高分子電解質である。
また、電極基材と触媒を結着させる結着材としても用いられており、アノードではPtなどの金属触媒が担体のカーボン粒子に担持された状態でアイオノマーによって電極基材に固着される。
PEFCでは高価な白金触媒を用いるため、コストがかかるという課題が残っている。
燃料電池の原理
アノードにおける反応
アノードでは以下の酸化反応によってプロトンと電子が生じる。
H2 → 2H+ + 2e-
カソードにおける反応
カソードでは外部から供給された酸素と、カソード側の酸化反応によって生じたプロトンと電子の還元反応によって水が生じる。
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
酸化還元反応における触媒
画像引用元：http://www.material.tohoku.ac.jp/~kaimenb/research1.html
アノードとカソードでは、触媒が酸化還元反応を促進する。
触媒には主にカーボンに白金を担持させるカーボン担持白金ナノ粒子触媒が用いられる。つまり、カーボンを土台にして白金を固定化している触媒である。
触媒と律速段階
特に、カソードにおける還元反応は燃料電池における反応の「律速段階」である。律速段階とは、全体の反応の中で最も遅い反応段階であり、反応全体にかかる時間を左右する。
そのため、カソードでは反応を速めるためにアノードよりも多くの触媒を必要とする。
しかし白金は非常に高価であることから、ニッケルやコバルトと合金化したり、パラジウムをコア部分に使用したりすることで白金の使用量を減らす工夫がされている。
燃料電池の応用
バイオ燃料電池
燃料電池の燃料である水素を有機物に変更したバイオ燃料電池への応用が関心を集めている。
バイオ燃料電池では、高価な無機触媒である白金触媒の代わりに酵素が用いられるため、コスト削減が可能となる。
さらに、有機物と酵素という生体に無害な材料を用いるため、体内埋め込み型医療機器など医療分野での応用も期待できる。
参照
燃料電池のしくみ・特徴
https://www.energia.co.jp/energy/general/newene/newene3.html
水素事業燃 料電池自動車について
https://www.eneos.co.jp/business/hydrogen/fcv.html
燃料電池車（FCV）の仕組みとメリット・デメリット
https://www.goo-net.com/magazine/newmodel/car-technology/28371/#toc5
環境技術解説 燃料電池
https://tenbou.nies.go.jp/science/description/detail.php?id=4
簡単！わかる！燃料電池とFC-Cubicについて
https://www.fc-cubic.or.jp/about-fuelcells/
SOFC（固体酸化物形燃料電池）
https://www.tohogas.co.jp/corporate/approach/technologies/technologies-business/sofc/sofc-01/
電池の基礎シリーズ（１１）
https://www.neomag.jp/mailmagazines/topics/letter201308.html
燃料電池電極触媒
http://www.material.tohoku.ac.jp/~kaimenb/research1.html
燃料電池向けの高性能な非フッ素系電解質膜の開発に成功
https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100865.html#:~:text=%E3%81%93%E3%81%AE%E4%B8%AD%E3%81%A7%E9%9B%BB%E8%A7%A3%E8%B3%AA%E8%86%9C,%E3%81%8C%E6%B1%82%E3%82%81%E3%82%89%E3%82%8C%E3%81%A6%E3%81%84%E3%82%8B%E3%80%82
