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新エネルギー＆再生可能ネルギー特集❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏❏

燃料

電池

1

新エネルギー & 再生可能エネルギー特集の第3弾

図1に代表的な例として、リン酸形燃料電池のセとして、5月号から「燃料電池」を連載します。 燃料

ル反応を示します。アノード（燃料電池では負極）電池は発電効率が高く、大気汚染の原因となる窒素に入った水素ガスは電極反応により水素イオンと酸化物、硫黄酸化物、粒子状物質の排出量が少ない電子に分かれた後、水素イオンは電解質（リン酸）等、今後の二酸化炭素排出量削減を含めた地球環境内を移動してカソード（燃料電池では正極）で酸素問題の解決のために有力な手段となり得ます。 そと反応し、水を生成します。この際、外部負荷中のため官民学が一体となって技術開発に取り組んでを電子が移動するため、電力を取り出すことがでいるところです。

きます。

しかしながら、コスト的に高いとか、耐久性が十分でないとか欠点もあり、これまで商業化という面

図 1 燃料電池の原理（リン酸形燃料電池の例）

では、業務用分野ではやや後れを取ってきましたが、民生用の家庭用分野では大規模実証試験などを経て、実用化への道が拓けてきました。これまでの取り組みを踏まえ、最新の開発状況もお伝えします。

1. 燃料電池の原理
燃料電池の基本原理は、水の電気分解の逆反応、つまり水素と酸素を反応させて電気と水を発生させるというものです。

図2

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燃料電池の構造（リン酸形燃料電池の例）

内発協ニュース／ 2011年5月号

ここで、燃料の水素ガスには、都市ガスや LP ガスを改質したもの、純水素そのものが使用されます。

（2）リン酸形燃料電池（PAFC）

単セルの運転電圧は0.6〜0.8V 程度であるため、実電解質としてリン酸水溶液をセパレーターに含浸際には複数のセルを直列に接続して電圧を高めて使させて用います。作動温度は200℃程度で、発電効率用することになります（図2参照）。

は約40%。固体高分子形（PEFC）と同様に白金を触媒としているため、燃料中に一酸化炭素が存在する

2. 燃料電池の種類と触媒の白金が劣化します。商用化も進んでおり、燃料電池は使用する電解質の種類によって主に4ンサイト用プラントが実用機として供給されていま

すでに出力50kW 級、100kW 級および200kW 級のオ種類の方式が研究されています（表1参照）。

す。多くのプラントが、開発目標寿命40,000時間を表1では左から作動温度の低い順に並べてありま超えて運転を続けており、なかには60,000時間を超すが、燃料電池は電解質の種類によりさまざまな特えて運転を続けているプラントも出てきています。

徴を有しているため、適用分野に関してはある程度のすみ分けがなされているとともに、開発状況もさ（3）溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）
水素イオンの代わりに炭酸イオンを用い、溶融まざまです。

した炭酸塩（炭酸リチウム、炭酸カリウムなど）を（1）固体高分子形燃料電池（PEFC）電解質として、セパレータに含浸させて用います。

フッ素系イオン交換膜を挟んで、正極に酸化剤を、そのため、水素に限らず天然ガスや石炭ガスを燃負極に還元剤（燃料）を供給することにより発電し料とすることが可能です。作動温度は650〜700℃ます。水素を燃料に用いる場合では、触媒に高価な程度です。常温では固体の炭酸塩も作動温度近傍白金を使用して、30〜40% 程度の比較的低い発電効では溶融するため、電解質として用いることがで率で発電します。起動が早く、作動温度も70〜90℃きます。
リン酸形（PAFC）に競合する選択肢として、出力と低いのが特長です。
実用化が最も進んでいますが、発電効率が低いた

250kW 級パッケージが市場に投入されつつありまめ、小型用途での発電使用が想定されています。触す。白金触媒を用いないため固体高分子形（PEFC）媒として使用される白金の使用量を減らすことと、やリン酸形（PAFC）と異なり、一酸化炭素による被電解質として使用されるフッ素系イオン交換樹脂の毒の心配がなく、排熱の利用にも有利です。火力発耐久性の向上とコスト削減が今後の課題です。

電所の代替電源としての用途が期待されています。

表１

燃料電池の種類

固体高分子形（PEFC）

リン酸形（PAFC）

溶融炭酸塩形（MCFC）

固体酸化物形（SOFC）

電解質

フッ素系高分子膜

リン酸水溶液炭酸リチウム、炭酸ナトリウム

安定化ジルコニア

作動温度70~90℃

200℃

650~700℃

650~1000℃

発電効率

30~40%

35~45%

45~55%

45~55%

排熱温度

60~70℃温水

167℃蒸気50~90℃温水

高温蒸気

高温蒸気

適用分野

移動用動力源
家庭電源

民生用コージェネ
産業用コージェネ

産業用コージェネ
大規模発電プラント

小型コージェネ
中規模発電プラント

長期実証試験中で一部は商品として実用化製品として多数の実績があるが、新規参入は少ない

日本以外での実績があり、拡大中

開発状況

内発協ニュース／ 2011年5月号

実証試験中

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ギーを発生させています。そのため、水素だけで（4）固体酸化物形燃料電池（SOFC）はなく、天然ガスや石炭ガスなども燃料として用固体電解質形燃料電池とも呼ばれ、作動温度はいることが可能です。

650〜1,000℃と高く、高耐熱性の材料が必要とな固体酸化物形（SOFC）は、溶融炭酸塩形（MCFC）ります。また、起動・停止時間も長いという欠点と同様、白金触媒を必要としないとともに、電池内があります。電解質として酸化物イオンの透過性で燃料改質を行うことによって、改質器を必要とせが高いセラミックスであるジルコニアを用います。

ず発電効率も非常に高いといった特長を持っていま

空気極で生成した酸化物イオンが電解質を透過し、す。これも、火力発電所などの代替電源としての用燃料極で水素と反応することにより電気エネル途が期待されてます。

参

燃料電池の日本国内の納入台数

考（単位：台）

年

度

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

固体高分子形（PEFC）

292537565044602889100812295057

リン酸形（PAFC）

910525544111

溶融炭酸塩形（MCFC）

00034418000 グラフ 1

固体酸化物形（SOFC）

00000338

31

37

73

合計台数

38

35

42

61

59

56

610

909

1040

1267

5131

累計台数

38

73

115

176

235

291

901

1810

2850

4117

9248 グラフ 2

グラフ 1

備考

年度別の合計台数

納入台数（台）年度

グラフ 2

年度別の累計台数

納入台数（台）年度（電機2010年10月号より）

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内発協ニュース／ 2011年5月号