家庭用燃料電池の設置例

燃料電池

充電しなくても使い続けられる
不思議な電池時計や懐中電灯で使っている乾電池は，使い切ったら交換するしかありません。
携帯電話やデジタルカメラで使っている充電池ならば，繰り返し使えますが管理や充電が面倒です。交換や充電をしなくても使い続けられる夢のような電池はないのでしょうか。

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電池は電気のカンヅメ？
私たちの身の回りには電気で動く機器がたくさんあります。部屋の灯りやマンガン電池の仕組み

冷蔵庫などは発電所から送られてきた電気をコンセントから取り出していますが，携帯電話やゲーム機などは電池から電気を取り出しています。けれども電気をそのままの状態で，閉じ込めたり貯めておいたりすることはできません。電池の中には化学反応を起こすことで電気を作り出す物質が入っています。電池は電気を化学エネルギーの形に変え蓄えているのです。

いろいろな電池
懐中電灯や時計，テレビのリモコンなどで使っている乾電池は，使い切ったらLet’s Research
家 庭や学 校で，どんなところに電池が使われているか，またその電池の特 徴を調べてみよう。

それで終わりです。それに対して携帯電話やデジタルカメラで使っている電池は，充電すれば繰り返し使えます。一回だけの使い切りとなる電池は「一次電池」，充電して繰り返し使える電池は「二次電池」と呼びます。
電池を使うと内部の化学反応を起こす物質が減っていきます。そうなれば一次電池は，もう使えません。けれども二次電池では，電気を送り込むことで内部の物質に逆方向の化学反応を起こします。すると元の物質が増えて，再び電気を取り出せるようになります。これが充電です。

燃料電池は小さな発電所
燃料電池とは電池を使い切っても，少なくなった物質を補充してやれば，また使えるようになるはずです。化学反応を起こす物質を燃料に見立てて，燃料を補充することで使い続けられる電池を燃料電池と呼びます。水素と酸素さえ補充すれば，連続して長時間使い続けられる燃料電池は，小さな発電所と言ってもよいでしょう。

出典：NEDO 技術開発機構 HP より

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燃料は水素と酸素

電気分解と燃料電池の化学反応

燃料と聞いて思い浮かぶのは石油やガス，木炭などです。いずれも燃やすと酸素と結びついて，二酸化炭素と熱や光などのエネルギーを出します。
ここで，授業で勉強した電気分解の仕組みを思い出してください。電気分解では水に電流を流すことで，水素と酸素とに分解しました。燃料電池は電気分解の反対の反応を利用しています。つまり，水素と酸素を反応させて電流と熱を取り出しているのです。

参 考：NEDO 技術開発機構 HP より

燃料電池の特徴
火力発電の場合は石炭などを燃やしてお湯をわかし，水蒸気でタービンを回して発電機を動かしています。この各過程でエネルギーの損失が発生してしまいます。それに対して燃料電池は化学反応で直接発電するため，効率が高いという特徴があります。
燃料である水素と酸素は地球上に大量に存在しているので，枯渇する心配はありません。また酸性雨の原因となる大気汚染物質（NOx ，SOx）や地球温暖化の原因になる二酸化炭素も発生しません。排出されるのは水だけで，音も静かです。燃料電池は環境に配慮したクリーンなエネルギー源といえます。
燃料電池とは

出典：NEDO 技術開発機構 HP より

19電気を作り出すしくみ
燃料電池は２つの電極の間に，電燃料電池の構造気を通しやすい電解質をはさんだ構造になっています。それぞれの電極には外部から酸素と水素が供給されます。また化学反応を起こしやすくするため，触媒と呼ばれる物質を利用しています。この組み合わせをセルと呼びます。ひとつのセルが発電する電圧は低いですが，必要に応じてたくさんのセルを積み重ねることで，高い電圧が得られます。

出 典：NEDO 技 術
開発機構 HP より

燃料から水素を取り出す
地球上にある水素のほとんどは，他の元素と化合した状態で存在しています。
そこで燃料電池で使用するには，まず天然ガスやアルコール，ガソリンなどの水素原子を含んだ物質（原燃料）から水素を取り出す作業が必要です。この作業を改質と呼びます。
よく使われるのは原燃料に高温の水蒸気を加える水蒸気改質法です。たとえば天然ガスに含まれるメタンを原燃料にした場合は，以下のような反応になります。

CH4 + 2H2O → CO2 + 4 H2メタン   水蒸気      二酸化炭素       水素改質の行程で二酸化炭素が発生し，さらに改質に必要な高温の水蒸気を作るときにも二酸化炭素が発生しますが，従来の火力発電などよりは少ないので，トータルでは二酸化炭素の削減になります。

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燃料電池の種類と応用
燃料電池には電解質や化学反応を起こす温度によって，いくつかの種類があります。高い温度が必要なタイプは発電効率はいいのですが起動や停止に時間がかかります。そのため大規模な発電施設や工場などで使われています。
100℃以下の低温で運転できる固体高分子型は，比較的小型で起動にあまり時間がかからないため，家庭での利用や自動車への搭載などがが期待されています。
このほか，改質が不要でメタノールを直接使えるダイレクトメタノール型燃料電池も開発が進んでいます。メタノールを補充すれば電源がない場所でも，また充電をしなくても使えることから，ノートパソコンや携帯電話などの携帯用途での活用が期待されています。
参考：NEDO 技術開発機構 HP より

燃料電池の種類
固体高分子形(PEFC)
原燃料

りん酸形(PAFC)

固体酸化物形(SOFC)

溶融炭酸塩形(MCFC)

都市ガス，LPG，メタノール等ダイレクトメタノール型(DMFC)
メタノール

電解質

固体高分子膜

りん酸

安定化
ジルコニア

炭酸塩

イオン交換膜

運転温度

70 ～ 90℃

200℃

700 ～ 1000℃

650 ～ 700℃

100 ～ 300℃

発電効率 (HHV)

30 ～ 40%

35 ～ 42%40 ～ 65%

40 ～ 60%

50 ～ 60%

発電規模

数W～
数百 kW

20kW ～
1 万 kW

1kW ～数十万 kW

数百 kW ～
数十万 kW

数W～
数百 kW

開発段階

研究～
実用化段階

商用化段階

研究～
実用化段階

実証段階

研究～
実用化段階

装置例

家庭用，自動車

病院，工場，
ホテル

コラム

工場，分散発電 大規模発電施設

携帯用

宇宙で使われる燃料電池

燃 料電 池が 実 用化されたのは宇宙開発のためでした。宇宙には空気（酸素）が存在しないため，ガソリンエンジンで発電機を動かすことも，火力発電所のように火を使って電気を起こすこともできません。もちろん密閉された宇宙船の中で火を使うなどして空気を汚すわけにはいきません。そこで 1960 年代に宇宙開発に乗り出したアメリカは，宇宙船の動力源として燃料電池を実用化しました。排出した水も飲み水に利用できる燃料電池は，宇宙開発にもってこいのエネルギー源です。

スペースシャトルで 使われている米 国
UTC Power 社の燃料電池
写真提供 NASA21使う場所で発電できる燃料電池中でも注目を集めているのが，家庭用の燃料電池です。電力会社の発電所は多くの場合，石油などの燃料の輸送に便利な海のそばや水力を利用しやすい山の中にあります。そのため発電した電気を使用する場所まで運ぶ途中でエネルギーの損失が発生しています。
それに比べて家庭用の燃料電池システムでは，使う場所で発電ができるため送電による損失が発生しません。また，発電のときに発生する熱を回収して給湯や暖房などに利用できるため，最終的なエネルギーの利用率を高めることができます。
現在 NEDO 技術開発機構により，大規模な実証実験が行われています。平成 18 年～ 20 年の 3 年間に全国で約 2200 件，川崎市では 14 件の家庭用燃料電池システムが設置されています。
出典：NEDO 技術開発機構 HP より

家庭用燃料電池の効率

電気と熱が利用できる家庭用燃料電池
川崎市川崎区にある東芝
燃料電池のシステムの家庭

電気とお湯が利用できる家庭用燃料電池

用燃料電池は，都市ガスやプロパンガスを原燃料として 700Wh の電力を発電し「系統連系方式」により、高効率運用が可能です。

ます。また発生した熱を回低圧電灯線収することで，60℃の温水

電 気
風 呂

都市ガス/LPガス

ユ燃ニ料ッ電ト池が利用できます。燃料電池

台 所

ユニットの大きさはエアコ

ユ給排ニ湯熱ッ 利ト用ンの室外機よりやや大きめ
床暖房
お 湯

家庭で高効率コージェネレーションが実現します。

燃料電池ユニット

で重さは 100kg 程度です。
給湯ユニットには 200 リッ

貯湯槽に貯めたお湯を使って、給湯、床暖房などに有効活用できます。

排熱利用給湯ユニット

都市ガスやＬＰガス等を燃料として電気と熱を発生する

燃料電池ユニットで発電時に発生する熱を利用して装置です。

お湯を貯める装置です。

トルのお湯が貯められす。
このシステムを 1 年間使用した場合の二酸化炭素の削減量を試算すると，燃料電池の二酸化炭素発生量は22家庭用燃料電池システムの例

約1トンで20 ～40%の削減になります。

Let’s Research

これは約 100 本の樹木が 1 年間に二酸家庭で使われている電気製品の消費電力を調べてみよう。

化炭素を吸収する量に相当します。

左側が燃料電池ユニットで右側が給湯ユニット。

コラム

新エネルギーとして注目を集める燃料電池

その他
1％

日本の電力は約 6 割が石油や石炭，天然ガスを燃や原子力
31％

す火力発電で作られています。水力発電は 1 割，原子力

石油8％
石炭
24％

発電は約 3 割です。石油や石炭などは掘りつくせばなくなってしまいますし，燃やせば燃やすほど二酸化炭素も発生します。また原子力には，需要に合わせた出力の調整が難しい欠点があります。二酸化炭素の排出が少ない燃料電池は，新エネルギーとして期待されています。

インタビュー2005 年の日本国内の発電量の内訳
出典：「原子力・エネル
ギー図面集」2007 年
版（電気事業連合会）

水力
11％

天然ガス
25％

燃料電池が開く新しい世界

今までの発電所は発生した熱を海に捨てていました。

を作り出す手段として，燃料電池はますます重要になっ燃料電池は熱も利用することでエネルギーの利用率をていきます。我々も一生懸命，技術開発と製品化を進高くした，究極の 分 散 型 発 電システムです。2010 年

めています。

頃には商品として提供したいと考えています。

都市ガスや天然ガスから水素を作っても，二酸化炭

現在は都市ガスや LPG で水素を作っていますが，今素を 20 ～ 40%低 減できます。水素社会ができるま後は少しずつ，水素社 会が広がっていきます。すでにでの 20 年，30 年はこれを使えばいいでしょう。今の首都圏には１０箇所の水素ステーションがあります。ま中 学 生 が 働き盛りにた我々も国土交通省や大阪ガスと共同で，マンションなる頃には燃 料電 池の屋上に水素を作る実験を始めています。各戸で水素が 普 及して， 水 素 社を作る必要がなくなると，装置がコンパクトになります。

会 が たちあ がって い

さらにガス機器を水素に対応させれば，燃料の利用効

くか もしれ な いで す率が 50%以上まで向上します。

ね。

将来的には太陽光や風力などの再生エネルギーで水素を 作って，貯めておいて発 電する。そういう水素社会が考えられます。水素社会のエネルギー（電気と熱）東芝燃料電池システム株式会社
技師長

永田裕二さん23東芝燃料電池システム株式会社 研究開発部門
場所：〒 210-0862 川崎市川崎区浮島町 4-1

http://www.toshiba.co.jp/product/fc/※問い合わせはホームページよりMore Information
燃料電池アカデミー（東京ガス）

http://www.tokyo-gas.co.jp/pefc/
燃料電池の歴史や種類を調べよう。
燃料電池ーじっくり読める FC 講座ー（日本ガス協会）

http://www.gas.or.jp/fuelcell/
楽しみながら燃料電池について調べよう。
よくわかる ! 技術解説／環境技術分野（NEDO）

http://app2.infoc.nedo.go.jp/kaisetsu/evm/
燃料電池をはじめ，地球に優しい環境技術を調べよう。
定地用燃料電池大規模実証事業（新エネルギー財団）

http://happyfc.nef.or.jp/
家庭用燃料電池の設置状況が分かる。

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