燃料電池とは?原理と特徴について解説。エネファームとして活用中!

「燃料電池」とは、負極(燃料極)に水素(H2)、正極(空気極)に酸素(O2)を使用した電池です。自動車、携帯電話、エネファームとして家庭用に使用されます。 

 

水を電気分解すると、酸素と水ができます。逆に、酸素と水を反応させると水が生成し、電気が流れます。

 

本稿では、

「燃料電池とはどんな電池?」

「燃料電池の原理や特徴について教えて」

という疑問にお答え致します。

 

 

燃料電池の概要

 

「燃料電池」とは、負極(燃料極)に水素(H2)、正極(空気極)に酸素(O2)を使用した電池です。英語ではFuel cellと呼ばれます。自動車、携帯電話、エネファームとして家庭用に使用されます。 

 

原理は、水を電気分解すると、酸素と水ができます。逆に、酸素と水を反応させると水が生成し、電気が流れます。これを利用したのが燃料電池です。

 

燃料電池は高い発電効率(80%以上)あります。これは、火力発電の2倍以上です。しかし、燃料電池の高い発電効率は、発電する際の排熱も利用した場合に限られます。

 

燃料の重量に対してエネルギーも非常に大きいですが、高圧ガスを入れる設備が重いというデメリットもあります。

 

燃料電池には、以下の種類に分けることができます。なかでも、固体酸化物型、固体高分子型、リン酸型は実用化されています。

 

以下、燃料電池の特徴をまとめた表になります。

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用途

 

燃料電池の用途は、 宇宙用、携帯電話、家庭用として使用されています。家庭用はエネファームとして活用されています。

 

エネファームとは、家庭用燃料電池を使って、発電や発電時に生じる熱を再利用する仕組みの愛称です。エネファームでは、固体高分子型燃料電池(PEFC)が利用されています。

 

しかし、エネファームは設備コストが高く、寿命も10年と短いため、購入しても採算性が取れていないというのが現状です。

 

歴史

 

燃料電池の歴史は、 1800年代にハンフリー・デービーが発見したと言われています。1839年にウィリアム・グローブが白金と希硫酸を用いて原型を完成させました。

 

1889年に燃料電池という言葉が初めて出てきて、特許も出願されています。1939年にアメリカのベーコンがアルカリ型燃料電池を開発しました。このアルカリ型燃料電池は、1981~2011年にスペースシャトル計画に採用されています。

 

 1953年には、固体高分子型燃料電池が開発されました。こちらもジェミニ計画の宇宙用途として、Gemini5号に採用されています。

 

1960年代には、リン酸型燃料電池の開発が進みました。米国で天然ガスの用途を拡大する計画が始まったためです。

 

2014年には、トヨタからMIRAIという自動車が発表されました。

 

構成

 

燃料電池の構成は以下のとおりです。燃料電池では酸素を供給する方を空気極、水素を供給する方を燃料極と呼びます。

 

  • 正極(空気極) 酸素(O2)
  • 負極(燃料極) 水素(H2)
  • 電解液 各タイプの燃料電池に依存する
  • セパレーター
  • 触媒 白金(Pt)

 

水素と酸素を使用しているため、環境を汚染することのないクリーンな電池です。

 

反応

 

燃料電池の反応は以下のとおりです。

  • 負極 水素(H2)が電子と水素イオン(H+)を放出します。
  • 正極 酸素(O2)が電子を受け取り、水(H2O)と電気を生成します。

 

酸素と水素があれば、永続的に発電できます。無限の可能性を秘めた電池です

 

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起電力

 

燃料電池の理論起電力1.23Vです。しかし、実際には分極によりこの理論起電力より低くなります。 

 

1セルあたりの起電力が非常に小さいため、電池を複数直列でつなぐ(実際には積層する)ことにより、高い起電力を実現しています。

 

特徴

 

燃料電池の特徴は以下のとおりです。 

 

メリット

  • 原料が低コスト
  • クリーンなエネルギー
  • 原料を供給し続けば永続的に放電可能
  • 発電効率が高い80%以上(火力発電の2倍)
  • 小型から大型まで対応可能

 

デメリット

  • 水素が危険
  • 水素供給設備整備に時間がかかっている
  • 白金が高価
  • 騒音がない
  • 設備コストが高い
  • 耐久性が悪い

 

 

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