電気設備の知識と技術 > 新エネルギー発電の知識 > 燃料電池の種類と仕組み
燃料電池は、水の電気分解と逆の反応を発生させることで電気を生み出せる発電設備のひとつである。
水を電気分解すると水素と酸素を生み出すが、それとは逆に、水素と酸素が化学反応を起こすと発電する。この仕組みを利用したものを「燃料電池」と呼ぶ。燃料電池に供給された水素は、空気中の酸素と反応して熱と水となる。さらに電解質でプラス極とマイナス極にイオンが分離することにより、電気を同時に生み出せる。
燃料電池は水素と酸素を利用した発電設備であり、燃料として水素を使用する。燃料電池に純粋な「水素」のみを供給できれば、電力を生み出す際に放出されるのは「熱」と「水」だけであり、ガソリンや軽油など化石燃料を燃焼させる発電方式と比べ、排出する有害ガスに大きな差がある。SOxやNOx、ススなどを放出しないため「クリーンな発電設備」として期待されている。
従来から用いられている、軽油や重油を用いた内燃発電設備に設けられているような「エンジン」や「タービン」といった燃焼機構が存在しないため、振動や騒音、環境汚染を小さく抑えられるという利点もある。燃料電池は、環境に有害な物質を発生させないクリーンな発電設備として、今後の研究開発が期待されている。
燃料電池には「固体高分子形（PEFC）」「りん酸形（PAFC）」「溶融炭酸塩形（MCFC）」「固体酸化物形（SOFC）」の4種類がある。家庭用として使用される燃料電池は固体高分子形であり、運転温度は比較的低温である80℃前後、効率40％程度、容量規模は数kWから50kW程度である。
業務用や工業用として使用される燃料電池はりん酸形燃料電池であり、運転温度は200℃前後と比較的低めで、効率は家庭用とほぼ同等で40％程度を確保している。電池の容量規模は50kWから1,000kWまで対応できる。
燃料電池設備の主要構成機器は、LPガスなどから水素を取り出す燃料処理装置、燃料電池と空気を反応させて電気を作る装置、発電された直流電源を交流に変換し、また電源を安定化させるパワーコンディショナー、排熱を回収する装置などを組み合わせて構成されている。
都市ガスやLPGを主原料とした燃料電池で、水素を作動気体としている。「燃料極」「個体高分子膜」「空気極」と呼ばれる3つの部位から構成されている。常温～90℃の比較的低い温度で作動する燃料電池システムで、50kW以下の小規模なシステムの構築が容易なため、自動車や家庭用の燃料電池として実用化されているシステムである。
燃料として供給される水素は、燃料極の触媒を用いて「水素イオン」と「電子」に分解される。固体高分子膜はイオンしか通さない性質があるので、分解された電子は、固体高分子膜以外の経路で空気極に移動し、この電子の移動によって電流が流れる。電解質や電極など、電池を構成する材料には電気抵抗があるので、電流の流れによって発熱を伴う。
固体高分子膜から抜けた水素イオンは、空気極で酸素と電子とともに結合し、温水となって排出される。この温水を熱として回収すれば、コージェネレーションシステムが成立し、高い総合効率を得られる。家庭用コージェネレーションの運転方式は「熱を制御し、電力の発生を制御しない」方式となるため「熱主電従」の運用となる。
燃料となる水素そのものは、自然から取り出せないため、既存の燃料を「改質」して、水素を取り出す工程が必要である。改質が可能な燃料として代表的なのは「都市ガス」「メタノール」「ガソリン」など、一般的な普及している燃料資源が使用可能である。
都市ガスは、一部プロパンガスを使用している地域を除き、都市部であればインフラとして整備されているため、安定した供給が見込める燃料資源である。都市ガスを改質すると二酸化炭素を発生させるという欠点があるが、発電と熱供給を同時に行うエネファームのシステムであれば、非常に高い総合効率を得られるため、ガス会社を主体として燃料電池の開発と生産が進んでいる。
触媒として使用している白金は、一酸化炭素に晒されると触媒効果が失われるという性質があるため、天然ガスを使用したシステムの場合、一酸化炭素を除去しなければならないとされている。
ガソリンからも水素を取り出すことが可能で、改質により水素を取り出して燃料電池に供給するシステムを、すでに存在しているガソリンスタンドに整備すれば、ガソリンを補給するだけでなく、水素も補給できる「水素ステーション」として活用することも可能とされる。
PEFCは、常温で稼働させられるのが最大の利点であり、家庭用の電気機器として安全性の高いシステムを組める。エネファームとのシステムとして、PEFCとSOFCの二種類が普及しているが、PEFCは効率が低めであるが排熱回収効率が高いとされている。
PEFCと同様、都市ガスやLPGを主原料とした燃料電池で、改質によって発生した水素を作動気体としたシステムである。PEFCよりも作動温度が高く、180～200℃の高温で運転するため、工場など業務施設での使用が一般的で、家庭用としては普及していない。
PEFCよりもエネルギー効率が良好で、発電効率を40％以上に高められるため、熱交換を含めた総合効率は90％を超えるため、エネルギー資源の有効利用が可能である。
リン酸形燃料電池は、電解質として高濃度の「リン酸」をセパレーターに含ませることで発電効率を高め、都市ガスやメタノール、プロパンガスなど、燃料の多様性を高めたものである。国内では富士電機が、40,000時間以上の長時間運転が可能なリン酸形燃料電池をいち早く生産し、オフィスビルや工場など、各種業務施設において業務用コージェネレーションシステムとして稼働している。
都市ガスやLPG、石炭を主原料とした燃料電池で、水素だけでなく、メタノールやナフサ、石炭ガスの炭酸ガスを作動気体としている。作動温度はPEFCやPAFAと比べて非常に高く、600～700℃の高温で作動するシステムである。
電解質は「Li-Na／K炭酸塩」を用いており、触媒も白金ではなくニッケルを用いるため、一酸化炭素による被毒の心配がない。二酸化炭素のリサイクルや、白金触媒では不可能だった、一酸化炭素を含む排気ガスの再燃料化が可能なため、多くの二酸化炭素を排出する電力会社などでの活用が期待されている。
MCFCと同様、都市ガスやLPG、石炭を主原料とした燃料電池で、水素だけでなく、メタノールやナフサ、石炭ガスの炭酸ガスを作動気体としたシステムであるが、電解質にセラミックスジルコニアを用いることで、作動温度を700～1,000℃としている。
10,000～100,000kW以上の、火力発電代替を含む大規模システムとして研究開発が進められていたものであるが、PEFCと同等な小型燃料電池としての開発も進められている。高い耐久性を持ち、長時間の運転に耐える堅牢性が評価される。
SOFCは、エネファームのシステムとして開発が進み、製品化されている。PEFCと比較されることが多いシステムである。SOFCはPEFCと比べて、発電効率が高いという利点があるが、運転に必要な高温状態を維持するため、頻繁なオンオフが不可能という欠点がある。
高温を維持するためには、24時間連続運転が必須となるため、コージェネレーションシステムの考え方としては「電力の発生を優先し、熱を制御しない」方式とし「電主熱従」の運用である。
熱効率より電力効率を優先しているため、家庭用として使用する場合、発生する熱を使いきれるかが課題となる。高温で動作するという特性上、24時間常時運転させなければならず、メンテナンス時を除き電源を切れないという点にも注意が必要である。
燃料電池によって生み出される電力は直流である。国内で流通している電気機器は、ほとんどが交流による電源供給が必要な製品であり、電力会社から供給される電力も交流である。燃料電池で発電した電力を、そのまま家庭用または業務用の電力として使うことはできない。
これを解決するため、燃料電池のパッケージにインバーターを内蔵して電力の交直変換を行う。これを電力会社から供給される電力と混ぜ合わせる「系統連系」によって接続すれば、通常使用できる電力としても活用できる。
電気を蓄える電池には、一度限りの使い切りとなる「一次電池」や、繰り返し充放電が可能な「二次電池」が乾電池や蓄電池、リチウムイオン電池として製品化され普及している。
水素と酸素を供給し、内部反応によって電気を作り出せる燃料電池は、化学反応によって電力を生み出す「電池」という名称で括られているが、新しい設備のひとつとなる。
従来の発電設備は、燃料を燃焼させてタービンなどを回転させ、回転したタービンから電力を得るという行程がある。石炭や石油などを精製した燃料を燃焼させたり、原子力による反応を利用するといった外部からのエネルギー導入が必要であるが、燃料電池による発電では、燃料の化学反応によって発電を行うシステムであり、タービンの回転を経由せず直接電気エネルギーに変換できる。
燃料電池は、規模によって効率が変化しないことが大きな特徴である。タービンの回転による発電設備は、大規模になるほど効率が向上する特性があり、小型発電機では効率が低下しコストパフォーマンスが悪くなる。しかし燃料電池は小型でも大型でも効率が一定であるため、家庭用や小規模業務用など小さな規模で燃料電池を必要とした場合でも、コストパフォーマンス低下を抑制できる。
燃料電池発電設備では、電気の生成のほかに、水素と酸素の反応によって熱を取り出すことが可能である。この排熱を回収することで熱の再利用が可能になり、コージェネレーションシステム（ cogeneration system ）として運用できる。給湯や暖房に熱交換させれば、給湯負荷・暖房負荷を軽減できる。
燃料電池本体で発電し、さらに排熱を利用して発電機のタービンを回せば、コンバインドサイクル発電（ combined cycle power generation ）として運用することもできる。
燃料電池を広く普及させるには、水素を供給する仕組みを構築することが前提となる。国内に整備されているインフラとして、水素単体を供給するシステムは確立されていない。水素を単体で供給できない以上、水素を発生させる代替燃料から水素を抽出しなければならないが、これには都市ガスの天然ガスが有力資源とされる。
天然ガスに含まれるメタンを燃料に対し「改質」と呼ばれる行程を経て水素を発生させる方法が、工業用途としてすでに実用化されている。天然ガスはすでにインフラが十分整備されており容易に入手可能である。これを家庭に活用する製品を、各社メーカーが開発している。
現在、燃料電池用の水素を生み出すには、天然ガスから水素を取り出すための装置を新たに設ける必要があり、水素の安定供給と安定輸送が課題となる。
水素と酸素の反応のみであれば、電気、水、熱を発生させられる「クリーンな発電設備」であるが、水素を精製する行程ではCOやCO2といった環境に悪影響を及ぼす物質が放出される。これをいかに小さくするかについても、燃料電池を知る上で重要な要素となる。
ガソリンや軽油を内燃させて駆動する自動車から、電気エネルギーを主とする電気自動車、その両方を搭載するハイブリッド車など、多様な燃料源の自動車が普及しているが、燃料電池を搭載した「FCV」と呼ばれる自動車の生産が開始されている。
燃料電池自動車は、水素と酸素の化学反応により発生した電気エネルギーで、モーターを回転させ駆動する。燃料には水素が用いられるが、純粋な水素は保管や運搬が難しいため、車両内部に「水素以外の燃料から水素を取り出す」という機能をもつ「改質器」を搭載し、車上で水素を精製しながら走るというシステムも研究されている。
純粋な水素で駆動する燃料電池自動車であれば、車両から排出されるのは水のみであり、これは水蒸気となって排出される。化石燃料を燃焼させて走行する自動車は、排気ガスに二酸化炭素や一酸化炭素、炭化水素など有害物質が多数含まれており、環境への影響が懸念されるが、燃料電池自動車では有害物質の排出が原則としてない。しかし天然ガスやエタノール、ガソリンを車上で改質するシステムでは、精製過程で有害物質を含む。
国内ではトヨタ社が「MIRAI」という名称で、2014年12月に量産型の燃料電池自動車を販売した。燃料電池自動車を安定して稼働させるためには、ガソリンスタンドと同様に、ユーザーが燃料補給を簡易に行える場所を整備しなければならない。ガソリンスタンドの代替として「水素ステーション」と呼ばれる燃料補給場所の整備が進められている。
2015年現在、水素ステーションは関東圏では「東京」「千葉」「埼玉」「神奈川」に設置されており、トヨタ本社のある「愛知」、その近辺では「岐阜」「三重」「滋賀」に整備されている。そのほか「京都」「大阪」「兵庫」「徳島」「山口」「福岡」「佐賀」「大分」と、多くの県庁所在地で水素ステーションの整備が進められている。
トヨタMIRAIでは、メーカーカタログ値として1回の充電で650kmの走行が可能と発表している。トヨタ社の発表では、水素ステーションの仕様に1回の水素充填で行われる充填量が違うため、走行距離が異なるとも発表しており、新規格の水素ステーションでは700kmとなるとしている。
しかし、北海道や東北地方には水素ステーションが2015年時点で存在せず、関東から北海道方面に燃料電池自動車で行くことは困難である。北海道では室蘭市が最も早く、燃料電池自動車に燃料補給が可能な水素ステーション設置を検討しており、国家の補助金対象事業として今後広く水素ステーションの整備が進むものと思われる。
燃料電池自動車は、水素を含み「水」の存在感が強いが、トヨタMIRAIでは1時間の運転で発生する水量は60cc程度としており、路面を凍結させることはないため、寒冷地での利用も問題ないとしている。一定時間タンクに貯めて、任意に放出するという機能も搭載しており、常に水を垂れ流しながら走行することないとされている。
家庭用として小型の燃料電池発電設備を設置し、商用電源と系統連系するという方法が普及し始めている。都市ガスを燃料電池に接続し、発電をしながら熱を生み出す。家庭用燃料電池の場合、燃料電池から生み出される「熱」と「電気」のどちらを優先するかという判断については、基本的に「熱」を優先する。
料理をする時間や、お風呂を沸かす時間に、必要な熱とともに電力を生み出して使用するというスタイルとなるため、電力の発生時間や電力量は制御されていない。熱の利用に応じて発生する制御されていない電力は、電気を多く使う時間であればそれに充当され、使い切れない電力は電力会社に売る。
熱を使う負荷が比較的大容量でなければ、燃料電池を採用するメリットがほとんどない。床暖房、空調、給湯など多くの熱負荷を必要とする住宅であれば、大きなメリットを生み出すことが可能である。
家庭用燃料電池システムは、エネファームという名称で統一されている。エネファームは「燃料電池」のユニットと「貯湯槽」のユニットが一体化されたシステムであり「都市ガスを供給して水素を作り出し、水素と酸素の化学反応によって電気と熱が作られ、熱によって湯をわかす」という一連の行程をパッケージ化している。
エネファームには燃料電池ユニットと貯湯槽ユニットをつなぐ「熱回収装置」が設けられており、発生する熱を回収して約60℃の温水を作り出し、貯湯タンクに湯を貯める。作り出した湯は給湯や暖房に利用できるので、これにより一般的な家庭の電力の60％前後をエネファームでまかなうことが可能であるとされる。
エネファームの付加価値として、導入によりガス会社の契約メニューによって割引を受けることが可能であり、光熱費を削減できる可能性がある。燃料電池からの電力供給を行えるため、電力会社から買う電力量を削減できる。
家庭用燃料電池は、燃料電池の種類として「固体高分子形（PEFC）」が採用されており、都市ガスを燃料として駆動する。都市ガスの燃焼によって電気と湯を同時に作り、電気は家庭内の照明やエアコンの電力として使われ、湯は風呂やシャワー、キッチン、各種暖房器具へ供給される。都市ガスの燃焼によって電気を生み出す場合の効率は40％程度であるが、排熱回収を伴う場合は50％程度まで効率が向上する。
エネファームは電力会社の電力を利用し、ガスから水素と酸素を取り出して反応させ発電するが、電力会社からの電源が途絶えると発電できない。
内蔵する蓄電池から電源供給する方法や、自立運転切替装置が開発され、電力会社からの電源供給なしに運転する「自立運転」が可能な製品が販売されている。自立運転なしの機種よりもコストアップにつながるが、非常時の電源とできるため防災設備として利用可能である。
通常、エネファームは電力会社の電気系統に連系するため、電力会社からの電源供給がストップした場合、発電機能を停止しなければならない。通常は非常用電源としての機能は持っていないが、自立運転可能な製品も販売されている。電力会社からの電源が途絶えた場合、自動的に電力系統への接続を遮断する保護装置を組み込むことで、燃料電池から一定量の電力を供給できる。
自立運転で動作する電源は、家庭内にある照明やエアコン、コンセントをそのまま使えるようになるわけではなく、自立運転専用コンセントのみ動作する。自立運転で建物の電力がそのまま使えるわけではないため注意が必要である。
自立運転で取り出せる電力は小さく、概ね300W程度とされている。ドライヤーやエアコンなど大きな電力を必要とする負荷は運転できず、エネファームが緊急停止するので、最大使用電力を確認して可能範囲内での利用に留める。
電力は蓄電池から一定時間の電源供給を行うものや、都市ガスを燃焼させる方式などがある。なお都市ガスの燃焼によって自立運転を行う機種では、停電時にガスの供給が途絶えていないことが運転の条件となる。
燃料電池導入のデメリットとして、導入によりコスト負担が大きくなる要素がいくつかある。燃料電池は発電の排熱を利用して水を加熱する方式のため、貯湯タンクが必要である。
貯湯タンクは長期間の水の貯蔵により、水垢が溜まって不衛生になるから定期的な清掃が必要である。貯湯槽は設置コストが高く、ランニングによって原価償却するという考えは、非常に困難である。
エネファームは発電設備として運用されるものなので、太陽光発電設備を設置した場合の余剰電力買取において、ダブル発電による発電量の押上げが発生するため買取価格の減少が適用される。太陽光発電を設置している場合、償却期間が長くなる可能性があり、こちらにも注意が必要である。
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