燃料電池とは、乾電池などの一次電池や、充電してくり返し使用する二次電池のように、蓄えられた電気を取り出す『電池』とは異なり、水素と酸素の電気化学反応により発生した電気を継続的に取り出すことができる『発電装置』です。

燃料電池は、発電装置

発電装置としては、工場、事業所などで利用されている内燃機関を動力源にした発電機や、火力発電所などのタービンを動力源にした発電機などがあり、身近なものでは、自転車のライト用の発電機があります。

燃料電池の動作概要

例えば、内燃機関により運転する発電機の場合、燃料を供給することで発生する熱エネルギーによりエンジンを回し(運動エネルギー)、発電用コイルを介し、電気エネルギーに変換しています。

燃料電池では、水素を燃料として供給することで、酸素との電気化学反応により取り出される電気エネルギーを電力として利用します。
このように、化学反応に伴うエネルギーを電気エネルギーに直接変換することから、発電時のエネルギー効率が高く、水素と酸素の反応により水が生成されるだけで、廃棄物が排出されないことからクリーンな次世代の『発電装置』として期待されています。

燃料電池が発電するしくみ

スタックのイラスト

燃料電池が発電をおこなう部分は『スタック』と呼ばれ、このスタックはセパレーターにはさみ込まれたMEAの集合体で構成されています。

個々のセパレーターには、燃料となる水素(水素リッチガス)や酸素(空気)を流すための流路が形成され、MEAの燃料極に水素、空気極に酸素が供給されるようになっており、このMEAにおける電気化学反応により発電をおこなっています。

MEAにおける発電のしくみ

  1. 1個の電子を持った水素が燃料極(-)へ触れると、電子を離し、水素イオンに変化します。
    H2 → 2H+ + 2e-
  2. 燃料極(-)で取り出された電子が、燃料極(-)から空気極(+)へ流れることで、電気が発生(発電)します。
    (電子は電解質の中を通ることができないため、電気回路としての導線の中を流れます。)
  3. 燃料極(-)で電子を失った水素イオンは電解質の中に入りますが、電気的に不安定なため、空気極(+)で安定しようと電子を取り込み酸素と化合し、水が生成されます。
    2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O

このように、燃料電池は、水素と酸素が反応し水に変化する過程で電気を発生させる装置であり、原理的には「燃料電池は、水の電気分解の逆で発電する」と説明されます。


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