8. 燃料電池 −化学反応を利用した直接発電−

8. 燃料電池 −化学反応を利用した直接発電−
■ 酸化と還元（電池反応の基礎）
電子もしくはイオンの大集団がある方向に移動するとき，我々はそれを電流（elec-
trical current）として認識する．しかし，このような荷電粒子の巨視的な運動は，我々
のまわりで容易に発生する現象ではない．というのも，自然界で安定に存在してい
る物質内では電子が原子核に強く束縛されているため，電子やイオンの流れが簡
単に発生するとは考え難いからである．ところが，二種類の物質を上手に組み合わ
せると，自発的に化学反応が起こって電子の移動が生じることがある．それが酸化
還元反応と呼ばれるものである．
酸化反応とは中性原子やイオンが電子を失う過程，還元反応とは電子を獲得す
る過程であり，これらを電子のやり取りがわかるような半反応（half-reaction）の
形で表せば，
(1) と (2) の反応は，A が B から
e− を奪ったと見ることもできる
し，B が A に
e−
を与えたと見る
こともできる．e− を奪うことを
還元（ reduction）：
A + e− −→ C
(1)
酸化（ oxidation）：
B −→ D + e−
(2)
「酸化する」，e− を与えることを
と書くことができる．したがって，例えば物質 A と物質 B の溶液を混合すれば，B
「還元する」と言うので，この反
から分離した e− （電子）が自然に A へ移るため，結果的に B から A へ e− の移
応は「A が B を酸化する」あるい
は「B が A を還元する」と表現で
きる．
動が生じたことになる．しかし，混合された溶液の中では A と B が一様に分布し
ているため，e− の移動する向きは空間的にバラバラである．つまり，仮に酸化還
元反応が大量に起きたとしても，このままでは一方向への集団的な e− の流れを作
り出すことはできない．そこで普通は，A と B を混合せず別々の容器に入れるな
どして，両者を空間的に分離する．ただし，そのままでは e− が流れないので，各
B は反応 (2) に従って自らの e−
容器に電極を浸して両者を電子伝導体（一般には金属線）で接続する．これによっ
を放出し，その e− を A に与えて
て，B（還元剤）から A（酸化剤）への e− の通り道が確保される．
いる（A を還元する）．すなわち，
一方，還元剤から酸化剤へ e− が流れ続けると，還元剤は e− が不足して正に帯
相手を還元する役目を担っている
電し，酸化剤は e− が過剰になって負に帯電してしまう．したがって，この不均衡
ので，B は還元剤（reductant）と
よばれる．
な状態を解消するため，酸化剤と還元剤とをイオン伝導体によって接続する．
A は反応 (1) に従って e− を獲得
する．この e− は B から奪ったも
electron
のであるから，A は B を酸化した
ことになる．すなわち，A は相手
Salt bridge
Anode
を酸化する役目を担っているので，
Cathode
これを酸化剤（oxidant）とよぶ．
D
B
A
e-
e-
A
B
A
B
B
A
B
e-
C
D
A
B
B
A
A
B
B
A
e-
B
C
B
図 7-1 酸化・還元反応における電池内での e− の移動
1
A
図 7-1 で見たように，酸化半反応 (2) によって放出された電子は外部回路を通っ
てもう一方の電極隔室に入り，そこで還元 (1) を引き起こす．このとき酸化がおこ
電池の場合，電位の高い方の電極
る電極をアノード（Anode），還元が起こる電極をカソード（Cathode）という．そ
を正極，電位の低い方の電極を負
のため，(1) をカソード反応，(2) をアノード反応とよぶこともある．
極という．この約束に従えば，カ
ソードが正極，アノードが負極と
なる．
■ 燃料電池（Fuel Cell）
燃料電池とは，燃料（水素）と空気（酸素）の電気化学反応を利用して電流を取
り出す発電装置である．熱や力学的エネルギーといった複数のエネルギー形態を
介さずに，燃料の持つ化学エネルギーを直接電力へ変換するという意味で，燃料電
池は直接発電装置に分類される．
図 7-2 に，代表的な燃料電池の構造と電池内で生じる化学反応を示す．発電に
寄与する電池反応は，二枚の電極（Anode，Cathode）とそれらに挟まれた電解質
一つのセルからは 1V 程度の直流
（Electrolyte）で進行する．これらの部分をまとめてセル（単セル）とよぶ．セルの
電圧しか取り出せないので，実際
両側には，燃料と空気の通り道となるセパレータ（Separator）があり，外部から常
には数十のセルを積層（直列接続）
しなければならない．セルを積層
したものはスタックとよばれる．
に燃料と空気が供給される．電解質は，イオンのみを通すイオン伝導体として機能
するが，この電解質の種類によって燃料電池は以下の 5 種類に大別される．
図 7-2 燃料電池の構造と電極反応の例
固体高分子形燃料電池は，PEMFC
（Proton Exchange Membrane Fuel
(1) 固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC）
(2) リン酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）
Cell；陽子交換膜形）と呼ばれる
(3) アルカリ形燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）
こともあるが，日本の表記は PEFC
(4) 溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）
で統一されている．
(5) 固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）
ここでは燃料電池内で生じる化学反応として，固体高分子形（PEFC）と固体酸化
物形（SOFC）の 2 つを例にとって説明する．
2
１．固体高分子形燃料電池（PEFC）
電解質に高分子膜（プロトン導電性ポリマー）を採用した燃料電池のこと．図
7-2 は，この PEFC の構造を示したものである．まず，燃料極（アノード）側
に供給された水素は，電極表面に沿って流れていく過程で電極反応を生じ，燃
料極上で電子を放出して水素イオン H+ となる．
アノード（酸化反応）： H2 → 2H+ + 2e−
このとき水素原子から放出された電子は，電子伝導体で構成された外部回路
を通って空気極へ移動する．一方，H+ は燃料極を通過して電解質（フィルム
状の高分子イオン交換膜）の中を移動し，反対側の空気極に到達する．空気
極側には外部から空気が供給されているため，H+ は空気中の酸素ならびに外
部回路経由で到達した電子と結合し，空気極（カソード）上で水を生成する．
カソード（還元反応）：
1
O2 + 2H+ + 2e− → H2 O
2
燃料極も空気極も，正確にはカー
この一連の化学反応において，電子はアノードからカソードへと連続的に移
ボンペーパーなどのガス拡散層と，
動しているため，電子の流れと逆向きに電流が生じることになる．したがっ
白金や白金合金を用いた触媒層か
て，外部回路に適当な負荷を接続すれば，電力を抽出することができる．
ら構成される．燃料や空気が最初
に接触する部分はガス拡散層であ
PEFC は動作温度が 80◦ C 前後と低いため，このままでは十分な電極反応速度
り，燃料極触媒層で水素原子がイ
が得られない．そのため，活性の高い白金系触媒を電極材料に用いて，酸化
オン化し，空気極触媒層で酸素と
還元反応を促進させている．なお，リン酸形（PAFC）も電極反応は PEFC の
水素イオンと電子が反応し水が生
場合と同じである．
成される．
電解質膜とその両側の触媒層，さ
らにそれらの外側のガス拡散層を
２．固体酸化物形燃料電池（SOFC）
すべて一体化したものを，MEA
（Mimbrane Electrode Assembly；膜
電極接合体）という．
電解質に酸素イオン伝導性酸化物を採用した燃料電池．燃料電池の中では最
も動作温度が高く（800∼1200◦ C 程度），高温型燃料電池と呼ばれることも
ある．SOFC の空気極側では，電解質との界面においてイオン化反応
カソード（還元反応）：
1
O2 + 2e− → O2−
2
が生じ酸素イオン O2− が発生する．SOFC の場合，電解質を通過するのはこ
の酸素イオンである．したがって前述の PEFC と異なり，導電種イオンが空
気極側から燃料極側に移動する．燃料極に到達した O2− はそこで電子を放し，
燃料極側に供給された水素と反応して水を生成する．
アノード（酸化反応）： H2 + O2− → H2 O + 2e−
この電子が外部回路を伝わって燃料極から空気極へ移動し，酸素のイオン化
に寄与する．こうして PEFC と同様，アノードからカソードへ連続的な電子
の流れが実現されるので，負荷抵抗を介して電流を外部に取り出すことがで
きる．また，両電極での反応をまとめると，燃料電池全体としては
1
H2 + O2 → H2 O
2
の反応が進行し，水素 1 モルと酸素 1/2 モルから水 1 モルが生成されること
がわかる．
3
■ 水素製造法
水素は，炭素や酸素との化合物として（つまり炭化水素や水として）地球上に多量
に存在しているが，単体としては大気中にごく微量含まれているに過ぎない．した
がって，燃料電池の燃料として水素を利用する場合には，炭化水素や水から水素を
取り出す必要がある．
代表的な炭化水素系燃料として，天然ガスや石油などの化石燃料，あるいは木くず
や生ゴミなど生物由来のバイオマスがあげられる．これら炭化水素系燃料（メタン
CH4 ，プロパン C3 H8 など）から，化学反応を利用して水素を生成する過程のこと
を，改質プロセスという．
1◦ 水蒸気改質反応
炭化水素を水蒸気と化学反応させて水素を生成する方法を，水蒸気改質法（steam
reforming method）という．ただし，炭化水素には炭素が含まれているので，水素
とともに CO や CO2 も生成される．天然ガスの主成分であるメタン（CH4 ）を例
にとれば，改質反応は以下のように表すことができる．
CH4 + H2 O → CO + 3H2 − 206.4 kJ
······⃝
1
このように改質反応は吸熱反応であるから，反応を安定して進行させるためには
熱を供給し続ける必要がある．
2◦ CO 除去プロセス
水蒸気改質反応によって水素と同時に生成された一酸化炭素（CO）は，低温動作
燃料電池で用いられる Pt 系電極を被毒し，活性を劣化させる作用がある．そのた
め，改質ガスにさらに水蒸気を加えて CO を酸化することで，改質ガス中の CO 濃
度を低減させる処置が行われる．
CO + H2 O → CO2 + H2 + 41 kJ
······⃝
2
これを水成ガスシフト反応という．したがって CH4 の場合であれば，⃝
1 と⃝
2 の反
応をあわせて，以下の改質プロセス
CH4 + 2H2 O → CO2 + 4H2 − 165 kJ
が進行し，H2 と CO2 が 4：1 の割合で生成される．なお，実際の低温型燃料電池
では CO 濃度を 10 ppm 以下に抑える必要があるので，シフト反応に続き，Pt 系触
媒を用いて残留 CO を CO2 に酸化する．
以上のプロセスを経ることで，水素リッチな改質ガス（H2 ∼75%，CO2 ∼20%，N2
∼5%，CO < 10 ppm）が得られる．このように，改質反応によって化石燃料（炭
化水素系燃料）から水素を製造する場合，CO2 の発生を避けることはできないが，
化石燃料を燃焼させる火力発電と比較すれば，改質によって得られた水素を利用
する燃料電池発電の方が効率は高くなる．したがって結果的に，燃料電池を用いた
場合の方が CO2 の排出量は削減される．
4

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