燃料として用いる物質に炭素が含まれている場合、反応(発電)によって二酸化炭素が生成して排出される。そのため、アルカリ性水溶液の電解質は炭酸塩を生成するので使用できない。燃料供給ポンプや放熱ファンを使うか否かで、パッシブ型とアクティブ型に区分される。燃料極の白金に反応中間体である一酸化炭素が強吸着(被毒)してしまい反応速度が遅く、水溶性の高い燃料を用いた場合では燃料のクロスオーバーが起こるため、電力・発電効率とも低いが小型軽量のものが作れる。直接形メタノール燃料電池(DMFC)では、数十mW-10W程度の小規模小電力発電に適している。これらは小型携帯電子機器の電源としての用途が考えられている。一方で設置型には1kw級の発電能力を有する物もある[7]。燃料を酸化する触媒として酵素や微生物などが用いられる。酵素を用いた燃料電池においては、環境の変化に対しても安定して働く強力な酵素が不可欠であり、研究開発では、酵素の寿命を伸ばすことなどが課題となっている。血液中のグルコースを利用する体内埋め込み型ペースメーカーの開発が行われている[8]。微生物を用いた燃料電池においては、廃水中の有機物の利用などといった観点から研究されることが多い。類似の研究には、光合成による植物の生体システムを応用した「太陽光バイオ燃料電池」もある。進められている主要な4つの方式について比較を示す。歴史[編集]黎明期[編集]グローブの気体ボルタ電池(1842)燃料電池の原型として知られるホンダ・FCXクラリティ燃料電池自動車トヨタ・FCHVトヨタ・日野・FCHVバス愛知万博シャトルバス燃料電池の原理は1801年にイギリスのハンフリー・デービーによって考案された。現在の燃料電池に通じる燃料電池の原型は1839年にイギリスのウィリアム・グローブによって作製された。この燃料電池は、電極に白金を、電解質に希硫酸を用いて、水素と酸素から電力を取り出し、この電力を用いて水の電気分解をすることができた。Grubbはスルホ基で修飾されたスチレンによるイオン交換膜を電解質として用いた改良型燃料電池を開発した。燃料電池として知られる事となった。GE社はこの技術の開発と利用を、当時進行中だったアメリカ航空宇宙局のジェミニ宇宙計画に働きかけて採用され、これが燃料電池の最初の実用となった。採用され、再び燃料電池が注目されるようになった。1959年、フランシス・トーマス・ベーコンは5kWの定置式燃料電池の開発に成功した。Ihrigが率いるチームによって15kW出力の燃料電池トラクターが米国ウイスコンシン州のアリスシャルマーズ社の米国横断フェアーで公開された。このシステムは水酸化カリウムを電解質として使用して、圧縮水素と酸素を反応させていた。1959年、ベーコンと協力者は5kWの装置で溶接機の電源として使用できることを示した。1960年代、プラット&ホイットニー社は米国の宇宙計画に於いて宇宙船の電力と水を供給するために、ベーコンの米国での特許の使用許諾を得た。アポロ計画からスペースシャトルに至るまで燃料電池は電源、飲料水源として使用された。その際は材料の信頼性による検討の結果、アルカリ電解質形燃料電池が採用された。民生用燃料電池として、住宅用のコジェネレーションシステムや発電施設向けに研究開発が続けられた。1982年、東芝が50kWりん酸形燃料電池実験プラントを浜川崎工場に建設し、加圧形として日本初めての発電に成功。完成させ、出力1万1000kWのリン酸形燃料電池の実証運転が行われた。この電解質膜の耐久性に優れていたことから、燃料電池が再び注目されるようになり、研究開発が盛んになった。(DARPA)のローレンス・H・デュボワは、様々な液体炭化水素(メタノール、エタノールなど)で動く燃料電池に着目して、南カリフォルニア大学(USC)のローカー炭化水素研究所に所属していた酸の専門家スルヤ・プラカッシュと、ノーベル賞受賞者のジョージ・A・オラーに声をかけた。USCはジェット推進研究所、カリフォルニア工科大学の協力の下、液体炭化水素が直接酸化するシステムを発明し、のちにダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)と名付けられた。1994年、ダイムラーベンツ(当時)が燃料電池自動車の試作車を発表した。相次いで「携帯機器向けの燃料電池」の開発を発表している。2002年12月には、トヨタ・FCHVおよびホンダ・FCXの燃料電池自動車の市販第一号が日本国政府に納入され、小泉純一郎首相が試乗を行った。これらは総理大臣官邸と経済産業省で使用され、24時間のフルメンテナンス体制付きのリース契約となった。2003年には、東京都交通局にトヨタ・日野自動車製FCHVが納入、2004年末までお台場周辺で運行された。2005年には愛知万博で日野製FCHV-BUSが納入された。2004年には日産も横浜市などへ納入した。2006年からは、愛知万博で使用された水素ステーションが移設された中部国際空港でも運行されている。これらの公共バスは、一般人が乗る事が出来る燃料電池車であるといえる。開発の主役となってから、21世紀現在、この呼び方が用いられることは殆どない。2014年末には、水素燃料電池による長距離走行を可能とするトヨタ・MIRAIが発売された。2002年10月には米国運輸省が燃料電池の飛行機内持ち込みを許可するなど、燃料電池普及に向けた規制緩和の方針をいち早く打ち出している。安全基準や性能評価について国際的な基準制定の動きもある。(IEC)内の105番目の専門委員会であるTC105が発足し、燃料電池に関する電気分野での標準化が話し合われ、すでに8つの規格が規定されている。電気分野以外での標準化は国際標準化機構(ISO)で行なわれている[9]。普及への課題[編集]燃料電池を普及させるための最も大きな課題は、コストである。購入時の初期コストと使用期間にかかるランニング・コストが共に高いため、普及を妨げている。耐久性・発電効率の向上・電解質の長寿命化やインフラ整備等の課題が指摘されてきた[10][9]。した課題を乗り越えるための努力が官民双方で続けられている。自動車用に自治体と企業が連携してインフラ構築に乗り出す例[11]が見られる他、家庭への設置に対しても補助金が支給されている[12]。2011年3月11日の東日本大震災以降は人気が高まり、現時点では光熱費の節約になるとは限らない状況にもかかわらず、補助金の予算枠を追加するほどになっている[13]。共に装備した住宅を発売する例も見られる一方、これら“3電池”のさらなるコスト低減の必要性も指摘されている[14]。対象に加えて支援する国も見られる[15]。実用化[編集]2007年現在、欧州のキャンピングカーにおいて、メタノールを使用したものが開発され、2009年春、日本仕様として、エタノール濃度を調整した製品の販売が開始された。使用するものが、数年の間に採用される[17]。Power製の400kWPAFCが、ニューヨークのフリーダム・タワーに12台設置される。2009年6月4日に放送されたテレビ東京「ニュースモーニングサテライト」で、京都のベンチャー企業が携帯電話やデジタルオーディオプレーヤーの充電用として、水から水素を分離して燃料とする小型の燃料電池を2010年春にコンビニエンスストアで「高校生の小遣いで買える」価格で発売を開始すると報じられたが、詳細については不明である[18]。2009年10月22日、東芝がモバイル機器の充電用としてメタノールを燃料とする小型のモデルの販売を、台数限定で開始した[19]。米国ニュージャージー州において太陽光発電パネルと水素燃料による住宅設備のフル稼働がおこなわれている。[20]用語[編集]燃料電池の説明では、いくつか特有の用語を使用する。一般的な用語もあるが、燃料電池だけの独自の意味を持つものもある。セル電池の分野において"cell"は、両電極と電解質、セパレータを含む最も簡単な電池を表す。"battery"は、組みあがった電池全体を指す。燃料電池においては通常、積層などしない単体の燃料電池のことを「単位セル」、「単セル」もしくは単に「セル」と呼ぶことが多い。スタック単板形状の単位セルでは、それらを積層したもの。円筒横縞型や円筒縦縞型の単位セルでは上下に重ねたり数珠繋ぎにしたもの。いずれも直列接続される。「セルスタック」とも呼ばれる。燃料極アノードのことであり、電子を失う側の電極を意味するアノードを、水素などの燃料を供給する側を意味する「燃料極」と呼んでいる。電極端子の電圧の方向に基づく正極や負極という名称,電流の方向に基づくアノードやカソードという名称に対して,陽極・陰極という用語は,「電位の高低の意味」と「電流の出入りの意味」の両方の意義に用いられて混乱している。そのため,供給ガスを電極の名前に選ぶのが一般的になっている。燃料極=アノード=(陽極)=負極である。通常の電池でいうマイナス極である。空気極カソードのことであり,電子を得る側の電極を意味するカソードを、酸素を含む空気を供給する側を意味する「空気極」や「酸素極」と呼んでいる。空気極=カソード=(陰極)=正極である。通常の電池でいうプラス極である。セパレータセルの主要な構成要素であり、一方の面に水素、逆の面に酸素をはさんでこれらを分離する(Separate)のでセパレータと呼ばれる。出来るだけ低い電気抵抗で両面間に電流を流す必要から薄い方が良いが、水素や酸素、冷却水の流路の溝を備えるために厚みのあるものが多い。高濃度の水素イオンは強酸性であるため、グラファイトや耐食性を持つ金属で作られることが多い[9]。電子伝導性があり、イオン伝導性がなく、剛直であり、ガス・液体を通さないことが必要である。リチウムイオン電池などにおいては「セパレータ」はイオンの通過する部分の正負極を、静電的に絶縁する層を指し、燃料電池においては電解質層に当たるものであり、注意が必要である。Power(ユナイテッド・テクノロジーズ子会社)や富士電機システムズなど。富士電機システムズ製の100kWPAFCは、2008年に燃料電池としては初めて日本での消防用非常電源の認定を受けた。Energyや石川島播磨重工業などである。PEFCの発電効率の最高値は公称37.5%LHVとされる。TOTO、三菱マテリアル(関西電力)、京セラなどである。2005年11月から3ヶ月間、大阪ガスと京セラは、都市ガスを使って集合住宅でのSOFCによる1kW発電装置の実証実験を行なった。これは660Wの給湯出力も得られ、1日の平均発電効率で44.1%(LHV)という成績だった。2007年度からは、経済産業省等の元で新エネルギー財団が、4メーカーからの29台の装置によって都市ガス、LPG、灯油によるSOFCの実証研究を行い、平均の発電効率は35%(LHV)という成績だった。実証研究は、2010年度まで継続され、累計233台が実証研究に供された。三菱マテリアルと関西電力は、都市ガスを燃料にSOFCによる出力10kW級のコジェネレーション発電装置を実験運用しており、発電効率は50%を達成している。NEDOは、4つの企業グループに委託して、SOFCによる出力10kW級から200kW級の発電装置を実験している。内1つは三菱重工業の都市ガスを燃料とするSOFC発電とマイクロガスタービン発電を組み合わせた複合発電であり、SOFCから生じる未反応の水素と一酸化炭素よりなる副生ガスもマイクロガスタービンで燃焼させることで無駄を排除した。DFCの燃料には、ボロハイドライトも考えられている。バイオガス燃料電池と呼ばれる下水消化ガスやメタン発酵ガスを利用した燃料電池とは異なる。トヨタは、燃料電池車は政府機関を中心にリース契約とし、一般消費者向けにはガソリンエンジンとニッケル水素蓄電池(その後リチウムイオン蓄電池へ移行)を組み合わせたハイブリッド車を販売する方針とした。doi:10.20619/jcombsj.50.151_3。2016年8月4日閲覧。東芝のプレスリリース。20191016閲覧。外部リンク[編集]ウィキメディア・コモンズには、燃料電池に関連するカテゴリがあります。(日時は個人設定で未設定ならばUTC)。表示-継承ライセンスの下で利用可能です。追加の条件が適用される場合があります。詳細は利用規約を参照してください。Cookieに関する声明モバイルビュ。