燃料電池の説明に入る前に、まず電池について簡単その仕組みを紹介いたします。
電池は化学反応がおきる際に発生する電気を取り出すようにしたもので、利用する化学物質の酸化反応と還元反応の組み合わせによりさまざまな種類の電池が作られています。テレビのリモコンなどで使うマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池、携帯電話やカメラで利用されるリチウムイオン電池、自動車のバッテリーとして搭載されている鉛蓄電池などです(太陽電池など化学反応を利用しない電池もありますがここでは省略します)。
電池には使い切りタイプの一次電池と、充電することにより繰り返し使用可能な二次電池（蓄電池）の2種類があります。マンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池は一次電池、リチウムイオン電池や鉛蓄電池は二次電池にあたります。そして、FCVやエネファームに搭載される燃料電池はこれら一次電池や二次電池と違う特徴をもった電池なのです。

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燃料電池とは

燃料電池とは燃料となる化学物質と酸化剤を外部から供給しつつ反応させて電気を取り出すタイプの電池のことを指します。多くの場合、酸化剤には酸素（空気）が用いられますが、そこでは燃料が燃焼するときと同じように酸素との化学反応を利用するため「燃料電池(英語ではfuel cell)」という名前が付けられています。燃料電池で酸素と反応させる燃料として原理的にはさまざまな物質が利用可能ですが、現在のところ水素・メタノール・ヒドラジンを使うタイプが実用化されています。
燃料電池は充電ができませんが、充電の代わりに燃料を追加し続けることで長い時間連続して電気を取り出すことが可能です。そこで、使い切りの一次電池とは別のものとして分類されることが多くなっています。
燃料電池の利用範囲は広く、古くはアポロ計画などの宇宙船で電力源として使われたほか、現在ではFCVのほか家庭用燃料電池「エネファーム」などにも活用されています。

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燃料電池の歴史は100年以上

人類が初めて月に到達したアポロ11号にも燃料電池が使われていた。(写真提供：アメリカ航空宇宙局)

燃料電池の仕組みにはいくつかあり、現在までに実用化や研究が進んでいるのは表の4種類です(表)。 このうち、FCVに利用されている燃料電池は固体高分子形燃料電池(PEFC)で、水素と空気がそれぞれ通る層がある電極の間に、イオン交換膜(電解質層)を挟み込んだ形になっており、これをセルと呼びます(図)。燃料として入ってきた水素はまず電極表面にある触媒によって水素イオン(H⁺)と電子に分かれ、電子は電極へ、水素イオンはイオン交換膜へと移動していきます。イオン交換膜はプラス電荷またはマイナス電荷のイオンだけを通すように作られた特殊な高分子膜で、PEFCではプラス電荷の水素イオンが通りやすい高分子が使われています。高分子膜を移動して反対側の電極に到達した水素イオンは、触媒の働きにより空気中の酸素と反応し、水となります。セル1個が発生する電圧は運転時は約0.7Vになります。FCVで利用する場合は大電力が必要となるためセルは何段にも積み重ねられ(FCスタック)、より高い電圧の電力を取り出しています。
FCVがPEFCを利用するのは動作温度が80～90℃程度と低いためで、暖める時間が短くて済み、発進・停止を繰り返す自動車向きといえます。その代わりに反応を起こす触媒として高価な白金が必要で、このことが実用化を難しくしていました。しかし、自動車メーカーと化学メーカーの共同研究が進み、自動車1台あたりに使用する白金の量を大幅に減らすことに成功し、大量生産できるレベルまで価格が下がってきました。またより安価な材料を触媒として使う研究も進められています。
逆に、より高い温度で動作する固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、暖める時間がかかるものの発電効率が高いほか、高温の排熱を熱源としてさらに使えるメリットがあり、長時間連続して使用する中・大型発電設備に適しており、業務・産業用の分散電源として開発が進められています。

FCVやエネファームが利用するのは固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池

FCVに搭載される燃料電池は、燃料電池のセルを何段にも積み重ねて高電圧を取り出す「FCスタック」と呼ばれる仕組みになっている。(写真提供: トヨタ自動車株式会社)

燃料電池の仕組みにはいくつかあり、現在までに実用化や研究が進んでいるのは表の4種類です(表)。 このうち、FCVやエネファームに利用されている燃料電池は固体高分子形燃料電池(PEFC)と固体酸化物形燃料電池(SOFC)です。
固体高分子形燃料電池(PEFC)は水素と空気がそれぞれ通る層の間に、反応を起こすための触媒層が、電解質が移動するイオン交換膜(電解質層)を挟み込んだ形になっています(図)。燃料として入ってきた水素はまず触媒によって水素イオンと電子に分解し電子は電極へ、水素イオンはイオン交換膜へと移動していきます。イオン交換膜はプラス電荷のイオンだけ、あるいはマイナス電荷のイオンだけを通すように作られた特殊な高分子膜で、PEFCではプラス電荷の水素イオンが通りやすい高分子が使われています。高分子膜を移動しきった水素イオンは、触媒の働きにより空気中の酸素と反応し、水となります。この1セットのことをセルといい、セル1個が発生する電圧は作動時に約0.7Vになります。FCVで利用する場合は大電力が必要となるためセルは何段にも積み重ねられ(FCスタック)、より高い電圧の電力を取り出しています。
FCVがPEFCを利用するのは動作温度が低いためで、暖める時間が短くて済み、発進・停止を繰り返す自動車向きといえます。その代わりに反応を起こす触媒として高価な白金が必要で、このことが実用化を難しくしていました。しかし、自動車メーカーと化学メーカーの共同研究が進み、自動車1台あたりに使用する白金の量を大幅に減らすことに成功。大量生産できるレベルまで価格が下がってきました。また、脱白金に向けた白金より安価な材料を触媒として使う燃料電池の研究も進められています。
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、燃料の利用効率が高いほか、高温の排熱を熱源としてさらに使えるメリットがあります。家庭用燃料電池（エネファーム Type-S）として2017年から実用化されています。また産業用や大規模発電向けにも実用化が進められています。

【表　一般的な燃料電池の仕組み】

	固体高分子形 (PEFC)	リン酸形 (PAFC)	溶融炭酸塩形 (MCFC)	固体酸化物形 (SOFC)
燃料	水素	水素	水素・一酸化炭素	水素・一酸化炭素
電解質	イオン交換膜	リン酸	溶融炭酸塩	ジルコニア系セラミックス
動作温度	常温～90℃	150～200℃	650～700℃	750～1000℃

【図　固体高分子形燃料電池で電気を取り出す仕組み】

家庭用燃料電池とは

日本は2009年に、世界に先駆けて家庭用燃料電池を商品化しましたが、一般市民への認知度の向上のため、エネルギー事業者によって、共通ブランド「エネファーム」が用いられることが決まりました。
「エネルギー」と「ファーム＝農場」を組み合わせて名付けられました。家で使うエネルギーを、家庭菜園のように自分の家でつくるという意味が込められています。ちなみにエネファームの正式名称は「家庭用燃料電池コージェネレーションシステム」です。
「エネファーム」は、都市ガスやLPガスから水素を取り出し、空気中の酸素と反応させて発電するシステムです。この時、発電時の排熱から熱を利用してお湯を作ります。エネルギーを有効活用でき、省エネにも大きく貢献します。電気は照明やテレビなどに、排熱で沸かしたお湯は給湯や暖房に利用できます。
2009年から一般商品として販売が開始され、2021年3月までに約35万台が普及しています。

出典：エネファームパートナーズ

エネファームは補助金政策によって市場拡大と製品コストが大幅に進んだ恒例。

出典：経済産業省「水素・燃料電池戦略ロードマップ改訂の方向性～新たなアクションプランの策定について～」
第14回 水素・燃料電池戦略協議会（2018年12月21日）

現在エネファームは、PEFC形（パナソニック製700W機）とSOEC形（アイシン精機製700W機、京セラ製400W機）が販売されています。最近は停電時に自立発電によって、電力の供給が可能なタイプも販売されています。

家庭用燃料電池「エネファーム」（写真：エネファームパートナーズ）

2009年には、エネルギー事業者6社（東京ガス、大阪ガス、東邦ガス、西部ガス、新日本石油、アストモスエネルギー）によって、家庭用燃料電池「エネファーム」の販売開始と普及に向けた共同宣言が行われました。またエネファームの自立的な市場形成と出荷拡大のため、2013年にエネファームの関連業界・団体によってエネファームの普及推進を行う「エネファームパートナーズ」が設立されました。

業務・産業用燃料電池とは、数kWから数百kWの出力を有する、大型の燃料電池です。2017年から国内メーカーによる本格普及が始まっています。
スエンジンコージェネ等との比較では、①発電効率が高く、熱需要の小さい事業者にも適用可能であること、②排気ガス（NOｘ）が非常に少ないこと、③静音性に優れていること等の優位性があります。
また、ガスエンジンコージェネ等と同様に、災害時や系統停電時における重要負荷への電力を確保することで、BCP（事業継続計画）が可能となり、信頼性の高いエネルギー供給システムが構築できることが期待されています。
業務・産業用燃料電池では、天然ガスだけでなくバイオガスや水素を燃料とする製品が実用化されています。

製品の例

• MHPS 220kW SOFC　(NG)
• 三浦工業　4.2kW SOFC (NG)
• 京セラ　3kW SOFC (NG)
• 富士電機　100KW PAFC (NG、バイオガス、純水素)
• 東芝エネルギーシステムズ　700W 3.5kW 100kW PEFC (純水素燃料)

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家庭燃料電池（エネファーム）の構造

家庭用燃料電池（エネファーム）は燃料電池ユニットと貯湯ユニットから構成されます。
燃料電池ユニットでは、都市ガスやLPガスを改質して水素を製造し、空気中の酸素と反応させ、電力を生み出します。その時に燃料電池から発生する排熱を利用してお湯を製造し、貯湯ユニットに貯めます。
電力は照明やテレビなどに使用し、お湯は家庭への給湯や暖房などに使用します。

図：エネファームパートナーズ

定置用燃料電池の効率

一般に発電では、発電所で発生する熱は廃棄されてしまいます。また遠く離れた家庭まで電気を送電するため、送電ロスなどが発生します。
家庭用燃料電池では、家庭で電気と熱を作りますので、エネルギー利用率は約9割程度が期待できます。

図：エネファームパートナーズ