Fuel cell - Nenryodenchi (English spelling) fuel cell

Japanese: 燃料電池 - ねんりょうでんち（英語表記）fuel cell

A battery that converts chemical energy produced by the oxidation of fuel directly into electrical energy. It can also be considered a type of power generation device. It is basically the same as a normal chemical battery, in that it uses an oxidation-reduction reaction, but unlike a chemical battery in which the cell reaction takes place within a closed system, fuel and oxygen (air) are continuously supplied from the outside, and the reaction products are continuously removed from the system. The most typical example is the hydrogen-oxygen fuel cell.

In principle, it began in 1839 when Grove of England created a battery by immersing positive and negative electrodes made of platinum plates coated with platinum black (black platinum powder) in dilute sulfuric acid and spraying hydrogen and oxygen onto both electrodes. Although it succeeded in obtaining electrical energy, it was not sufficient, and in the 1960s, its characteristics were noticed again and efforts were made to put it to practical use as a power source for spacecraft. Since then, research and development has been actively carried out by government agencies, universities, companies, etc. in various countries as a highly efficient and environmentally friendly on-site (power generation at home, business, or local) alternative to thermal power generation, as a promising candidate for a power source for electric vehicles (fuel cell vehicles), and as a small, high-energy density power source for mobile devices such as mobile phones.

[Teruo Hobara and Mitsuru Asano]

kinds

Fuel cells are generally classified according to the type of electrolyte they use: alkaline (operating temperature: room temperature to 120°C), phosphoric acid (operating temperature: 180-210°C), molten carbonate (operating temperature: 600-650°C), solid oxide (operating temperature: 800-1000°C), and solid polymer (operating temperature: room temperature to 100°C). Fuel cells that operate at temperatures up to about 200°C are called low-temperature types, while fuel cells that operate at high temperatures of 500°C or higher are called high-temperature types, as they are able to smoothly advance electrode reactions without the use of precious metal catalysts such as platinum.

The fuel supplied to the negative electrode (called the negative electrode active material) can be hydrogen, or natural gas, petroleum, gasoline, methyl alcohol, etc., which have been converted into hydrogen and carbon monoxide or hydrogen and carbon dioxide through steam reforming. Carbon monoxide, which is a catalyst poison in low-temperature types, can also be used as the negative electrode active material in high-temperature types. In high-temperature types, high-temperature heat can also be used for steam reforming reactions, turbine power generation, hot water supply, etc., which can improve the overall conversion efficiency.

[Mitsuru Asano]

principle

In a typical phosphoric acid fuel cell, hydrogen ions and electrons are generated at the hydrogen electrode (negative electrode), and the electrons flow through an external circuit to the oxygen electrode (positive electrode). Here, oxygen reacts with the hydrogen ions and electrons in the electrolyte to produce water. The chemical formula is as follows:

(Negative electrode)
H ₂ +2H ₂ O―→2H ₃ O ⁺ +2e ^-
(Positive electrode)
0.5O ₂ +2H ₃ O ⁺ +2e ^- -→3H ₂ O
(whole)
_H2 + _0.5O2 - → _H2O
This is a hydrogen combustion reaction, and if left unchecked, it will only generate combustion heat. However, in a fuel cell, the reverse reaction of electrolysis of water to obtain hydrogen and oxygen is split into an anode reaction and a cathode reaction, and electricity is generated directly through electrochemical energy conversion. Therefore, the standard theoretical electromotive force calculated from the Gibbs free energy change of the chemical reaction is 1.23 volts, and the theoretical energy efficiency is 83%, but in reality, the conversion efficiency decreases due to various energy losses. Nevertheless, it has the characteristic of being able to achieve a high value of about 60%. In contrast, in thermal power generation, the combustion heat is converted into mechanical energy, which is then converted into electrical energy, so it cannot exceed the theoretical efficiency of a heat engine based on the second law of thermodynamics. For example, if the high temperature end is 700°C and the low temperature end is 300°C, the maximum efficiency is 41%.

[Mitsuru Asano]

Research and Development

Phosphoric acid electrolyte fuel cells were developed primarily by the American company United Technologies Corporation (UTC) for general civilian use, and UTC and American gas companies launched the Target Plan in 1967, which saw numerous tests carried out from 1981 onwards, with the aim of developing fuel cells for on-site power generation to be used directly in areas of electricity demand. Two Japanese companies, Tokyo Gas and Osaka Gas, also participated, installing one unit each and conducting tests on 40 kilowatt fuel cells, but these tests were completed in 1986. The Ministry of International Trade and Industry (now the Ministry of Economy, Trade and Industry) launched a Large-Scale Energy Conservation Technology Research and Development Project (Moonlight Project, later New Sunshine Project) in 1978 (Showa 53) to conduct research and development into energy conservation, and has been advancing research and development into fuel cells.

In order to further commercialize and popularize fuel cells, the Ministry of Economy, Trade and Industry launched a public-private joint project in 2002. This project promotes demonstration tests of "fuel cell vehicles," "hydrogen supply facilities," and "private power generation facilities." In the same year, hydrogen supply stations were established in five locations in the Tokyo metropolitan area to promote infrastructure development and support public road testing of fuel cell vehicles. The project is also verifying the operational status of stationary fuel cells. Meanwhile, Mitsui & Co. began importing 500-watt fuel cells from the American company H Power Corp. (now Plug Power Inc.) in 2002, and began selling the first practical version in Japan.

Research and development is being conducted on new types of fuel cells, such as direct methanol fuel cells, which supply methyl alcohol (methanol) directly to the anode without reforming it into hydrogen, direct 2-propanol fuel cells, fuel cells that extract hydrogen from dimethyl ether, biofuel cells (biofuel cells) that use biocatalysts such as bacteria and enzymes instead of precious metal catalysts, and lithium-nitrogen heat-regenerating fuel cells and lithium-hydrogen heat-regenerating fuel cells that use alkali chloride molten salts.

Hydrogen for fuel cells can be obtained industrially by steam reforming or partial oxidation of hydrocarbons such as natural gas, but high-temperature fuel cells can be self-supplied by steam reforming of hydrocarbon gases within the cell using the heat of the cell itself. Research is also being conducted on methods that use an alkaline aqueous solution of sodium borohydride (NaBH ₄ ) as a hydrogen source, and methods that use cyclohexane or decahydronaphthalene (decahydronaphthalene) as organic liquid media for storing and transporting hydrogen.

[Mitsuru Asano]

Development of fuel cell vehicles

A fuel cell vehicle is a type of electric vehicle (EV) that uses a fuel cell as its power source. As one of the environmental measures against automobile exhaust gas, automobiles that run on a drive motor using electric energy obtained from a fuel cell are called fuel cell vehicles (FCVs), fuel cell electric vehicles (FC-EVs) that have auxiliary power sources such as storage batteries to store electric energy, and fuel cell hybrid vehicles (FC-HVs), and are sometimes called differently. However, as a whole, solid polymer electrolyte fuel cells are probably the most suitable for fuel cells used in automobiles, as they are required to be easy to start and stop from room temperature, compact, and have a high output density.

Methods for supplying hydrogen to fuel cells include those that use high-pressure or liquid hydrogen, hydrogen storage alloys, and those that use hydrogen obtained by reforming natural gas, methyl alcohol, LPG, gasoline, etc. on-board. As for those that use an on-board reformer, methyl alcohol reforming vehicles are currently being developed, which do not require desulfurization and can carry out steam reforming at relatively low temperatures of 200 to 250°C.

Major automakers are developing vehicles equipped with fuel cells, and Honda was the first in the world to receive sales approval in California in July 2002. In December of the same year, Toyota and Honda began leasing vehicles in order to further promote the development of infrastructure in Japan, such as hydrogen refueling stations.

The fierce competition in development will continue in the future to develop high-performance cells, stack them, and systemize them through improvements in the heat resistance of solid polymer electrolyte membranes, higher efficiency of catalysts, and reduced use of catalysts. It is believed that whoever wins this race will dominate the future automobile industry.

[Mitsuru Asano]

"Battery User's Guide" by Takamura Tsutomu and Sato Yuichi (1988, Corona Publishing)" ▽ "Batteries - Their Chemistry and Materials" by Takehara Zenichiro (1988, Dainippon Tosho)" ▽ "Fuel Cells" by Takahashi Takehiko (1992, Kyoritsu Publishing)" ▽ "Battery Evolution and Electronics - Thin, Small, High Performance" by Ikeda Hironosuke (1992, Kogyo Chosakai)" ▽ "Fuel Cell Power Generation" edited by the Fuel Cell Operability Research Committee of the Institute of Electrical Engineers of Japan (1994, Corona Publishing)" ▽ "Fundamentals of Electrical Energy" edited by Sakakibara Takeki (1996, Ohm Publishing) ▽ "Illustrated Guide to Batteries" edited by Ikeda Hironosuke, Takeshima Genji, and Umeo Yoshiyuki (1996, Nihon Jitsugyo Publishing)" ▽ "The Science of Batteries - The Great Supporting Player in Our Lives" by Okada Kazuo (1997, Morikita Publishing)" ▽ "Solid Oxide Fuel Cells and the Global Environment" by Hiroaki Tagawa (1998, Agne Shofusha)" ▽ "Goodbye Engines, Hello Fuel Cells - The 21st Century Automobile Revolution" by Hiroshi Yamamoto (1999, Toyo Keizai Inc.) ▽ "Introduction to PEM and Fuel Cells" edited by Masaru Hirata (1999, Kankyo Shimbunsha) ▽ "The Fuel Cell Revolution" by Xu Komabashi (2000, Nikkan Kogyo Shimbun) ▽ "What are Fuel Cells?" by Kazuo Shimizu and Masaru Hirata (2000, Japan Broadcasting Publishing Association) ▽ "Electrochemistry" edited by Zenpachi Ogumi (2000, Ohmsha) ▽ "Electrochemistry Handbook" edited by the Electrochemical Society (2000, Maruzen) ▽ "Battery Handbook" edited by the Battery Handbook Editorial Committee (2001, Maruzen) ▽ "Distributed Energy Systems and Fuel Cells" edited by Masaru Hirata (2001, CMC) "Everything about Fuel Cells" edited by Hironosuke Ikeda (2001, Nihon Jitsugyo Publishing)" ▽ "Materials Chemistry of New Batteries, Quarterly Chemistry Review No. 49" edited by the Chemical Society of Japan (2001, Academic Publication Center)" ▽ "The Frontline of Fuel Cell Development: Changes in Automobiles, Mobile Devices, and Home Power Sources" edited by Nikkei Mechanical, Nikkei Mechanical Special Edition (2001, Nikkei BP)" ▽ "The Story of Fuel Cells: The Arrival of the Era of Fuel Cell Vehicles" by Kenji Ikushima (2002, Chemical Daily) ▽ "Development and Materials of Fuel Cell Vehicles" edited by Kenichiro Ota and Noboru Sato (2002, CMC Publishing)" ▽ "Chemistry, Vol. 157, No. 2" by Hideaki Akamatsu (2002, Kagaku Dojin) ▽ "The Story of Fuel Cells" by Kenkichi Hirose (2002, Japanese Standards Association)" ▽ "Fuel Cell Technology" edited by the Institute of Electrical Engineers of Japan, Fuel Cell Power Generation Next Generation System Technology Research Committee (Ohmsha, 2002)

Phosphoric acid electrolyte fuel cell structure (cross section)
©Shogakukan ">

Phosphoric acid electrolyte fuel cell structure (cross section)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

燃料の酸化によって生ずる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出す電池。一種の発電装置ともいえる。酸化還元反応を利用している点など、基本的には通常の化学電池と変わらないが、閉じた系内で電池反応を行う化学電池と異なり、燃料と酸素（空気）が外部から連続的に供給され、反応生成物が連続的に系外に除去される。もっとも典型的なものとして、水素‐酸素燃料電池がある。

　原理的には1839年イギリスのグローブが白金黒(はっきんこく)（白金の黒色粉末）付き白金板からなる正負両極を希硫酸中に浸し、水素と酸素を両極に吹き付ける方式の電池を作成したのに始まる。電気エネルギーを得ることに成功したが十分なものではなく、1960年代になって改めてその特徴が注目され、宇宙船の電源として実用化が進められた。その後、火力発電の代替用の高効率で環境に優しいオンサイト（家庭、事業所あるいは地域ごとの発電）用として、また電気自動車（燃料電池車）用電源の有力候補として、そして携帯電話などのモバイル機器用の小形で高エネルギー密度の電源として、各国政府機関や大学、企業などで活発に研究開発が進められている。

［保原照男・浅野　満］

種類

一般に燃料電池は使用する電解質の種類によって分類され、アルカリ形（作動温度常温～120℃）、リン酸形（作動温度180～210℃）、溶融炭酸塩形（作動温度600～650℃）、固体酸化物形（作動温度800～1000℃）、固体高分子形（作動温度常温～100℃）がある。なお、200℃程度までの温度で作動する燃料電池を低温形とよび、500℃以上の高温で作動する燃料電池は、白金などの貴金属触媒を用いなくても電極反応を円滑に進行させることが可能となり、高温形とよばれている。

　負極に供給する燃料（負極活物質という）には水素のほか、天然ガス、石油、ガソリン、メチルアルコールなどを水蒸気改質して水素と一酸化炭素あるいは水素と二酸化炭素に変換したものが用いられている。低温形では触媒毒となる一酸化炭素も高温形では負極活物質として利用できる。高温形では高温の熱を水蒸気改質反応やタービン発電、給湯などにも利用できるので、総合的な変換効率を向上させることが可能である。

［浅野　満］

原理

代表的なリン酸形燃料電池では、水素極（負極）で水素イオンと電子が生成し、電子は外部回路を経て酸素極（正極）へ流れる。ここで酸素は電解質中の水素イオンおよび電子と反応して水を生成する。化学式で示すと次のようになる。

　（負極）
　　H₂＋2H₂O―→2H₃O⁺＋2e^-
　（正極）
　　0.5O₂＋2H₃O⁺＋2e^-―→3H₂O
　（全体）
　　H₂＋0.5O₂―→H₂O
これは水素の燃焼反応であり、このままでは燃焼熱が発生するだけである。しかし燃料電池では、水を電気分解して水素と酸素を得る反応の逆を負極反応と正極反応に分割して行わせ、電気化学的エネルギー変換を行って直接発電させる。したがって化学反応のギブス自由エネルギー変化から求められる標準理論起電力は1.23ボルト、理論エネルギー効率は83％であるが、実際には種々のエネルギー損失があるので変換効率は低下する。それでも約60％という高い値を達成できる特徴がある。これに対し、火力発電では燃焼熱を機械エネルギーに変え、さらに電気エネルギーに変換するため、熱力学第二法則に基づく熱機関の理論効率を越えることはできない。たとえば、高温端を700℃、低温端を300℃とすると最大効率でも41％である。

［浅野　満］

研究・開発

リン酸電解質形燃料電池は、アメリカのユナイテッド・テクノロジーズ社（UTC）を中心に一般民需用として開発され、UTCとアメリカのガス会社は1967年ターゲット計画を発足させ、電力需要地で直接発電して用いるオンサイト発電用の燃料電池を目ざして1981年以降数多くの試験が行われた。日本の東京瓦斯(ガス)と大阪瓦斯の2社も参画して1基ずつ配置され、40キロワット燃料電池の試験を行っていたが、1986年に終了した。通商産業省（現、経済産業省）では、省エネルギーに関する研究開発のため、1978年（昭和53）に大型省エネルギー技術研究開発事業（ムーンライト計画、のちにニューサンシャイン計画）を開始、燃料電池の研究開発を進めている。

　燃料電池のいっそうの実用化と普及を図るため、経済産業省は2002年（平成14）に官民共同プロジェクトを立ち上げた。このプロジェクトでは「燃料電池自動車」「水素供給施設」「自家発電設備」の実証試験を推進するものとなっている。同年、首都圏5か所に水素供給ステーションを設置してインフラ（基盤）整備を進め、燃料電池自動車の公道試験などを後押しした。また、このプロジェクトによって定置式燃料電池の稼働状況の検証が進められている。一方、三井物産では2002年よりアメリカのHパワー社H Power Corp.（現、プラグパワー社Plug Power Inc.）から出力500ワットの燃料電池を輸入し、日本で初めての実用形の販売を開始した。

　新しい方式の燃料電池として、メチルアルコール（メタノール）を水素へ改質することなく、直接負極へ供給する直接メタノール形燃料電池や、直接2‐プロパノール形燃料電池、ジメチルエーテルから水素を取り出して使用する燃料電池、貴金属触媒のかわりに菌や酵素などの生体触媒を使用するバイオ燃料電池（生物電池）、アルカリ塩化物系溶融塩を利用するリチウム‐窒素熱再生形燃料電池およびリチウム‐水素熱再生形燃料電池などの研究開発が進められている。

　燃料電池に使用する水素は、工業的には天然ガスなどの炭化水素の水蒸気改質法や部分酸化法によって得ることができるが、高温形燃料電池では電池自身の熱を利用して、電池内で炭化水素ガスを水蒸気改質することによって自給できる。またナトリウムホウ素水素化物（NaBH₄）のアルカリ水溶液を水素源として用いる方法、さらにシクロヘキサンやデカリン（デカヒドロナフタリン）を水素貯蔵輸送のための有機液状媒体として利用する方法などの研究が行われている。

［浅野　満］

燃料電池自動車の開発

燃料電池自動車は燃料電池を動力源とする電気自動車（EV）の一種。自動車排気ガスの環境対策の一つとして、燃料電池で得られる電気エネルギーを利用して駆動用モーターを回して走る自動車には、燃料電池自動車（FCV）と電気エネルギーを保存するための蓄電池などの補助電源をもっている燃料電池電気自動車（FC‐EV）および燃料電池ハイブリット車（FC‐HV）などがあり、区別してよばれることがある。しかし一括して自動車用に利用されている燃料電池としては、室温からの起動と停止が容易であり、コンパクトで高出力密度であることが求められていることから、固体高分子形燃料電池がもっとも適していよう。

　また、水素を燃料電池へ供給する方法として、高圧または液体水素、水素吸蔵合金を使用するものと、天然ガス、メチルアルコール、LPG、ガソリンなどを車内で改質して得られる水素を利用するものとがある。車載の改質器を利用するものでは、脱硫を必要とせず、200～250℃という比較的低温で水蒸気改質ができるメチルアルコール改質車の開発が先行している。

　おもな自動車メーカー各社は燃料電池を搭載した自動車の開発を進めており、このうちホンダは2002年7月に世界で初めてアメリカ・カリフォルニア州で販売認可を取得した。同年12月には、トヨタ自動車とホンダは日本における水素供給ステーションなどのインフラ（基盤）整備をいっそう促進するため、リース販売を開始している。

　固体高分子電解質膜の耐熱性の向上や触媒の高効率化と使用量の削減などを通じ、今後も高性能セルの開発とスタック化、システム化などで激しい開発競争が続けられよう。これを制するものが将来の自動車産業を制することにつながると考えられている。

［浅野　満］

『高村勉・佐藤祐一著『ユーザーのための電池読本』（1988・コロナ社）』▽『竹原善一郎著『電池――その化学と材料』（1988・大日本図書）』▽『高橋武彦著『燃料電池』（1992・共立出版）』▽『池田宏之助著『電池の進化とエレクトロニクス――薄く・小さく・高性能』（1992・工業調査会）』▽『電気学会燃料電池運転性調査専門委員会編『燃料電池発電』（1994・コロナ社）』▽『榊原健樹編著『電気エネルギー基礎』（1996・オーム社）』▽『池田宏之助編著、武島源二・梅尾良之著『「図解」電池のはなし』（1996・日本実業出版社）』▽『岡田和夫著『電池のサイエンス――くらしをささえる名脇役』（1997・森北出版）』▽『田川博章著『固体酸化物燃料電池と地球環境』（1998・アグネ承風社）』▽『山本寛著『さようならエンジン　燃料電池こんにちは――21世紀自動車革命』（1999・東洋経済新報社）』▽『平田賢監修『PEM・燃料電池入門』（1999・環境新聞社）』▽『駒橋徐著『燃料電池革命』（2000・日刊工業新聞社）』▽『清水和夫・平田賢著『燃料電池とは何か』（2000・日本放送出版協会）』▽『小久見善八編著『電気化学』（2000・オーム社）』▽『電気化学会編『電気化学便覧』（2000・丸善）』▽『電池便覧編集委員会編『電池便覧』（2001・丸善）』▽『平田賢監修『分散型エネルギーシステムと燃料電池』（2001・シーエムシー）』▽『池田宏之助編著『燃料電池のすべて』（2001・日本実業出版社）』▽『日本化学会編『新型電池の材料化学　季刊化学総説No.49』（2001・学会出版センター）』▽『日経メカニカル編『燃料電池開発最前線　自動車、携帯機器、家庭電源が変わる』日経メカニカル別冊（2001・日経BP社）』▽『幾島賢治著『燃料電池の話　燃料電池自動車の時代が到来』（2002・化学工業日報社）』▽『太田健一郎・佐藤登監修『燃料電池自動車の開発と材料』（2002・シーエムシー出版）』▽『赤松英昭著『化学　157巻2号』（2002・化学同人）』▽『広瀬研吉著『燃料電池のおはなし』（2002・日本規格協会）』▽『電気学会燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編『燃料電池の技術』（2002・オーム社）』