燃料電池のしくみを知ろうみなさんは、燃料電池という言葉を聞いたことがあるでしょうか？最近はよく新聞や TV ニュース等で紹介されていますので、一度は耳にしたことがあるのではないでしょうか。特に自動車の分野で、次世代のエネルギー源として研究開発されています。 ○燃料電池ってなぁに? 「燃料電池」がどのようなものか、みなさん知っていますか？名前に「電池」とつくので、バッテリーのように電気を充電してためておくものと思っている人が多いでしょう。しかし、「燃料電池」は英語の「Fuel Cell」を直訳したもので、本当は、「水素」と「酸素」を化学反応させて、直接電気を発生させる装置、つまり「発電装置」の一種なのです。えっ!? と驚くかもしれませんが、燃料電池は、発電所や自家発電装置に比べ、小さく騒音や振動も殆んど聞こえない上に、二酸化炭素(CO2)や窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)を発生しない環境に優しい発電機なのです。皆さんからは、燃料となる「水素」は何から作るの？どうやって動くの? なぜ CO2 を出さないの? 燃料電池について聞いたことがあるけれど、見たことはない・・・。いろんな答えが返ってきそうですが、今日は「燃料電池」についてくわしく調べたことのある人も、はじめて耳にする人も、実際に燃料電池を搭載した模型自動車を手にとって、燃料電池のしくみを勉強しましょう。 ○燃料電池のしくみ燃料電池は、次ページの図のように燃料極（負極）と空気極（正極）、その間に挟まれた電解質で構成されています。燃料電池における電気の生成方法は、水素(H2)と酸素(O2)を化学反応させる、つまり水(H2O)の電気分解の逆反応を行い発電しています。よって、燃料の水素は、水の電気分解により作ることが可能です。簡単に説明すると次のようになります。 1. 水素（H2 ）が燃料極（負極）で触媒（化学反応を助ける物質）の作用によって、水素イオン（2H+)と電子（2e-）に分解される。 2. 電子が外部の回路を通って空気極（正極）に移動すると同時に、水素イオンも中央の電解質を通り空気極側へ移動する。 3. 空気極で水素イオンと空気中の酸素（O2）が化学反応し H2O となる。他の発電方法と異なり、燃料電池で排出されるのは主に水です。排出した水を、電気分解し、 H2 を取り出せば、再び燃料として使えます。また、軽油やガソリンを用いる一般の発電機や石炭、重油などを利用する火力発電所等では、下図のように燃料のもつ化学エネルギーを熱エネルギー、機械的エネルギーに換えてから電気エネルギーに変換するためロスが大きくなりますが、燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、効率よく電気を得ることが出来ます。現在燃料電池の発電効率は約 40-50%といわれていますが、発電時に発生する熱も利用することで約 80%の発電効率が見込めるようになります。多段変換化学エネルギー電気エネルギー発電効率が良い直接変換熱エネルギー機械的エネルギー火力発電所・ガソリンエンジンなど化学エネルギー電気エネルギー燃料電池 ○燃料電池模型自動車を走らせよう! では、早速模型自動車を走らせよう! と思うが、その前に燃料の水素を生成しなければならない。水素は水を電気分解して発生させます。その手順を簡単に説明します。 1. イオン交換膜パネル上の H2 のシリンダー側にある補填口の黒のキャップを外し、水ボトルの先を、補填口に差込む 2. ボトルを逆さに持ち上げて、ゆっくりとボトルを押しながらイオン交換膜を通して、H2 シリンダーに水を注入 3. シリンダーの A のラインまで水を注入したら、ゆっくりと水ボトルを持つ力を緩め、シリンダー内の空気と水をボトルに戻し、水位を B の位置まで下げる。 4. B の位置まで水位が下がったら、ホースを摘んで抜く。補填口に黒のキャップを被せる。O2 のシリンダーについても同様の操作を行う 5. スイッチが OFF である事を確認し、手回し発電器を接続し（接続方向注意）、水の電気分解を行う（ハンドルを回す向きに注意）。H2 が 15ml まで溜まったら、すぐに電源との接続を切るこのとき、反対の右側のセルには O2 が生成します！何 ml の O2 が生成したかな？学校の授業で化学反応式を勉強した人は、燃料極、空気極で起こった反応を化学反応式で書いてみよう！ 6. 左側のシリンダーに生成された 15ml の H2 燃料電池の化学反応＋ → 燃料極空気極＋ → ＋＋＋ → ＋ポイントスイッチを ON にしても、モーターが動かない場合は、３．の操作でセルに水を充填した際に、セル内に余分な空気が入ってしまったためと考えられます。なぜならば、私達が吸っている空気は窒素約 75%、酸素約 23%、その他にアルゴン、水、炭酸ガスなどから成り、燃料電池は水素と酸素から水を生成する化学反応を利用して発電します。ゆえに、水素と酸素に空気という不純物が混入すると発電効率が低下し、力が弱く駆動時間も短くなります。こんな時は、もう一度３．の操作を行って、セル内の空気を出来るだけ除去してみよう。うまくモーターが動いたら、他のグループの車と競争してみよう！どのグループが一番早いかな？何か気づいたことはあるでしょうか？・ 15mL の水素でどのぐらい走るかな？・シリンダー中の水素、酸素が減ってくると車のスピードはどうなるでしょう？・車がストップした後、シリンダーの中はどうなっているでしょう？ ○実験の最後に今のところ、燃料電池を搭載した自動車は、一般に販売されていません。発電所でも使われていません。どうして環境に優しい燃料電池を早く実用化して、自動車や発電所に採用しないのでしょう? 現在燃料電池のもつ問題点についても考えてみましょう。