【マンガでわかる】燃料電池とは? 仕組み/メリット/デメリット

マンガでわかる燃料電池とは? 地球温暖化
この記事を書いた人

ウチダ リュウジ

・東京大学大学院 自然環境学専攻卒 修士(環境学)
・大学院でマンガを使った環境教育を研究
・現在(2024年)、東京大学 情報基盤センター 協力研究員

インタビュー記事はこちら

地球温暖化が進む地球

地球温暖化が進む現状にため息をするウチダ
二酸化炭素排出禁止
化石燃料の消費
経済成長とCO2歳出削減の両立は難しい
次世代クリーンエネルギー燃料電池
ウチダ
ウチダ

リュウジー!!!

燃料電池って何だ?
リュウジー
リュウジー

しょうがあらへんなー。

じゃあ今日は燃料電池についてお前さんでもわかるよう、わかりやすく解説したるわ。

ウチダ
ウチダ

お願いします!!

燃料電池とは何か

リュウジー
リュウジー

燃料電池とは、水素(H2)酸素(O2)を化学反応させて電気を発生させる装置で、排出されるのが水(H2O)だけのクリーンエネルギーのことや。

燃料電池の化学反応式
ウチダ
ウチダ

なっなんと!!!

出るのが水だけ!?

そりゃすごい!!

リュウジー
リュウジー

現代の主力エネルギー源である化石燃料は、燃焼させると二酸化炭素のほか、大気汚染物質である硫黄酸化物や窒素酸化物を排出する。

化石燃料を燃焼させると有害物質を排出する
ウチダ
ウチダ

おお〜。

燃料電池はエコなエネルギーなんだね。

燃料電池が発電する仕組み

ウチダ
ウチダ

燃料電池は水素と酸素を使うって言ってたけど、それでどうやって発電するのー?

燃料電池は水素と酸素を使ってどう発電するのか
リュウジー
リュウジー

基本的な燃料電池の原理を説明するわ。

簡略化した電池図は以下のようなものや。

燃料電池の簡単な模式図
ウチダ
ウチダ

うわわわ……

難しそう……

リュウジー
リュウジー

まあ、一個一個説明していくわ。

まず「電解質でんかいしつ」ってわかるかー?

ウチダ
ウチダ

わ…わかんない…。

リュウジー
リュウジー

電解質とは陽イオンと陰イオンに電離する物質のことや。

ウチダ
ウチダ

???

リュウジー
リュウジー

まあイオンをうまく運んでくれるもんって考えたらええかな。

電解質とはイオンをスムーズに移動させるもの
リュウジー
リュウジー

今回は、この電解質の液体としてリン酸(H3PO4aq)を白金触媒をつけた多孔質の電極ではさんで……

ウチダ
ウチダ

んん??

「多孔質」の電極??

リュウジー
リュウジー

多孔質とは、小さい穴がいっぱい空いてる構造のことや。

小さな穴がいっぱい空いた多孔質の電極
ウチダ
ウチダ

どうして穴が空いているのー?

リュウジー
リュウジー

この穴をイオンが通り抜けてくんや。

多孔質の穴を異音が通り抜ける
ウチダ
ウチダ

ほうほう。

というか…さっきから出ている「イオン」ってそもそもなんだっけ…?

ショッピングセンター?

リュウジー
リュウジー

…。

イオンとは原子が電気を帯びた状態のことや。

普通原子は電気を帯びてない(陽子の数=電子の数)んやけど、なんらかの要因で電子が増えたり減ったりすると、陽イオン(陽子>電子)、陰イオン(陽子<電子)になるんや。

水素イオン
ウチダ
ウチダ

はわわわ…

リュウジー
リュウジー

…。

燃料電池の発電する仕組みを順番に説明するわ。

燃料電池内の反応は以下の順や。

  1. 水素分子を投入する
  2. 水素分子が多孔質の負極を通り水素イオンに変化する
  3. 負極から電子が導線を通り正極に移動する(電気が流れる)
  4. 正極で電子が水素イオンと酸素と反応して水になる

燃料電池、発電プロセス

リュウジー
リュウジー

①燃料の水素分子(H2)が投入される。

燃料電池の仕組み1水素の投入

リュウジー
リュウジー

②水素分子が多孔質の負極を通り水素イオンに変化する。

燃料電池の仕組み2水素イオンに変化

リュウジー
リュウジー

③②の時に水素分子から電子が放出される。

燃料電池の仕組み3水素分子が電子を放出して水素イオンになる
リュウジー
リュウジー

ポイントは、電子が移動するということは電気が流れることを意味する点や。

電気が流れるということは電子が移動すること
ウチダ
ウチダ

へー。

リュウジー
リュウジー

負極での反応を化学式で書くと……

[負極] H2→2H++2e


リュウジー
リュウジー

④正極で電子(e)が水素イオン(H+)と酸素(O2)と反応して水(H2O)になる。

電子と水素イオンと酸素が反応して水ができる
リュウジー
リュウジー

水しか発生せんというのがポイントやな。

正極での化学式は……

[正極] O2+4H++4e→2H2O

ウチダ
ウチダ

ほぉ〜。

燃料電池の仕組みのまとめ

燃料電池の発電の仕組みまとめ
リュウジー
リュウジー

この場合の電池式は以下のようになる。

(-) Pt・H2 | H3PO4aq | O2・Pt (+)

ウチダ
ウチダ

Ptが確か白金で…H3PO4aqがリン酸で……

ほああああ……

リュウジー
リュウジー

……。

ここらへんの式は高校の範囲や。

まあ無理して覚えやんでもええけど、化学で大学受験考えてるなら基礎中の基礎やな。

ウチダ
ウチダ

うわ〜ん。

リュウジー
リュウジー

負極、正極での反応をまとめると……

[負極] H2→2H++2e

[正極] O2+4H++4e→2H2O

[全反応式] 2H2+O22H2O

燃料電池のメリット

ウチダ
ウチダ

燃料電池ってすごいよね。

他の発電方法と比べてどんなメリットがあるの?

燃料電池のメリット①環境にやさしい

リュウジー
リュウジー

まずは、なんといっても燃料電池のメリット1つめは環境にやさしいっちゅう点や。

さっきから言うてるように燃料電池は水しか排出せん。

ウチダ
ウチダ

うんうん。

リュウジー
リュウジー

大気汚染の原因物質である、硫黄酸化物(SOx)や窒素酸化物(NOx)、また地球温暖化の原因物質である二酸化炭素(CO2)も排出せん。

燃料電池は大気汚染物質も地球温暖化物質も排出しない
ウチダ
ウチダ

すごーい。

クリーンエネルギーだ!!

燃料電池のメリット②原料が豊富

リュウジー
リュウジー

燃料電池のメリット2つめは、原料が豊富っちゅう点や。

仕組みのところで説明したけど燃料電池の燃料は水素と酸素や。

幸い「水の惑星」この地球には、水素(H2)と酸素(O2)は豊富に存在しとる。

水の惑星地球には酸素と水素が豊富にある
ウチダ
ウチダ

おお〜。すごい!!

使いたい放題だ!!!

リュウジー
リュウジー

あと数十年くらいで底をつくと言われている、枯渇資源の化石燃料に比べ、その心配が少ないんや。

化石燃料は枯渇する

燃料電池のメリット③高効率発電

リュウジー
リュウジー

燃料電池のメリット3つめは、燃料電池が高効率の発電方法やっちゅう点や。

ウチダ
ウチダ

ほうほう。

リュウジー
リュウジー

火力発電に代表されるタービン回す系の発電方法は、燃料の[化学エネルギー]を燃やして[熱エネルギー]にして、水蒸気でタービンを回して[運動エネルギー]、[電気エネルギー]に変換しとる。

工程が多いからロスも多いんや。

ウチダ
ウチダ

え?え?え?

タービン…?

リュウジー
リュウジー

タービンとは、流体のエネルギーを回転運動に変える装置なんやけど……

タービンの簡単な仕組みイラスト
ウチダ
ウチダ

はわわわ……

リュウジー
リュウジー

まあ今回はええわ。

一方で燃料電池は、[化学エネルギー]から直接[電気エネルギー]に変換しとるから効率がええんや。

燃料電池はロスが少ない
リュウジー
リュウジー

燃料電池の発電効率は40〜60%やと言われとる。

熱をうまく使えればエネルギー効率は80%にもなる。

参考:国土交通省 燃料電池(pdf)

ウチダ
ウチダ

ほへ〜。

やっぱ燃料電池ってすごいんだー。

燃料電池のデメリット

ウチダ
ウチダ

こんなにすごい燃料電池なら、もっと普及しててもいい気がするんだけど、あんまり聞かないなぁー。

なんでだろう?

リュウジー
リュウジー

それは燃料電池の普及には、まだまだデメリットも多いからや。

ウチダ
ウチダ

なっなんですと!?

燃料電池のデメリット①高コスト

リュウジー
リュウジー

燃料電池のデメリット1つめは、製造には高いコストが必要な点や。

まだまだ発展途上の技術やし、白金などの希少金属(レアメタル)が必要なため、コストが高くなりがちやねん。

白金はレアメタル
ウチダ
ウチダ

そ、そっかー。

安くないと何でも普及はしないよねー…。

リュウジー
リュウジー

また原料の水素は取り扱いを厳重に注意せなあかんから、その管理施設費も高くなりがちやねん。

燃料電池のデメリット②水素の確保問題

リュウジー
リュウジー

燃料電池のデメリット2つめは、原料である水素をどうやって確保するかっちゅう問題や。

ウチダ
ウチダ

え?

さっきメリットの所で地球は水の惑星だから、H2Oがいっぱいあるって言ってたじゃん。

水の惑星地球には酸素と水素が豊富にある
リュウジー
リュウジー

まあそう言ったんやけどな……

実は水素単体(H2)としては、自然界ではほぼ存在してへんねん。

ウチダ
ウチダ

え?エ?え?

なんですと!?

水じゃダメなの??

リュウジー
リュウジー

水を電気分解して水素を得るっちゅう手もあんねんけど、今の主流は、化石燃料から生成するちゅう方法や。

化石燃料から水素を生成するのが主流
ウチダ
ウチダ

ええええ〜!!!

結局、化石燃料が必要なの〜!?

燃料電池はエコな発電方法じゃない
リュウジー
リュウジー

せやねんなー。

ウチダ
ウチダ

水を使って電気分解して水素を生成するっていう方法じゃダメなの〜?

リュウジー
リュウジー

水の電気分解やと最終的に電気を作りたいのに電気を使って作るって本末転倒感があるねんなー。

水の電気分解は電気を使う
ウチダ
ウチダ

じゃあやっぱり、燃料電池はエコな発電方法じゃないじゃん!!

「環境にやさしい」だなんて、嘘つきー!!

リュウジー
リュウジー

まあまあ、落ち着け。

この電気分解に使う電気を風力や太陽光発電のような再生可能エネルギーでまかなえば、環境への負担は少なくて済む。

この方法で得られる水素をグリーン水素っちゅうんや。

グリーン水素
ウチダ
ウチダ

ほうほう。

確かにこれならエコかもね。

リュウジー
リュウジー

再生可能エネルギーの普及とともに、この水素確保手段が主流になってけば、より環境にやさしいって言えるな。

SDGs目標7「エネルギーをみんなにそしてクリーンに」

リュウジー
リュウジー

SDGs目標7では「エネルギーをみんなにそしてクリーンに」と掲げておる。

sdgs目標7、エネルギーをみんなにそしてクリーンに
リュウジー
リュウジー

燃料電池はまだまだ発展途上の技術やけど、うまく使えれば大気汚染物質や二酸化炭素排出しないクリーンな次世代エネルギーや。

ウチダ
ウチダ

うんうん。

燃料電池自動車ってたまに見かけるけど、もっと普及していけば、エコな交通手段だと思うからうまく活用できるといいなぁー。

燃料電池自動車
リュウジー
リュウジー

今日の解説はここまでや。しっかり復習するように。

ウチダ
ウチダ

はーい。

★レベルアップ(広告)

賢くなったウチダ
ウチダ
ウチダ

この調子でもっと勉強してレベルアップして……

有名大学に憧れるウチダ
リュウジー
リュウジー

そんな時は、

トウコベ

や。

ウチダ
ウチダ

リュウジー!!

トウコベ

??

トウコベ

リュウジー
リュウジー

講師が東大生のオンライン個別指導塾や!!

ウチダ
ウチダ

ええ〜!!先生が東大生ー!?

じゃあ東大生に直接教えてもらえるの?

リュウジー
リュウジー

せや。

東大生がマンツーマンで学習のサポートをしてくれる。

オンラインやからどこでも受講できる!!

ウチダ
ウチダ

でも、お高いんでしょう?

リュウジー
リュウジー

フフッ。

そうでもないねん。

トウコベのメリット
リュウジー
リュウジー

30日間の全額返金保証もあるから、合わんかったら辞めればええし、まずはお試しで始めてみるのもええかもな。

トウコベは30日間の全額返金保証
リュウジー
リュウジー

無料で勉強相談できるから、まずは聞いてみるとええわ。

\まずは無料勉強相談から/
リュウジー
リュウジー

よしよし。宣伝も済んだし満足満足。

最後に今日のまとめや。

まとめ

  • 燃料電池とは、水素(H2)と酸素(O2)を化学反応させて電気を発生させる装置で、排出されるのが水(H2O)だけのクリーンエネルギーのこと
  • 燃料電池の発電する仕組み
    1. 水素分子を投入する
    2. 水素分子が多孔質の負極を通り水素イオンに変化する
    3. 負極から電子が導線を通り正極に移動する(電気が流れる)
    4. 正極で電子が水素イオンと酸素と反応して水になる
  • 燃料電池のメリット
    1. 環境にやさしい
    2. 原料が豊富
    3. 高効率発電
  • 燃料電池は、化学エネルギーから直接電気エネルギーに変換するので効率がいい
  • 燃料電池の発電効率は40〜60%
  • 燃料電池のデメリット
    1. 高コスト
    2. 水素の確保問題
  • 原料の水素を化石燃料から生成する方法が現在主流
  • 再生可能エネルギーの電気を使って生成された水素をグリーン水素という
  • SDGs目標7「エネルギーをみんなにそしてクリーンに」
地球温暖化
シェアする

★世界の子供たちへの寄付でSDGsに貢献(広告)

SDGs問題について考えるウチダ
リュウジー
リュウジー

せやったら…

チャイルド・スポンサーシップは一つの手かもな。

1日あたり150円の支援で「希望」を

ウチダ
ウチダ

チャイルド・スポンサーシップ??

リュウジー
リュウジー

チャイルド・スポンサーシップとは途上国の貧しい子供たちへ寄付支援することや。

ウチダ
ウチダ

き…寄付かー…。

大切な事だってのはわかるけど……

なんかちょっと怖いなー…。

やったことないし、あやしい団体じゃないよね…?

怪しむウチダ
リュウジー
リュウジー

……。

チャイルド・スポンサーシップを運営する「ワールド・ビジョン・ジャパン」は、東京都の認定を受けた認定NPO法人で世界中で活動しておる。

ほんで日本国内で6万人以上が支援者になっとるし、有名人の支援者もおる。

ウチダ
ウチダ

ろ、6万人!?

ほへー。

寄付内容について話すリュウジー
リュウジー
リュウジー

つまり寄付をすることによってSDGsの目標のいろんなとこに貢献できるわけや!!

ウチダ
ウチダ

なっなんと!!

SDGs目標1,2,3,4,6,10
寄付をすればいろんな分野に貢献できる
ウチダ
ウチダ

おおー…。

寄付かー…うーん…。

リュウジー
リュウジー

チャイルド・スポンサーシップのええ所は、「寄付したらそれで終わり」ちゃうくて

  • 1年に1回、子供たちの写真付き成長報告が届く
  • 子供たちと手紙のやりとりができる

などのアフターケアもあるんや。

チャイルドスポンサーのメリット
リュウジー
リュウジー

1日あたり150円、月々4500円から始められるんや。

ウチダ
ウチダ

月4500円かー…。うーん。

お母さんに聞いてみようかな…。

リュウジー
リュウジー

まあ、もちろん寄付やからお前さんがしたいと思ったらしたらええ。

寄付することがSDGsに貢献する一つの方法かもなってことだけ覚えときー。

ウチダ
ウチダ

はーい。

\詳しくはこちらから/
リュウジー
リュウジー

よしよし。宣伝も済んだし満足満足。

(デジャブ)