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Tokyo University of Science (TUS)
材料工学各論１２−６
環境と次世代電力創成システム
東京理科大学
基礎工学部材料工学科
西尾 圭史
電気は現代の生活からは切り離せない
主な発電システム
火力
水力
風力
原子力
エネルギー源予測(ドイツ・Shell社)
太陽電池
水素生成
排熱再資源化
http://web.mac.com/iida_lab/
4
火力発電では化石化燃料をエネ
ルギーとして電気を生み出す
重油や石炭
火力発電
エネルギー変換
化学エネルギー（燃焼）
熱エネルギー
運動エネルギー
（タービンの回転運動）
電気エネルギー
発電効率を考えると、
燃焼効率（化学→熱）×タービンの効率（熱→運動）×発電器効率（運動→電気）
燃焼効率は90%以上、発電器効率も99%
タービンの効率は可逆熱機関の効率制限（カルノー
の効率）をうける
理論的に40%台が限界
二酸化炭素（CO2）の排出により地球温暖化か促進む！
2003年8月撮影
2008年8月撮影
これらの航空写真は、日本航空のパイロットが巡航中の安定した飛行の中で、
充分に安全を確認したうえで撮影を行なったものです。
エネルギーや資源などの大量消費
地球環境問題の深刻化
今後１００年の気温上昇予測 （ＩＰＣＣ報告による)
大規模発電から分散型へ
分散化することで工場、都市などの近くで発電
規模に合わせた発電所
電気料金の半分程度は電気の送料
発電所から電気を各家庭に送るため
の送電線はAlで作られている
抵抗が高いため手元に届くまでに
約半分が消費されてしまう
家庭、事業所ごとでの発電
必要に応じた発電
電力の削減
燃料電池
水の電気分解の反応の逆の反応で電気を作る！
水の電気分解といっても、純水は電気を通さない
実験では水に水酸化ナトリウムなどを加える
水の電気分解で電気が流れる
電池のマイナス側から電子が流れ出している
この電子は水に浸した電極（陰極）で水と反応して水素が発生
[2H2O ＋ 2e- → H2 ＋ 2OH- (水)+(電子)→(水素)+(水酸化イオン)]
もう一方の電極（陽極）
[2OH- → H2O ＋ 1/2O2 ＋ 2e- (水酸化イオン)→(水)+(酸素)+(電子)]
発生した電子は陽極に渡され、電線を通って電池のプラス極へ
これら２つの反応式を足し合わせたものが水の電気分解を表す反応式
[H2O → H2 ＋ 1/2O2 (水)→(水素)+(酸素)]
燃料の多様化・優れた環境性
天然ガスやメタノールなど、石油以外の多様な燃料が利用可能
発生するのは水(H2O)のみで、大気汚染の原因となる
二酸化炭素（CO2）や窒素酸化物（NOx）、硫黄酸化物（SOx）
はほとんど排出されない
Anode
‐
+ Cathode
O2(gas)
N2(gas)
Fuel
H2(gas)
H2O
H2O
(liquid)
N2(gas)
燃料電池発電
エネルギー変換
化学エネルギー
電気エネルギー
(水素の酸化反応の場合、PEFCでは95%、SOFCでは71%、メタンの酸化反
応の場合、SOFCでほぼ100%)
高い発電効率
原料の持つ化学エネルギー
例：火力発電
燃料電池発電
ボイラー
直接変換
熱エネルギー
タービン
電気化学反応
電気エネルギー
運動エネルギー
発電機
電気エネルギー
カルノー制約
火力発電効率:約30%～40%
燃料電池発電効率:約80%～100%
電池の発電量を増加させる
電力（ワット）
=V（電圧）Ｘ I（電流）
直列で電池を接続
電力を増加！
家庭用
応用
携帯用燃料電
池
出力
1kW
業務用
大規模
発電プラント
自動車
分散型小規模発電所
10kW
100kW
1MW
10MW
100MW
炭酸溶融型燃料電池 (MCFC)
リン酸塩燃料電池(PAFC)
タイプ
固体酸化物形燃料電池(SOFC)
固体高分子型燃料電池(PEFC)