燃料電池とは（原理・仕組み・種類）

東大塾長の山田です。

このページでは燃料電池について解説しています。

燃料電池は環境に優しい電池です。各電極での反応を詳しく説明しています。是非参考にしてください。

1. 燃料電池とは？

外部から燃料を供給して、それらの酸化還元反応で得られる燃料熱えお効率的に電気エネルギーに変える装置のことを燃料電池といいます。

燃料電池には様々な種類がありますが、ここでは水素ー酸素燃料電池について解説します。

水素ー酸素燃料電池は、負極活物質、正極活物質にそれぞれ水素と酸素を使用します。つまり、水素を還元剤、酸素を酸化剤として原料供給し電気エネルギーを得るのです。この燃料電池の生成物は水であるので、クリーンな発電として注目されています。

この燃料電池は、電解液の種類によっておこる化学変化が異なります。ここでは、リン酸型燃料電池とアルカリ型燃料電池の２種類の仕組みについて詳しく見ていきましょう。

1.1 リン酸型燃料電池

まず、リン酸型燃料電池の仕組みについて解説します。

【リン酸型燃料電池の仕組み】

①　負極で水素$H_2$が酸化されて電子$e^-$を放出して水素イオン$H^+$となる。

負極側では、水素$H_2$が還元剤となります。供給された$H_2$は酸化され電子$e^-$を放出し水素イオン$H^+$になります。このとき反応しなかった$H_2$はそのまま外に排出されます。

負極で起こる反応の反応式は電解液がリン酸の時は次のようになります。

$H_2 →2H^+ + 2e^-$

②　放出された電子$e^-$は導線を通り正極に流れ込み、$H^+$は電解液中を正極に向かって移動する。

①の反応で発生した電子は導線を通り正極に流れ込みます。また、同様に①で発生した水素イオンは電解液中を正極の方へ移動していきます。

このとき、電子が通過することで（電流が発生して）豆電球が点灯します。

③　酸素$O_2$が電子を受け取り還元され、$H_2O$を生成する。

正極側では、酸素$O_2$が酸化剤になります。①で発生し②で正極へ移動した$e^-$、$H^+$と正極に供給された$O_2$が反応します。$O_2$は電子を受け取り還元され$H_2O$になります。このとき反応しなかった$O_2$はそのまま外に排出されます。

正極で起こる反応の反応式は電解液がリン酸の時は次のようになります。

$O_2 + 4H^+ + 4e^- →2H_2O$

以上①～③がリン酸型燃料電池の仕組みです。

燃料電池の構成を表す電子式は次のとおりです。

$（－）H_2 | H_3PO_4 aq | O_2（+）$

また、負極、正極で起こる反応の反応式を電子を消去するように足し合わせると次のようになります。

$2H_2 + O_2 →2H_2O$

となります。これが全体の反応の反応式を表したものです。

1.2 アルカリ型燃料電池

次に、アルカリ型燃料電池の仕組みについて解説します。ここでは、塩基性の溶液を$KOH$とします。

【アルカリ型燃料電池の仕組み】

①　負極で水素$H_2$が酸化されて電子$e^-$を放出して水素イオン$H^+$となる。

負極側では、水素$H_2$が還元剤となります。供給された$H_2$は酸化され電子$e^-$を放出し水素イオン$H^+$になります。このとき反応しなかった$H_2$はそのまま外に排出されます。

②　放出された電子$e^-$は導線を通り正極に流れ込み、$H^+$は電解液中を正極に向かって移動する。

①の反応で発生した電子は導線を通り正極に流れ込みます。また、同様に①で発生した水素イオンは電解液中を正極の方へ移動していきます。

このとき、電子が通過することで（電流が発生して）豆電球が点灯します。

③　$KOH$から電離した$OH^-$が$H^+$と反応し、$H_2O$が生成する。

①で発生した$H^+$が電解液中に存在している$OH^-$が反応し$H_2O$が生成します。

これより、負極で起こる反応の反応式は電解液が塩基性のとき次のようになります。

$H_2 + 2OH^- →2H_2O + 2e^-$

④　負極から流れてきた$e^-$と③で生成した$H_2O$が$O_2$と反応する。

負極から流れてきた$e^-$と③で発生した$H_2O$が正極に供給された$O_2$と反応して$OH^-$が生成します。

正極で起こる反応の反応式は電解液が塩基性の溶液の時は次のようになります。

$O_2 + 2H_2O+ + 4e^- →4OH^-$

以上①～③がアルカリ型燃料電池の仕組みです。

燃料電池の構成を表す電子式は次のとおりです。

$（－）H_2 | KOH aq | O_2（+）$

また、負極、正極で起こる反応の反応式を電子を消去するように足し合わせると次のようになります。

$2H_2 + O_2 →2H_2O$

となります。これが全体の反応の反応式を表したものです。

アルカリ型燃料電池では、正極で使う$H_2O$を負極が、負極で使う$OH^-$を正極で作り出しているので、燃料電池は連続的にエネルギーを生み出すことができます。

2. 燃料電池の特徴

3. まとめ

最後に、燃料電池についてまとめておこうと思います。

燃料電池は環境に優しく注目されている電池です。難しくないのでこの記事を何度も読み返してしっかりマスターしてください！