燃料電池【高校化学・化学基礎一問一答】

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一問一答

問１

【】に当てはまる用語を答えよ。

水素ガスと酸素ガスが反応して水が生成する反応を利用して【１】エネルギーを取り出す装置を【２】という。

【問１】解答/解説：タップで表示

解答：【１】電気【２】燃料電池

燃料電池とは、負極に水素などの燃料、正極に空気中の酸素を使い、電気エネルギーを得る電池である。

高校化学で登場する主な燃料電池は「リン酸型燃料電池」と「アルカリ型燃料電池」の2種類である。

※燃料電池について詳しくは燃料電池（リン酸型・アルカリ型の仕組み、各極の反応式など）を参照

問２

【】に当てはまる用語を答えよ。

燃料電池は水素と酸素の反応を利用して【１】エネルギーを取り出す装置である。
水素と接触する方の極では、水素が電子を出すので【２（正or負）】極であり、【３（酸化or還元）】反応が起こる。
対して、酸素と接触する方の極では、酸素が電子を受け取るので【４（正or負）】極であり、【５（酸化or還元）】反応が起こる。

【問２】解答/解説：タップで表示

解答：【１】電気【２】負【３】酸化【４】正【５】還元

燃料電池とは、負極に水素などの燃料、正極に空気中の酸素を使い、電気エネルギーを得る電池である。

水素と接触する方の極では、水素が電子を出すので負極であり、酸化反応が起こる。
対して、酸素と接触する方の極では、酸素が電子を受け取るので正極であり、還元反応が起こる。

※燃料電池について詳しくは燃料電池（リン酸型・アルカリ型の仕組み、各極の反応式など）を参照

問３

リン酸型燃料電池の負極・正極・全体の反応式を書け。

【問３】解答/解説：タップで表示

解答：【負極】H₂ → 2H⁺ + 2e^–【正極】O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O【全体】2H₂ + O₂ → 2H₂O

負極
リン酸型燃料電池の負極の反応式は次の通り。

\[
\mathrm{ H_{2} → 2H^{+} + 2e^{-}}
\]

水溶液中のH₂がe^–を放出してH⁺となっている。

正極
リン酸型燃料電池の正極の反応式は次の通り。

\[
\mathrm{ O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-} → 2H_{2}O }
\]

O₂がH⁺とe^–を受け取りH₂Oとなる。

全体
リン酸型燃料電池の負極と正極の反応式をまとめて、リン酸型燃料電池全体の反応式を作る。

\[
\begin{array}{rr}
& H_{2} → 2H^{+} + 2e^{-} ×2\\
+\big{)}&O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-} → 2H_{2}O\\
\hline
&2H_{2}+O_{2} → 2H_{2}O
\end{array}
\]

これが、リン酸型燃料電池の全体式である。
電子の数を合わせて消すために、負極の式を×2していることに注意しよう。

※燃料電池について詳しくは燃料電池（リン酸型・アルカリ型の仕組み、各極の反応式など）を参照

問４

アルカリ型燃料電池の負極・正極・全体の反応式を書け。

【問４】解答/解説：タップで表示

解答：【負極】2H₂ + 2OH^– → 2H₂O + 2e^–【正極】O₂ + 2H₂O + 4e^– → 4OH^–【全体】2H₂ + O₂ → 2H₂O

負極
アルカリ型燃料電池の負極で起こる反応は以下の通り。

STEP1

負極で、水素H₂が電子e^–を離して水素イオンH⁺となる

余ったH₂は外に排出される。

STEP2

放出されたe^–とH⁺はそれぞれ正極側に伝わっていく

このとき、電子が通過することで（電流が発生して）豆電球が点灯していることに注目しよう。

STEP3

KOHから電離したOH^–がH⁺と反応し、H₂Oが生成する

ちなみに、アルカリ型燃料電池の負極の反応式は、H₂からH⁺が生成する式である

\[
\mathrm{ H_{2} → 2H^{+} + 2e^{-}}
\]

に、（溶液中に存在している）OH^–を足し合わせれば良い。

したがって…

\[
\begin{array}{rr}
& H_{2} → 2H^{+} + 2e^{-} \\
+\big{)}&+ 2OH^{-} + 2OH^{-}\\
\hline
&H_{2}+2OH^{-} → 2H_{2}O + 2e^{-}
\end{array}
\]

これがアルカリ型燃料電池の負極の反応式である。
また、生成したH₂Oの一部は排出され、残りは電解液中に残される。

正極
アルカリ型燃料電池の正極で起こる反応は以下のとおり。

負極から流れてきたe^–と上の反応（H₂＋2OH^–→2H₂O＋2e^–）で発生して電解液中に取り残されていたH₂Oが、正極から吹き込まれたO₂と反応し、結果としてOH^–が生成する。

以上のことを踏まえると、アルカリ型燃料電池の正極の反応式は、

\[
\mathrm{ O_{2} + 2H_{2}O + 4e^{-} → 4OH^{-}}
\]

となる。

全体
アルカリ型燃料電池の正極と負極の反応式をまとめると、次のようになる。

\[
\begin{array}{rr}
& H_{2} + 2OH^{-} → 2H_{2}O + 2e^{-} ×2 \\
+\big{)}&O_{2}+2H_{2}O+4e^{-}→4OH^{-}\\
\hline
&2H_{2}+O_{2} → 2H_{2}O
\end{array}
\]

これが、アルカリ型燃料電池の全体式である。
電子の数を合わせて消すために、負極の式を×2していることに注意しよう。

※燃料電池について詳しくは燃料電池（リン酸型・アルカリ型の仕組み、各極の反応式など）を参照

燃料電池【高校化学・化学基礎一問一答】

一問一答

STEP1

STEP2

STEP3

関連：計算ドリル、作りました。