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）

2017年8月5日2023年6月23日

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『燃料電池（リン酸型・アルカリ型の仕組み、原理、各極の反応式など）』について解説しています。

燃料電池とは

水素などの燃料や空気中の酸素を用い、電気エネルギーを得る電池を燃料電池という。
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。

リン酸型燃料電池

リン酸H₃PO₄水溶液を電解液とする燃料電池をリン酸型燃料電池という。

リン酸型燃料電池は車両電源や発電用などとして、数多くの種類が開発された。

リン酸型燃料電池の電池式

先述の通り、リン酸型燃料電池は、リン酸H₃PO₄水溶液を電解液とする燃料電池である。
これを踏まえて、リン酸型燃料電池の電池式は次のように表すことができる。

\[ \mathrm{(-)H_{2}｜H_{3}PO_{4}aq｜O_{2}(+) }\]

リン酸型燃料電池の仕組み

リン酸型燃料電池の仕組みについて、次の3STEPで解説する。

●STEP1
負極で、水素H₂が電子e^ーを離して水素イオンH^＋となる。
●STEP2
放出されたe^ーとH^＋はそれぞれ正極側に伝わっていく。
●STEP3
正極で、酸素O₂がこれらと反応し水H₂Oが生成する。

STEP

負極で、水素H₂が電子e^ー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。

STEP

放出されたe^ーとH^＋はそれぞれ正極側に伝わっていく。

このとき、e^ーが通過することで（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。

STEP

正極で、酸素O₂がこれらと反応し水H₂Oが生成する。

余ったO₂は外に排出される。

各極における反応

リン酸型燃料電池の負極・正極での反応をまとめる。

負極

リン酸型燃料電池の負極の反応式は次の通りである。

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

水溶液中のH₂がe^ーを放出してH^＋となる。

正極

リン酸型燃料電池の正極の反応式は次の通りである。

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

O₂がH^＋とe^ーを受け取り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つくる。

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

これが、リン酸型燃料電池の全体式である。電子e^ー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。

アルカリ型燃料電池

水酸化カリウムKOH水溶液を電解液とする燃料電池をアルカリ型燃料電池という。

アルカリ型燃料電池は、アメリカのアポロ宇宙船に搭載されたことで有名である。

アルカリ型燃料電池の電池式

上述の通り、アルカリ型燃料電池は、水酸化カリウムKOH水溶液を電解液とする燃料電池である。
これを踏まえて、アルカリ型燃料電池の電池式は次のように表すことができる。

\[ \mathrm{(-)H_{2}｜KOHaq｜O_{2}(+)} \]

各極の反応が少し複雑なので、負極と正極の反応を別々に確認し、その後まとめる形で解説する。

負極の反応

アルカリ型燃料電池の負極の反応について、次の3STEPで解説する。

●STEP1
負極で、水素H₂が電子e^ーを離して水素イオンH^＋となる。
●STEP2
放出されたe^ーとH^＋はそれぞれ正極側に伝わっていく。
●STEP3
KOHから電離したOH^ーがH^＋と反応し、H₂Oが生成する。

STEP

負極で、水素H₂が電子e^ー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。

STEP

放出されたe^ーとH^＋はそれぞれ正極側に伝わっていく。

このとき、e^ーが通過することで（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。

STEP

正極で、酸素O₂がこれらと反応し水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^ーを足し合わせれば良い。したがって…

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

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。

正極の反応

次に、アルカリ型燃料電池の正極で起こる反応を確認する。

負極から流れてきたe^ーと上の反応（H₂＋2OH^ー→2H₂O＋2e^ー）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^ーが生成する。
以上を踏まえると、アルカリ型燃料電池の正極の反応式は、次のようになる。

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

アルカリ型燃料電池まとめ

アルカリ型燃料電池について、上で解説したことをまとめると、次のようになる。

「真ん中でサイクルが出来ている」ということがポイントである。
正極で使うH₂Oを負極が、負極で使うOH^ーを正極がつくり出している。このおかげで、燃料電池は連続的にエネルギーを生み出すことが可能になっている。
最後に、アルカリ型燃料電池の全体式をつくる。正極と負極の反応式をまとめると、次のようになる。

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