【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。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

燃料電池とは

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。

リン酸型燃料電池

リン酸型燃料電池とは、リン酸H3PO4水溶液を電解液とする燃料電池である。

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

上述の通り、リン酸型燃料電池とは、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。

\[
(-)H_{2}｜H_{3}PO_{4}aq｜O_{2}(+)
\]

リン酸型燃料電池の仕組み

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

リン酸型燃料電池の仕組みを、この3STEPに従って解説していく。

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

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ておこう。

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。

アルカリ型燃料電池

アルカリ型燃料電池とは、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。

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り、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、その後まとめることにする。

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とは、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。

\[
(-)H_{2}｜KOHaq｜O_{2}(+)
\]

負極の反応

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

まずは、アルカリ型燃料電池の負極で起こる反応を確認していく。

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。

正極の反応

「負極から流れてきたe–」と「負極のSTEP3で発生したH2O」が吹き込まれたO2と反応　→　OH–が生成
Point!

次に、アルカリ型燃料電池の正極で起こる反応を確認していく。

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。

アルカリ型燃料電池まとめ

上でやってきたことをまとめると、以下のようになる。

「真ん中でサイクルが出来ている」ということがポイント。
正極で使うH2Oを負極が、負極で使うOH–を正極が作り出している。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作っておこう。
上で説明した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。

燃料電池に関する演習問題

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。

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。

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。

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。

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著者プロフィール

・化学のグルメ運営代表
・高校化学講師
・薬剤師
・デザイナー/イラストレーター

数百名の個別指導経験あり（過去生徒合格実績：東京大・京都大・東工大・東北大・筑波大・千葉大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など）
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆

著者紹介詳細