燃料電池とは？リン酸型・アルカリ型の仕組み、原理、各極の反応式など解説！

【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。

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燃料電池とは

燃料電池とは、水素と酸素を利用して電気エネルギーを得る発電装置である。

高校化学で知っておいてほしい燃料電池は「リン酸型燃料電池」と「アルカリ型燃料電池」の２種類。順番にみていこう。

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^–は銅線を、H⁺はH₃PO₄を介して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。

負極側で水素（H₂）が電子（e^–）を放出して、水素イオン（H⁺）となる。

余ったH₂は外に排出される。

放出されたe^–は銅線を、H⁺はH₃PO₄を介して正極側に伝わっていく。

この時、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。

酸素O₂がこれらと反応しH₂Oが生成する。

余ったO₂は外に排出される。

正極、負極のそれぞれで、どのような反応が起きているのかまとめておこう。

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

O₂がH⁺とe^–を受け取りH₂Oとなる。

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

水溶液中のH₂がe^–を放出してH⁺となっている。

正極と負極の反応式をまとめて１つにしてみよう。

電子の数を合わせて消すために、上の式に×２していることに注意しよう。

\[
\mathrm{ 2H_{2} + O_{2} → 2H_{2}O}
\]

これが、リン酸型燃料電池の全体式である。

アルカリ型燃料電池は少し複雑なので負極と正極の反応に分けて説明し、その後まとめることにしよう。