理系の雑学・豆知識

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燃料電池

燃料電池は水素と酸素を利用した電池で、水の電気分解の逆の原理で発電する電池である。

 水の電気分解は、水に水酸化ナトリウムなどの電解質を溶解させて、これに電極を入れ電流を流し、水を分解する。

2H2O + 電気エネルギー → 2H2 + O2

燃料電池ではこの変化の逆を行って電気を得ようとしている。

 これまでの発電は、次のようなエネルギーの変換が必要であったが、燃料電池では化学エネルギーを直接電気エネルギーに変えられるので効率がよく、CO2の生成もないクリーンな発電といえる。

化学エネルギー → 熱エネルギー → 運動エネルギー → 電気エネルギー

問題によく出てくる燃料電池は次の2つである。

① (-)H2|H3PO4aq|O2(+)

② (-)H2|KOHaq|O2(+)

①の反応

(-)極 H2 → 2H+ + 2e-

負極上では触媒により、H2の一部がイオン化してe-を放出。

(+)極 O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O

正極上ではO2がe-を受け取りイオン化し、さらに電解質中のH+と反応しH2Oになる。

正極と負極の反応式を合わせると次のようになる。  2H2 + O2→ 2H2O 

②の反応

(-)極 H2 + 2OH- → 2H2O + 2e-

負極上では触媒により、H2の一部がイオン化してe-を放出。生成したイオンH+は電解    質中のOH-と反応してH2Oとなる。

(+)極 O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

正極上ではO2とH2Oがe-を受け取る。

正極と負極の反応式を合わせると次のようになる。  2H2 + O2→ 2H2O 

☆ 電池と電気分解の反応は逆の反応になるので、①,②の反応はそれぞれH2PO4aq,KOHaqの電気分解(PO32-はSO42-やNO3-と同様に水が反応する)の逆の反応を考えれば各電極の反応式が書ける。