理系の雑学・豆知識

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燃料電池の原理について解説

燃料電池の原理


 動作原理は水の電気分解とは逆の反応で、2H2 + O2 → 2(H2O) によって電気を取り出しますが、従来の電池と本質的に異なる点があります。それは陰極で溶解(電極が溶ける)が生ずるのに対し、燃料電池では触媒の作用によって陰極では燃料(水素)がイオン化し、陽極では酸化剤(酸素)がイオン化し、電解質の中を通ってきたイオンと結合して水を作ることです。
 

アルカリ型燃料電池

 外部から供給された燃料として水素ガス(水素分子H2)が供給され、陰極(白金)の表面で触媒作用によって水素原子になり、更に電極に電子を奪い取られて水素イオン(H+)になります。このとき電極に電子を奪い取られます。 この水素原子から奪い取られた電子は外部回路を通って反対側の陽極(白金)に移動(電流)とします。

 一方、 陽極には外部から酸化剤として酸素ガス(酸素分子O2)が供給され、陽極(白金)の表面で触媒作用によって酸素原子は電極から電子を受け取り酸素イオン(O-)となります。

  陰極で電子を奪い取られ正の電荷を帯びたた水素イオン(H+)は、陽極の電子に引き付けられ電解質(アルカリ性)の中を通って陽極に達し、負の電荷を帯びた酸素イオン(O-)と結合し水(H2O)になります。

 このように燃焼を伴わないで水素と酸素が結合することで水素分子と酸素分子が持っていたエネルギーと水分子のエネルギー差が電気エネルギーに変換されます。

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リン酸型燃料電池

 外部から供給された燃料として水素ガス(水素分子H2)が供給され、陰極(白金)の表面で触媒作用によって水素原子になり、更に電極に電子を奪い取られて水素イオン(H+)になります。このとき電極に電子を奪い取られます。 この水素原子から奪い取られた電子は外部回路を通って反対側の陽極(白金)に移動(電流)とします。

 一方、 陽極には外部から酸化剤として酸素ガス(酸素分子O2)が供給され、陽極(白金)の表面で触媒作用によって酸素原子は電極から電子を受け取り酸素イオン(O-)となります。

  陰極で電子を奪い取られ正の電荷を帯びたた水素イオン(H+)は、陽極の電子に引き付けられ電解質(リン酸)の中を通って陽極に達し、負の電荷を帯びた酸素イオン(O-)と結合し水(H2O)になります。

 このように燃焼を伴わないで水素と酸素が結合することで水素分子と酸素分子が持っていたエネルギーと水分子のエネルギー差が電気エネルギーに変換されます。

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固体高分子型燃料電池

 外部から供給された燃料として水素ガス(水素分子H2)が供給され、陰極(白金)の表面で触媒作用によって水素原子になり、更に電極に電子を奪い取られて水素イオン(H+)になります。このとき電極に電子を奪い取られます。 この水素原子から奪い取られた電子は外部回路を通って反対側の陽極(白金)に移動(電流)とします。

 一方、 陽極には外部から酸化剤として酸素ガス(酸素分子O2)が供給され、陽極(白金)の表面で触媒作用によって酸素原子は電極から電子を受け取り酸素イオン(O-)となります。

  陰極で電子を奪い取られ正の電荷を帯びたた水素イオン(H+)は、陽極の電子に引き付けられ電解質(高分子膜)の中を通って陽極に達し、負の電荷を帯びた酸素イオン(O-)と結合し水(H2O)になります。

 このように燃焼を伴わないで水素と酸素が結合することで水素分子と酸素分子が持っていたエネルギーと水分子のエネルギー差が電気エネルギーに変換されます。

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固体酸化物型燃料電池

 外部から供給された燃料として水素ガス(水素分子H2)が供給され、陰極(白金)の表面で触媒作用によって水素原子になり、更に電極に電子を奪い取られて水素イオン(H+)になります。このとき電極に電子を奪い取られます。 この水素原子から奪い取られた電子は外部回路を通って反対側の陽極(白金)に移動(電流)とします。

 一方、 陽極には外部から酸化剤として酸素ガス(酸素分子O2)が供給され、陽極(白金)の表面で触媒作用によって酸素原子は電極から電子を受け取り酸素イオン(O-)となります。

 陽極で電極から電子を受け取った酸素イオン(O-)は、陰極の水素イオンに引き付けられ電解質(イオン伝導性セラミックス)の中を通って陽極に達し、正の電荷を帯びた水素イオン(H+)と結合し水(H2O)になります。

 このように燃焼を伴わないで水素と酸素が結合することで水素分子と酸素分子が持っていたエネルギーと水分子のエネルギー差が電気エネルギーに変換されます。

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