水素触媒燃焼について

質問

ものを燃やす方法のひとつに触媒燃焼というものがあると思います。その中でも特に水素の触媒燃焼というものがどういうものなのかご存知の方お教えください。

回答No.2

picoscan · ベストアンサー

多分燃料電池を研究されてる本職の方が私よりいい回答をして下さると思いますが、一応触った者として話をさせていただきます。
No.1さんがおっしゃったことが的確な現象説明です。
化学現象を燃料電池で説明すると以下のようになります。
水素が熱によって酸化される場合は反応式は以下のようになります。

2 H2 + O2 → 2 H2O

ここで知っての通り、水素が燃焼する場合には大変な熱量が発生します。このとき、水素自身が反応時に発生する熱を、周囲の未反応な水素に与えることで、連鎖反応が起きます。これが爆発です。
一方、最初に熱を与えなければならないのはなぜでしょうか。水素は化学的にエネルギーの高い物質であり、生成物である水はエネルギーが低いので、水素は反応したがっているといえます。しかし反応は熱の後押しが必要です。この後押し分のエネルギーを活性化エネルギーと呼んでいます。
反応の過程では、一時水素分子(H2)は、原子がバラバラになった、プラズマ状態になります。また酸素分子も同様に熱でプラズマ化し、お互いに出会ったときに熱を放出して水になります。このプラズマ状態を作るのに熱を与えて活性化させるわけです。
いっぽう、この活性化状態、つまり全ての原子がばらばらになった状態を低い活性化エネルギーで実現させるのが触媒の役割です。一般的に燃料電池の負極における触媒である白金の上では、下の式で表されるような反応が起こります。

H2 + Ptx → 2H-Ptx

Ptxとしたのは、ある程度まとまった量の原子が必要だからです。
水素は白金の粒子と出会うと、白金の上に吸着するのですが、このとき白金は水素を分解させることが出来るのです。その後水素は水溶液（違う場合もあります）に水素イオン、H+として放出されます。結果として次式で表される反応が起こったことになります。

H2 →　2H+ + e-

e-は電子です。この白金を触媒として貼り付けてある電極から電子が取り出せる、つまり電極がマイナス極になるわけです。一方、反対側の正極では酸素が分解される反応が起こります。

O2 + 4H+ 4e- →　2H2O
（酸性中にて。アルカリ性では異なる。）

この反応も正極にある触媒で活性化エネルギーが低くなっています。原理は負極と同様です。このときの水素イオンは負極からやってきます。負極と正極の反応を合わせると、以下の式になります。

4H2 → 8H+ + 4e-
+) O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
-------------------------------
4H2 + O2 → 2H2O

全体として、火をつけて水素を酸化させたときと同じ反応、すなわち燃焼反応が起きたと言えます。
実際には負極と正極を、水素イオンのみを通す隔壁で仕切ることで両極の反応が混ざることを防ぎ、エネルギーを効率よく取り出します。この隔壁には、次世代の自動車の電池である固体電解質型燃料電池(PEMFC)では、一般的に酸性的なポリマーである、ナフィオンと呼ばれる物質が使われます。
総体として、触媒を貼り付けた電極、両極の隔壁、そして隔壁に仕切られた部屋にそれぞれ水素ガス、酸素ガスあるいは空気、が燃料電池の構造です。

触媒による燃焼のメリットとしては、以下が挙げられます。
１　熱を必要としない。（物によって異なります）
２　巨大な熱量を発生しない。
３　発生エネルギーを電気として利用できる。
４　反応量を調節して必要な分のエネルギーだけを取り出すことが可能。

以上、参考にしたものが記憶だけなのですが、大丈夫なはずです。

お礼

とても詳しくご回答いただきまして，
ありがとうございました。
とても勉強になりました。

回答No.1

acacia7

白金懐炉って知ってますか？・・知らないかな・・・
ちょっと古すぎ？・・

あれはアルコールを白金触媒下で参加させ、
反応熱を利用して暖を取るというものです。
通常、アルコールを酸素と反応させると、
ご存知、アルコールランプ状態になるわけですが、
白金触媒下では活性化エネルギーが抑制されながらも、
徐々に反応するため、爆発的に反応熱を放出せず、
火傷をしないで済むわけです。

で、これは白金の触媒作用を利用しているわけですが、
水素に対しても同様で、水素燃料の燃料電池では、
白金触媒を利用し、活性化エネルギーを抑制し、
電極反応を促進させています。

お礼

ありがとうございました。
白金触媒を少し調べてみます。