燃料電池の仕組み（なぜ、水の暖気分解の逆が起きるのか）

質問

燃料電池は水の暖気分解の逆が起きて電気を作りますが、ではなぜ、水の暖気分解の逆が起きるのでしょうか？
　レベルは中学生レベルでお願いします。

回答No.1

anthracene · ベストアンサー

暖気じゃなくて電気分解です。

電気分解というのは
2H2O -> 2H2 + O2
という反応ですね。
燃料電池でやっているのは、この逆なので
2H2 + O2 -> 2H2O
と言う反応です。係数はこの際どうでもいいので、要するに
「水素ガスを燃やして、燃焼で発生するエネルギーを電気エネルギーとして取り出している」ということだけ理解してください。
物を燃やす（酸素と反応させる）と、普通は熱や光として物質が蓄えていたエネルギーは放出されます。
このエネルギーを、電気エネルギーに変換して取り出そう、というのが燃料電池です。
やっていることは火力発電と同じです。
火力発電だと、物を燃やす->熱エネルギーが発生->熱エネルギーを電気エネルギーに変換、とステップが一つ増えますが、インプットとアウトプットは同じですね。

では、なぜ水素が燃えるのか？
ご存知かもしれませんが、水素と酸素を混ぜただけでは燃えません。
「燃える」という反応には、越えなければならない山があって、外部からこの山を越えるエネルギーを供給してやる必要があります。
先の話だと、水素と酸素を混ぜたところにマッチの火を近づけることで、エネルギーが供給されて燃えます。
例えば、車のエンジンを動かすときにも、最初はキーを回して電気火花をエンジンの中に飛ばします。これも、ガソリンが燃えるために最初のエネルギーを与えているのです。

でも燃料電池ってそんな熱かけてないじゃん？と思われるでしょう。
熱や電気火花を使う代わりに、触媒というものが使われています。
触媒という言葉はご存知でしょうか？
そのままだと何も起きないのに、触媒と呼ばれるもの（白金、パラジウムなどの金属が多いです）をちょっと入れてやると、一気に反応が進む「魔法の粉」のようなものです。
上述した、反応が進むための山を低くして、低い温度でも反応が進むようにしてくれるのが触媒です。
燃料電池の場合は、白金やルテニウムなどの貴金属が使われていたと記憶しています。

概念的なお話をさせていただきました。
分からないところ、あるいは逆にそんなこと知ってるからもっと詳しいこと言って、ということがありましたら、お知らせ下さい。

お礼

すばらしいご解説ですので、よくわかりました。
　ありがとうございました。
　触媒が反応を進めるのですね。
　たいへんありがとうございました。

回答No.2

sak_sak

電気分解で起こる反応というのは一般になかなか起こりにくい反応です。
水を放っておいたら自然に水素と酸素に分解した、などということは、まず起こりません。
水は高温で水素と酸素に分解します(このことを暖気分解と呼ばれているのかと思いました)が
一般には水素と酸素が反応して水ができる方が起こりやすいのです。

水素の発生の実験を今でも中学で行っているかどうかは知りませんが、
水素というのはとても燃えやすい物質なのです。
それはヒンデンブルグ号の火災事故(参考URLを見てください)からもよくわかります。

また燃焼反応というのは酸化還元反応と言って、原子どうしで電子のやり取りが行われます。
この電子をちょっと拝借する(原子どうしで電子を直接やりとりするのではなく、
途中で電気回路内を通ってもらう)のが燃料電池なわけです。
電子を拝借する方法さえ思いつけば鉄が錆びる反応からでも電池を作ることはできます。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%92%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%B3%E3%83%96%E3%83%AB%E3%82%AF%E5%8F%B7%E7%88%86%E7%99%BA%

お礼

すばらしいご回答、心より感謝申し上げます。
　ありがとうございました。