燃料電池とロケットエンジンの違いは？

質問

最近話題の燃料電池ですが、いまいちロケットエンジンとの違いが
よく分かりません。燃料電池は、よく電気分解の逆という言い方を
されますが、結局のところ水素と酸素を反応させているので、それは
ロケットエンジンと原理は同じなのではないのでしょうか？
燃料電池は熱ではなくて直接電気を取り出し、その効率が高いと
聞いたことがあるのですが、無駄になっている部分は熱エネルギー
として放出されているのでしょうか？
一方、ロケットエンジンでは熱だけを取り出していますが、もし、
チビチビと水素と酸素を反応させれば、ロケットエンジンからも
直接電気を取り出すことはできるのでしょうか？

この手の質問はこれまでもよく出ているかもしれませんが、何か
アドバイスがあればよろしくお願いします。

回答No.8

acacia7 · ベストアンサー

＞要は、燃料電池とロケットエンジンでは水素と酸素の反応の種類が
＞違うということでしょうか。そういえば、昔、高校の化学の授業で
＞酸化還元反応というのを習った記憶があります。
＞しかし、やはり細かく見てみると、まだよく分からないです。
＞水素と酸素の燃焼も、燃料電池における反応も同じ酸化還元反応
＞なのではないでしょうか？

正に、反応の経路が違うということです。
全体をまとめて見る為に、区別がつかなくなっています。

劇的に言うなれば、幼稚園からの幼馴染が地元の学校を卒業し、
中高、同窓でいつ何があったわけでもなく、結婚するのと、
幼稚園の卒園式いらい全然あったことがなかったのに、
仕事先でばったり出会って、電撃結婚っていうのぐらいの違いです。
マクロにみると、「幼稚園の同窓が結婚した」になって区別がつかないのです。

＞気体の水素と酸素を瓶に入れたところで、点火しない限り、反応は
＞起きないですが、燃料電池ではどう見ても点火してはいないので、
＞やはりロケットエンジンでの燃焼反応と燃料電池での反応は違う
＞種類なのでしょうか？

微妙に勘違いがある様です。
水素と酸素をビンに入れて、ほっぽっといたら微妙に水が出来ます。
ましてや、白金の粉でも入れ様もんなら、熱くなるほど反応します。
けど、燃焼反応ともちょっと違います。
これは、それぞれ、反応経路が違うために起こるわけです。

燃料電池の中では、
燃料極側
H2⇔2_H　（　_　は反応場への吸着状態））
_H⇔H+ + e-

酸素極側
O2⇔2_O
_O + e- + H+⇔ _OH
_OH + e- + H+ ⇔ H2O

といった類の反応が起こっています。
（実際は触媒や電解質により反応の種類は異なります。）
⇔はそれぞれの相互の反応を示しています。
全反応を一個の場所で起こせば、普通の燃焼反応になります。
電極室ごとに反応すると、
H+とe-の消費と生成が起こるため、
なんらかの手段で、両極をつなぐ必要があるわけなのですが、
「電解質」でH+を「外部回路」でe-を移動させるのが燃料電池なわけです。

＞燃料電池では原理的に水素と酸素が直接反応は起きないとの
＞指摘がありましたが、最終的には水素と酸素が結合した水が
＞発生するので、かならず直接反応しているのではないのでしょか？

反応を式で示した様に、O2とH2が直接反応することはありません。
（理想的には）
劇的たとえで言えば、幼稚園生同士は結婚しないのです。
この場合も例外があって、親の決めた許婚っていうのはあったりします。

＞燃料電池でも燃焼反応が起きるのですか？燃焼反応が起きるということは、
＞火種が必要な気がするのですが、その辺はいかがなのでしょうか、それと、
＞ここでいう燃焼反応はエネルギーロスとして言われていますが、この場合は
＞電気は発生しないとのことでしょうか？

あ・・プロトン導電体で式かいちゃった。（－－；；
面倒なので式は直しませんが（ぉぃ）、
固体高分子型の場合は水酸基(OH)がキャリアーだったりします。
固体酸化物を電解質とするタイプではO2-がキャリアーです。
アルカリ型の燃料電池はプロトン導電体です。＜アポロ計画なんかに使われてるやつ。

で、ご想像の「燃料電池」は多分最近車とかに使われている「固体高分子型」だと思います。
キャリアーのOH-以外にH+が逆方向に流れるとどうなるかというと・・
外部回路以外に電気の通り道があると思ってください。
負荷となる外部回路以外に電気を流したら電池の仕事としてはロスになるのがわかると思います。
また、電極反応で欠乏させたイオンが勝手に供給されたら出力電圧が小さくなってしまうのです。
・・・この辺はもし必要でしたら追って追加します。（＾＾；

＞私が想像した熱によるロスとは、燃料電池でも水素と酸素が結合するときに
＞も熱が発生すると思い、それによるロスがあるのではないかと思ったことです。
＞そのような熱が発生しないとすると、原理的には燃料電池は100%の効率がある
＞とのことでしょうか？
反応速度を極限まで下げていけばかなり高効率になるとはおもいますが・・
内部電気的な抵抗などもあるので、実用的には１００％になることはありえません。

＞ところで、イオン状の気体同士が燃焼反応を起こすことはできるのでしょうか？
＞そうすると、イオン状の水素と酸素を燃焼させ、燃料電池のような構造にして、
＞ロケットエンジンのような燃焼反応を起こしながら電気を取り出すことができる
＞のはないでしょうか？

・・・・・・ちょっと想定不能・・（＾＾；；
燃料電池の構造でロケットの様な反応というのはちょっと無理があると思います。

一つ夢のある話ということで・・
反応室が一室の燃料電池がないわけではありません。
（完全に研究室での実験レベルの話ですが・・）
燃料と酸化剤の混合気中に固体電解質の両面に、
異なる電極材料で電極を作成したペレットをいれると、
両極の反応活性の差により電位差が発生し、
ちゃんと電気が取り出せるそうです。

燃料電池の話だけなので一応経験者ぐらいにしときます。（＾＾；

お礼

acacia7さん、詳しく説明して頂いて本当に有難うございました。

一つ前の回答で、
"反応の場が両機器では、２箇所で起こるのと１箇所で起こる点で異なる。"
と言われていましたが、その時は意味が余り分かりませんでしたが、今回の
説明で納得いたしました。それと、幼稚園の同窓の結婚という例え話も、
面白くて分かりやすかったです。あと、エネルギーロスの原因も間違えて
考えていました。

>で、ご想像の「燃料電池」は多分最近車とかに使われている「固体高分子型」だと>思います。
実を言うと、そこまで詳しく燃料電池については知らないです・・・。でも、いろいろと教えて頂いて、本当に勉強になりました。

これで燃料電池についてかなり理解することができました。
いろいろと教えて頂いて本当に有難うございました。

回答No.7

acacia7

唐突な比較で目が点になりました。（＾＾；；
多分、水素と酸素を燃料とし、エネルギーを取り出す機器ということで、
比較している様なので、多面的に相違点を挙げていきたいと思います。

＞原理。
燃料電池は、二つの反応室内で水素の酸化反応と酸素の還元反応を行い、
その際に発生する両室間に挟まれた電解質に生じる、イオンの電気的なポテンシャルの差を電力として取り出すものです。

ロケットエンジンは、一つの反応室内で水素と酸素を反応させ、
その反応熱により、生成ガスをノズルから噴出し、
その反動を力として利用するものです。

＞反応の場が両機器では、２箇所で起こるのと１箇所で起こる点で異なる。
燃料電池では原理的には水素と酸素は直接反応しません・・・
というか、反応しないでもらいたいわけです。
残念ながら、固体高分子を利用した燃料電池は、
理想的な電解質でなく、水が流れたり、プロトンが流れたり、するため、
余分な燃焼反応が発生したりするみたいです。

＞最終的に得るエネルギーの形が「電力」であるか「物理的力」である点で異なる。
もともと、燃料電池は発電機ですので、電極があり、電力が取り出せますが、
ロケットエンジンには集電用の電極はありませんので、電力は取り出せません。

発電効率について。
現在日本で主力の発電は火力発電ですが、この発電機は燃料を燃焼し、
この物理的な力で、発電機を回し、電気に変換しています。
物理的な力から発電機を経ての電力への変換部分はかなり高効率ですが、
残念ながら、化学エネルギーから物理的な力への変換効率が低いため、
大規模な火力発電所でも５０数％といったところです。

これに対し、燃料電池はまだ開発段階のため、現実に高効率な大電力
の発電実績があるわけではありませんが、７０％程度の発電は行えると
考えられています。

熱損失について
質問者の方の想像通り、無駄な部分は熱エネルギーとなって放出さます。
この点で、火力発電は広範囲の需要地を見こみ、大電力の一極発電を行うため、
その熱エネルギーは近隣のみの利用に限られ、大きく損失となります。
これに対し、燃料電池はその原理から火力発電の様なスケールメリットがなく、
小規模で高効率の発電が行えるので、近隣の需要のみを満たす、分散電源となり、
同時に、その発熱を熱需要にあてるコジェネレーションシステムとして、
注目をあつめているわけです。

今回のご質問の様に、かなり隔たりのある比較の場合はなかなか前例がないかもしれません。
その場合、もう少し似たものの比較を探してみるといいかも。
例えば、火力発電と燃料電池の違いや、ジェットエンジンとロケットエンジンの違いなどはこのサイトに限らなければ、多く見つかると思います。

補足

いろいろとアドバイスをして頂いて有難うございます。

要は、燃料電池とロケットエンジンでは水素と酸素の反応の種類が
違うということでしょうか。そういえば、昔、高校の化学の授業で
酸化還元反応というのを習った記憶があります。

しかし、やはり細かく見てみると、まだよく分からないです。
水素と酸素の燃焼も、燃料電池における反応も同じ酸化還元反応
なのではないでしょうか？
気体の水素と酸素を瓶に入れたところで、点火しない限り、反応は
起きないですが、燃料電池ではどう見ても点火してはいないので、
やはりロケットエンジンでの燃焼反応と燃料電池での反応は違う
種類なのでしょうか？

燃料電池では原理的に水素と酸素が直接反応は起きないとの
指摘がありましたが、最終的には水素と酸素が結合した水が
発生するので、かならず直接反応しているのではないのでしょか？

＞理想的な電解質でなく、水が流れたり、プロトンが流れたり、するため、
＞余分な燃焼反応が発生したりするみたいです。
燃料電池でも燃焼反応が起きるのですか？燃焼反応が起きるということは、
火種が必要な気がするのですが、その辺はいかがなのでしょうか、それと、
ここでいう燃焼反応はエネルギーロスとして言われていますが、この場合は
電気は発生しないとのことでしょうか？
私が想像した熱によるロスとは、燃料電池でも水素と酸素が結合するときに
も熱が発生すると思い、それによるロスがあるのではないかと思ったことです。
そのような熱が発生しないとすると、原理的には燃料電池は100%の効率がある
とのことでしょうか？

ところで、イオン状の気体同士が燃焼反応を起こすことはできるのでしょうか？
そうすると、イオン状の水素と酸素を燃焼させ、燃料電池のような構造にして、
ロケットエンジンのような燃焼反応を起こしながら電気を取り出すことができる
のはないでしょうか？

化学の知識が乏しいので、滑稽なことを言っているかもしれませんが、何かアドバイスや意見があればよろしくお願いいたします。

回答No.6

a0123456789

燃料電池とロケットエンジンでは明らかに原理が異なります。

燃料電池は、(多くの場合)水素と酸素を直接反応させて、その際のエネルギーを直接電気エネルギーとして取り出します。(他の発電では、その多くが最終的に発電機で色々と変化させられてきてたどり着いた運動エネルギーから電気エネルギーに変換。各エネルギー変換の際にはロスがありますので直接の方が効率は高いんです)

＞無駄になっている部分は熱エネルギーとして放出されているのでしょうか？
燃料電池に限らず、ロスとして一番多いのはご指摘の熱エネルギーでは無いでしょうか？

＞ロケットエンジンでは熱だけを取り出していますが....
ロケットエンジンは、燃料の燃焼による高温・高速のの燃焼ガスをロケットの後方に排出する反作用として推進力を生み出すエンジンであり、チビチビと反応させたのならばロケットエンジンの意味は無くなります。(この場合ガスバーナーかな？)
また、電気を取り出す機構もないので発電は無理でしょう？

燃料電池は、ロケットエンジンに限らず燃料の燃焼による熱エネルギーを活用する機構とは異なり、燃焼反応(多くは酸化反応)の際に生じるエネルギーをできるだけ熱に変えずに電気エネルギーとして取り出そうとするもので、燃料電池とロケットエンジンは全くの別物です。

回答No.5

siegmund

そもそも，両者は目的が違いますね．

反応の材料に何を用いるかはともかくとして，
ロケットエンジンは高温高圧のガスを作ることに目的があります．
このガスを吹き出させてその反動でロケットを進ませるのが
ロケットエンジンです．
電気を作っても，直接それでロケットそ進ませることはできません．

自動車ですと，混合気の爆発膨張をタイヤの回転に変換しても，
燃料電池で作った電気でモーターを動かしタイヤを回転させても，
同じように走れます(原理的には)．
これは，タイヤが回転して地面を押し，その反作用で車が進むためです．
ところが，宇宙空間ですと地面に相当するものがありません．
宇宙空間はほとんどスカスカですから，のれんに腕押しです．
唯一の手段が，ロケットから何かを放出してその反動で進むという方法です．
このために高温高圧の気体が必要なのです．

回答No.3

wanda-2

気になり調べてみましたが、あまり良く理解が出来ませんでしたが、
燃料電池とロケットエンジンでは、基本的な構造がまるっきり違ってました。
燃料電池は水素と酸素を化学的に反応させ（つまり酸化）電気を取だしている。
実際は水素意外でも行なっているようです。
ロケットエンジンは水素と酸素を、反応させているのではなく　燃焼させています。
燃料を燃やして推進力を得るという所が違っている　大きな点だと思います。

回答No.4

wanda-2

気になり調べてみましたが、あまり良く理解が出来ませんでしたが、
燃料電池とロケットエンジンでは、基本的な構造がまるっきり違ってました。
燃料電池は水素と酸素を化学的に反応させ（つまり酸化）電気を取だしている。
実際は水素意外でも行なっているようです。
ロケットエンジンは水素と酸素を、反応させているのではなく　燃焼させています。
燃料を燃やして推進力を得るという所が違っている　大きな点だと思います。

回答No.2

asuca

ロケットの燃料は水素と酸素ではないですよ。
一般的に燃料（ポリブタジエン系の液体合成ゴムなど）と酸化剤（過塩素酸アンモニウムなど）を使っています。
しかしロケットにはアポロの時代から準水素と純酸素を積んで発電は行っています。

http://gggzzz.cool.ne.jp/zakkisou/mukasizakkisou/0208zakkisou.html

にうまくかかれています。

参考URL：

http://spaceboy.nasda.go.jp/note/rocket/j/roc03_j.html

回答No.1

yuuji1582

直接は無理でしょう・・・

　しかし、熱エネルギーの方が効率が高いのは事実です。