ゼロから分かる!燃料電池の仕組み〜電験3級受験の基本のキ

はてなブックマークに追加 Twitterでシェア Facebookでシェア Google+でシェア

こちらでは、電験3級の受験者、あるいは受験を検討している方に向けて“燃料電池の仕組み”を解説しています。勉強をはじめたばかりの方でも理解できるよう、中学理科の知識があればだいたい理解できるように記述しました。

まずは興味を持つことが試験へのモチベーションを高める第一歩ですから、とりあえず“燃料電池がどういうものか知りたい”という意欲を持って読み進んで頂ければ幸いです。

  1. 燃料電池の仕組みを解説!
  2. 主な燃料電池の種類を紹介!
  3. 燃料電池のメリット・デメリットを考える!

1.燃料電池の仕組みを解説!

燃料電池は、化学反応を利用して電気を生み出す電池のことです。

一般の発電装置は、タービンを回転させることで(=物理的な力によって)電力を生み出しています。簡単に言うなら、“電池を使ってモーターを回転させる”という方法の逆です。例えば、モーターの回転軸を手で回すと、モーターの電極から電気が流れます。これを大がかりに実行すると、発電所になると考えてください。

電気を使って軸を回転させる装置はモーターと呼びますが、構造は同じでも、軸を回転させて電気を生み出す場合はタービンと呼んでいます。火を使ってタービンを回せば火力発電、風車の回転で回せば風力発電、核のエネルギーで回せば原子力発電です。自転車を漕ぐと電球がつく…という装置は、ペダルを漕ぐ動きでタービンを回しています。

さて、燃料電池は物理的にタービンを回すのではありません。化学反応のエネルギーを電力に変換する装置です。

もっとも普及している燃料電池の仕組みは“水の電気分解の逆反応”を用います。ほとんどの方は中学校の時に、水に電気を流して酸素+水素を取り出す実験をしたことがあるはずです。水+電気→酸素+水素という反応の逆を行えば、酸素+水素→水+電気となり、電気を生み出すことができます。これが燃料電池の原理です。

つまり、化学反応で(電気を使わずに)酸素と水素を反応させれば、電気のないところから電気を生み出すことができる…ということになります。

1-1.触媒という言葉を理解しましょう!

触媒というのは、“化学反応の速度を速めるが、それ自体は反応によって変化しない物質”を指します。分かりづらいと思うので、例を挙げましょう。

世界で初めて発見された触媒は、酸素と水素の燃焼反応を助ける触媒-白金(プラチナ)です。水素は火をつけると燃焼し、空気中の酸素と結びついて水になります。しかし、水素を白金に吹きつければ、温度を上げなくても発火するのです。白金が触媒として“水素の燃焼による酸化”という化学反応を促進している…ということになります。この時、酸素と水素は水に変わっていますが、白金は白金のままです。量が減ることもありません。

触媒というのは、まさにこういうことです。白金が酸素と水素の燃焼反応を促進しましたが、白金自体は何の影響も受けませんでした。こういう状況を指して、“白金が触媒の役割を果たしている”と表現します。

もちろん、酸素+水素→水+電気になりますから、この反応が起きた時、電気が生まれているはずです。

12