中3理科「燃料電池のしくみ」水の電気分解の逆の反応

シェアする

スポンサーリンク

化学電池と同時に登場するのが「燃料電池」です。現在、燃料電池を動力とした自動車なども一般に購入できるようになってきています。中学理科の中でも注目の電池です。今日は燃料電池の仕組みについて学習していきます。

燃料電池とは?

燃料電池とは、水素と酸素が反応し水に化学変化で、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。原理的には水の電気分解の逆の反応を起こし発電していることになります。

  • 水素+酸素→水+電気エネルギー
  • 2H2+O2→2H2O

燃料電池の利点は、電気エネルギーをとり出した後に水しか発生しないということがあげられます。実際にスペースシャトルなどでも利用されており、発生した水は飲み水などにも利用されています。非常にクリーンな発電方法で、次世代のエネルギー資源として期待されています・。

スポンサーリンク

水の電気分解の逆

燃料電池とあわせて出題されるのは、水の電気分解です。中学2年の化学変化で学習しました。

小さな電圧で電気分解ができるように、水酸化ナトリウムを溶かした水に電極を差し込み電流を流すと、陽極から酸素陰極から水素が発生します。

  • +電気エネルギー→水素+酸素
  • 2H2O→2H2+O2

出題の内容としては、水を電気分解し、発生した水素と酸素を使って燃料電池の装置をつくるという流れが多いようです。化学反応式の右辺と左辺が逆になりますので、燃料電池と電気分解のどちらの化学反応式をかけと言っているのかしっかりと確認してください。

燃料電池を少し詳しく説明

燃料電池では、どのように電気がつくりだされるのか少しだけ詳しくみてみましょう。どのよう水素と酸素が使われ、電子がどのように移動するのかを確認します。

  1. 水素が-極に触れ電子を離し、水素イオンに変化する
    H2 → 2H+ + 2e
  2. -極で取り出された電子が、+極へ移動します。このとき電流は+極から-極に流れます。
  3. -極で電子を失った水素イオンは、電解質が溶けた水溶液の中に入り+極で電子を受けとり酸素と化合し水になります。
    2H+ + 2e + 1/2O2 → H2O

上記のイオン反応式を合体させると、燃料電池の化学反応式ができます。

  • 2H2+O2→2H2O

このように、燃料電池は水素と酸素が反応し、水ができる過程で電気を発生させる装置になります。

燃料電池のしくみ練習問題

  1. 水素と酸素から電気エネルギーをとり出す仕組みを何というか。
  2. 1では電気をとり出した後、何ができるか。
  3. 1で電気をとり出しているときの化学変化を化学反応式で書け。
  4. 水の電気分解の化学反応式をかけ。
  5. 水の電気分解で、陽極から発生する気体は何か。

解答

  1. 燃料電池
  2. 2H2+O2→2H2O
  3. 2H2O→2H2+O2
  4. 酸素
スポンサーリンク

シェアする