燃料電池}} 水素\ce{H2},\ メタン\ce{CH4},\ メタノール\ce{CH3OH}などの燃料と空気中の酸素\ce{O2}\,の \\[.2zh]
燃焼反応で生じる熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置}}で,\ \\[.2zh]
エネルギー効率が高い. \\[1zh]
1次電池とも2次電池とも異なり,\外部からの燃料追加で永久に使用できる.}} \\[.2zh]
その意味では,\ 電池というよりも発電装置である. \\[1zh]
高校化学では,\ 主にリン酸型とアルカリ型の\textbf{\textcolor{blue}{水素\hspace{-.02zw}$\bm{-}$\hspace{-.02zw}酸素燃料電池}}を扱う. \\[.2zh]
どちらも「$\textcolor{red}{\bm{水素\,+\,酸素\,\ce{->}\,水}}$」というクリーンな電池である. リン酸型燃料電池}（起電力 負極}\ \ \ce{H2}\,\ce{->[\textcolor{magenta}{酸化}]}\,\ce{2H+}\,+\,\ce{2e-} \\[.5zh]
\textbf{特徴}正極側}から水\ce{H2O}が排出される.}} \\[1zh]
\textbf{用途} 家庭用電源,\ \ 燃料電池自動車. \\[1zh]
\textbf{欠点} 常温での反応に高価な白金\ce{Pt}触媒が必須である. \\[1zh]
白金触媒を含む多孔質の炭素電極アルカリ型燃料電池}（起電力
\textbf{特徴} 負極側}から水\ce{H2O}が排出される.}}\ 非常に高い発電効率. \\[1zh]
\textbf{用途} 宇宙開発,\ \ かつてはアメリカのアポロ宇宙船. \\[1zh]
\textbf{欠点} 地上で使うと,\ \textbf{\textcolor{red}{電解液の\ce{KOH}\,が空気中の\ce{CO2}\,と反応して電池が劣化する.}} \\[.2zh]
$\ce{CO2}\,+\,\ce{2KOH}\,\ce{->}\,\ce{K2CO3}\,+\,\ce{H2O}$ (\,$酸性酸化物\,+\,塩基\,\ce{->}\,塩\,+\,水$\,水素\hspace{-.1zw}-\hspace{-.1zw}酸素燃料電池自体はクリーンだが,\ 水素\ce{H2}\,が天然に存在しないため, \\[.4zh]
燃料となる水素\ce{H2}\,を天然ガスなどから製造する過程で\ce{CO2}\,が発生するという問題がある. \\[.4zh]
また,\ 水素は爆発性の気体で運搬・貯蔵が難しい点も大規模普及を妨げている. \\[1zh]
近年,\ 自動車用や家庭用として\bm{固体高分子形燃料電池}の実用化が進んでいる. \\[.2zh]
電解質に\ce{H+}のみを通す性質をもつ固体の高分子化合物(陽イオン交換膜)を用いるものである.
\水素酸素燃料電池について,\ 以下の問いに答えよ. \\[1zh]
\電解液にリン酸水溶液を用いたときの正極と負極の反応を\ce{e-}を含む反応式で示せ.} \\[.8zh]
\hspace{.5zw}(2)\ \ 電解液に水酸化カリウム水溶液を用いたときの正極と負極の反応を\ce{e-}を含む \\[.2zh]
\hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ 反応式で示せ. \\[.8zh]
\hspace{.5zw}(3)\ \ リン酸型燃料電池を1時間運転したところ,\ 平均起電力が0.80\,Vで,\ 18\,kgの水が \\[.2zh]
\hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ 排出された.\ エネルギー変換効率(燃料の燃焼で得られる熱量のうち電気エネルギ \\[.2zh]
\hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ ーに変換された割合)は何\%か.\ 水素の燃焼エンタルピーを$-\,286$\,kJ/mol, \\[.2zh]
\hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ $1\,\text J=1\,\text C\cdot1\,\text V$,\ \ ファラデー定数$F=9.65\times10^4$\,C/molとする.\ \ $\ce{H}=1.0,\ \ \ce{O}=16$ \\
(3)\ \ 正極で排出された水\ce{H2O}\,(分子量18)の物質量は
\phantom{ (1)}\ \ 流れた電子\ce{e-}の物質量は
\phantom{ (1)}\ \ 流れた電気量は
\phantom{ (1)}\ \ 1時間の運転で得られた電気エネルギーは
\phantom{ (1)}\ \ $1.0\times10^3$\,molの水素\ce{H2}\,が完全燃焼して$1.0\times10^3$\,molの水\ce{H2O}が生じるとき発熱量は \\[.4zh]
エネルギー変換効率}は $\bunsuu{\textcolor{cyan}{(電気エネルギー)}}{\textcolor{magenta}{(水素の燃焼熱)}}
(2)\ \ 塩基性下では\ce{H+}\,が存在しないため,\ \bm{リン酸型の両辺に\ce{OH-}\,を加えて\ce{H+}\,を消去する.} \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ リン酸型の正極の反応式
(3)\ \ 得られた電気エネルギー\text{[\,J\,]}は,\ 電気量\text{[\,C\,]}\times 起電力\text{[\,V\,]}によって求められる. \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ 物理でU=qVとして学習する公式だが,\ 化学でも問題に書かれていて利用することがある. \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ 電子\ce{e-}\,1\,\text{mol}あたりの電気量が9.65\times10^4\,\text{C}なので,\ 結局は電子\ce{e-}の物質量を求めればよい. \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ \bm{全体反応式は,\ (負極)\times2+(正極)によって\underline{\ce{4e-}を消去}して導かれる}ことに注意する. \\[1zh]
\phantom{(1)}\ \ 一方,\ 水素の燃焼で得られる熱量は水素の燃焼エンタルピーから求められる. \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ \ce{H2}\,(気)\,+\,\bunsuu{\ce{1}}{\ce{2}}\ce{O2}\,(気)\,\ce{->}\,\ce{H2O}\,(液) \ \ \Delta H=-\,286\,\text{kJ} \\[.8zh]
\phantom{(1)}\ \ 1\,\text{mol}の水素\ce{H2}\,が完全燃焼して1\,\text{mol}の水\ce{H2O}が生じるときの発熱量が286\,\text{kJ}である.
電解質に\ce{H+}のみを通す固体高分子膜を用いた燃料電池の負極側にメタノール\ce{CH3OH} \\[.2zh]
\hspace{.5zw}水溶液,\ 正極側に酸素を供給すると,\ 負極側から二酸化炭素,\ 正極側から水が発生した. \\[1zh]
\hspace{.5zw}(1)\ \ 正極と負極の反応を\ce{e-}を含む反応式で示せ. \\[.8zh]
\hspace{.5zw}(2)\ \ 放電時のエネルギー変換効率を50\%として,\ 平均起電力を求めよ. \\[.2zh]
\hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ メタノール\ce{CH3OH}の燃焼エンタルピーを$-\,726$\,kJ/mol,\ \ $1\,\text J=1\,\text C\cdot1\,\text V$, \\[.2zh]
\hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ ファラデー定数$F=9.65\times10^4$\,C/molとする. \\
1\,molの\ce{CH3OH}の消費で6\,molの電子\ce{e-}が流れ,\ 726\,kJの発熱が生じる.} \\[1zh]
\phantom{ (1)}\ \ 1\,molの\ce{CH3OH}の消費時に流れる電気量は\ \
\phantom{ (1)}\ \ 平均起電力を$x$\,[\,V\,]とする. \\[.5zh]
\phantom{ (1)}\ \ エネルギー変換効率は $\bunsuu{\textcolor{cyan}{(電気エネルギー)}}{\textcolor{magenta}{(メタノールの燃焼熱)}}=
(1)\ \ \ce{H+}のみを通す固体高分子膜を用いた場合,\ 本質的にリン酸型と同じ構造と考えてよい. \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ 負極の反応式は,\ 「\ce{CH3OH}\,\ce{->[酸化]}\,\ce{CO2}\,」を元に半反応式の作成手順に従う. \e-}を消去して得られる全体反応式は,\ メタノール\ce{CH3OH}の完全燃焼の反応式である. \\[.4zh]
\phantom{(1)}\ \ 一般に,\ \bm{\ce{C},\ \ce{H},\ \ce{O}からなる有機化合物が完全燃焼すると\ce{CO2}\,と\ce{H2O}が生じる.} \\[1zh]
\phantom{(1)}\ \ \ce{CH3OH}\,1\,\text{mol}あたりで考えて前問と同様に立式すると,\ 変換効率から平均起電力が逆算できる.
