《機械》〈電気化学〉[H26:問12]燃料電池のメカニズムに関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，燃料電池に関する記述である。

\( \ \fbox {　 （ア） 　} \ \)燃料電池は\(80～100℃\)程度で動作し，家庭用などに使われている。燃料には都市ガスなどが使われ，\( \ \fbox {　 （イ） 　} \ \)を通して水素を発生させ，水素は燃料極へと導かれる。燃料極において水素は電子を\( \ \fbox {　 （ウ） 　} \ \)水素イオンとなり，電解質の中へ浸透し，空気極において電子を\( \ \fbox {　 （エ） 　} \ \)酸素と結合し，水が生成される。放出された電子が電流として負荷に流れることで直流電源として動作する。また，発電時には\( \ \fbox {　 （オ） 　} \ \)反応が起きる。

上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

\[
\begin{array}{cccccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） & （オ） \\
\hline
(1) & 固体高分子形 & 改質器 & 放出して & 受け取って & 発　熱 \\
\hline
(2) & りん酸形 & 燃焼器 & 受け取って & 放出して & 吸　熱 \\
\hline
(3) & 固体高分子形 & 改質器 & 放出して & 受け取って & 吸　熱 \\
\hline
(4) & りん酸形 & 改質器 & 放出して & 受け取って & 発　熱 \\
\hline
(5) & 固体高分子形 & 燃焼器 & 受け取って & 放出して & 発　熱 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

電気化学分野からの出題では電池に関する問題が最も多く出題されます。電池の問題は数年に一度程度出題されます。

1.燃料電池の概念図
燃料電池は燃料極に燃料として水素，空気極に酸素を供給して，化学変化から電気エネルギーを取り出す方法で，正極と負極では以下の反応があります。
\[
\begin{eqnarray}
負極&：&\mathrm {H_{2} → 2H^{+} +2e^{-}} \\[ 5pt ] 正極&：&\mathrm {\frac {1}{2}O_{2} + 2H^{+} +2e^{-} →H_{2}O} \\[ 5pt ] 全体&：&\mathrm {H_{2}+\frac {1}{2}O_{2} →H_{2}O}
\end{eqnarray}
\]

2.代表的な燃料電池
①固体高分子形
　電解質：固体高分子
　温　度：80～100℃
　出　力：数百kW
　用　途：家庭用，自動車用

②リン酸形
　電解質：リン酸
　温　度：150～200℃
　出　力：数千kW
　用　途：産業用

③固体酸化物形
　電解質：酸化ジルコニウム
　温　度：900～1000℃
　出　力：数十万kW
　用　途：分散型電源

④溶融炭酸塩形
　電解質：炭酸塩
　温　度：600～700℃
　出　力：数十万kW
　用　途：分散型電源

【解答】

解答：(1)
(ア)
ワンポイント解説「2.代表的な燃料電池」の通り，動作温度が80～100℃なのは固体高分子形燃料電池となります。

(イ)
燃料は，改質器を通して水素を発生させます。燃焼器だと二酸化炭素になってしまいます。

(ウ)
(エ)
ワンポイント解説「1.燃料電池の概念図」の通り，負極（燃料極）では電子を放出して，正極（空気極）では電子を受け取ります。
\[
\begin{eqnarray}
負極&：&\mathrm {H_{2} → 2H^{+} +2e^{-}} \\[ 5pt ] 正極&：&\mathrm {\frac {1}{2}O_{2} + 2H^{+} +2e^{-} →H_{2}O} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

(オ)
燃料電池の反応は発熱反応となります。