水素と酸素を使う燃料電池は、水素と酸素が反応して水になる過程から電気を取り出す装置です。「水から電気が出る装置」と覚えると、材料とできるものが逆になってしまいます。水は、この発電反応でできる側です。
水を電気分解して水素を作り、その水素を燃料電池で利用する仕組みなら、全体の図には水も電気も何度か出てきます。そこで二つの装置を一つの矢印で済ませず、どこへ電気を入れ、どこから電気を取り出すのかを分けて描きましょう。
電気分解と燃料電池で、矢印を逆にする
水の電気分解では、外から電気エネルギーを与えて、水素と酸素を得ます。一方、水素を使う燃料電池では、水素と酸素の化学反応によって、水とともに電気や熱を得ます。「水・水素・酸素」という物質名の組は共通でも、変化の向きと電気の出入りが違います。
燃料電池は、燃料などを供給して発電を続ける装置です。何も補わず、いつまでも電気を出し続ける箱ではありません。また、ここで説明する発電では、水素を炎にして燃やし、その炎でタービンを回しているわけでもありません。化学反応から電気を取り出す仕組みです。細かな電極反応をまだ学んでいなくても、材料・生成物・エネルギーを別の欄に整理できます。
体積の比を使うときは、気体の条件をそろえる
同じ温度と圧力で比べると、水になる反応で消費される水素と酸素の体積比は2：1です。これは、用意した二種類の気体が常に全部なくなるという意味ではありません。片方が必要量より多ければ、もう片方が先になくなって反応を続けられなくなります。
比を使う欄には「反応した量」と書きます。用意した量、反応した量、残った量を同じ欄に入れないことが重要です。空気を供給する装置の話なら、空気の全体積をそのまま酸素の体積と扱うこともできません。窒素など、ここで水を作る材料として数えない気体が含まれています。
例題1：水素と酸素のどちらが残る？
同じ温度・圧力で、水素60mLと酸素40mLを使う学習用の模型を考えます。水になる反応だけが起こり、使える気体が尽きるまで反応するとします。水素と酸素はそれぞれ何mL反応し、何が何mL残りますか。
答え・解説： 水素60mLに必要な酸素は60÷2＝30mLです。酸素は40mLあるので足ります。水素60mLと酸素30mLが反応し、酸素が10mL残ります。水素は残りません。40mLの酸素を全部使うには水素80mLが必要ですが、実際に用意したのは60mLなので、その計算のまま進めることはできません。
この例題から、生じた液体の水を90mLと求めることはできません。反応した気体の体積60＋30を、液体の体積へそのまま足すことはできないからです。気体と液体では同じ重さが占める体積が大きく異なります。数値の後ろに付くmLが同じでも、何の状態の体積かを確かめてください。
例題2：往復させれば電気は増える？
仮想的な装置で、電気分解に100単位の電気エネルギーを使いました。できた水素を燃料電池へ送り、40単位を電気として取り出せたとします。この一巡で電気として戻らなかった量はいくらですか。また、同じ操作を繰り返せば電気を増やせるでしょうか。
答え・解説： 100−40＝60単位が、電気としては戻っていません。この条件で電気を増やすことはできません。途中の装置では熱などへの変化があるため、物質の変化を逆向きにしても、使った電気がそっくり全部戻るとは限りません。戻らない60単位を「エネルギーが消えた」と説明しないことも大切です。
100と40は原理を読むための架空の値で、特定製品の性能ではありません。実際の効率を比較するなら、どの装置の入口から出口までを数えた値なのか、熱も有効に使ったのかなどをそろえる必要があります。数字だけを抜き出すと、違う範囲の成績を比べてしまいます。
「水しか出ない」は、どこの話か
純粋な水素と酸素から水を作る反応では、反応そのものから二酸化炭素は生じません。しかし、水素を製造する方法や、製造に使う電気の作り方まで含めれば、別の段階で二酸化炭素が出る場合があります。発電している場所だけの説明と、材料を作って運ぶところからの説明は、見ている範囲が違います。
このため、燃料電池の図を見たときは、装置の中に書かれていない工程まで勝手に「何も出ない」と広げないようにします。理科の説明では、装置を囲む線をどこに引いたかが、結論を左右することがあります。
光電池と蓄電の違いでは、電気を作ることと蓄えることを整理しています。燃料電池にも「電池」という名前がありますが、名前だけで同じ働きと考えないでください。得た電気で回すモーターの仕組みへつなげると、材料から運動までの段階を一つずつ追えます。