水素燃料電池スタックの動作原理と利点

燃料電池燃料電池は、燃料の電気化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置の一種です。バッテリーと組み合わせた電気化学的発電装置であるため、燃料電池と呼ばれます。水素を燃料とする燃料電池は、水素燃料電池です。水素燃料電池は、水の電気分解によって水素と酸素が生成される反応と理解できます。水素燃料電池の反応プロセスはクリーンで効率的です。水素燃料電池は、従来の自動車エンジンで使用されているカルノーサイクルの熱効率42%に制限されず、60%を超える効率を達成できます。

ロケットとは異なり、水素燃料電池は水素と酸素の激しい燃焼反応によって運動エネルギーを発生させ、触媒装置を通して水素のギブス自由エネルギーを放出します。ギブス自由エネルギーは、エントロピーなどの理論を含む電気化学エネルギーです。水素燃料電池の動作原理は、セルの正極にある触媒（白金）によって水素が水素イオン（つまり陽子）と電子に分解されることです。水素イオンは陽子交換膜を通過して負極へ送られ、酸素は反応して水と熱に変換されます。対応する電子は外部回路を通って正極から負極へ流れ、電気エネルギーを生成します。

の中で燃料電池スタック水素と酸素の反応が起こり、その過程で電荷移動が生じ、電流が発生します。同時に、水素は酸素と反応して水を生成します。
化学反応プールとしての燃料電池スタックのキーテクノロジーコアは「プロトン交換膜」です。膜の両側は触媒層に近接しており、水素を荷電イオンに分解します。水素分子は小さいため、電子を運ぶ水素は膜の微細な孔を通って反対側へ移動します。しかし、電子を運ぶ水素が膜の孔を通過する過程で、分子から電子が剥ぎ取られ、正に帯電した水素プロトンだけが膜を通過して反対側へ到達します。
水素陽子フィルムの反対側の電極に引き寄せられ、酸素分子と結合します。フィルムの両側の電極板は、水素を正の水素イオンと電子に分解し、酸素を酸素原子に分解して電子を捕捉し、酸素イオン（負の電気）に変換します。電子は電極板間に電流を形成し、2つの水素イオンと1つの酸素イオンが結合して水を形成します。これは反応プロセスにおける唯一の「廃棄物」となります。本質的には、この動作プロセス全体が発電プロセスです。酸化反応が進行するにつれて、電子は継続的に移動し、車の駆動に必要な電流を形成します。