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できるエネルギー変換装置の一種です。電池と一体化した電気化学発電装置であるため、燃料電池と呼ばれています。水素を燃料として使用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を生成す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るカルノーサイクルの熱効率42%に制限されず、効率は60%以上に達することができます。

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生成し、触媒装置を通して水素中のギブズ自由エネルギーを放出します。ギブズ自由エネルギーは、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（すなわち陽子）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って負極に移動し、酸素と反応して水と熱を生じ、対応する電子は外部回路を通って正極から負極に流れ、電気エネルギーを生成します。

では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、電流が発生する。同時に、水素は酸素と反応して水を生成する。
燃料電池スタックの重要な技術コアは、化学反応の場となる「プロトン交換膜」です。膜の両面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穴を通って反対側へ移動できます。しかし、電子を運ぶ水素が膜の穴を通過する過程で、電子は分子から剥ぎ取られ、正に帯電した水素プロトンだけが膜を通って反対側へ移動します。
水素プロトン水素イオンは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（負電荷）に変えます。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が生成されます。これが反応過程における唯一の「廃棄物」となります。本質的に、この一連の動作プロセスは発電プロセスです。酸化反応が進むにつれて、電子が連続的に移動し、自動車を駆動するために必要な電流が生成されます。