水素燃料電池スタックの動作原理と利点

燃料電池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。電池と合わせて電気化学的な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が水素燃料電池です。水素燃料電池は、水を電気分解して水素と酸素を生成する反応として理解できます。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、効率は 60% 以上に達する可能性があります。

ロケットとは異なり、水素燃料電池は水素と酸素の燃焼の激しい反応によって運動エネルギーを生成し、触媒装置を通じて水素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、エントロピーおよびその他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、電池の正極内の触媒（白金）を通じて水素が水素イオン（つまりプロトン）と電子に分解されることです。水素イオンが固体高分子交換膜を通って負極に到達し、酸素が反応して水と熱となり、対応する電子が外部回路を通って正極から負極に流れて電気エネルギーが発生します。

で燃料電池スタック、水素と酸素の反応が行われ、その過程で電荷の移動が起こり、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の核となるのが「固体高分子交換膜」です。フィルムの両側は触媒層に近く、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小さな穴を通って反対側に移動することができます。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もう一方の端に到達します。
水素陽子膜の反対側の電極に引き寄せられ、酸素分子と結合します。フィルムの両側にある電極板が、水素をプラス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らえ、酸素イオン（マイナスの電気）に変えます。電子は電極板の間に電流を形成し、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。これが反応プロセスにおける唯一の「廃棄物」になります。本質的に、動作プロセス全体が発電プロセスです。酸化反応の進行に伴い、電子が継続的に移動し、車の駆動に必要な電流が生成されます。