目指せ!エネルギー管理士 電気分野

2019年11月4日作成,2019年11月5日更新

平成26年度 問題14 電気化学

(1) 燃料電池

燃料電池は,水素,アルコールなどの燃料を,電極触媒を用いてアノードで電気化学的に酸化させ,もう一方の電極で酸素を酸化剤として還元させることにより,化学エネルギーを電気エネルギーへ直接変換して取り出す装置である。

燃料電池は動作温度により,低・中温形,高温型,超高温形に分けられる。650 °C 付近で液体電解質を用いて作動させるものとして溶融炭酸塩形燃料電池があり,それ以上で 1 000 °C 程度までの温度で作動させるものとして,酸化ジルコニウム系の電解質を用いた固体酸化物形燃料電池がある。

(2) 水の電気分解

水素の原子量は 1,酸素の原子量は 16,ファラデー定数は 26.8 A·h/mol とする。

水を電気分解すると水素と酸素が得られる。ここで得られた水素は化学原料として古くから用いられているが,近年は,再生可能エネルギーである太陽エネルギー,風力エネルギーなどの,変動するエネルギーを水素に変換して利用することも注目されている。

この水の電気分解では,電極として鉄あるいはニッケル金属が,電解質としてはアルカリ電解質を用いるものが多く利用され,水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウムの水溶液が用いられる。ここでは,水を電気エネルギーにより還元して水素を得ている。

電気分解に用いる電気エネルギーを考えるとき,電極反応に直接関与する電子数が重要な要素であり,水素 1 分子生成に関与する電子は 2 個である。また,得られる水素の物質量は,供給した電気量に比例し,電気分解の際のファラデーの法則が成り立つ。水の電気分解で水素と同時に得られる酸素は物質量(モル数)にして水素の 0.5 倍となる。

いま,水の電気分解で水素 1 t を製造することを考える。水素 1 t は 500 kmol であり,水素 1 t を製造するのに必要な理論電気量は 2.68 × 104 [kA·h] である。この電解条件での理論電圧が 1.20 V であるとき,水素 1 t を製造するのに必要な理論電気エネルギーは 3.22 × 104 [kW·h] である。また,この電解槽の運転電圧が 1.84 V であるとき,この電解槽の電圧効率は 6.52 × 101 [%] となる。

水素分子 1 mol 製造するのに,2 mol の電子が必要となる。よって,水素 1 t を製造するのに必要な電気量は,次式で求められる。

\[ 26.8 \text{ [A·h/mol]} \times 500 \text{ [kmol/t]} \times 2 = 26800 \text{ [kA·h]} = 2.68 \times 10^4 \text{ [kA·h]} \]

この電解条件での理論電圧が 1.20 V であるとき,水素 1 t を製造するのに必要な理論電気エネルギーは,次式で求められる。

\[ 26800 \text{ [kA·h]} \times 1.20 \text{ [V]} = 32160 \text{ [kW·h]} \approx 3.22 \times 10^4 \text{ [kW·h]} \]

この電解槽の運転電圧が 1.84 V であるとき,この電解槽の電圧効率は,次式で求められる。

\[ \frac{1.20 \text{ [V]}}{1.84 \text{ [V]}} \times 100 = 65.217 \text{ [%]} \approx 6.52 \times 10^1 \text{ [%]} \]
inserted by FC2 system