目指せ！エネルギー管理士 電気分野
平成27年度 問題14 電気化学
(1) 電気化学システム，水の電気分解
1) 電気化学システムは二つの電極と，イオン伝導体である電解質，及び外部回路から成り立っており，必要に応じて二つの電極を分離するための隔膜が用いられる。二つの電極では酸化反応と還元反応が別々の電極で起こることが特徴であり，これにより電気エネルギーと化学エネルギーの直接変換が可能となる。
電気エネルギーを化学エネルギーに変換するシステムは電解と呼ばれ，我が国では，食塩水を電気分解してビニルの原料である塩素を作り出すプロセスの電力消費量が大きい。
化学エネルギーから電気エネルギーを得るシステムは電池と呼ばれ，マンガン乾電池に代表される一次電池，リチウムイオン電池に代表される二次電池がある。
2) 水を電気分解して酸素と水素を得る反応と，酸素と水素から水を生成して同時に電気エネルギーを得る反応を考えてみる。
この反応は次のように表すことができる。
ここで，電池反応と電解反応を比較して，いくつかの因子の大小を考えてみる。理論電圧については電池反応 = 電解反応の関係がある。絶対値が同じ大きさの電流が流れたときの電極間電圧については電解反応 > 電池反応の関係があり，さらに，このときの電解反応に要する電気エネルギーと，電池反応で生成する電気エネルギーの大きさには電解反応 > 電池反応の関係がある。
また，この ① 式の反応を用いるシステムは燃料電池システムと呼ばれ，家庭用分散形発電，電気自動車の駆動源として実用化が始まっている。
各プロセスで電圧に関しては電圧効率，電気量に関しては電流効率として計算される。多くの電解槽では，最適設計をすることにより，電流効率を 100 % に近づけることは可能であるが，電圧効率を 100 % に近づけることは難しい。
(2) リチウムイオン電池
いま，公称電圧が 3.6 V で公称容量が 2.5 A·h のリチウムイオン電池について考える。
1) この電池 1 個の持つ電気エネルギーは 9.0 [W·h] である。また，このリチウムイオン電池は他の二次電池と比較してエネルギー密度は高い。
2) この電池の 5 時間率での充電電流は 0.5 [A] である。
3) この電池を 50 個直列に接続したとすると，満充電状態から取り出せる電気エネルギーは 450 [W·h] となるので，50 個直列に接続した電池（スタック）を満充電しておけば，消費電力 500 W の負荷を 54 分間用いることができる。
1) 電池 1 個の持つ電気エネルギーは，次式で求められる。
\[ 3.6 \text{ [V]} \times 2.5 \text{ [A·h]} = 9.0 \text{ [W·h]} \]2) 電池の 5 時間率での充電電流は，次式で求められる。
\[ 2.5 \text{ [A·h]} \div 5 \text{ [h]} = 0.5 \text{ [A]} \]3-1) 電池を 50 個直列に接続したとすると，満充電状態から取り出せる電気エネルギーは，次式で求められる。
\[ 9.0 \text{ [W·h]} \times 50 = 450 \text{ [W·h]} \]3-2) 消費電力 500 W の負荷を用いることのできる時間は，次式で求められる。
\[ \frac{450 \text{ [W·h]}}{500 \text{ [W]}} \times 60 \text{ [min/h]} = 54 \text{ [min]} \]