ビルメン・そ~と設備管理関係試験+αのメモです。方式スポンサーリンク電気化学システムとは電気エネルギーと化学エネルギーの変換を行うシステム。(放電・充電)化学変化によって外部に電気エネルギー(直流電源)を取り出す。外部回路の電流方向は赤矢印の方向となる。(電子の方向は電流と逆である)充電(二次電池)の電流方向は、負極<還元>(カソード)→電線→正極<酸化>(アノード)となる。放電(一次電池)の電流方向は、負極<酸化>(アノード)←電線←正極<還元>(カソード)となる。外部から電気を流すことで化学エネルギーを起こす。二次電池の充電時と同じ流れになる。電流方向は、陰極<還元>(カソード)→電線→陽極<酸化>(アノード)となる。電気分解では、電池の正極につないだ極として陽極(正極)、電池の負極につないだ極として陰極(負極)と呼んでいる。アノード電気回路では、回路から電流が流れ込む電極、電子が回路へ流れ出す電極。電気化学では酸化がおこる電極。カソード電気回路では、回路へ電流が流れ出す電極、電子が回路へ流れ込む電極。電線などの金属では電子(ー)がキャリアとなって移動する。持つ電解質を溶解させた液体。電解質は、溶媒中に溶解した際に、陽イオンと陰イオンに電離する物質のことである。正負のイオンが電荷のキャリアとなって液体中を移動することで導電する。酸、アルカリ、塩類など。非電解質は、溶媒中に溶解しても電離しない物質である。(水銀など)セパレーター(隔膜)正極と負極の間に設置され、導電性は無いがイオンを透過する。正極と負極を分離して接触を防ぎ、生成物の混合を防ぐ。電解質の中に異なる種類の電極(金属)を入れ、電解質中のイオンと2種類の電極(金属)界面の化学変化によって電子の流れができるもの。:太陽電池イオン化傾向(金属が溶液中で電子を放出して陽イオンになろうとする性質)の差が大きいほど電池の開放電圧(端子電圧)は高くなる。大きな電流を出力するには、内部インピーダンスは小さい方が良い。できない使い切りの電池。Zn2++H2電解質:希硫酸水溶液(H2SO4)電圧:1.1Vダニエル電池ボルタ電池の溶媒を2種類使用することで、正極での水素の発生を防いだもの。Zn2++Cu電解質:負極側に硫酸亜鉛水溶液(ZnSO4)、正極側に硫酸銅水溶液(CuSO4)を使用する。ZnO+MnOOH電解質:水酸化カリウム水溶液(KOH)電圧:1.5Vマンガン電池との違いは、亜鉛・二酸化マンガンを増やし、電解質に水酸化カリウムを使用して容量を増やし大きな電流に対応している。電解質:リチウム塩溶解液(有機溶媒)電圧:3.0V二次電池(蓄電池)充電して繰り返し使用できる電池。2PbSO4+2H2O電解質:希硫酸(H2SO4)を使用し、放電時は酸素と水素が結合して水になり、充電時は硫酸と水素が結合して希硫酸になる。電圧:2.0V周囲温度が高いと化学反応が促進し、電気量は多くなり、端子電圧は上昇する。放電は電解液が希硫酸(比重重い)→水(比重軽い)に変化することなので、電解液の比重は小さくなる。電解液の減少は水分のみの減少なので、純水を補給する。Cd(OH)2+2Ni(OH)2電解質:水酸化カリウム水溶液(KOH)電圧:1.2V過放電、過充電に強い。NiOOH+MH電解質:水酸化カリウム水溶液(KOH)電圧:1.2Vニッケル・カドミウム蓄電池に比べて体積エネルギー密度が高く、カドミウムの環境問題を回避できるので、携帯電子機器に使用されてきた。近年は、ハイブリット車の電池としても使用されている。電圧:3.7V電圧、エネルギー密度が高い。電解液に有機溶媒を使用しているため内部抵抗がやや高くなる。(電圧が水の分解電圧より高いので、電解液に水溶液を使用していない)イオン反応式のxは理論上0~1だが、充放電の可逆性の問題から実際は0.5より小さい。セル内は300°Cで、正極・負極は液体である。電池の指標スタック(セルスタック)燃料電池や蓄電池で電気を発生させるセルとよばれる板状の基本部材を積み重ねたもの。セルを直列に繋ぐことで高い電圧を得ている。電池の電圧は、正極と負極で発生する電位差が理論的な起電力となる。それぞれの極で発生する電子エネルギーは、基準電極(参照電極)と呼ばれる電極電位の測定時に電位の基準点0Vを与える電極から測定した電位で定義される。電流密度で表わされる。行っているときの正極または負極の電位が、平衡電位に比べてどれだけ余分に電位がかかっているかの大きさ。還元電流が等しくなり、外部から見た電流が0となる状態の電流のことを交換電流と呼び、単位面積当たりの交換電流を交換電流密度と呼ぶ。交換電流密度が大きければ、電極の電子授受速度が大きく、反応の活性が高いことを表す。電気化学反応の速度と過電圧との間の関係を示した式。電気化学において電池の電位が物質の濃度に依存する関係を示した式。定電流で充電し、電圧が設定値に達した時点以降は定電圧で充電するという方式。充電の速度を決めるのは電流値であるため、最初は大きな電流を一定値で流して充電する。充電が進むと充電電圧は上昇する。必要以上の電圧で充電すると、電池が破損・発火の危険があるため、途中から充電電流を絞っていく。二次電池の寿命は、充電100%から0%まで放電することを1サイクルとして、どれくらい充放電を繰り返せるかというサイクル回数を用いて表される。中の二つの電極に電流を流すと、電極表面に化学変化が起こること。電気エネルギーは化学エネルギーとして貯蔵される。電解液の外に電源を置き、電解液に陽極板と陰極板を入れると、電解液中の電流は陽極(+)から陰極(ー)へ流れる。電子(ー)は、電源から陰極板に出て行き、陰極板で溶液のイオン(+)と結合し、金属が抽出される。陰極板は、電源より電子を受け取るので、還元反応となる。陽極板は溶液から電子(ー)を取り出し、電源へ移動する。電子を放出するので酸化反応となる。溶液中の微粒子はイオンを吸着して帯電する。微粒子は逆符号の電極に向かって移動する電気泳動をする。(二次電池の場合は、充電時の動作で、放電時には同符号の電極へ移動する)この現象を利用して物質の分離精錬などをおこなう。純粋な水は電気を通さないため、水の電気分解を行う際には少量の水酸化ナトリウムを溶かす。2H2+O2陽極(+)では、水酸化物イオンOHーより電子が出ていき、酸素と水になる。陰極(ー)では、水H2Oは電子と結合し、水素が発生する。体積比は、酸素:水素=1:2となる。水酸化ナトリウムはイオンになりやすく他の反応を示さないため、イオン反応式には記述していない。食塩水を電気分解して、水酸化ナトリウム(か性ソーダ)と塩素を得る。膜で仕切られた電解層に陽極(食塩水)と陰極(水)を入れて、直流電圧を加える。膜は陽イオンであるナトリウムイオンだけを通す。陽イオン交換膜法が採用されている。Cl2+H2+2NaOH陽極(+)では、ナトリウムが離れて塩素ガスが発生する。含む溶液を使って、電極を通すと塗料がイオンを吸着し、電気泳動によって逆符号の陰極表面に析出し電着塗装が可能になる。金属にプラスの電気が流れると、電流が流出する時に金属がイオン化し、溶出して腐食すること。(交流は交番極性のため直流より影響が少ない)直流電源を使用した鉄道では、電車電流の一部が漏れ電流となり、レールと平行して埋設金属体があるとそこへ分流し、変電所付近で電源へと戻るループが生成される。金属を浸し、電気を流すことで高純度化した金属を陰極に精製することができる。銅の電解精錬では、陽極に粗銅、陰極に純銅、電解質として硫酸が使用される。低電圧をかけて電気分解すると、銅よりイオン化傾向の小さい金属はイオン化せずに陽極の下に沈殿し、イオン化傾向の大きい金属(鉄、ニッケル、亜鉛など)は銅とともに電解液に溶解し、銅のみが陰極に析出される。電極に析出する物質量は、流した電気量[C][A・s]、化学当量(原子量/原子価)に比例する。1[mol]の電子がもつ電気量[C]をファラデー定数といい、1ファラデー[F]は96500[C]である。ファラデー定数を1時間あたりに電流値に換算すると、96500/3600=27[(A・h)/mol]となる。物質を1化学当量(m/n)を析出するのに必要な電気量は、1ファラデー[F](96500[C])である。1[mol]の物質抽出に2価の金属析出では、化学当量は1/2になるので、2ファラデー[F]必要である。燃料電池では、1[mol]の物質で27[A・h]の電気が得られる。化学当量(グラム等量)原子価1つあたりの元素の量。化学当量=原子量/原子価(m/n)1グラム当量とは、化学当量にグラムを付けた値である。化学当量=原子量または分子量/移動する電子の数(m/n)で表現する。電気化学当量1[C]の電気量で析出される物質のグラム数。電子1個または陽子1個のもつ電気量の絶対値。e=1.6×10-19[C]1molの電子には、アボガドロ定数と同じ数の電子が含まれるので以下の関係となる。使用する物質量に対する電気量を求める場合、化学当量の原子価の数を、使用する物質の酸化還元で移動する電子数で計算する。例として、ニッケル・カドミウム蓄電池のカドミウムが11.2g放電したとき、得られる電気量[A・h]を求める。カドミウムの原子量は112、ファラデー定数は27[A・h/mol]とする。ニッケル・カドミウム蓄電池の放電時のイオン反応式は以下となる。負極:Cd+2OH–→Cd(OH)2+2e–カドミウムの放電時に移動する電子数が2なので、化学当量はm/n=112/2となる。電気量をX[A・h]として理論析出量の式に代入すると以下となる。水の電気分解の逆反応を利用して直流電圧を得るもの。水素と酸素との発熱反応を利用した熱エネルギーを得ることができ、それを利用した燃料電池発電がある。公害物質の排出や騒音が少ない。燃料の選択肢の可能性が多く、改質器によって都市ガスなどから水素を取り出す。負荷変動に対応しやすく、効率が良い。使用する電解質の種類によって方式が分類されている。水素は原子番号1、質量1の最も小さい元素である。水素原子は中心の原子核(陽子+)に電子(ー)を1つもっている。エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池の効率は以下で表される。燃料極(負極・アノード・酸化反応)では、水素は電子(ー)を分離して水素イオン(+)となる。空気極(正極・カソード・還元反応)では、大気中の酸素は、水素イオン(+)と結合して水を排出する。電解質では、負極→正極へ水素イオン(+)を通す。負荷側では、負極と正極を結ぶ回路に電子(-)が負極→正極へ移動する。電流は逆方向に流れる。体積比は、酸素:水素=1:2となる。動作温度は、70~90°C程度である。自動車や家庭用電源(エネファーム)で使用されている。動作温度は、150~200°C程度である。動作温度は、650~700°C程度である。電極触媒劣化の問題が少ないので、多様な燃料を使用できるため開発が進められている。動作温度は、700~1000°C程度である。2023.11.152024.03.29配線方式2024.01.042024.09.09保護協調2023.12.222024.04.26プロフィールほーすけ40代からビルメンに転職して仕事中です。ビルメンの給料を上げるには資格取得の手当は必須ですが、主に資格取得時の勉強メモを記述しています。やってみよう】ホーム検索トップサイドバータイトルとURLをコピーしました。