《機械》〈電気化学〉[H28:問4] 電力貯蔵用電池に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

次の文章は,電力貯蔵用電池に関する記述である。文中の\(\fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$}\)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

風力や太陽光などの再生可能エネルギーは需要と無関係に変動するため,発電電力の平準化のためには蓄電が必要であると考えられている。この中で,\(\fbox {  (1)  }\)は大型の電力貯蔵用電池として注目されている。この電池は陽イオン交換膜を用い,硫酸酸性でバナジウムを含む水溶液電解質を正極,負極にそれぞれ供給し,放電時に正極では\(\fbox {  (2)  }\)のバナジウムが還元,負極では\(\fbox {  (3)  }\)のバナジウムが酸化される。開路電圧は約\(\fbox {  (4)  }\)である。充電中には,負極のバナジウムの還元反応と並行して,硫酸酸性の水溶液が分解して\(\fbox {  (5)  }\)が発生すると,放電に必要な\(\fbox {  (3)  }\)のバナジウムが生成しないため,充放電のエネルギー効率の損失につながる。

〔問4の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&(イ)& 水 素   &(ロ)& 5 価   &(ハ)& 4 価 \\[ 5pt ] &(ニ)& 2.1 \ \mathrm {V}   &(ホ)& 1.4 \ \mathrm {V}   &(ヘ)& 酸 素 \\[ 5pt ] &(ト)& 2 価   &(チ)& リチウムイオン電池   &(リ)& 鉛蓄電池 \\[ 5pt ] &(ヌ)& 3 価   &(ル)& 硫化水素   &(ヲ)& レドックスフロー電池 \\[ 5pt ] &(ワ)& 3.6 \ \mathrm {V}   &(カ)& 0 価   &(ヨ)& 7 価
\end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

レドックスフロー電池はエネルギー密度が小さいため,日常的なバッテリーには使用されていませんが,構造が簡単で大型化が可能であるため,電力貯蔵用電池としてはNAS電池と同等に期待されているものです。本当はNAS電池の方が有名なのでそちらを問題にした方が良い気もしますが,電験一種クラスだとほとんどの人が解けてしまうという理由からレドックスフロー電池を出題したものと考えられます。

1.レドックスフロー電池
正負極での還元反応(Reduction)と酸化反応(Oxidation)を下図に示すように循環させる(Flow)構造の電池で,名称もその頭文字(赤字の箇所)からとっています。正極負極の反応と特徴は下記の通りとなります。

①反応式(放電時,充電時は逆です)
 正極: \(\mathrm {V^{5+}} + \mathrm {e^{-}} → \mathrm {V^{4+}}\)
 負極: \(\mathrm {V^{2+}}      → \mathrm {V^{3+}} + \mathrm {e^{-}}\) 

②特徴
・電解液のみが化学反応をするため,電極や電解液の劣化が少なく長寿命となる。
・NAS電池よりも構造が簡単で安全性が高い。
・電解液タンクの大きさで電池容量を決めることができる。
・単セルでの電圧が\(1.4\mathrm {V}\)と小さい。
・ポンプの動力が必要である。


出典:スマートジャパンHP

【解答】

(1)解答:ヲ
題意より解答候補は,(チ)リチウムイオン電池,(リ)鉛蓄電池,(ヲ)レドックスフロー電池となります。いずれも蓄電池ですが,リチウムイオン電池は高容量で小型軽量であるため携帯電話やパソコン等日常的に広く使われています。鉛蓄電池は自動車のバッテリーや発電所の無停電電源装置等に使用されてます。ワンポイント解説の通り,大型の電力貯蔵装置としてはレドックスフロー電池が注目されています。

(2)解答:ロ
(3)解答:ト
ワンポイント解説「1.レドックスフロー電池」の反応式の通り,放電時には正極では5価のバナジウムが還元,負極では2価のバナジウムが酸化されます。

(4)解答:ホ
ワンポイント解説「1.レドックスフロー電池」の特徴の通り,回路電圧は\(1.4 \ \mathrm {V}\)です。

(5)解答:イ
題意より解答候補は,(イ)水素,(ヘ)酸素,(ル)硫化水素となります。充電時に水溶液の電気分解起こり,負極に水素が発生すると,エネルギーロスとなってしまいます。



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