第17章電気化学

17.5 Batteries and Fuel Cells17.5　電池と燃料電池

Learning Objectives学習目標

By the end of this section, you will be able to:

この節を学び終えると、次のことができるようになる。

Describe the electrochemistry associated with several common batteries
いくつかの一般的な電池に関連する電気化学を説明する。
Distinguish the operation of a fuel cell from that of a battery
燃料電池の動作と電池の動作を区別する。

There are many technological products associated with the past two centuries of electrochemistry research, none more immediately obvious than the battery. A battery is a galvanic cell that has been specially designed and constructed in a way that best suits its intended use a source of electrical power for specific applications. Among the first successful batteries was the Daniell cell, which relied on the spontaneous oxidation of zinc by copper(II) ions (Figure 17.8):

英語のヒント

過去2世紀の電気化学研究に関連する技術製品は多いが、電池ほどすぐに思い浮かぶものはない。電池とは、特定の用途に電力を供給するという意図した使用法に最も適するよう、特別に設計・製作されたガルバニ電池である。初期の成功した電池の一つにダニエル電池があり、銅(II)イオンによる亜鉛の自発的な酸化を利用した（図17.8）。

Zn (s) + {Cu}^{2 +} (a q) ⟶ {Zn}^{2 +} (a q) + Cu (s)

この図の左には「Element Daniell」と記された電気化学セルの特許図面、右には電気化学セルの模式図がある。模式図には二つのビーカーがあり、いずれも半分より少し多い量の液体を含む。左のビーカーは青い溶液、右のビーカーは無色の溶液を含む。図の中央で逆U字形のガラス管が両ビーカーをつないでいる。管の内容物は無色で、両端はビーカー内の溶液表面より下にあり、各端に小さな灰色の栓がある。左ビーカーの栓には「多孔質の栓」とある。各ビーカーには一部を液体に沈めた金属の帯がある。左の銀色の帯には、上部に「Znアノード」とあり、右の橙褐色の帯には、上部に「Cuカソード」とある。各帯の上端から導線が上方かつ中央へ向かって伸び、途中で途切れている。左の導線の端は上の負号を指し、右の導線の端は上の正号を指す。「e⁻の流れ」と表示された矢印が左の導線へ向かう。 Znの帯から周囲の溶液へ曲がった矢印が伸び、先端に「Zn²⁺」とある。塩橋から左ビーカーの青い溶液へ曲がった矢印が伸び、先端に「SO₄²⁻」とある。右ビーカーでは、溶液からCuの帯へ曲がった矢印が伸び、根元に「Cu²⁺」とある。また、無色の溶液から塩橋へ曲がった矢印が伸び、根元に「SO₄²⁻」とある。塩橋の中央のすぐ右には右下向きの矢印があり、根元に「Zn²⁺」、管のこの部分のすぐ上には「陽イオンの流れ」とある。塩橋の中央のすぐ左には左下向きの矢印があり、根元に「SO₄²⁻」、そのすぐ上には「陰イオンの流れ」とある。 — Figure 17.8図 17.8
Illustration of a Daniell cell taken from a 1904 journal publication (left) along with a simplified illustration depicting the electrochemistry of the cell (right). The 1904 design used a porous clay pot to both contain one of the half-cell’s content and to serve as a salt bridge to the other half-cell.
1904年の雑誌掲載物から採ったダニエル電池の図（左）と、その電気化学を示す簡略図（右）。1904年の設計では、多孔質の陶器の容器を使い、一方の半電池の内容物を収めると同時に、他方の半電池への塩橋としても機能させた。

Modern batteries exist in a multitude of forms to accommodate various applications, from tiny button batteries that provide the modest power needs of a wristwatch to the very large batteries used to supply backup energy to municipal power grids. Some batteries are designed for single-use applications and cannot be recharged (primary cells), while others are based on conveniently reversible cell reactions that allow recharging by an external power source (secondary cells). This section will provide a summary of the basic electrochemical aspects of several batteries familiar to most consumers, and will introduce a related electrochemical device called a fuel cell that can offer improved performance in certain applications.

英語のヒント

現代の電池には、腕時計のわずかな電力需要を満たす小さなボタン電池から、都市の電力網に予備のエネルギーを供給する非常に大きな電池まで、さまざまな用途に対応する多数の形態がある。一部の電池は使い切り用に設計され、充電できない（一次電池）。他方、容易に逆向きにできる電池反応を利用し、外部電源から充電できるものもある（二次電池）。この節では、ほとんどの消費者になじみのある数種類の電池の基本的な電気化学的側面をまとめ、特定の用途で性能の向上が見込める、燃料電池という関連した電気化学装置を紹介する。

Single-Use Batteries使い切りの電池

A common primary battery is the dry cell, which uses a zinc can as both container and anode (“–” terminal) and a graphite rod as the cathode (“+” terminal). The Zn can is filled with an electrolyte paste containing manganese(IV) oxide, zinc(II) chloride, ammonium chloride, and water. A graphite rod is immersed in the electrolyte paste to complete the cell. The spontaneous cell reaction involves the oxidation of zinc:

英語のヒント

一般的な一次電池に乾電池がある。これは亜鉛の缶を容器とアノード（「−」端子）の両方として使い、黒鉛棒をカソード（「+」端子）として使う。Znの缶には、酸化マンガン(IV)、塩化亜鉛(II)、塩化アンモニウム、水を含む電解質ペーストが詰められている。この電解質ペーストに黒鉛棒を浸すと、電池が完成する。自発的な電池反応は、亜鉛の酸化を含む。

anode reaction: Zn (s) ⟶ {Zn}^{2+} (a q) + 2 e^{−}

アノード反応： Zn (s) ⟶ {Zn}^{2+} (a q) + 2 e^{−}

and the reduction of manganese(IV)

およびマンガン(IV)の還元を含む。

reduction reaction: 2 {MnO}_{2} (s) + 2 {NH}_{4} Cl (a q) + 2 e^{−} ⟶ {Mn}_{2} O_{3} (s) + 2 {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) + 2 {Cl}^{−}

還元反応： 2 {MnO}_{2} (s) + 2 {NH}_{4} Cl (a q) + 2 e^{−} ⟶ {Mn}_{2} O_{3} (s) + 2 {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) + 2 {Cl}^{−}

which together yield the cell reaction:

両者を合わせると、電池反応が得られる。

cell reaction: 2 {MnO}_{2} (s) + 2 {NH}_{4} Cl (a q) + Zn (s) ⟶ {Zn}^{2+} (a q) + {Mn}_{2} O_{3} (s) + 2 {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) + 2 {Cl}^{−} E_{cell} ~ 1.5 V

電池反応： 2 {MnO}_{2} (s) + 2 {NH}_{4} Cl (a q) + Zn (s) ⟶ {Zn}^{2+} (a q) + {Mn}_{2} O_{3} (s) + 2 {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) + 2 {Cl}^{−} E_{cell} ~ 1.5 V

The voltage (cell potential) of a dry cell is approximately 1.5 V. Dry cells are available in various sizes (e.g., D, C, AA, AAA). All sizes of dry cells comprise the same components, and so they exhibit the same voltage, but larger cells contain greater amounts of the redox reactants and therefore are capable of transferring correspondingly greater amounts of charge. Like other galvanic cells, dry cells may be connected in series to yield batteries with greater voltage outputs, if needed.

英語のヒント

乾電池の電圧（電池電位）は約1.5 Vである。乾電池には、D、C、AA、AAAなど、さまざまなサイズがある。どのサイズの乾電池も同じ構成成分から成るので同じ電圧を示すが、大きい電池には酸化還元反応物がより多く含まれ、その分だけ多くの電荷を移動させることができる。他のガルバニ電池と同様に、必要なら乾電池を直列につないで、より高い出力電圧の電池を作ることができる。

乾電池の断面の模式図である。全体は円筒形で、薄い赤線で示された側面に「亜鉛缶（電極）」と表示されている。そのすぐ内側には、少し厚い濃い灰色の面が電池の側面・上面・下面を覆い、「多孔質セパレーター」とある。内部は、多数の小さな濃い紫の点が等間隔にある紫色の領域で、「MnO₂、NH₄Cl、ZnCl₂、水のペースト（カソード）」とある。「炭素棒（電極）」と表示された濃い灰色の棒が電池上部から伸び、棒の下端と円筒の底の間には、電池の高さの5分の1未満の隙間がある。円筒のいちばん下の薄い灰色の線分には「金属製底部カバー（負）」とある。円筒のいちばん上には薄い灰色の面があり、中央の炭素電極の上端を覆う部分で上向きに曲がっている。この上面には「金属製上部カバー（正）」とある。そのすぐ下の薄い濃い灰色の線には「絶縁体」とある。さらに下で、紫色の領域の上、中央の炭素電極の外側には、橙色の領域があり、「封止部」と表示されている。 — Figure 17.9図 17.9
A schematic diagram shows a typical dry cell.
典型的な乾電池を示す模式図。

Alkaline batteries (Figure 17.10) were developed in the 1950s to improve on the performance of the dry cell, and they were designed around the same redox couples. As their name suggests, these types of batteries use alkaline electrolytes, often potassium hydroxide. The reactions are

英語のヒント

アルカリ電池（図17.10）は、乾電池の性能を向上させるため1950年代に開発され、同じ酸化還元対を中心に設計された。名前が示すように、この種の電池ではアルカリ性の電解質を使い、水酸化カリウムがよく用いられる。反応は次のとおりである。

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} anode: Zn (s) + 2 {OH}^{−} (a q) ⟶ ZnO (s) + H_{2} O (l) + {2e}^{−} \\ cathode: 2 {MnO}_{2} (s) + H_{2} O (l) + {2e}^{−} ⟶ {Mn}_{2} O_{3} (s) + {2OH}^{−} (a q) \end{array}} \\ cell: Zn (s) + {2MnO}_{2} (s) ⟶ ZnO (s) + {Mn}_{2} O_{3} (s) E_{cell} = +1.43 V \end{array}

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} アノード： Zn (s) + 2 {OH}^{−} (a q) ⟶ ZnO (s) + H_{2} O (l) + {2e}^{−} \\ カソード： 2 {MnO}_{2} (s) + H_{2} O (l) + {2e}^{−} ⟶ {Mn}_{2} O_{3} (s) + {2OH}^{−} (a q) \end{array}} \\ 電池： Zn (s) + {2MnO}_{2} (s) ⟶ ZnO (s) + {Mn}_{2} O_{3} (s) E_{cell} = +1.43 V \end{array}

An alkaline battery can deliver about three to five times the energy of a zinc-carbon dry cell of similar size. Alkaline batteries are prone to leaking potassium hydroxide, so they should be removed from devices for long-term storage. While some alkaline batteries are rechargeable, most are not. Attempts to recharge an alkaline battery that is not rechargeable often leads to rupture of the battery and leakage of the potassium hydroxide electrolyte.

英語のヒント

アルカリ電池は、同じくらいの大きさの亜鉛・炭素乾電池の約3～5倍のエネルギーを供給できる。アルカリ電池は水酸化カリウムが漏れやすいので、長期間保管するときは機器から取り外すべきである。充電できるアルカリ電池もあるが、大部分は充電できない。充電できないアルカリ電池を充電しようとすると、電池の破裂や、水酸化カリウム電解質の漏出を引き起こすことが多い。

アルカリ電池の断面の模式図である。全体は円筒形で、薄い赤線で示された側面には「外装」とある。そのすぐ内側に、電池の側面と上面を覆う、薄い淡灰色の面がある。内部には、多数の小さな濃い点が等間隔にある青色の領域があり、「MnO₂（カソード）」と表示されている。さらに内側の薄い濃灰色の層には「イオン伝導性セパレーター」とある。電池の中央は、多数の小さな濃い点が等間隔にある紫色の領域で満たされ、「亜鉛（アノード）」とある。電池のいちばん上には、中央の紫色の領域を覆う、薄い灰色の曲面があり、「正極の接続部（+）」と表示されている。電池の底部、中央の紫色と青色の領域の下には、「保護キャップ」と表示された橙色の構造がある。これは、頭部を下にし、尖った端を電池の中央へ上向きに伸ばした、釘のような灰色の構造を保持している。この釘状の構造には「集電体」とある。電池のいちばん下には保護キャップで保持された薄い灰色の面があり、「負極端子（−）」と表示されている。 — Figure 17.10図 17.10
Alkaline batteries were designed as improved replacements for zinc-carbon (dry cell) batteries.
アルカリ電池は、亜鉛・炭素電池（乾電池）の改良された代替品として設計された。

Rechargeable (Secondary) Batteries充電式（二次）電池

Nickel-cadmium, or NiCd, batteries (Figure 17.11) consist of a nickel-plated cathode, cadmium-plated anode, and a potassium hydroxide electrode. The positive and negative plates, which are prevented from shorting by the separator, are rolled together and put into the case. This is a “jelly-roll” design and allows the NiCd cell to deliver much more current than a similar-sized alkaline battery. The reactions are

英語のヒント

ニッケル・カドミウム電池、すなわちNiCd電池（図17.11）は、ニッケルめっきされたカソード、カドミウムめっきされたアノード、および水酸化カリウム電極から成る。正極板と負極板は、セパレーターによって短絡を防ぎながら一緒に巻かれ、ケースに収められる。これは「ロールケーキ状」の設計であり、NiCd電池が、同じくらいの大きさのアルカリ電池よりはるかに多くの電流を供給できるようにする。反応は次のとおりである。

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} anode: Cd (s) + {2OH}^{−} (a q) ⟶ {Cd(OH)}_{2} (s) + {2e}^{−} \\ cathode: {NiO}_{2} (s) + {2H}_{2} O (l) + {2e}^{−} ⟶ {Ni(OH)}_{2} (s) + {2OH}^{−} (a q) \end{array}} \\ cell: Cd (s) + {NiO}_{2} (s) + {2H}_{2} O (l) ⟶ {Cd(OH)}_{2} (s) + {Ni(OH)}_{2} (s) E_{cell} ~ 1.2 V \end{array}

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} アノード： Cd (s) + {2OH}^{−} (a q) ⟶ {Cd(OH)}_{2} (s) + {2e}^{−} \\ カソード： {NiO}_{2} (s) + {2H}_{2} O (l) + {2e}^{−} ⟶ {Ni(OH)}_{2} (s) + {2OH}^{−} (a q) \end{array}} \\ 電池： Cd (s) + {NiO}_{2} (s) + {2H}_{2} O (l) ⟶ {Cd(OH)}_{2} (s) + {Ni(OH)}_{2} (s) E_{cell} ~ 1.2 V \end{array}

When properly treated, a NiCd battery can be recharged about 1000 times. Cadmium is a toxic heavy metal so NiCd batteries should never be ruptured or incinerated, and they should be disposed of in accordance with relevant toxic waste guidelines.

英語のヒント

適切に扱えば、NiCd電池は約1000回充電できる。カドミウムは有毒な重金属なので、NiCd電池を破裂させたり焼却したりしてはならず、関連する有害廃棄物の指針に従って処分すべきである。

ニッケル・カドミウム電池の断面の模式図である。電池は円筒形で、外側の赤い層は「ケース」と表示されている。そのすぐ内側には薄い濃灰色の層があり、円筒の下部で「負極集電体」と表示されている。銀色の棒が電池中央を上向きに貫き、その周囲を黄色、紫色、黄色、青色の交互の層が囲んでいる。図では縦に伸びた帯の繰り返しとして示されている。この交互の帯の上部をやや濃い灰色の細い帯が横切り、「正極集電体」とある。円筒のいちばん下の薄い淡灰色の帯には「金属製底部カバー（負）」とある。中央の銀色の円筒の上端には灰色と白の縞模様の小さな長方形の構造があり、「安全弁」とある。その上には安全弁を覆って上向きに曲がる橙色の層があり、「絶縁リング」とある。さらに上には中央が少し上へ突き出た薄い淡灰色の層があり、「金属製上部カバー（+）」とある。淡灰色の矢印が、右側にある、電池中央の層を拡大した長方形の図を指す。この拡大図では、中央の銀色の棒から、黄色、青色、黄色、紫色という交互のパターンが3回繰り返され、最後の紫色の層を最後の黄色い層が覆っている。いちばん外側の紫色の層には「負極」、その下の黄色の層には「セパレーター」、すぐ内側の青い層には「正極」とある。 — Figure 17.11図 17.11
NiCd batteries use a “jelly-roll” design that significantly increases the amount of current the battery can deliver as compared to a similar-sized alkaline battery.
NiCd電池は「ロールケーキ状」の設計を使い、同じくらいの大きさのアルカリ電池と比べて、供給できる電流の量を大幅に増やしている。

Lithium ion batteries (Figure 17.12) are among the most popular rechargeable batteries and are used in many portable electronic devices. The reactions are

英語のヒント

リチウムイオン電池（図17.12）は、最も広く使われる充電池の一つで、多くの携帯型電子機器に使われている。反応は次のとおりである。

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} cathode: {Li}_{1 − x} {CoO}_{2} + x {Li}^{+} + x e^{−} ⇌ {LiCoO}_{2} \\ anode: x {LiC}_{6} ⇌ x {Li}^{+} + x e^{−} + x C_{6} \end{array}} \\ cell: {Li}_{1 − x} {CoO}_{2} + x {LiC}_{6} ⇌ {LiCoO}_{2} + x C_{6} E_{cell} ~ 3.7 V \end{array}

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} カソード： {Li}_{1 − x} {CoO}_{2} + x {Li}^{+} + x e^{−} ⇌ {LiCoO}_{2} \\ アノード： x {LiC}_{6} ⇌ x {Li}^{+} + x e^{−} + x C_{6} \end{array}} \\ 電池： {Li}_{1 − x} {CoO}_{2} + x {LiC}_{6} ⇌ {LiCoO}_{2} + x C_{6} E_{cell} ~ 3.7 V \end{array}

The variable stoichiometry of the cell reaction leads to variation in cell voltages, but for typical conditions, x is usually no more than 0.5 and the cell voltage is approximately 3.7 V. Lithium batteries are popular because they can provide a large amount current, are lighter than comparable batteries of other types, produce a nearly constant voltage as they discharge, and only slowly lose their charge when stored.

英語のヒント

電池反応の化学量論が可変であるため、電池の電圧も変化する。ただし、典型的な条件ではxは通常0.5以下で、電池の電圧は約3.7 Vである。リチウム電池が普及しているのは、大きな電流を供給でき、同等の他の種類の電池より軽く、放電中にほぼ一定の電圧を生じ、保管中にはゆっくりとしか電荷を失わないからである。

この図は、リチウムイオン電池内の電荷の流れのモデルを示す。左には、赤色・灰色・紫色の球が交互に並んだ、ほぼ立方体の構造があり、下に「正極」とある。紫の球は「リチウム」、灰色の球は「金属」、赤い球は「酸素」と表示されている。この構造の上には「充電」と、それに続く右向きの緑の矢印がある。右には、黒い球が相互につながった層があり、層の隙間に紫の球が置かれた構造がある。黒い層には「黒鉛層」、この紫と黒の構造の下には「負極」とある。上には「放電」とあり、その前に左向きの青い矢印がある。二つの構造の間、図の中央には六つの紫の球があり、それぞれにプラス記号が付いている。左の赤・紫・灰色の構造から、最も近い三つの紫のプラス記号付きの球へ、三本の曲がった緑の矢印が伸びる。この三つの球のうち上と下の球の右側から、右の黒と紫の層状構造へ、曲がった緑の矢印が伸びる。紫と黒の層状構造から、図の中央の残り三つの紫のプラス記号付きの球へ、三本の青い矢印が伸びる。各矢印の根元には、層状構造内に破線の曲線で作った円がある。青い矢印の到達先である三つの紫のプラス記号付きの球のうち最も下の球では、その左側から二本目の青い矢印が伸び、紫・緑・灰色の構造内の紫の球を指している。 — Figure 17.12図 17.12
In a lithium ion battery, charge flows as the lithium ions are transferred between the anode and cathode.
リチウムイオン電池では、リチウムイオンがアノードとカソードの間を移動するにつれて、電荷が流れる。

The lead acid battery (Figure 17.13) is the type of secondary battery commonly used in automobiles. It is inexpensive and capable of producing the high current required by automobile starter motors. The reactions for a lead acid battery are

英語のヒント

鉛蓄電池（図17.13）は、自動車によく使われる種類の二次電池である。安価で、自動車のスターターモーターが必要とする大電流を生じることができる。鉛蓄電池の反応は次のとおりである。

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} anode: Pb (s) + {HSO}_{4}^{−} (a q) ⟶ {PbSO}_{4} (s) + H^{+} (a q) + {2e}^{−} \\ {cathode: PbO}_{2} (s) + {HSO}_{4}^{−} (a q) + {3H}^{+} (a q) + {2e}^{−} ⟶ {PbSO}_{4} (s) + 2 H_{2} O (l) \end{array}} \\ cell: Pb (s) + {PbO}_{2} (s) + 2 H_{2} {SO}_{4} (a q) ⟶ {2PbSO}_{4} (s) + 2 H_{2} O (l) E_{cell} ~ 2 V \end{array}

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} アノード： Pb (s) + {HSO}_{4}^{−} (a q) ⟶ {PbSO}_{4} (s) + H^{+} (a q) + {2e}^{−} \\ {カソード：PbO}_{2} (s) + {HSO}_{4}^{−} (a q) + {3H}^{+} (a q) + {2e}^{−} ⟶ {PbSO}_{4} (s) + 2 H_{2} O (l) \end{array}} \\ 電池： Pb (s) + {PbO}_{2} (s) + 2 H_{2} {SO}_{4} (a q) ⟶ {2PbSO}_{4} (s) + 2 H_{2} O (l) E_{cell} ~ 2 V \end{array}

Each cell produces 2 V, so six cells are connected in series to produce a 12-V car battery. Lead acid batteries are heavy and contain a caustic liquid electrolyte, H₂SO₄(aq), but are often still the battery of choice because of their high current density. Since these batteries contain a significant amount of lead, they must always be disposed of properly.

英語のヒント

各セルは2 Vを生じるので、六つのセルを直列につないで12 Vの自動車用電池を作る。鉛蓄電池は重く、腐食性の液体電解質H₂SO₄(aq)を含むが、電流密度が高いため、今でも優先して選ばれる電池であることが多い。これらの電池はかなりの量の鉛を含むので、必ず適切に処分しなければならない。

鉛蓄電池の模式図である。「保護ケース」と表示された黒い外装は直方体である。電池上面の奥の左隅と右隅から、灰色の円筒状の突起が上へ伸びる。奥の右隅の突起には「正極端子」とあり、奥の右隅の突起には「負極端子」とある。電池の図の底の層は濃緑色で、「希H₂SO₄」とある。この領域から電池の上部付近まで、青色の外側の覆いが伸びている。内部では、灰色と白の縦の「板」が交互に密に詰められ、繰り返し単位を作っている。側面を切り取って三つの繰り返し単位を示しており、それらは「セルの隔壁」と表示された黒い縦の仕切りで分けられている。繰り返し単位の灰色の層には「負極（鉛）」、白い層には「正極（二酸化鉛）」とある。 — Figure 17.13図 17.13
The lead acid battery in your automobile consists of six cells connected in series to give 12 V.
自動車の鉛蓄電池は、六つのセルを直列につないで12 Vを得る構造である。

第17章電気化学

17.5 Batteries and Fuel Cells17.5 電池と燃料電池

Learning Objectives学習目標

Single-Use Batteries使い切りの電池

Rechargeable (Secondary) Batteries充電式（二次）電池

17.5 Batteries and Fuel Cells17.5　電池と燃料電池