🏠 🔋C1 Laboratory
令和7年12月8日 (月)

👨‍🏫 化学・バイオ工学概論(立花)

エネルギーデバイスにおける化学量論、反応速度、化学平衡 化学・バイオ工学概論 💬 Web Class syllabus 55057 前期・木曜日 🗺️ 5-301
山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  🔋 C1 伊藤 智博 📛 立花和宏

01 02 💯

1923

  1 1923年(大正12年)ごろの電気化学教室(現: C1ラボラトリー伊藤智博研究室 *

戦後、 米沢高等工業学校 が山形大学工学部になってから工学部には高分子、化学、機械、電気の学科があり、高分子化学(H)、材料(T)、応用化学(C)、化学工学(K)、機械工学(M)、精密機械(S)、電気工学(E)、電子工学(A)の専修コースに分かれていた。 そのうち化学系には応用化学系( C1電気化学 、C2:分析化学、C3:天然物、C4: 石油化学)があり化学工学系(K1:流体・伝熱、K2:反応工学、K3:粉体工学、K4: プロセス制御)というように それぞれの学問体系に研究室が割り振られていた。 その後、C5:合成化学、C6:無機材料化学、C7:有機材料化学の研究室が増えた。


エネルギーの変換

  1  エネルギーの変換
🧪 化学 電力 💪 力学 🌟 🔥
🧪 化学G 化学反応 状態変化 👨‍🏫
pHセンサー 1 )
二酸化炭素センサー
湿度センサー
◇ 鉄砲 ( 火薬 👨‍🏫 化学発光 👨‍🏫 燃焼 バーナー ◇ 暖炉 ◇ 燃料
電力
eV, FE
蓄電池 電解 変電、 インバータ 👨‍🏫 モーター 2 )
🔊スピーカー
◇ LED 👨‍🏫 ヒーター 電気炉
Q=I2R
💪 力学pV 高圧合成 👨‍🏫 発電機
🎤マイク
リンク、カム ◇応力発光 👨‍🏫 ヒートポンプ
🚂 エアコン 3 )
pV=nRT
🌟 hν 光合成 銀塩写真 フォトレジスト 👨‍🏫 太陽電池
イメージセンサー
◇蛍光 👨‍🏫 電子レンジ
🔥 RT, kB T ◇ 加熱合成 👨‍🏫 熱電変換 温度センサー 👨‍🏫 🚂 熱機関
pV=nRT
白熱電球
黒体放射
👨‍🏫 化学工業とエネルギー変換 👨‍🏫 エネルギー変換 👨‍🏫 物質資源とエネルギー資源

エネルギーとパワー

  2 エネルギーとパワー
量名 単位 備考
エネルギー 平衡論 熱力学
パワー
  • パワー
  • 電力
  • 動力
  • W
  • 馬力
速度論 変換効率、損失、輸送 アンペア数

電力量はエネルギー、単位はワットアワー。電力はパワー、単位はワット。単位を意識すれば間違えません。 ちなみに はフォース、単位はニュートン


平衡論と速度論

  3 平衡論と速度論
項目 平衡論 速度論
🧪 化学G 平衡定数 反応速度
電気nFE, 起電力 分解電圧
🔥 RT, kB T 熱力学
エネルギー化学 化学・バイオ工学概論
電流 〔A〕=反応速度〔mol/s〕÷ファラデー定数〔C/mol〕
ファラデー定数
Q = n F

電池の歴史と種類

  2  電池の歴史と種類
電池 電池式 性質や特色
歴史的電池 1800 ガルバノ電池
ボルタ電堆
Zn|H2SO4aq|Cu 銅は単なる集電体。正極活物質は酸素。
ダニエル電池 Zn|Zn2+aq||Cu2+aq|Cu 正極活物質と負極活物質が分離。集電体は反応系を兼用
一次電池 1888 乾電池 4 ) Zn|NH4Claq|MnO2, C|C 正極活物質に酸化物(固体)とバインダーを採用。正極合材。 負極活物質亜鉛は両性金属なので、アルカリに溶けてしまう。
1950 アルカリ乾電池 Zn | KOHaq | MnO2 ,C | Ni
1970 リチウム電池 Li | LiClO4,PC | MnO2,C | SUS304 有機電解液 採用。
二次電池 1991 リチウムイオン電池 5 ) (-) Cu | C | LiPF6,EC+DEC | LiCoO2, C | Al (+)
鉛電池 鉛は両性金属だが、硫酸には溶けない。
ニカド電池 * Cd|Cd(OH)2|KOH aq|NiOOH 亜鉛と違って カドミウムは両性金属でないのでアルカリに溶けない。
ニッケル水素電池 MH|KOH aq|NiOOH 水素吸蔵合金はアルカリに溶けない。

電池は、化学エネルギーを 電気エネルギー変換します。

電池工業会 6 ) 7 ) 8 )

イタリアの解剖学者Lugi Galvani(1737-1798)は、蛙の解剖に端を発した二つの異種金属を接触させたときに流れる電流を動物電気と称した(1979)。 この現象は直ちに同国のAlessandoro Count Volta(1745-1827)により追試され、ボルタの電堆として実証された(1800年3月)。 Galvaniの業績をたたえてこの種の電池を ガルバニ電池と呼んでいる。

小沢昭弥ら、 現代の電気化学 9 )
https://www.panasonic.com/global/consumer/battery/academy/jp/rekisi.html

燃料電池自動車「MIRAI」

  3 燃料電池自動車「MIRAI」@山形県米沢市
© 2025 K.Tachibana * , C1 Lab.

燃料電池自動車は、燃料電池で電気を作り、 モーターを回して走る。 「MIRAI」に搭載された燃料電池は、 水素を燃料にする酸素水素燃料電池だ。 タンクに充填された 水素は電池の 負極活物質で、 水電解の逆反応を使う。単セルの 起電力は室温で 1.2V。それを370セルつないで1スタックとする。

*

しかし、現状では、水素は化石燃料を 水蒸気改質して作る。 水素を水電解で作ったとしても、水電解のための電力は 化石燃料から作る。

触媒に使う白金もいずれ 枯渇する。

全体的な本質から見れば、 燃費/電費を改善するには、やはりタイヤや機械による熱損失を下げるしかなさそうだ。

231 契約アンペア数に対応する燃料電池の水素の反応速度を見積もろう
232 使用電力量に対する燃料電池の水素の使用量を見積もろう

水電解に必要なエネルギー

  4 水電解に必要なエネルギー

水を水素と酸素に熱分解しようとしたら、2500度もの高温が必要です。 電気を使えば、室温で乾電池をふたつ直列につなぐだけで、水素と酸素に 電気分解できます。 水電解です。

25 ℃、1 atmでの 平衡電位の差を理論分解電圧と言い、1.23 Vです 10 ) 。 理論分解電圧は、自由エネルギーより計算され、理論稼働電圧は、 エンタルピーから計算されます 11 )

H+ + 2e-  →    H2Eº = 0V
O2 + 4H+ + 4e-  ←    2H2OEº = 1.229V

リチウムイオン電池

  4 リチウムイオン電池 実用電池
電池式 組み立て後:Cu|C|LiPF6 EC+DEC|LiCoO2 ,C|Al
充電後:Cu|C6Lix|LiPF6 EC+DEC|Li1-xCoO2 ,C|Al
負極 反応 6C+xLi++xe-=C6Lix Eº  = -3V
正極 反応 LiCoO2=xLi++xe-+Li1-xCoO2 Eº = 0.7V
全反応
起電力/V 3.7 (公称電圧) 18650リチウムイオン電池は1セルの公称電圧が3.6Vまたは3.7V
最低放電終了電圧/V 2.5~2.75V
実用電池容量/mAh 1200~3300mAh
理論電池容量/mAh
サイクル寿命/回
理論重量容量密度
理論容量 電力原単位
/mAh/g
157.7mAh/g
理論重量エネルギー密度
/mWh/g
583.5
実用 重量エネルギー密度 200~250Wh/kg 程度 *
形状・寸法 円筒型 (18650の例 18は直径18mm、65は長さ65mm、0は円筒形) 2170や4680も * * 、 ラミネート型
重量
用途 住宅自動車スマホ

12 ) https://led-outdoorgear.biz/wp/18650-pse/ F=96485.33212331


参考文献


QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/54299/c1/Extra_Syllabus/55057/55057_XX.asp
名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用 山形大学 学術情報基盤センター

🏫 学問の自由 は、心の自由。 大学では、精神は自由であらねばならない。(松木健三)
📆 20251028 明日からやろう!インピーダンス測定・解析
名称:C1ラボラトリー
URL:🔗 https://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用
山形大学 工学部 化学・バイオ工学科 応用化学・化学工学コース
C1ラボラトリー ( 伊藤智博立花和宏 ) @ 米沢

© 2002 -2025 T.Ito , K.Tachibana * , C1 Lab. ALL RIGHTS RESERVED.