電気化学セル

電気化学セルは、化学反応から電気エネルギーを生成する装置です。電気エネルギーをこれらのセルに適用して化学反応を起こすこともできます。^[1]電流を生成する電気化学セルは、ボルタ電池またはガルバニ電池と呼ばれ、たとえば電気分解によって化学反応を生成する電気化学セルは電解セルと呼ばれます。^[2]

ガルバニ電池と電解電池はどちらも、別々の酸化反応と還元反応からなる2 つの半電池を持つと考えることができます。

1 つ以上の電気化学セルを並列または直列に接続すると、バッテリーが構成されます。一次セルは使い捨てのバッテリーです。

ガルバニ電池（ボルタ電池）は、ルイジ・ガルヴァーニ（アレッサンドロ・ボルタ）にちなんで名付けられた、自発的な酸化還元反応から電気エネルギーを生成する電気化学電池です。 ^[3]

2つの異なる金属（亜鉛と銅など）を電線で接続します。各金属は別々の溶液に入っています。多くの場合、金属の水性 硫酸塩または硝酸塩の形態ですが、より一般的には金属塩と水が電流を伝導します。^[4]塩橋または多孔質膜が2つの溶液を接続して、電気的中性を維持し、電荷の蓄積を回避します。金属の酸化/還元電位の差により、平衡に達するまで反応が促進されます。^[1]

主な機能:

• 自発的な反応
• 電流を発生させる
• 電流は電線を流れ、イオンは塩橋を流れる。
• 陽極（負極）、陰極（正極）

ガルバニ電池は 2 つの半電池で構成されています。各半電池は電極と電解質で構成されています(両方の半電池で同じ電解質を使用することも、異なる電解質を使用することもできます)。

セル内の化学反応には、電解質、電極、および/または外部物質 (燃料電池は反応物として水素ガスを使用する場合があります) が関与します。完全な電気化学セルでは、一方の半セルからの種は電極に電子を失い (酸化)、​​もう一方の半セルからの種は電極から電子を獲得します (還元)。

塩橋（例：KNO _3、 NaCl、またはその他の電解質に浸したろ紙）は、異なる電解質を持つ 2 つの半電池をイオン的に接続するのに使用されますが、溶液の混合や望ましくない副反応を防ぎます。塩橋の代替案は、たとえば単純な水の電気分解で、2 つの半電池間の直接接触（および混合）を可能にすることです。

電子が外部回路を通って一方の半電池から他方の半電池に流れると、電荷の差が生じます。イオン接触がなければ、この電荷の差によってすぐに電子のさらなる流れが妨げられます。塩橋により、負イオンまたは正イオンの流れによって酸化容器と還元容器の間の電荷分布が定常状態を維持し、内容物を分離したままにすることができます。溶液を分離するためのその他の装置には、多孔質ポットとゲル化溶液があります。多孔質ポットはブンゼンセルで使用されます。

各半電池には固有の電圧があります（金属とその固有の還元電位によって異なります）。各反応は、イオンの異なる酸化状態間の平衡反応を起こしています。平衡に達すると、電池はそれ以上の電圧を供給できません。酸化を行っている半電池では、平衡がより正の酸化状態にあるイオン/原子に近いほど、この反応が提供する電位は高くなります。^{[1]同様に、還元反応では、平衡がより}負の酸化状態にあるイオン/原子に近いほど、電位は高くなります。

セル電位は、電極電位（各半電池の電圧）を使用して予測できます。これらの半電池電位は、標準水素電極（SHE）に0ボルトを割り当てて相対的に定義されます。（標準電極電位の表を参照）。電極電位間の電圧差から、測定された電位を予測できます。電圧差を計算するときは、まず半電池反応式を書き直して、バランスの取れた酸化還元式を取得する必要があります。

1. 最小の電位で還元反応を逆転させる（酸化反応/全体的に正のセル電位を生成する）
2. 電子バランスを達成するには、半反応に整数を掛ける必要があります。

セル電位は、およそ 0 から 6 ボルトの範囲で変化します。水ベースの電解質を使用するセルは、通常、強力な酸化剤と還元剤が水と反応しやすく、より高い電圧を生成する必要があるため、セル電位は約 2.5 ボルト未満に制限されます。水の代わりに他の溶媒を使用するセルでは、より高いセル電位が可能です。たとえば、電圧が 3 ボルトのリチウム セルが一般的に利用できます。

セル電位は、反応物の濃度と種類によって異なります。セルが放電されると、反応物の濃度が低下し、セル電位も低下します。

電解セルは、印加された電気エネルギーが非自発的な酸化還元反応を駆動する電気化学セルである。^[5]

これらは、電気分解と呼ばれるプロセスで化合物を分解するためによく使用されます。(ギリシャ語の「lysis」(λύσις) は、「解放する」または「解き放つ」という意味です。)

電気分解の重要な例としては、水を水素と酸素に分解すること、ボーキサイトをアルミニウムやその他の化学物質に分解することが挙げられます。電気メッキ（銅、銀、ニッケル、クロムなど）は電解セルを使用して行われます。電気分解は直流（DC）を使用する技術です。

電解セルの構成要素は次のとおりです。

• 電解質: 通常はイオンが溶解した水またはその他の溶媒の溶液。塩化ナトリウムなどの溶融塩も電解質です。
• 2 つの電極 (陰極と陽極) は、酸化または還元が起こり得る適切な物質で構成され、2 つの異なる電位に維持される電気端子です。

電極に外部電圧(電位差)が加えられると、電解質内のイオンは反対の電位を持つ電極に引き寄せられ、電荷移動 (ファラデー反応または酸化還元反応とも呼ばれる) 反応が起こります。十分な外部電圧がある場合にのみ、電解セルは溶液内の通常は安定している、または不活性な化合物を分解することができます。このように、供給される電気エネルギーによって、そうでなければ自然には起こらない化学反応が起こります。

主な機能:

• 非自発的反応
• 電流を生成する
• 電流は電線を流れ、イオンは塩橋を流れる。
• 陽極（プラス）、陰極（マイナス）

一次電池は不可逆的な化学反応によって電流を生成するため（例：小型の使い捨て電池）、充電できません。

携帯性、低コスト、短寿命の点で使用されます。

一次電池は、懐中電灯や携帯ラジオ などの小型家電製品に電力を供給するために、さまざまな標準サイズで製造されています。

一次電池内で化学反応が進行するにつれて、バッテリーは電力を生成する化学物質を使い果たします。化学物質がなくなると、バッテリーは電気の生成を停止します。

一次電池は500億ドルの電池市場の約90％を占めていますが、二次電池が市場シェアを拡大​​しています。毎年、世界中で約150億個の一次電池が廃棄され、^{[6]事実上すべてが埋め立て地に捨てられています。電池は有毒な}重金属や強酸または強アルカリを含んでいるため、有害廃棄物です。ほとんどの自治体は電池をそのように分類し、分別廃棄を義務付けています。電池の製造に必要なエネルギーは、電池に含まれるエネルギーの約50倍です。^{[7] [8] [9] [10]}一次電池は、エネルギー含有量が少ないのに比べて汚染物質の含有量が多いため、無駄が多く環境に優しくない技術と見なされています。主に、一次電池では経済的に駆動できず、一体型の充電式バッテリーを備えたワイヤレスデバイスやコードレスツールの販売増加により、二次電池業界は急成長しており、ハイエンド製品では一次電池を徐々に置き換えてきています。

二次電池は可逆的な化学反応によって電流を生成し（例：鉛蓄電池の自動車バッテリー）、充電可能です。

鉛蓄電池は、自動車のエンジンを始動したり、エンジンが作動していないときに車の電気アクセサリを作動させたりするのに使用されます。車が始動すると、オルタネーターがバッテリーを充電します。

ガルバニ電池および電解電池として機能します。これは電気を蓄える便利な方法です。電流が一方向に流れると、1 つまたは複数の化学物質のレベルが蓄積されます (充電)。放電すると、化学物質のレベルが減少し、その結果生じる起電力が機能します。

これらは、高電圧、低コスト、信頼性、長寿命の理由で使用されます。

燃料電池は、水素燃料を酸素または他の酸化剤と反応させて化学エネルギーを電気に変換する電気化学セルです。

燃料電池は、化学反応を維持するために燃料と酸素（通常は空気から）の継続的な供給を必要とする点で電池とは異なりますが、電池では化学エネルギーは電池内にすでに存在する化学物質から得られます。

燃料電池は燃料と酸素が供給されている限り連続的に電気を生産することができます。

これらは、商業、工業、住宅の建物や遠隔地やアクセスできない地域の主電源およびバックアップ電源として使用されます。また、フォークリフト、自動車、バス、ボート、オートバイ、潜水艦などの燃料電池車両への電力供給にも使用されます。

燃料電池は、使用する電解質の種類と起動時間の違いによって分類されます。起動時間は、プロトン交換膜燃料電池(PEM 燃料電池、または PEMFC) の場合は 1 秒、固体酸化物燃料電池(SOFC)の場合は 10 分です。

燃料電池には多くの種類がありますが、いずれも以下の要素で構成されています。

アノード

陽極では、触媒が燃料の酸化反応を引き起こし、陽子（正に帯電した水素イオン）と電子を生成します。反応後、陽子は電解質を通って陽極から陰極に流れます。同時に、電子は外部回路を通って陽極から陰極に引き出され、直流電気が生成されます。

陰極

陰極では、別の触媒が水素イオン、電子、酸素を反応させて水を形成します。

電解質

正に帯電した水素イオン（陽子）が燃料電池の両側の間を移動できるようにします。

関連技術としてフロー電池があり、燃料は再充電によって再生できる。個々の燃料電池は比較的小さな電位（約0.7ボルト）を生成するため、セルを「積み重ねる」、つまり直列に配置することで、アプリケーションの要件を満たすのに十分な電圧を生成する。^[11]燃料電池は電気に加えて、水、熱、および燃料源に応じて、非常に少量の二酸化窒素やその他の排出物を生成する。燃料電池のエネルギー効率は一般に40〜60％であるが、廃熱をコジェネレーション方式で回収すれば、最大85％の効率が得られる。

2022年には世界の燃料電池市場は63億ドルと推定され、2030年までに19.9％増加すると予想されています。 ^{[12]多くの国が再生可能エネルギーの}GW目標を設定して市場参入を試みています。^[13]

• ブリタニカ百科事典の電解セル（装置）

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