Investigation of thermodynamic properties of an electrochemical system for exergy regeneration

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K13886
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 津島 将司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30323794)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 崇弘 大阪大学, 工学研究科, 助教 (90711630)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: エクセルギー / 電気化学反応 / 鉛蓄電池 / 反応熱 / 自由エネルギー

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では，自発的に進行して，かつ，|ΔG|＞|ΔH|となる電気化学反応系に着目し，実作動条件下でのエネルギーの高質化，すなわち「エクセルギー再生産型電気化学反応デバイス」の実現を先導することを目的として研究を実施した．負極が鉛（Pb），正極が二酸化鉛（PbO2）の電気化学反応系について，恒温槽内の温度制御された条件下で充放電反応を行う電気化学計測系を構築し，材料物性を考慮して電池内電極温度を計測することで，ΔG，ΔH，ΔSを評価するための実験解析手法を確立した．その結果，実用的に用いられる鉛蓄電池電極から構築した電気化学反応系の放電反応において，|ΔG |＞|ΔH |となることを明らかにした．さらに，充電状態が異なる条件における熱力学的状態量（ΔG，ΔH，ΔS）の測定を実施し，充電直後においてエントロピー変化が負の値を示し，その後の放電過程においては，エントロピー変化が正の値を示すことを明らかにした．エントロピー変化については，当初は電極内の原子配置と振動の自由度の変化，溶液内の鉛イオンの溶解析出といった固体電極材料に起因するものが主たる影響因子であるとして検討を行ったが，電解液中のイオン濃度などの影響が大きいことを指摘するに至った．
本研究課題を実施することで，実用の鉛蓄電池反応系の放電過程において，|ΔG |＞|ΔH |となり，エントロピー変化が負の値を示すことを実験的に明らかにし，実作動条件下でのエクセルギー再生産につながる成果を得た．さらに，|ΔG|＞|ΔH|となる電気化学反応系においては，電極と電解液がつくる電気化学反応場のエントロピー変化に及ぼす電解液の影響に着目した研究が必要であることを示し，新たな研究課題を見出した．