電験三種 令和4年度上期 機械 問12｜電気化学

電験三種「機械」の「電気化学」に関する問題（令和4年度上期 問12）。正答は(4)です。

【基本公式】NaS電池：高温（300〜350℃）溶融状態で動作。負極=Na、正極=S。固体電解質=ベータアルミナ（β-Al₂O₃）。

正答(4)「高温 負 正 ベータアルミナ 1.7〜2.1」の根拠：

(ア)高温：溶融状態（300〜350℃）で使用→固体電解質のNaイオン導電性を確保。

(イ)負極：ナトリウム（Na→Na⁺+e⁻：酸化反応→負極）。

(ウ)正極：硫黄（S+2Na⁺+2e⁻→Na₂S：還元反応→正極）。

(エ)ベータアルミナ：Na⁺のみを選択的に透過する固体電解質（液体電解質不使用）。

(オ)1.7〜2.1V：NaS電池の起電力（標準電圧約2.0V）。

【電気化学（NaS電池）の解法と要点】（令和4年度上期 問12）

【NaS電池の基本特性】

動作温度：300〜350℃（高温）→融点以上でNa・Sが溶融状態

負極：溶融Na（ナトリウム）→Na→Na⁺+e⁻（酸化）

正極：溶融S（硫黄）→Na₂Sx（多硫化ナトリウム）→還元

固体電解質：β-Al₂O₃（ベータアルミナ）→Na⁺のみを選択的に透過

起電力：約1.78〜2.08V（放電状態により変化）

【各空白の確認】

(ア)高温→300〜350℃で溶融使用

(イ)負極→Na（酸化反応側）

(ウ)正極→S（還元反応側）

(エ)ベータアルミナ→Na⁺選択透過固体電解質（液体不使用→漏液なし）

(オ)1.7〜2.1V→各放電段階での起電力範囲

→正答(4)

【他の蓄電池との比較ポイント】

鉛蓄電池（起電力2.0V）・リチウムイオン（3.6〜4.2V）・ニッケル水素（1.2V）と起電力を整理。

NaS電池の高温動作特性（保温加熱必要）は出題のポイント。

【電気化学（NaS電池）の深層解析と電験三種合格戦略】（令和4年度上期 問12）

【核心論点と正答根拠】

(ア)高温、(イ)負極=Na、(ウ)正極=S、(エ)ベータアルミナ、(オ)1.7〜2.1V→(4)正答。

【NaS電池の電力貯蔵応用と特性】

エネルギー密度：150〜200Wh/kg（鉛蓄電池の約3倍）→大容量電力貯蔵に適。

サイクル寿命：約4500回（15年運用）→大型実証設備で実績あり。

日本NGK（日本碍子）が商業化成功：国内外の変電所・工場での系統用蓄電池として多数設置。

【電力貯蔵技術の比較（電験三種頻出）】

NaS電池：高温・大容量・長寿命→系統用電力貯蔵。

リチウムイオン電池（LiB）：室温動作・高出力密度→EV・家庭用蓄電池・UPS。

レドックスフロー電池（V-RFC）：電解液タンクで容量設計自由・長寿命→MW規模蓄電。

揚水発電：最大規模（GWh）・実績豊富→速度応答に2〜5分必要。

【最新動向（2024〜）】

グリッドスケール蓄電：太陽光・風力の出力変動吸収→NaS/LiB/RFC競合市場。

全固体電池：固体電解質（Li系）→液漏れなし・高安全→EV次世代電池（2027〜量産目標）。

電験二種：電池の電気化学反応式・ファラデー法則・充放電特性の計算が出題。