JP2000194258A - 模擬発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 燃料電池発電の原理を分かり易く説明するこ
とが出来る新規な模擬発電装置を提供する。 【解決手段】 電解液を収容した透明な槽の下部に一次
側の電極を、上部に二次側の電極を夫々設け、外部から
は目視できないようカバーをした一次側の電極に通電す
ることにより、槽内で水の電解反応を行なわせ、発生す
る酸素ガスと水素ガスを気泡として上昇させると共に槽
内に水素イオンの濃度勾配を生じさせて、外部から目視
可能とした二次側電極間に電気が流れる水素イオン濃淡
反応を起こさせ、この二次側電極間に流れる電気により
モーターなどの電気駆動機器を駆動させるようにして、
空気と燃料ガスを用い、燃焼反応を電気化学的に行なわ
せて電気を得る燃料電池の発電原理を模擬的に示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、模擬発電装置、特
に燃料電池発電の原理を分かりやすく説明するための模
擬発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料電池発電の模擬発電装置とし
ては、図４に示すように、電解液200を収容したＨ型ガ
ラス管100と、このＨ型ガラス管100に挿入した電極101
と、当該電極101を乾電池102からなる電源に接続する充
電用回路103と、上記電極101を低電力モーター104に接
続する放電用回路105を備え、これら両回路103,105の切
り替えにより、乾電池102から電極101への充電及び電解
反応によるガスの発生を行なわせる工程と、充電した電
気を放電してモーター104を駆動させ、モーター軸に連
結したプロペラ106を回転させる工程を繰り返すように
したものがある。

【０００３】従来の上記模擬発電装置は、良く出来たも
のではあるが、電気回路の切り替えによりモーターを駆
動させるため、モーターが乾電池からの供給電力により
回転するようにも見え、空気と燃料ガスを用い、燃焼反
応を電気化学的に行なわせて電気を得る燃料電池の発電
原理を分かり易く説明するという点では、改良の余地が
あった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
事情に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、上
記従来の燃料電池発電の模擬発電装置とは、作動原理が
全く異なり、しかも発電のメカニズム（原理）が理解し
易い新規な発電模擬装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の模擬発電装置は、請求項１記載のように、
並列状に設けられ且つ相互に連通連絡する二つの独立し
た区画を有する透明な槽体と、槽体内に収容した電解液
と、上記二つの区画の下部に夫々設けられて、上記電解
液中に水没する一次側の電極と、上記二つの区画の上部
に夫々設けられて、上記電解液中に挿入された二次側の
電極とを備え、上記一次側の電極は電源に接続し、二次
側の電極は両極を相互に接続してその接続配線の途中に
発電確認用の電気駆動機器を介装するものである。

【０００６】上記槽体の二つの区画は、請求項２に記載
するように一次側電極の若干上方に気泡凝集用のフィル
ターを備えることが望ましい。また、上記槽体は、請求
項３に記載のように、一次側電極及びこの電極を電源に
接続する配線を隠すように下部をカバーで覆うことが望
ましい。更に、この模擬発電装置は、請求項４に記載す
るように、槽体側方の近傍位置に配設されたガス供給施
設模型と空気供給施設模型を備え、ガス供給施設模型が
槽体の燃料極側区画下部に、空気供給施設模型が空気極
側区画下部に夫々配管模型を介して連絡しているように
見せかけるようにしてもよい。

【０００７】

【発明の作用及び効果】以上のように構成した本発明の
模擬発電装置にあっては、電源が投入され、一次側電極
に電流が流れることにより、水の電解反応が行われ、正
極側からは酸素ガスが、負極側からは水素ガスが夫々発
生する。そのため、槽体の二つの区画間には水素イオン
の濃度勾配が生じ、それにより、二次側電極の正負極間
に電流が流れる水素イオン濃淡反応が発生する。そし
て、上記二次側電極の正負極間に流れる電流により、発
電確認用の電気駆動機器が駆動する。従って、見学者
は、空気と燃料ガスを用い、電気化学反応を行なわせて
電気を得る燃料電池反応の原理を理解し易い。また、こ
の模擬発電装置は、前述のように装置内部で水の電解反
応を行なわせて、水素ガス、酸素ガスを発生させるた
め、これらのガスを供給するためにガスボンベを用意す
る必要が無い。そのため、ガスボンベの持ち込みに規制
がある展示会場でも使用することが出来る。

【０００８】また、請求項２のように構成した場合に
は、電解反応による酸素ガスと水素ガスの発生に伴う無
数の細かい気泡が、凝集されて比較的大きな気泡になっ
て上昇するようになる。そのため気泡により電解液が白
濁して、二次側電極が見えなくなるようなことが無く、
また酸素ガス及び水素ガスが気泡として上昇する様子も
はっきり見えて、作動状況の観察がし易い。

【０００９】また、請求項３のように構成した場合に
は、酸素ガス、水素ガス発生の仕組みがこの模擬装置の
見学者に見えず、空気極側区画及び燃料極側区画の下方
から、両区画を気泡が上昇するのが見えるだけである。
そのため、本当に空気と燃料ガスが供給されているよう
に見え、いかにも空気と燃料ガスの電気化学反応によ
り、発電が行われているように見える。

【００１０】更に、請求項４のように構成した場合に
は、本当にガス供給施設から燃料極に水素が供給され、
空気供給施設から空気極に酸素が供給されるように見え
るため、上記した燃料電池の発電原理が一層理解し易
く、真実味をもって理解できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて説明する。図において、燃料電池発電の原
理説明用の模擬発電装置は全体を符号Ａで示し、その主
体部分である燃料電池の反応部に見立てる疑似反応槽を
ａで示している。疑似反応槽ａは、透明な槽体１と、こ
の槽体１内に封入された電解液２と、槽体１の下部に設
けられた一次側電極３と、槽体１の上部に設けられた二
次側電極４とで構成されている。

【００１２】槽体１は、夫々空気極、燃料極に見立てる
下で連通している二つの区画（以下空気極側区画1a、燃
料極側区画1bという）を備えるもので、この実施形態に
おいては、Ｈ型ガラス管で構成されている。即ち、本実
施形態において、空気極側、燃料極側夫々の区画1a,1b
は、平行な２本のガラス管で構成され、その中途部に設
けた連結管部1cを介して相互に連通連結している。槽体
１は、上記２本のガラス管の長さ方向が高さ方向となっ
ており、前記空気極側及び燃料極側夫々の区画1a,1bの
上端と下端を栓５，６で閉鎖して、内部には電解液２を
封入してある。

【００１３】電解液２は、リン酸水溶液（Ｈ₃ＰＯ₄）で
あって、少なくとも空気極側及び燃料極側夫々の区画1
a,1bが連通連結している部分の高さ位置より水位が十分
高くなるように、槽体１内に満たされている。尚、電解
液２としては、上記リン酸水溶液の他に、硫酸、水酸化
カリウムなどを用いることも可能であるが、安全性、取
扱容易性、経済性、効率などの面でリン酸水溶液が好適
である。

【００１４】一次側の電極３は、水の電気分解を行なわ
せるために設けるもので、空気極側及び燃料極側夫々の
区画1a,1bの下端に装着した栓６に、当該栓６を水密に
貫通して設けられており、その内端は栓６より上記各区
画1a,1b内に夫々若干突出して、完全に電解液２中に水
没している。上記一次側の電極３は、栓６から槽体１外
側に延びる外端が電源７に接続され、空気極側が正極3
a、燃料極側が負極3bとなっている。電源は通常の商用
交流電源を用い、不図示の変換器により直流に変換して
給電するようになっている。

【００１５】一方、二次側の電極４は、後述する水素濃
淡反応を行なわせるために設けるもので、空気極側及び
燃料極側夫々の区画1a,1bの上端に装着した栓５に、当
該栓５を貫通して各区画1a,1b内に垂下するように設け
られており、その内端は電解液２中に挿入され、各外端
は配線８で接続されている。上記一次側の電極３には鉛
を用いるのが好ましい。電極３にニッケルやステンレス
等の材質を用いると、電極のイオン化が進み電解液２が
変色してしまうが、鉛製の電極３を用いれば電解液２の
変色は生じ難い。

【００１６】斯様に構成した疑似反応部ａは、一次側電
極３に直流電流を供給することにより、電解液２が電気
分解し、陽極側3aにおいては、水の電解反応（２Ｈ₂Ｏ
→４Ｈ⁺＋４e^-＋Ｏ₂↑）により酸素ガスが発生し、電解
液２中を酸素ガスが気泡となって上昇し、空気極側区画
1aの空間部に達する。また、陰極側3b、即ち燃料極側区
画1b内においては、水の電解反応（４Ｈ⁺＋４e^-→２Ｈ₂
↑）により水素ガスが発生し、電解液中を水素ガスが気
泡となって上昇する。そのため、空気極側区画1aの電解
液内においては、水素イオン濃度が増加して反応式４Ｈ
⁺＋Ｏ₂＋４e^-→２Ｈ₂Ｏの平衡が右に進み、燃焼極側区
画1bの電解液内においては、水素イオン濃度が低下し
て、反応式 ２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４e^-の平衡が右に進む。而
して、空気極側区画1a内と燃料極側区画1b内に生じる水
素イオンの濃度勾配により、二次側電極４にその酸素極
側区画1aの電極(陽極)4aから水素極側区画1bの電極（陰
極側）4bへ、電解液中に電気が流れる水素イオン濃淡反
応が生じる。尚、上記電解反応により発生した酸素ガス
ａと水素ガスｂは、槽体１外に排出する必要があり、そ
のため、槽体１は空気極側、燃料極側夫々の区画1a,1b
の上端を閉鎖する栓５にガス排出口51を設けてある。

【００１７】上記空気極側及び燃料極側の区画1a,1b内
における酸素ガス、水素ガスの気泡の上昇は、後述する
ように燃料電池の反応部への酸素及び水素の供給に見立
てるものであるため、気泡の上昇がはっきり見えること
が好ましく、また、燃料電池の原理を理解するためには
二次側電極４が見えている必要がある。そのため、空気
極側及び燃料極側夫々の区画1a,1bには、一次側電極３
の若干上方位置に気泡凝集フィルター９を設けてある。

【００１８】気泡凝集フィルター９は、図３に示すよう
に、外周に固定スポンジ9aを巻着したリング状スペーサ
ー9bの軸方向両側に、夫々中央部とその周囲に適宜通孔
9c,9c’を穿設した２枚の金属製多孔板9d,9eを固定し、
各金属製多孔板9d,9eの外面側周縁部に押えリング9f,9g
を固定したもので、空気極側及び燃料極側夫々の区画1
a,1bの一次側電極３の若干上方位置に嵌入し、固定スポ
ンジ9aの弾性反発力を利用して当該区画1a,1b内壁に固
定してある。上記金属製多孔板9d,9eは下位側金属製多
孔板9dの篩目を上位側金属製多孔板9eのそれより大きく
することが望ましく、各種の組み合せが考えられるが下
位側金属製多孔板9dを80mesh、上位側金属製多孔板9eを
60meshとするのが適当である。また、２枚の金属製多孔
板9d,9eの中央部に穿設する通孔9cの大きさは、φ8.0〜
10.0が適当である。上記気泡凝集フィルター９には、固
定スポンジ9aが緩んだ時に下方にずり落ちて下側の金属
製多孔板9dが一次側電極３に接触するのを防止するため
に、下側の金属製多孔板9dより下方に突出するセラミッ
ク製の保護脚9hが設けられている。尚金属製多孔板9d,9
eに中央部の通孔9cを囲んで設けられた通孔9c’は上記
保護脚9hを嵌着固定するための孔である。

【００１９】この気泡凝集フィルター９は、金属製多孔
板9d,9eによりイオンの透過性を確保し、絶縁状態にな
ることを防止すると共に気泡凝集効果を持たせ、中央の
通孔9cにより気泡を凝集し通過させる効果を持つ。従っ
て、疑似反応槽ａが無数の細かい気泡により白濁して、
二次側電極４が見えなくなるようなことが無く、また酸
素ガス及び水素ガスが気泡として上昇する様子がよく観
察できる。

【００２０】本発明の模擬装置Ａにおいて上記疑似反応
部ａは、電源７と一次側電極３を接続する配線80にスイ
ッチ71を介装し、二次側電極４を相互接続する配線８に
後述する発電確認用電気駆動機器ｂのモーター13を介装
する。そして、上記疑似反応部ａは、模擬装置Ａのほぼ
中央部に配置し一次電極３や、この一次電極３に電源７
が接続されている様子が見えないように、連結部分より
下方がボックス状のカバー10で覆い隠される。上記カバ
ー10には、疑似反応部ａが燃料電池の反応部を構成する
反応槽であり、その起立する一方のガラス管からなる空
気極側区画1aが空気極、他方のガラス管からなる燃料極
側区画1bが燃料極であることを示す表示11、例えば「反
応槽」、「酸素極」、「水素極」などの文字が分かり易い適
当な個所に施されている。

【００２１】上記疑似反応部ａの燃料極側区画1b側方に
は、ガスホルダ模型ｃと改質器模型ｄを、空気極側区画
1aの側方には、空気ブロワーの模型ｅを夫々配置すると
共に、ガスホルダｃが改質器ｄを介して燃料極側区画1b
に連絡し、空気ブロワーｅが空気極側区画1aに連絡して
いるようにみせる配管模型ｆが設けられている。また、
装置Ａ正面の見やすい場所に発電確認用電気駆動機器ｂ
が設けられ、操作し易い適当な個所に前記スイッチ71を
ＯＮ操作するスタートボタン71aと、ＯＦＦ操作するス
トップボタン71bが設けられている。

【００２２】上記発電確認用電気駆動機器ｂは、図示例
の場合、起立させた透明な筒体内12にモーター13で回転
駆動されるプロペラ14を上向きに設置すると共に、プロ
ペラ14の若干上方の位置において筒体12に設けた多孔板
等からなる支持部15上にスチロール玉16等を配置して構
成してあり、上記モーター13が前記二次側電極４の接続
配線８中に介装されている。

【００２３】斯様に構成した本発明の燃料電池発電の模
擬発電装置Ａは、スタートボタン71aを押すとスイッチ7
1がＯＮになり、一次側電極３に直流電流が供給され
る。これにより、疑似反応部ａでは前述のように電解反
応と、それに伴う水素イオンの濃度勾配の発生による水
素イオン濃淡反応が起こって、二次電極４に電流が流
れ、二次電極４を接続する配線８に介装したモーター13
を駆動してプロペラ14を回転させる。従って、このプロ
ペラ14の回転により発生した風によりスチロール玉16等
が浮き上がる。この間、上記電解反応により空気極側区
画1aには酸素ガスが、燃料極側区画1bには水素ガスが発
生し、夫々気泡となって上昇する。ところが、疑似反応
部ａの下部はカバー10で覆われており、一次側電極３が
存在することも、それが電源７に接続されていることも
目視できないため、見学者には、燃料極側区画1bにはガ
スホルダ模型ｃから水素が、空気極側区画1aには空気ブ
ロワー模型eから酸素が夫々供給され、それが疑似反応
部aで反応して電気が発生し、プロペラ14を回転させた
ように見える。従って、見学者は酸素と水素（燃料）と
の電気化学反応の一部として電力を発生させる燃料電池
の発電原理を視覚的に理解することができる。

【００２４】装置Ａの運転を停止するにはストップボタ
ン71bを押してスイッチ71をＯＦＦにすれば良いが、タ
イマーにより所定時間で自動的に停止するように構成す
ることも、ストップボタン71bとタイマーを併用するよ
うに構成することも任意である。尚、前記発電確認用電
気駆動機器ｂは、疑似反応部ａでの化学反応により発電
したことことを分かり易く示す必要があるため、二次側
電極４とモーター13を連絡する配線８は見学者にはっき
り見えるように配線することが望ましい。発電確認用電
気駆動機器ｂは、前記構成のものに限らず、発電した状
態を視覚的に確認できるものであれば、どのようなもの
でも良く、例えば電灯を点灯するように構成することも
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態を示す燃料電池発電の模擬
発電装置の正面図。

【図２】 断面図。

【図３】 気泡凝集フィルターの説明図で、（ａ）は斜
視図、（ｂ）は（ａ）の(ｂ)−(ｂ)線断面図、（ｃ）は
分解した状態を示す斜視図である。

【図４】 従来の燃料電池発電の模擬発電装置を示す説
明図。

【符号の説明】

Ａ：模擬発電装置 ａ：疑似反応槽 ｂ：発電確認用電気駆動機器 ｃ：ガス供給装置模型（ガスホルダ模型） ｅ：空気供給装置模型（空気ブロワー模型） ｆ：配管模型 １：槽体 1a：区画（空気極側） 1b：区画（燃料極側） ２：電解液 ３：一次側の電極 ４：二次側の電極 ７：電源 ８：二次側の電極と発電確認用の電気駆動機器を接続す
る接続電源 ９：気泡凝集用のフィルター 10：カバー 13：モーター 80：電源と一次側電極を接続する配線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】並列状に設けられ且つ相互に連通連絡する
   二つの独立した区画を有する透明な槽体と、槽体内に収
   容した電解液と、上記二つの区画の下部に夫々設けられ
   て、上記電解液中に水没する一次側の電極と、上記二つ
   の区画の上部に夫々設けられて、上記電解液中に挿入さ
   れた二次側の電極とを備え、上記一次側の電極は電源に
   接続し、二次側の電極は両極を相互に接続してその接続
   配線の途中に発電確認用の電気駆動機器を介装したこと
   を特徴とする模擬発電装置。
2. 【請求項２】二つの区画が、一次側電極の若干上方に気
   泡凝集用のフィルターを備えることを特徴とする請求項
   １記載の模擬発電装置。
3. 【請求項３】槽体の下部がカバーで覆われて、一次側電
   極及びこの電極を電源に接続する配線が上記カバーによ
   り隠されていることを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載の模擬発電装置。
4. 【請求項４】槽体側方の近傍位置に配設されたガス供給
   施設模型と空気供給施設模型を備え、ガス供給施設模型
   が槽体の燃料極側区画下部に、空気供給施設模型が空気
   極側区画下部に夫々配管模型を介して連絡しているよう
   に見せかけてあることを特徴とする請求項３記載の模擬
   発電装置。