JP2006004797A - 教材用電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池の種類によらず、電池の原理や効果を安全に学習できる教材用電池を提供する。
【解決手段】 本発明は、発電部と充電部および反応物質供給部を具備し、発電部が、第１の電極が配置された酸性媒体と、第２の電極が配置された塩基性媒体とを備え、酸性媒体及び塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、酸性媒体及び塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、充電部が、反応物質を再生する反応物質再生手段を備え、反応物質供給部が反応物質を供給する反応物質供給手段を備え、発電部、充電部、及び、反応物質供給部の少なくとも一部が、その内部を観察することが可能な外装材により覆われてなる教材用電池である。
また、本発明は、上記態様で、外装材の代わりに、発電部と、充電部及び反応物質供給部との間に、発電生成物、反応物質の移動を自由に制御できる切り替え手段を備えている教材用電池である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、教材用電池に関し、特に、学校等の授業で発電の仕組を理解するための酸性媒体とそれに接した塩基性媒体とを利用した教材用電池に関する。

電池は、物質が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。また、その化学エネルギーを使い切るまで電力を提供する一次電池、使い切った後に充電操作によって化学エネルギーを再び蓄えて再使用が可能な二次電池、更に、外部から化学エネルギーを有する物質を継続的に供給することで電気エネルギーを得る燃料電池に分類できる。現在、多種類の電池が開発されているが、各電池はそれぞれ、環境安全性、経済性、供給できる電気エネルギー量、携帯性や貯蔵性、使用環境対応性、リサイクル性等の各項目について長所と短所が異なるので、使用目的に合わせて電池が選択され、実用に供されている。

電池では、還元反応（相手に電子を与えるか、若しくは酸素を引き抜く）を引き起こす還元剤と、酸化反応（相手から電子を引き抜くか、若しくは酸素を与える）を引き起こす酸化剤と、の２種の化学物質を使用する。その化学反応を、相対する２つの電極で別々に引き起こすことによって、発生した電子のエネルギーを外部に取り出す（電子の発生に伴って両極で生成したイオンは電池内部で中和される）。それらの反応効率は、使用する化学物質の種類と反応様式、電極材質や活性度、また、電解質を含めた反応場の環境に依存する。

学校等の教育機関においては、３種類の電池や、さらに電池内部で２種類の反応によって発電されているという原理や、種類、仕組み、効果を学ぶための教材用電池は多く提案されてはいない。何故ならば、実用されている電池の多くが、有害な重金属や、可燃性ガス等を利用しているため、学習上安全性を配慮すると、教材用に適用しにくいからである。一方で、例えば、特許文献１にあるように安全性に考慮した教材用燃料電池は提案されているが、一次電池、二次電池、燃料電池を合わせて系統立てて原理、効果等を学習できる安全な教材用電池は提案されてはいない。
特開平５−２１７５９０号公報

以上から、本発明は上記従来の課題を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は、電池の種類によらず、電池の原理やその効果を安全に学習するための教材用電池を提供することを目的とする。

上記目的は下記の本発明（第１および第２の教材用電池）により達成される。
すなわち、本発明の第１の教材用電池は、発電部と充電部および反応物質供給部を具備する教材用電池であって、
前記発電部が、少なくとも、第１の電極が配置された酸性媒体と、第２の電極が配置された塩基性媒体とを備え、
前記酸性媒体及び前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、
前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、
前記充電部が、前記発電部における発電により生成した発電生成物から、前記反応物質を再生する反応物質再生手段を備え、
前記反応物質供給部が前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに前記反応物質を供給する反応物質供給手段を備え、
前記発電部、前記充電部、及び、前記反応物質供給部の少なくとも一部が、その内部を観察することが可能な外装材により覆われてなることを特徴とする。

また、本発明の第２の教材用電池は、発電部と充電部および反応物質供給部を具備する教材用電池であって、
前記発電部が、少なくとも、第１の電極が配置された酸性媒体と、第２の電極が配置された塩基性媒体とを備え、
前記酸性媒体及び前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、
前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、
前記充電部が、前記発電部における発電により生成した発電生成物から、前記反応物質を再生する反応物質再生手段を備え、
前記反応物質供給部が前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに前記反応物質を供給する反応物質供給手段を備え、
少なくとも、前記発電部と、前記充電部及び前記反応物質供給部との間に、発電生成物、反応物質の移動を自由に制御できる切り替え手段を備えていることを特徴とする。

本発明の第１および第２の教材用電池においては、下記第１〜第２３の態様が少なくとも１つ適用されていることが好ましい。

（１）第１の態様は、第２の教材用電池において、前記発電部、前記充電部、及び、前記反応物質供給部の少なくとも一部が、その内部を観察することが可能な外装材に覆われてなる態様である。
（２）第２の態様は、前記外装材が、ガラス、ポリマー樹脂、セラミック、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、及びグラッシーカーボンからなる群より選択される１以上の材料から構成される態様である。

（３）第３の態様は、第１の教材用電池において、少なくとも、前記発電部と、前記充電部及び前記反応物質供給部との間に、発電生成物、反応物質の移動を自由に制御できる切り替え手段を備えている態様である。
（４）第４の態様は、前記充電部が、前記発電生成物から、前記酸性媒体および／または前記塩基性媒体を再生する媒体再生手段をさらに備える態様である。
（５）第５の態様は、前記反応物質が、前記酸性媒体及び前記塩基性媒体のそれぞれに含有されている態様である。
（６）第６の態様は、前記酸性媒体に含有される前記反応物質としての第１の物質と、前記塩基性媒体に含有される前記反応物質としての第２の物質とが、同一の物質である態様である。
（７）第７の態様は、前記反応物質が、過酸化水素である態様である。

（８）第８の態様は、前記反応物質再生手段が、陽極と陰極とを有し、前記陰極に前記発電生成物である酸素および水を供給して、前記過酸化水素を再生する手段である態様である。
（９）第９の態様は、前記反応物質供給部が、前記反応物質を当該反応物質を含有する液体もしくは固体、あるいは、化学変化によって当該反応物質を生成する液体もしくは固体、の状態で供給する態様である。
（１０）第１０の態様は、前記酸性媒体が酸性水溶液からなり、かつ、前記塩基性媒体が塩基性水溶液からなる態様である。
（１１）第１１の態様は、前記媒体再生手段が、陽イオン交換膜、バイポーラ膜及び陰イオン交換膜を配置して、塩室、酸室及び塩基室を形成させ、前記塩室に前記発電生成物である中和塩水溶液を供給して電気透析を行い、前記酸室及び前記塩基室のそれぞれから、前記酸性水溶液及び前記塩基性水溶液を排出させる３室セル方式のセルを具備する態様である。
（１２）第１２の態様は、前記発電部において、前記酸性水溶液と前記塩基性水溶液とがその内部で層流を形成する流路構造が設けられている態様である。

（１３）第１３の態様は、前記酸性水溶液が、硫酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、塩化水素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、過塩素酸、過ヨウ素酸、オルトリン酸、ポリリン酸、硝酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロ珪酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロ砒酸、ヘキサクロロ白金酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、クエン酸、蓚酸、サリチル酸、酒石酸、マレイン酸、マロン酸、フタル酸、フマル酸、及びピクリン酸からなる群より選択される酸を１以上含む態様である。
（１４）第１４の態様は、前記塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化アンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、及び水酸化テトラブチルアンモニウムを含む群から選択される塩基を１以上含む、又は、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、トリポリリン酸ナトリウム、トリポリリン酸カリウム、アルミン酸ナトリウム、及びアルミン酸カリウムを含む群から選択されるアルカリ金属塩を１以上含む態様である。

（１５）第１５の態様は、前記酸性媒体が酸性のイオン交換部材から構成され、かつ、前記塩基性媒体が塩基性のイオン交換部材から構成される態様である。
（１６）第１６の態様は、前記イオン交換部材が、ポリビニルスチレン系のイオン交換樹脂、ポリフルオロヒドロカーボンポリマー系の高分子電解質膜、ポリビニルスチレン系のイオン交換膜、及び繊維状ポリスチレン系のイオン交換濾紙からなる群より選択される態様である。
（１７）第１７の態様は、前記酸性媒体が酸性のイオン伝導性ゲルから構成され、かつ、前記塩基性媒体が塩基性のイオン伝導性ゲルから構成される態様である。
（１８）第１８の態様は、前記酸性のイオン伝導性ゲルが、酸性水溶液を水ガラス、無水二酸化ケイ素、架橋ポリアクリル酸、寒天、又はその塩類によりゲル化してなる態様である。
（１９）第１９の態様は、前記塩基性のイオン伝導性ゲルが、塩基性水溶液をカルボキシメチルセルロース、架橋ポリアクリル酸、又はその塩類によりゲル化してなる態様である。

（２０）第２０の態様は、前記第１の電極が、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、及びグラッシーカーボンからなる群より選択される１以上の材料から構成される態様である。
（２１）第２１の態様は、前記第２の電極が、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、及びグラッシーカーボンからなる群より選択される１以上の材料から構成される態様である。
（２２）第２２の態様は、前記第１の電極及び第２の電極が、板状、薄膜状、網目状、又は繊維状である態様である。
（２３）第２３の態様は、前記第１の電極及び前記第２の電極が、無電解メッキ法、蒸着法、又はスパッタ法により、前記酸性媒体及び前記塩基性媒体のそれぞれ配置されてなる態様である。

本発明によれば、電池の種類によらず、電池の原理やその効果を安全に学習するための教材用電池を提供することができる。

以下、本発明の教材用電池および当該教材用電池の発電機構について詳細に説明する。

＜教材用電池＞
本発明の第１および第２の教材用電池は共に、大きく分けて（１）発電部と（２）充電部と（３）反応物質供給部の３部から構成される。特に、第１の教材用電池は、少なくとも一部が、その内部を観察することが可能な外装材により覆われてなることを特徴の１つとし、第２の教材用電池は、発電部と、充電部及び反応物質供給部との間に、発電生成物、反応物質の移動を自由に制御できる切り替え手段を備えることを特徴の１つとしている。

第１の教材用電池では、少なくとも一部を透明とすることで、電池内部を観察することが可能となり電池の原理を効率よく学習することができる。また、内部が見えることで、電池内での異常等を早期に発見することが可能となり、結果として、安全に学習することができる。他方、第２の教材用電池でも、切り替え手段を備えることで、後述するように、電池の発電システムを自由に変更することが可能となり、ひとつの電池で種々の電池の原理を効率よく学習することができる。また、電池内に異常が発生した場合などには、切り替え手段により、発電生成物や反応物質の移動を制御することで、事故や故障を未然に防ぎ、結果として、安全に学習することができる。
以下、（１）発電部と（２）充電部と（３）反応物質供給部について、説明する。

（１）発電部：
発電部は、第１の電極が配置された酸性媒体と、第２の電極が配置された塩基性媒体とを備えてなる。そして、酸性媒体及び塩基性媒体は互いに隣接もしくは近設してなり、酸性媒体及び塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなる。

本発明の教材用電池は、上述の各部材を備える構成を有するバイポーラー型の電池である。なお、本発明において、バイポーラー型の電池とは、酸性媒体と塩基性媒体が隣接もしくは近設し、これらの中に電気エネルギーを取り出すための物質（反応物質）と電極が含まれる構成を有するものである。

酸性媒体または塩基性媒体に含有される反応物質は、下記のような作用により正極側及び／または負極側での電極反応を生じさせ、効率のよい電気エネルギーの発生を可能とする。すなわち、かかる反応物質が、酸性媒体または塩基性媒体に存在しないと、電池としての十分な起電力が得られないことになる。

例えば、上記反応物質が、酸性媒体及び塩基性媒体のそれぞれに含有されてなる場合、酸性媒体中の反応物質である第１の物質は、その酸性媒体中に含まれる水素イオンを伴って第１の電極から電子を奪う反応を生じさせる。一方、塩基性媒体中の反応物質である第２の物質は、その塩基性媒体中に含まれる水酸化物イオンを伴って第２の電極へと電子を供与する反応を生じさせる。

特に、本発明における教材用電池は、まず、（１）上記の酸性媒体中またはこれに接触する電極近傍で第１の物質及び水素イオンが共存し、共に反応系物質として第１の電極から電子を奪う（酸化する）反応を引き起こす。また、（２）上記塩基性媒体中或いはこれに接触する電極近傍で第２の物質及び水酸化物イオンが共存し、共に反応系物質として電極に電子を与える（還元する）反応を引き起こす。このような（１）及び（２）の反応が同時に進行して、外部回路を駆動する電気エネルギーを発生する。

なお、本発明の電池は、バイポーラー型反応場において、酸性媒体中の水素イオンは、第１の物質による第１の電極から電子を奪う反応に加わり、また、その濃度増加は反応を促進する（化学平衡を生成系方向にずらす）作用を有する。一方、塩基性媒体を構成する水酸化物イオンは、第２の物質による第２の電極へと電子を供与する反応に加わり、また、その濃度増加は反応を促進する作用を有する。このため、水素イオン濃度或いは水酸化物イオン濃度を高くする、即ち、酸性媒体中ではｐＨを低くし、塩基性媒体ではｐＨを高くすることで反応を増強させることが可能となり、出力を高めることが可能な構成を有している点でも有効である。

以下、発電部を構成する各部材について、詳細に説明する。

（酸性媒体及び塩基性媒体）
本発明において、酸性媒体は、ｐＨ７未満（好ましくは、ｐＨが３以下）である媒体を指し、水素イオンが存在する酸性反応場を形成し得ることが好ましい。また、塩基性媒体はｐＨ７を超える（好ましくは、ｐＨが１１以上）媒体を指し、水酸化物イオンが存在する塩基性反応場を形成し得ることが好ましい。

これらの酸性媒体及び塩基性媒体としては、それぞれが独立に、液体状態、ゲル状態、固体状態のいずれの態様であってもよいが、両媒体が同じ態様であることが好ましい。また、酸性媒体及び塩基性媒体としては、有機化合物、無機化合物の種類に関らず用いることができる。

酸性媒体と塩基性媒体との好ましい組み合わせは、例えば、硫酸や塩酸、リン酸等の酸性水溶液と、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、アンモニウム化合物等の塩基性水溶液と、の水溶液の組み合わせ；それらの水溶液をゲル化剤によってゲル化したイオン伝導性ゲルの組み合わせ；スルホン酸基やリン酸基を有する酸性のイオン交換部材と、４級アンモニウム基を有する塩基性のイオン交換部材と、のイオン交換部材（イオン交換樹脂を用いた膜、濾紙などの形態を含む）の組み合わせ；硫酸処理した酸化ジルコニアや貴金属含有酸化ジルコニア等の固体超強酸及び固体酸と、酸化バリウム等の固体超強塩基及び固体塩基と、の固体物の組み合わせ；などが挙げられる。

より具体的には、酸性水溶液としては、硫酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、塩化水素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、過塩素酸、過ヨウ素酸、オルトリン酸、ポリリン酸、硝酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロ珪酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロ砒酸、ヘキサクロロ白金酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、クエン酸、蓚酸、サリチル酸、酒石酸、マレイン酸、マロン酸、フタル酸、フマル酸、及びピクリン酸からなる群より選択される酸を１以上含む水溶液を用いることが好ましく、中でも、強酸である、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸を含むことがより好ましい。

また、塩基性水溶液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化アンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、及び、水酸化テトラブチルアンモニウムを含む群から選択される塩基を１以上含む、又は、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、トリポリリン酸ナトリウム、トリポリリン酸カリウム、アルミン酸ナトリウム、及びアルミン酸カリウムを含む群から選択されるアルカリ金属塩を１以上含む水溶液を用いることができ、中でも、強塩基である、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを含むことがより好ましい。

さらに、酸性媒体としての酸性のイオン伝導性ゲルは、上記のような酸性水溶液を、水ガラス、無水二酸化ケイ素、架橋ポリアクリル酸、又はその塩類などのゲル化剤を用いて、ゲル化したものが好ましい。

一方、塩基性媒体としての塩基性のイオン伝導性ゲルは、上記のような塩基性水溶液を、例えば、カルボキシメチルセルロース、架橋ポリアクリル酸やその塩類、をゲル化剤として用いて、ゲル化したものが好ましい。
なお、上記の酸や塩基は、１種のみを用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。また、ゲル化剤の使用方法も同様である。

また、前記の酸性のイオン交換部材及び塩基性のイオン交換部材としては、イオン交換樹脂を用いた、イオン交換膜、固体高分子電解質膜、濾紙などの形態を含む。好適なものとしては、スルホン酸基やリン酸基などの強酸性基を有する強酸性イオン交換樹脂や、４級アンモニウム基などの強塩基性基を有する強塩基性イオン交換樹脂を用いた各イオン交換部材である。

より具体的には、製品名ダウエックス（Ｄｏｗ社製）や、製品名ダイヤイオン（三菱化学社製）、製品名アンバーライト（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａｓｓ社製）に代表されるポリビニルスチレン系のイオン交換樹脂や、製品名ナフィオン（ＤｕＰｏｎｔ社製）、製品名フレミオン（旭ガラス社製）、製品名アシプレックス（旭化成工業社製）に代表されるポリフルオロヒドロカーボンポリマー系の固体高分子電解質膜、製品名ネオセプタ（トクヤマ社製）、製品名ネオセプタＢＰ−１（トクヤマ社製）に代表されるポリビニルスチレン系のイオン交換膜、ポリスチレン系の繊維状イオネックスイオン交換体で形成されたイオン交換濾紙製品名ＲＸ−１（東レ社製）等が挙げられる。

更に、固体超強酸として好適なものとしては、硫酸処理した酸化ジルコニアや貴金属含有酸化ジルコニア等が挙げられる。その他、固体酸として、カオリナイトやモンモリナイト等の粘度鉱物、ゼオライト、複合酸化物、水和酸化物、また酸性物質を添着した活性炭を用いることもできる。

固体超強塩基として好適なものとしては、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化カルシウム等が挙げられる。その他、固体塩基として、酸化マグネシウム等の金属酸化物及びそれらを含む複合酸化物、水酸化カルシウムのように水への溶解度の低い水酸化物、アルカリ金属やアルカリ土類金属イオン交換ゼオライト、また塩基性物質を添着した活性炭を用いることもできる。

本発明の教材用電池において、酸性媒体及び塩基性媒体は、互いに隣接もしくは近設することを必須とするが、これは、酸性媒体中で水素イオンを放出することにより生成した対陰イオンと、塩基性媒体中で水酸化物イオンを放出したことにより生成した対陽イオンと、により塩を形成させて電荷のバランスをとることを可能とするためである。そのため、例えば、上述のように、両媒体が、酸性水溶液と塩基性水溶液とからなる場合、生成した陽イオン及び／又は陰イオンを透過可能な特性を有している膜、あるいは、生成した陽イオン及び／又は陰イオンが移動可能な塩橋を用いれば、酸性媒体と塩基性媒体との間が分離される態様であってもかまわない。また、それぞれの全体が隣接している必要はなく、その一部が隣接していればよい。

（反応物質）
反応物質は、酸性媒体中に含有させる場合は、当該酸性媒体中で、水素イオンを伴って第１の電極から電子を奪う酸化反応を生成させる物質（酸化剤）であれば、如何なるものをも用いることができる。一方、塩基性媒体中に含有させる場合は、当該塩基性媒体中で、水酸化物イオンを伴って第２の電極へと電子を供与する還元反応を生成させる物質（還元剤）であれば、如何なるものをも用いることができる。
ここでは、好ましい態様として、酸性媒体に含有される反応物質としての第１の物質、及び、塩基性媒体に含有される反応物質としての第２の物質を例に、以下詳細に説明する。

第１の物質としては、水素イオン濃度が高い場合に反応が促進される物質であることが好ましい。具体的には、過酸化水素、酸素、次亜塩素酸、次亜臭素酸、次亜ヨウ素酸等の次亜ハロゲン酸等をもちいることができる。また、これらの物質を含有する液体もしくは固体、あるいは、化学変化によってこれらの物質を放出する液体もしくは固体、の状態で第１の物質を供給するようにしてもよい。

また、第２の物質としては、水酸化物イオン濃度が高い場合に反応が促進される物質であることが好ましい。具体的には、過酸化水素、水素、ヒドラジン等を用いることができる。また、これらの物質を含有する液体もしくは固体、あるいは、化学変化によってこれらの物質を放出する液体もしくは固体、の状態で第２の物質を供給するようにしてもよい。

第１の物質または第２の物質としては、鉄、マンガン、クロム、バナジウムといった酸化・還元反応によって価数を変化できる金属イオンや、それらの金属錯体を用いることができ、やはりこれらを含有する液体や固体等を用いてこれらの物質を供給することもできる。

上記の中でも、第１の物質及び第２の物質が、同一成分からなることが好ましい。このような物質は、酸性媒体中で、水素イオンを伴って第１の電極から電子を奪う酸化反応を生成させ、塩基性媒体中では、水酸化物イオンを伴って第２の電極へと電子を供与する還元反応を生成させる性質を有する。この場合には、電池の構成が容易になり、従来の電池で大きな課題であった正極側と負極側の化学物質の分離膜の選択の自由度が拡がるとともに、酸性媒体と塩基性媒体が混合されない状態に保てる場合には必ずしも分離膜を必要としない。

酸化剤及び還元剤のどちらにも使用できる物質としては、特に過酸化水素が好ましい。この理由については後で詳細に説明する。なお、過酸化水素を含有する液体もしくは固体、あるいは、化学変化によって過酸化水素を放出する液体もしくは固体を用いて、過酸化水素を供給することが、取り扱いがより簡易になる点で好ましい。

第１の物質及び第２の物質の供給手段の１つである上記「液体」は、溶液（溶媒として、水、有機溶媒等を含む）、分散液、ゲルの形態のいずれであってもよい。また、これらの使用形態は、上述した酸性媒体及び塩基性媒体の形態との好ましい組み合わせにより選択されることが望ましい。

また、第１の物質及び第２の物質は、過酸化水素の場合はそれぞれ、酸性媒体および塩基性媒体中に、水素イオン、水酸化物イオンに対してそれぞれ、ｍｏｌ比で２（水素イオン、水酸化物イオン）：１（過酸化水素）になるように含有されるのが最も好ましい。なぜなら、後述する発電反応から、上記比率で含有された場合が、過酸化水素が過不足無く反応するからである。

このような構成によれば、電極での反応に水素イオンＨ⁺と水酸化物イオンＯＨ^-が関与する場合、酸性媒体中で第１の物質が水素イオンＨ⁺を伴って第１の電極から電子を奪う酸化反応を生じさせ、塩基性媒体中で第２の物質が水酸化物イオンＯＨ^-を伴って電極へと電子を供与する還元反応を生じさせる。このとき、酸性媒体中での酸化反応による起電力は、塩基性媒体中で酸化反応させるよりも、原理的に大きくなる。これは、水素イオンＨ⁺が反応系の物質であるため、水素イオン濃度の高い酸性媒体中では化学平衡が生成系に傾き、結果として酸化電位を高くするためである。また、塩基性媒体中での還元反応による起電力は、酸性媒体中で還元反応させるよりも、原理的に大きくなる。これは、水酸化物イオンＯＨ^-が反応系の物質であるため、水酸化物イオン濃度の高い塩基性媒体中では化学平衡が生成系に傾き、結果として酸化電位を低くするためである。

このため、本発明のバイポーラー型電池の構成では、電極における酸化・還元反応により生ずる起電力が、電池から得られる電圧の主体的な源であり、電池内部の中和反応の発生箇所が変動する性質を有する領域での起電力が主体的となるバイポーラー型の電池と比べて、安定に電力を発生させることができる。

（第１の電極及び第２の電極）
本発明において、第１の電極は正極であり、第２の電極は負極として機能する。これら第１の電極及び第２の電極の材質としては、従来の電池における電極と同様のものを用いることができるが、可撓性を持たせるため、後述する材料や厚み等を適宜調整する。より具体的には、第１の電極（正極）として、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金等が挙げられる。また、表面を不動態化したチタン、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等が挙げられる。さらに、グラファイトやカーボンナノチューブ等の炭素構造体、アモルファスカーボン、グラッシーカーボン等が挙げられる。ただし、耐久性の点から、白金、白金黒、酸化白金被覆白金がより好ましい。

第２の電極（負極）としては、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金等が挙げられる。また、表面を不動態化したチタン、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等が挙げられる。さらに、グラファイトやカーボンナノチューブ等の炭素構造体、アモルファスカーボン、グラッシーカーボン等が挙げられる。ただし、耐久性の点から、白金、白金黒、酸化白金被覆白金がより好ましい。

本発明において、第１の電極及び第２の電極のいずれもが、板状、薄膜状、網目状、又は繊維状であることが好ましい。特に、本発明の実施形態の場合は、電池内で発生した気体の排出流路となるべく、網目状であることが好ましい。ここで、「網目状」とは、少なくとも、排出しようとする気体が通り抜けられる貫通路が存在する多孔質状態であることを指す。

網目状の電極として、具体的には、金属製のメッシュやパンチングメタル板、発泡金属シートに、上記の電極用材料を、無電解メッキ法、蒸着法、又はスパッタ法によって付着させてもよいし、また、セルロースや合成高分子製の紙類に、同様の方法或いはその組合せを用いて上記の電極用材質を付着させてもよい。

また、第１の電極及び第２の電極が、イオン交換樹脂やイオン伝導性ゲルのような形状保持性の高い両媒体に配置される場合、かかるイオン交換樹脂やイオン伝導性ゲルの表面に、所望の電極用材料を、無電解メッキ法、蒸着法、又はスパッタ法を用いて配置することも好ましい態様である。

（外装材）
本発明の第１の教材用電池では、発電部、後述する充電部及び反応物質供給部の少なくとも一部が、各部の内部を見ることが可能な外装材に覆われていることが好ましい。外装材で覆うことで、外部からの衝撃や腐食等から内部を保護することができるだけでなく、教材用として安全性も保たれる。外装材として種々のものを使用することができるが、酸、アルカリに耐性をもつ材料であることが好ましい。さらに、電池内部の状態を目で確認して、反応の状態を学習するために、第１の教材用電池では各部の内部が見える状態で外装材で外装することを必須とするが、第２の教材用電池でも同じようにすることが好ましい。

例えば発電部が図２に示す構成である場合は、層流が形成される流路が確認できるように、外装材の一部を透明（透明性を有する材料）とすることが好ましい。また、外装材の全体を透明としてもよい。

具体的には、透明性を有する材料としてガラス、ポリマー樹脂が挙げられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエーテル等が用いることが出来る。
その他には、セラミック、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、及びグラッシーカーボンからなる群より選択される１以上の材料も用いることが出来る。これらの材料を使用する場合は、一部の内部を観察することができる窓を設置すればよい。あるいはガラス、ポリマー樹脂と併せて用いることも可能である。

（２）充電部：
充電部は、既述の発電部における発電により生成した発電生成物から、反応物質を再生する反応物質再生手段を有する。すなわち、反応物質として過酸化水素を使用する場合は、発電生成物には酸素および水が含まれ、反応物質再生手段により、この発電生成物から過酸化水素を再生することになる。

過酸化水素を始めとした反応物質の再生は、公知の技術（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｖｏｌ．２５ ６１３−（１９９５））を用いることができる。例えば、反応物質が過酸化水素である場合、陽極と陰極とを有し、陰極に発電生成物である酸素および水を供給して、過酸化水素を再生する電解セルのような手段を適用することが好ましい。このようにして過酸化水素を、発電反応によって生成した水と酸素とから合成（再生）することにより、外部から新たに物質を補給する必要がない。また、充電部は、発電生成物から、酸性媒体および／または塩基性媒体を再生する媒体再生手段をさらに備えることが好ましい。

酸性媒体・塩基性媒体の再生も、電気的に酸・塩基を合成する公知の技術（例えば、特開平７−１７８３１９号公報）を用いることができる。例えば、酸性媒体に硫酸水溶液、塩基性媒体に水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合には、反応後に生成した硫酸ナトリウム水溶液から、陽イオン交換膜、バイポーラー膜、陰イオン交換膜を使用した三室セル（塩室、酸室及び塩基室）方式のセルを用いて電気透析により硫酸水溶液と水酸化ナトリウム水溶液を合成すればよい。

このように、充電部において、反応物質、酸性媒体および塩基性媒体を再生することにより、充電後に再度使用（再放電）しても、起電力が回復しやすく、常に、フレッシュな状態の反応場を提供できる。このような効果が発揮されるのは、リチウム系の二次電池に比べ、本発明の二次電池（特に、反応物質に過酸化水素を使用した場合）が簡単な構成だからである。従って、本発明の電池は、種々の二次電池に比べ、繰り返し使用しても、起電力の降下が生じることがない。

また、酸性媒体および塩基性媒体としてゲル状の媒体を使用する場合のこれらの再生方法は、反応によって生成した中和塩水溶液をゲルから排出させ、新たに酸性水溶液、塩基性水溶液をゲル中に供給してやればよい。その際に排出された中和塩水溶液から、上記の手段によって、新たにゲルに供給する酸性水溶液、塩基性水溶液を再生してやればよい。

本発明の第２の教材用電池は、発電部と充電部との間に切り替え手段を有しており、本発明の教材用電池を一次電池もしくは燃料電池として動作させる場合は、上記切り替え手段によって、発電部と充電部の間で反応生成物及び再生物の移動が遮断される。一方、本発明の教材用電池を二次電池として動作させる場合は、上記切り替え手段を開放し、発電部と充電部の間で反応生成物及び再生物の移動できるものとなる。
充電部を外装する外装材については、発電部で既述した外装材と同じものが用いることが出来る。

（３）反応物質供給部：
反応物質供給部は既述した発電部の少なくとも酸性媒体あるいは塩基性媒体中に反応物質を供給する手段（反応物質供給手段）を有する。すなわち、反応物質として過酸化水素を使用する場合は、反応物質供給部内部には、過酸化水素を保持しておく部位（保存室）が存在し、そこから過酸化水素を供給することになる。なお、反応物質供給手段とは、少なくとも上記保存室を意味し、これにポンプなどの輸送手段を併設される場合は、かかる手段も含む。また、保存室は、実施例３にあるように、必要に応じて複数設けてもよい

例えば、過酸化水素を含有する液体を保持している部位にポンプを接続して過酸化水素を供給してもよい。なお、過酸化水素を含有する液体或いは固体、また、化学変化によって過酸化水素を放出する液体或いは固体を用いて、過酸化水素を供給することが、取り扱いがより簡易になる点で好ましい。

反応物質の供給手段の１つである「液体」は、溶液（溶媒として、水、有機溶媒等を含む）、分散液、ゲルの形態のいずれであってもよい。また、これらの使用形態は、上述した酸性媒体及び塩基性媒体の形態との好ましい組み合わせにより選択されることが望ましい。

また、これらの両物質は、一次、二次電池の場合、反応開始以前から媒体中に混合若しくは分散される。また、二次、燃料電池の場合は、液体状の媒体中に始めから混合若しくは分散されるか、電極の近傍に設置された流路を通して、或いは、毛細管への染込みを利用して、或いは直接的に媒体へ添加される方式としてもよい。

本発明の第２の教材用電池は、発電部と反応物質供給部との間には切り替え手段を有しており、本発明の教材用電池を一次電池もしくは二次電池として動作させる場合は、上記切り替え手段によって、反応物質供給部から発電部への反応物質の供給は遮断される。一方、本発明の教材用電池を燃料電池として動作させる場合のみ、上記切り替え手段を開放し、反応物質供給部から発電部へ反応物質が供給される。
反応供給部を外装する外装材については、発電部で既述した外装材と同じものが用いることが出来る。
また、第１の教材用電池も、第２の教材用電池と同様に切り替え手段を設けてもよい。

（本発明の教材用電池の好ましい実施形態）
以下、本発明の教材用電池の好ましい実施形態について、図面を参照して説明するが、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。なお、説明の便宜上、反応物質に過酸化水素を用いた例により、本発明の教材用電池を説明する。

図１に示す教材用電池は、発電部１００、充電部２００および、反応物質供給部３００の３部から構成され、その他に、切り替え手段４００、５００、４１０、及び５１０、充電するための電源であって反応物質を供給するための電源を兼ねる外部電源６００が設けられている。充電部２００は、過酸化水素を再生するための反応物質再生手段２１０と、酸性媒体および／または塩基性媒体を再生するための媒体再生手段２２０を備える。

この教材用電池の発電部１００は、既述のように、酸性媒体として硫酸水溶液などの液体を、塩基性媒体として水酸化ナトリウム水溶液などの液体を用いた、酸−塩基バイポーラー反応場を有する。後述するように、発電に伴って、過酸化水素、硫酸水溶液および水酸化ナトリウムから、酸素および水と硫酸ナトリウムとが発電生成物として生成する。これらの発電生成物の増大に伴い起電力が低下していく。

その際、下記表１のように各切り替え手段を開閉しておけば、この教材用電池を一次電池、二次電池、及び燃料電池の教材用電池として用いることが出来る。例えば、切り替え手段５００を開放し（閉じてもよい）、残りの切り替え手段４００、４１０、５１０を閉じておけば、反応物質が消費されてしまえば、発電が終了してしまう一次電池となる。あるいは切り替え手段４００、４１０を開放し、残りの切り替え手段５００、５１０を閉じれば、起電力の低下に伴い、充電部２００にて、充電が行われる。これにより、本発明の電池が二次電池の教材用電池として使用できる。さらに切り替え手段４００、４１０を閉じ、切り替え手段５００、５１０を開放しておけば、起電力の低下は起こらず、反応物質供給部３００から反応物質が供給され続けるので、大きな起電力の低下は起こらない。これにより、本発明の電池が燃料電池の教材用電池として使用できる。

充電に際しては、まず、酸素および水を反応物質再生手段２１０に供給し、外部電源６００を使用して過酸化水素に再生し、これを再び発電部の酸性媒体および／または塩基性媒体中へ供給する。一方、中和塩である硫酸ナトリウムは、媒体再生手段に供給され、外部電源６００を使用して硫酸および水酸化ナトリウムに再生され、これらを再び酸性媒体および塩基性媒体中へそれぞれ供給する。

反応物質の供給に関しては、外部電源６００を使用して、過酸化水素のみを発電部に供給する場合だけでなく、過酸化水素を酸性媒体／塩基性媒体に分散した状態でも供給してよい。また、電源を利用せず、例えば発電部の上部に反応物質供給部３００を設置して、位置エネルギーを利用して供給する方法も可能である。このようにして、本発明の教材用電池の発電および充電、反応物質供給が行われる。

発電部の具体的な構成に関して、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、発電部の概略上面透視図である。ここに示されるように、当該発電部は、スライドガラス１１とカバーガラス１０との間にスペーサ（図２（ｂ）における部材１２）を介し、毛管流路１（深さ５０μｍ、幅１０００μｍ）が形成されている。この毛管流路１は、液体の酸性媒体と、液体の塩基性媒体と、を供給するための入口２及び入口３と、排出するための出口４及び出口５とを有する。例えば、入口２から酸性水溶液ａを、入口３から塩基性水溶液ｂを、毛管流路１に流した時、両液体の粘度やその流速が適当である場合には毛管流路１の合流部分において層流（レイノルズ流）が形成される。

この層流について、図２（ｂ）を参照して説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）の発電部をＡ−Ａ’で切断した際に、両媒体の流れの方向からみた断面図である。これに示すように、酸性水溶液ａ及び塩基性水溶液ｂは、毛管流路１の合流部分であっても、それぞれ、層流ａ及び層流ｂを形成し、各々が互いに接しながらも、交じり合うことなく、毛管流路１内を流れることになる。そして、層流ａ及び層流ｂを形成したまま、合流部分を通過して、分岐部分で再び分離し、出口４から酸性水溶液ａが、出口５から塩基性水溶液ｂが排出され、それぞれが独立して回収される。このような層流を形成している毛管流路１の合流部分の底部には、２つの電極６及び８が設けられており、それぞれの接続端子７及び９を通じて、外部へと電力を取り出すことができる。

このように、層流を形成し、２つの液体が接触しているにも関らず、混合しない状態を形成するためには、毛細管流路における粘性流体の特性を応用することで実現できる。これは、液体の粘性、流速、また、流路形状（管径或いは流路幅や深さ）に依存した定数のレイノルズ数（Ｒｅ）が約２０００以下の場合に起きる現象（レイノルズ流現象）である。この現象を用いると、毛細管中で、適当な粘度と移動速度とを有する２液は、層流となって、非常に混合し難くなる特性が付与される。そのため、両層流に、第１の物質と第２の物質とをそれぞれ共存させた状態で、それぞれの層流中に電極を置くと、酸性媒体中における酸化反応と、塩基性媒体中における還元反応が生じ、起電力が発現して、電池となる。

この発電部を１つの単位セルとすると、複数の単位セルを並列若しくは直列に配列することで、それぞれ電流量及び電圧の増加が達成される。このような毛細管流路の複雑な構造は、ガラス、石英、シリコン、高分子フィルム、プラスチック樹脂、セラミック、グラファイト、金属等の基板（チップ）に対して、超音波研削や半導体フォトリソグラィー、また、サンドブラストや射出形成、シリコン樹脂モールディング等の既存加工技術を適用することで容易に作製できる。さらにそれらの流路の上部に、例えば、ガラスで外装することにより、発電部内部が見え、さらには安全性も高まる。加えて、単位セルの集積化及び複数のチップを重ねる積層化を行うことで、所望の性能（電流及び電圧）を有する発電部が構築可能になる。これにより電池の直列、並列の効果が非常に効果的に学習しやすくなる。

充電部のうちの反応物質再生手段は、例えば、陽極と陰極とを有し、陰極に発電反応によって生じた酸素と水とを供給して過酸化水素を製造する電解セルである。

また、媒体再生手段は、例えば、陽イオン交換膜、バイポーラー膜、及び陰イオン交換膜を順に複数配列させ、塩室、酸室、及び塩基室を形成させ、塩室に発電反応によって生じた中和塩水溶液（硫酸ナトリウム水溶液）を供給して電気透析を行い、酸室及び塩基室から酸性水溶液及び塩基性水溶液を排出させる三室セル方式のセルである。

充電部に用いる電源としては、商用電源、太陽電池や本発明の電池で使用されない余剰電力を用いればよい。発電部と充電部とを組み合わせることによって、二次電池が構成される。

酸性媒体として硫酸水溶液、塩基性媒体として水酸化ナトリウム水溶液を使用した場合、発電反応によって、酸素ガス及び硫酸ナトリウム水溶液が生成される。充電部ではこれらの生成物から反応物である過酸化水素、硫酸水溶液、及び水酸化ナトリウム水溶液を再生する操作を行う。

充電部の具体的な構成について、図３〜図５を用いて説明する。
図３は、充電部の全体構成を概略的に示した説明図である。まず、硫酸ナトリウム水溶液を電気透析槽２０に供給する。電気透析槽２０は、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜を場合によっては交互に組み合わせて、脱塩室２２と濃縮室２４とからなる構造を有している。そして、その両端に陽極及び陰極が配置され、直流電流を印加させて透析操作が行われる。その結果、脱塩室２２からは淡塩水化された水が、濃縮室２４からは濃縮された硫酸ナトリウム水溶液が生成する。淡塩水化された水は、適宜、反応物質再生手段３０の陰極室３４、陽極室３２や、媒体再生手段４０の塩室４２、酸室４４、塩基室４６に供給される。また、硫酸ナトリウム水溶液は、媒体再生手段４０の塩室４２に供給される。

過酸化水素の再生に用いる反応物質再生手段（図３の符号３０）は、図４に示すように、陽極３２ａを配した陽極室３２と陰極３４ａを配した陰極室３４とが隔膜３６によって仕切られた電解セル構造をとる。脱塩室２２から供給される水を陽極室９および陰極室１０に、発電によって生じた酸素を陰極室１０に供給し、陽極と陰極との間に直流電圧を印加することにより、陰極で過酸化水素が生成し、過酸化水素水溶液が再生される。そして、陰極室１１で生成したこの過酸化水素水溶液を発電部へ供給する。一方、陽極室９の液（水）は再び、反応物質再生手段３０に循環供給される。

酸性媒体や塩基性媒体の再生に用いる媒体再生手段（図３の符号４０）は、図５に示すように、電気透析槽となっており、陽イオン交換膜４７、陰イオン交換膜４８、及び、バイポーラー膜４９を交互に組み合わせることによって、塩室４２、酸室４４及び塩基室４６が形成されている。濃縮室３から供給される硫酸ナトリウム水溶液は、バイポーラー膜を利用した電気透析槽である媒体再生手段４０のうち、塩室４２に供給される。端部に配置された陽極及び陰極に直流が印加され、水の分解を伴う電気透析が行われる。その結果、酸室４４にはバイポーラー膜４９での水分裂現象によって生じた水素イオンと、塩室４２から透過してきた硫酸イオンとから硫酸が再生し、塩基室４６にはバイポーラー膜４９での水分裂現象によって生じた水酸化物イオンと、塩室４２から透過してきたナトリウムイオンとから水酸化ナトリウムが再生する。酸室４４及び塩基室４６には、脱塩室２２から排出された水の一部を供給し、酸・塩基の濃度を調整し、発電部へ供給する。塩室４２に供給された液は淡塩水化され、再び、媒体再生手段４０に供給される。さらにこれらを透明な材料、たとえばガラスや、ポリマー樹脂で外装することにより、充電部内部の反応を目で確認でき、学習効果が向上する。

以上のような充電部を設けることで、簡易な構成で電解質構成成分（反応物質や酸性媒体および塩基性媒体）の再利用を図りながら充放電を可能とすることができる。なお、反応物質を２種使用する場合は、それぞれについて反応物質再生手段を設ければよい。

反応物質供給部の具体的な構成について、図６を用いて説明する。図６は、反応物質供給部の全体構成を概略的に示した説明図である。まず、過酸化水素を保持する保存室５１があり、そこに供給口５２が設置されており、そこから発電部へ過酸化水素が供給される構造となる。供給の方法によって外部電源を使用する場合がある。使用する場合は、保存室５１に供給ポンプ等の供給装置を接続して、この装置による動力によって供給する。使用しない場合は、予め、保存室５１内の過酸化水素を加圧しておいたり、あるいは、保存室を発電部の上部に設置することによって、切り替え手段を開放するだけで供給が可能となる。

なお、過酸化水素を酸性媒体および塩基性媒体とともに供給する場合は、それぞれについて別々の反応物質供給部を設置すればよい。さらにこれらを透明な材料、たとえばガラスや、ポリマー樹脂で外装することにより、反応物質供給部の反応物質の状態を目で確認でき、学習効果が向上する。

以上のような反応物質供給部を設けることで、本発明の教材用電池が燃料電池の教材として利用できる。

＜発電機構＞
本発明の教材用電池の発電機構（発電方法）は、第１の電極及び酸性媒体、並びに、第２の電極及び塩基性媒体が可撓性を有し、第１の電極が配置された酸性媒体と、第２の電極が配置された塩基性媒体とを互いに隣接もしくは近設させた状態で、前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに含有されてなる反応物質により、前記酸性媒体中での酸化反応及び前記塩基性媒体中での還元反応を促進させて、発電を行うものである。

本発明の発電方法によれば、上述の如く、電極における酸化・還元反応により生ずる起電力が、電池から得られる電圧の主体的な源となり、その結果、安定に電力を発生させることができる。

本発明の電池を用い、既述の第１の物質及び第２の物質を使用した場合、本発明の発電方法における発電機構は、以下に説明する通りになると考えられる。

すなわち、酸性媒体に含有される第１の物質が水素イオンを伴って第１の電極から電子を奪う反応を生じさせ、かつ、塩基性媒体に含有される第２の物質が水酸化物イオンを伴って第２の電極へと電子を供与する反応を生じさせて発電が起こると考えられる。
この反応により、第１物質及び第２の物質が内部エネルギーの低い複数の物質に化学変化することによって、その分のエネルギーを外部に電気エネルギーとして放出して電力を得ることができる。

特に、酸性媒体が酸性水溶液、塩基性媒体が塩基性水溶液からなり、第１の物質及び第２の物質が、いずれも過酸化水素である場合、過酸化水素は、分解反応によって水と酸素を生成する。この化学反応を、本発明の電池のように、別々の電極で酸化反応と還元反応に分離して行うと、起電力が生じる。即ち、過酸化水素は、酸性反応場では酸化作用を有し、一方で、塩基性反応場では還元作用を有するため、起電力が発生する。このような、酸−塩基バイポーラー反応場を利用することで、本発明の発電方法が実現される。
より具体的に、本発明の発電方法について、図７を参照して説明する。図７に示されるように、正極（第１の電極）が配置されている酸性反応場（酸性媒体）では、過酸化水素が酸化剤として働き、下記（式１）に示されるように、過酸化水素の酸素原子が電極から電子を受け取り、水を生成する。また、負極（第２の電極）が配置されている塩基性反応場（塩基性媒体）では、過酸化水素が還元剤として働き、下記（式２）に示されるように、過酸化水素の酸素原子が電極に電子を供与して、酸素と水を生成する。これら反応により、起電力が発生し、発電が行われる。

Ｈ₂Ｏ₂（ａｑ）＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ・・・（式１）
Ｈ₂Ｏ₂（ａｑ）＋２ＯＨ^- → Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- ・・・（式２）
上記式中、「（ａｑ）」とは水和状態を示す（下記（式３）も同様）。

なお、反応場内においては、酸性媒体中に存在する水素イオンの対アニオン（図７中では、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-に相当する）と、塩基性媒体中に存在する水酸化物イオンの対カチオン（図７中では、ナトリウムイオンＮａ⁺）と、が両媒体の界面で塩を形成することで、電荷のバランスを取ることができる。このとき、形成される塩は、水溶液中では通常イオン化する方が安定であるため、塩の形成による起電力への効果は、電極における酸化或いは還元反応における起電力と比べるとはるかに小さい。この結果、電極反応が主体的となる本発明のバイポーラー型電池は、酸性・塩基性媒体界面における中和反応を主体としたバイポーラー型電池と比べ、安定した発電を行える性質を有することとなる。

上記（式１）と（式２）の半反応式をまとめたイオン反応式（電荷のバランスが、酸性・塩基性媒体界面での水のイオン分解によって取られる場合）を下記（式３）に示す。

Ｈ₂Ｏ₂（ａｑ） → Ｈ₂Ｏ＋１／２Ｏ₂ ・・・（式３）

熱力学計算によると、この反応のエンタルピー変化（ΔＨ）、エントロピー変化（ΔＳ）、ギブスの自由エネルギー変化（ΔＧ、温度Ｔ：単位はケルビン（Ｋ））は、それぞれ、ΔＨ＝−９４．７ｋＪ／ｍｏｌ、ΔＳ＝２８Ｊ／Ｋｍｏｌ、ΔＧ＝ΔＨ−ＴΔＳ＝−１０３．１ｋＪ／ｍｏｌとなる。

また、理論起電力（ｎは反応に関る電子数、Ｆはファラデー定数）と理論最大効率（η）は、それぞれ、Ｅ＝−ΔＧ／ｎＦ＝１．０７Ｖ、η＝ΔＧ／ΔＨ×１００＝１０９％と計算される。この反応の理論的特徴は、過酸化水素分解反応でエントロピーが増加してΔＳの符号が正になることである。そのため、ΔＧの絶対値がΔＨより大きくなり、理論最大効率が１００％を超える。これとは異なり、水素−酸素系やダイレクトメタノール系等、他の燃料電池反応では、ΔＳの符号は負である。

これらのことから、当該発電方法において、第１の物質及び第２の物質に過酸化水素を用いた場合の理論的特徴を以下に挙げる。

従来より知られている他の燃料電池では、原理的に、エントロピー変化量ＴΔＳを発電に利用できず熱として放出する。一方、本機構では、外界から熱を吸収して得たエントロピーの増加分を発電に利用することができる。そして、反応温度Ｔが高い場合の方が、ΔＧの絶対値が大きくなり起電力が高くなる。

実用電池では、イオン反応式の理論起電力だけで出力電圧が決まるのではなく、過電圧等によって電圧が低下し同時に熱を発生する。例えば、単位電池をスタックして集積化する場合、或いは、電池を製品内部に組み込む場合に、この熱が大きな問題になる。しかし、上述のように、本発明の発電方法によれば、理論的にはその熱を発電に再利用することができ、全体的な熱発生が少なくなる可能性がある。また、発電に利用できるエネルギー総量に相当するΔＧは水素・酸素燃料電池に比較して半分程度であるが、ｎ＝１（水素−酸素系の燃料電池の場合はｎ＝２）であるために理論起電力は同程度となる。

また、上記のことから、本発明の電池において、第１の物質及び第２の物質に過酸化水素を用いた場合には、既述のような効果の他に、下記のような効果が得られる。

（１）過酸化水素は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する反応に伴って二酸化炭素を放出せず、その代わりに酸素を放出する。また、電池内の構造要素に、発火物・可燃物や有害な重金属類等を使用しないため、容易な外装で電池を構成できる。それ故、教材用として利用が可能である。
（２）過酸化水素は、常温常圧で液体であるため、貯蔵のために重い金属ボンベ等を必要としないし、水と自由に混合できるためゲル化が容易であり、貯蔵性・携帯性が優れている。
（３）酸化剤として酸素を使用する必要が無いため、空気量の限られた閉鎖環境下、また空気中に塵やゴミ等が多く含まれる過酷環境下でも、その使用に支障がない。
（４）過酸化水素は、その工業的製造方法として有機法（アントラキノンを中間体（何度も再利用するので消費しない）として、触媒による水素の接触還元と空気酸化とによって合成する方法）等がすでに確立されており、現状でも安定的に安価で供給されている。これに加え、周辺部品が少なくシンプルな構造で電池を構成し得るため、電池システム全体の重量及び体積を小さくでき、かつ低コスト化や高耐久性を図れる。

上記においては、第１の物質及び第２の物質として過酸化水素を用いた発電方法について述べたが、両物質に他の物質（化合物）を用いた場合にも、電極側で酸化・還元反応を生じさせる点では実質的に同じである。そのため、本発明の教材用電池及び本発明の発電方法によれば、その発電機構により、安定した発電が可能となる。

また、本発明の電池及び発電方法において、電極反応で生成した生成物は、電極間ではなく電極近傍に生成される。そのため、これらを除去する必要がある場合には、電池構造を内包する外装材の外側から容易に除去することが可能となる。また、電極反応で生成した生成物が水であって、酸性媒体或いは塩基性媒体が水溶液である場合、若しくは、第１の物質及び第２の物質を水溶液に混合、溶解、分散させて用いる場合には、生成された水を両媒体中に拡散させることや、電池外に排出することで、容易に電極近傍から除去することができる。

以上、本発明の教材用電池について説明したが、本発明の構成は、既述のような構成に限定されるものではない。例えば、発電部、充電部および反応物質供給部のそれぞれをつなぐ流路を透明としたり、酸性媒体や塩基性媒体、反応物質を含有する溶液の少なくとも１つに顔料を添加し色を付けることで、媒体や反応物質の流れをより見やすくすることができる。

以下に本発明の効果を実施例及び比較例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

［実施例１（一次電池としての利用）］
図１に示す教材用電池で、発電部に図２に示す発電部用いた教材用電池について、下記条件にて発電実験を行い、電流−電圧特性を求め、電池の評価を行った。

（発電部）
まず、市販の３質量％過酸化水素水溶液（日本薬局方オキシドール、健栄製薬株式会社）に、硫酸（特級９６％、関東化学株式会社）及び蒸留水を混合して、試料液Ａ（過酸化水素９．１ｍｍｏｌ／ｌ、硫酸０．１Ｎ（０．０５ｍｏｌ／ｌ））を調製した。
また、試料液Ａと同じ過酸化水素水溶液に水酸化ナトリウム（特級９７％、関東化学株式会社）及び蒸留水を混合して、試料液Ｂ（過酸化水素９．１ｍｍｏｌ／ｌ、水酸化ナトリウム０．１Ｎ（０．０５ｍｏｌ／ｌ））を調製した。

そして、図３に示す入口２から試料液Ａを、入口３から試料液Ｂをそれぞれ外部ポンプにより注入した。試料液Ａ，Ｂの流速は、いずれも、流路中央部分で２４μｌ／ｓｅｃ（レイノルズ数Ｒｅ：約６７０）とし、実験温度は室温（約２０℃）であった。また、当該発電部を以下のような透明な外装材で覆った。すなわち、流路の上面、下面をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の透明フィルムで固定することによって、発電部全体がＰＥＴで覆われる構造にした。

試料液Ａと接触する流路底面の第１の電極（白金薄膜、面積：０．０２６ｃｍ²）８表面ではガス発生が見られなかったのに対して、試料液Ｂと接触する流路底面の第２の電極（白金薄膜、面積：０．０２６ｃｍ²）６表面で酸素ガスの発生が観測された。これは、第１の電極８は、既述の（式１）の反応によって水が生成して正極の働きをし、第２の電極６は、既述の（式２）の反応によって酸素と水が生成して負極の働きをしたためである。このように発電内部が観察できることから教材用電池として利用できることがわかった。

当該電池の発電部で得られた電流−電圧特性を図８に示す。本実施例の場合、開放電圧６４８ｍＶ、また、最大出力１６３μＷ／ｃｍ²（起電圧：２３１ｍＶ、電流０．７ｍＡ／ｃｍ²の時）が得られた。本発明の電池が教材用一次電池として利用できることがわかった。

［実施例２（二次電池としての利用）］
図１に示す切り替え手段４００および４１０を切り替えて図３〜図５に示す充電部と発電部の間を開放して、二次電池の教材用電池として、下記条件にて発電実験を行い、電流−電圧特性を求め、電池の評価を行った。発電部は実施例１と同じものを用いた。

（充電部）
実施例１と同様の発電を行った後、切り替え手段４００，４１０のみを開放して図３〜図５（但し、電気透析槽２０は除く構成とした）に示すようにして充電を行った。すなわち、まず、３室型バイポーラー膜電気透析槽（媒体再生手段４０）の塩室４２に発電後に生成した硫酸ナトリウム水溶液を供給した。酸室４４および塩基室４６には発電後に生成した水を連続供給しながら、陽極−陰極間に直流電圧（充電用電源には、商用電源（１００Ｖ）で駆動する定電圧定電流直流安定化電源（菊水電子工業製、ＰＭＣ−３５−０．５Ａ）を使用（反応物質再生手段３０も同様）、４Ｖ）をかけた。その結果、酸室４４および塩基室４６のそれぞれからは、一定濃度の硫酸及び水酸化ナトリウムが連続的に再生されたことが確認された。なお、充電部の外装材として、実施例１の発電部に用いた材料かなる外装材を用い、当該充電部を覆った。

また、反応物質再生手段３０としての過酸化水素セル（ペルメレック電極株式会社製、１．２５ｄｍ²隔膜型）に、陽極３２ａ−陰極３４ａ間に直流電圧（５Ｖ）をかけながら、陽極室３２および陰極室３４のそれぞれ５ｍｌ／ｍｉｎの速度で、発電後に生成した硫酸ナトリウム水溶液を０．０２ｍｏｌ／ｌに調整して供給し、陰極室３４は大気開放として発電後に生成した酸素も同時に供給したところ、０．１ｍｏｌ／ｌの過酸化水素水溶液が連続的に再生できたことが確認された。

充電部で再生された過酸化水素および硫酸、水酸化ナトリウムをそれぞれ、反応物質および酸性媒体、塩基性媒体として使用し発電を行ったところ、図８に示すように、実施例１の発電と同等の特性が得られた。従って、本発明の電池が教材用二次電池として利用できることがわかった。

［実施例３（燃料電池としての利用）］
図６に示す反応物質供給部と発電部の間の切り替え手段５００，５１０を開放して燃料電池の教材用電池として、下記条件にて発電実験を行い、電流−電圧特性を求め、電池の評価を行った。発電部は実施例１と同じものを用いた。

（反応物質供給部）
まず、市販の３質量％過酸化水素水溶液（日本薬局方オキシドール、健栄製薬株式会社）に、硫酸（特級９６％、関東化学株式会社）及び蒸留水を混合して、反応物質混合液Ａ（過酸化水素９．１ｍｍｏｌ／ｌ、硫酸０．１Ｎ（０．０５ｍｏｌ／ｌ））を調製した。

また、反応物質混合液Ａと同じ過酸化水素水溶液に水酸化ナトリウム（特級９７％、関東化学株式会社）及び蒸留水を混合して、反応物質混合液Ｂ（過酸化水素９．１ｍｍｏｌ／ｌ、水酸化ナトリウム０．１Ｎ（０．０５ｍｏｌ／ｌ））を１リットルずつ調製した。それぞれを反応物質供給部の保存室（別々の反応物質供給部、ポリプロピレン製の透明の容器）に保存した。

そして、図３に示す入口２から反応物質混合液Ａを入れている保存室の供給口を接続し、入口３から反応物質混合液Ｂを入れている保存室の供給口を接続して、それぞれ外部ポンプにより注入した。反応物質混合液Ａ，Ｂの流速は、いずれも、流路中央部分で２４μｌ／ｓｅｃ（レイノルズ数Ｒｅ：約６７０）とし、実験温度は室温（約２０℃）であった。

実施例１同様、反応物質混合液Ａと接触する流路底面の第１の電極（白金薄膜、面積：０．０２６ｃｍ²）８表面ではガス発生が見られなかったのに対して、反応物質混合液Ｂと接触する流路底面の第２の電極（白金薄膜、面積：０．０２６ｃｍ²）６表面で酸素ガスの発生が観測された。これは、第１の電極８は、既述の（式１）の反応によって水が生成して正極の働きをし、第２の電極６は、既述の（式２）の反応によって酸素と水が生成して負極の働きをしたためである。この状態で、電流−電圧特性を測定したところ、実施例１と同様な測定結果が得られた。さらに１０分後、３０分後、１時間後に同様に測定したところ、最初と同様な特性が得られた（図９に示す）。従って本発明の電池が教材用燃料電池として利用できることがわかった。

（比較例１）
試料液に過酸化水素を含有させなかった以外は、実施例１と同様の電池について、実施例１と同様の評価を行った。発電部の入口２及び入口３から注入した試料液Ａ及びＢの硫酸及び水酸化ナトリウム濃度は、いずれも０．１Ｎであった。なお、流速及び実験温度は実施例１と同一である。電流−電圧特性を図８に示す。比較例１では、液間電圧による開放電力（２００ｍＶ）は測定されたものの、有意な電流は得られなかった。

以上、本実施例によれば、図８に示すように電圧及び電流が得られており、発電部として、安定して十分な電気エネルギーを供給できることが判明した。さらに、充電部、反応物質供給部の切り替えによって、一次電池、二次電池、燃料電池として使用が可能であり、それぞれの一部を透明とすることでそれらの内部が観察できることから、教材用の電池有効に供することができる。

本発明の教材用電池の構成を示す説明図である。 （ａ）は、本発明の電池における発電部の１実施態様の概略上面透視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す発電部をＡ−Ａ’で切断した際に、両媒体の流れの方向からみた断面図である。 充電部の全体構成を概略的に示した説明図である。 反応物質再生手段の構成を概略的に示した説明図である。 媒体再生手段の構成を概略的に示した説明図である。 反応物質供給部の構成の概略図である。 本発明の電池における発電機構を示す図である。 実施例１、２および比較例１における電流−電圧特性を示す図である。 実施例３における電流−電圧特性を示す図である。

符号の説明

１・・・毛管流路
２、３・・・入口
４、５・・・出口
６・・・電極（第２の電極）
７・・・接続端子
８・・・電極（第１の電極）
９・・・接続端子
１０・・・カバーガラス
１１・・・スライドガラス
１２・・・スペーサ
ａ・・・酸性水溶液
ｂ・・・塩基性水溶液
１００・・・発電部
２００・・・充電部
３００・・・反応物質供給部
４００・・・切り替え手段
４１０・・・切り替え手段
５００・・・切り替え手段
５１０・・・切り替え手段
６００・・・外部電源
２１０・・・反応物質再生手段
２２０・・・媒体再生手段

Claims (24)

1. 発電部と充電部および反応物質供給部を具備する教材用電池であって、
   前記発電部が、少なくとも、第１の電極が配置された酸性媒体と、第２の電極が配置された塩基性媒体とを備え、
   前記酸性媒体及び前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、
   前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、
   前記充電部が、前記発電部における発電により生成した発電生成物から、前記反応物質を再生する反応物質再生手段を備え、
   前記反応物質供給部が前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに前記反応物質を供給する反応物質供給手段を備え、
   前記発電部、前記充電部、及び、前記反応物質供給部の少なくとも一部が、その内部を観察することが可能な外装材により覆われてなることを特徴とする教材用電池。
2. 発電部と充電部および反応物質供給部を具備する教材用電池であって、
   前記発電部が、少なくとも、第１の電極が配置された酸性媒体と、第２の電極が配置された塩基性媒体とを備え、
   前記酸性媒体及び前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、
   前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、
   前記充電部が、前記発電部における発電により生成した発電生成物から、前記反応物質を再生する反応物質再生手段を備え、
   前記反応物質供給部が前記酸性媒体及び前記塩基性媒体の少なくともいずれかに前記反応物質を供給する反応物質供給手段を備え、
   少なくとも、前記発電部と、前記充電部及び前記反応物質供給部との間に、発電生成物、反応物質の移動を自由に制御できる切り替え手段を備えていることを特徴とする教材用電池。
3. 前記発電部、前記充電部、及び、前記反応物質供給部の少なくとも一部が、その内部を観察することが可能な外装材により覆われてなることを特徴とする請求項２に記載の教材用電池。
4. 前記外装材が、ガラス、ポリマー樹脂、セラミック、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、及びグラッシーカーボンからなる群より選択される１以上の材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の教材用電池。
5. 前記充電部が、前記発電生成物から、前記酸性媒体および／または前記塩基性媒体を再生する媒体再生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
6. 前記反応物質が、前記酸性媒体及び前記塩基性媒体のそれぞれに含有されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
7. 前記酸性媒体に含有される前記反応物質としての第１の物質と、前記塩基性媒体に含有される前記反応物質としての第２の物質とが、同一の物質であることを特徴とする請求項６に記載の教材用電池。
8. 前記反応物質が、過酸化水素であることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
9. 前記反応物質再生手段が、陽極と陰極とを有し、前記陰極に前記発電生成物である酸素および水を供給して、前記過酸化水素を再生する手段であることを特徴とする請求項８に記載の教材用電池。
10. 前記反応物質供給部が、前記反応物質を当該反応物質を含有する液体もしくは固体、あるいは、化学変化によって当該反応物質を生成する液体もしくは固体、の状態で供給することを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
11. 前記酸性媒体が酸性水溶液からなり、かつ、前記塩基性媒体が塩基性水溶液からなることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
12. 前記媒体再生手段が、陽イオン交換膜、バイポーラ膜及び陰イオン交換膜を配置して、塩室、酸室及び塩基室を形成させ、前記塩室に前記発電生成物である中和塩水溶液を供給して電気透析を行い、前記酸室及び前記塩基室のそれぞれから、前記酸性水溶液及び前記塩基性水溶液を排出させる３室セル方式のセルを具備することを特徴とする請求項１１に記載の教材用電池。
13. 前記発電部において、前記酸性水溶液と前記塩基性水溶液とがその内部で層流を形成する流路構造が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の教材用電池。
14. 前記酸性水溶液が、硫酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、塩化水素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、過塩素酸、過ヨウ素酸、オルトリン酸、ポリリン酸、硝酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロ珪酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロ砒酸、ヘキサクロロ白金酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、クエン酸、蓚酸、サリチル酸、酒石酸、マレイン酸、マロン酸、フタル酸、フマル酸、及びピクリン酸からなる群より選択される酸を１以上含むことを特徴とする請求項１１に記載の教材用電池。
15. 前記塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化アンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、及び水酸化テトラブチルアンモニウムを含む群から選択される塩基を１以上含む、又は、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、トリポリリン酸ナトリウム、トリポリリン酸カリウム、アルミン酸ナトリウム、及びアルミン酸カリウムを含む群から選択されるアルカリ金属塩を１以上含むことを特徴とする請求項１１に記載の教材用電池。
16. 前記酸性媒体が酸性のイオン交換部材から構成され、かつ、前記塩基性媒体が塩基性のイオン交換部材から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
17. 前記イオン交換部材が、ポリビニルスチレン系のイオン交換樹脂、ポリフルオロヒドロカーボンポリマー系の高分子電解質膜、ポリビニルスチレン系のイオン交換膜、及び繊維状ポリスチレン系のイオン交換濾紙からなる群より選択されることを特徴とする請求項１６に記載の教材用電池。
18. 前記酸性媒体が酸性のイオン伝導性ゲルから構成され、かつ、前記塩基性媒体が塩基性のイオン伝導性ゲルから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
19. 前記酸性のイオン伝導性ゲルが、酸性水溶液を水ガラス、無水二酸化ケイ素、架橋ポリアクリル酸、寒天、又はその塩類によりゲル化してなることを特徴とする請求項１８に記載の教材用電池。
20. 前記塩基性のイオン伝導性ゲルが、塩基性水溶液をカルボキシメチルセルロース、架橋ポリアクリル酸、又はその塩類によりゲル化してなることを特徴とする請求項１８に記載の教材用電池。
21. 前記第１の電極が、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、及びグラッシーカーボンからなる群より選択される１以上の材料から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
22. 前記第２の電極が、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、及びグラッシーカーボンからなる群より選択される１以上の材料から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
23. 前記第１の電極及び第２の電極が、板状、薄膜状、網目状、又は繊維状であることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。
24. 前記第１の電極及び前記第２の電極が、無電解メッキ法、蒸着法、又はスパッタ法により、前記酸性媒体及び前記塩基性媒体のそれぞれ配置されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の教材用電池。

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