JP2802326B2 - 教材用レドックス電地 - Google Patents

教材用レドックス電地

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JP2802326B2
JP2802326B2 JP63231274A JP23127488A JP2802326B2 JP 2802326 B2 JP2802326 B2 JP 2802326B2 JP 63231274 A JP63231274 A JP 63231274A JP 23127488 A JP23127488 A JP 23127488A JP 2802326 B2 JP2802326 B2 JP 2802326B2
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battery
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浩子 金子
丈夫 小沢
健 野崎
隆道 青木
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工業技術院長
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、フロー型電池の正極室と負極室に酸化還
元反応によって変色する正極液と負極液をそれぞれ循環
通水し、且つ酸化還元による変色を外部より視認できる
ようにした教材用レドックス電池に関するものである。
(従来の技術) 電池、エネルギー変換などを含む酸化還元の概念を理
解させることは中高生の理科教育課程における重要な課
題である。この目的のために、従来中高生の理科教育課
程では酸水素燃料電池の原理を利用した教材用電池など
が使用されている。
(発明が解決しようとする問題点) しかし、これら従来より使用されている教材用電池に
は酸化還元の基礎概念、起電力の意味などを理解させる
ためには難点があり、十分な教育効果が挙げられていな
い。
例えば、上述の酸水素燃料電池は白金、ニッケルなど
の電極を使用して水を電気分解し、正極に酸素ガス、負
極に水素ガスがそれぞれ1:2の割合で生成することを認
識させることにより、水がH2Oの組成比で、結合するこ
とを教えると同時に、酸化還元の基礎概念、更には起電
力の意味等を理解させることを目的としているが、実際
にはこれらの反応は主に白金、ニッケルなどの触媒を使
用するため複雑であり、しかも生成する酸素ガス、水素
ガスは逃げ易く、捕集し難いところから酸素ガスと水素
ガスが1:2の割合で得られず、したがって反応が化学量
論的に進行したことを理解させるには十分でなく、また
電池の管理も困難である。
なお、中高生の教科書に酸化還元電池の例として挙げ
られているボルタ・ダニエル電池、鉛電池等は金属イオ
ンの酸化還元反応の他に、複雑な金属表面での析出反
応、ガス発生反応が関与しており、実際の電池内で行な
われている酸化還元反応を理解させるのは極めて困難で
あり、教材化の目的には適さない。
そこで、この発明においては単純に酸化還元反応を外
部から視認させて酸化還元の基礎概念、更には起電力の
意味などを十分に理解できるような教材用レドックス電
池を提供することを目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) 以上の目的を達成するために、この発明では隔膜によ
って画された正極室と負極室を有する単電池の1又は2
以上を配列し、該正極室並びに負極室はそれぞれ通水路
で連結し、該通水路には酸化還元反応により変色する正
極液と負極液をそれぞれ循環通水させるとともに、単電
池乃至通水路を透明材質で構成して上記酸化還元反応に
伴う色の変化を外部より視認できるようにした教材用レ
ドックス電池を提案するものである。
ここで、この発明において正極液と負極液は水溶液中
でイオン化するレドックスイオン対で構成する。このよ
うなレドックスイオン対としては、例えば鉄−チタン、
鉄−バナジウム、鉄−クロム、バナジウム−マンガン、
チタン−マンガン、セリウム−チタン、セリウム−バナ
ジウム、コバルト−バナジウム、コバルト−チタン、セ
リウム−鉄、コバルト−鉄、バナジウム−チタン、更に
上記金属の錯イオン対、キレートイオン対等を挙げるこ
とができる、 このうち、特にマンガン、チンタン、セリウム、コバ
ルト、バナジウムの組み合わせによるレドックスイオン
対は、酸化還元反応による色の変化が明瞭に表われ、こ
れらのレドックスイオン対による正極液、負極液を使用
することにより教材用レドックス電池として最適なもの
が得られる。
また、溶解液としては塩酸水溶液、硫酸水溶液などが
使用され、これらの溶解液に例えば上記レドックスイオ
ン対を加えてそれぞれ正極液と負極液を調整する。
一方、単電池は例えば透明アクリル板のように耐酸性
の透明プラスチック板を外壁板とし、その内部に陽イオ
ン交換膜のような隔膜で画された正極室と負極室を有
し、且つ正極室と負極室には炭素繊維を材質とした電極
を挿入し、電極にはリードのための炭素棒を設けたもの
が使用される。
これらの単電池は1又は2以上を配列し、更に単電池
の正極室並びに負極室はそれぞれ通水路で連結し、階通
路にはポンプ等を介在させ上述のような正極液並びに負
極液を循環通水させて所謂フロー型電池を構成する。そ
して、このフロー型電池には所定電流を通電して酸化還
元反応を行なわせる。
なお、単電池の配列数、通電する電流密度、正極液並
びに負極液の濃度等は授業時間内(例えば、1時間以
内)で1サイクルの充放電反応が完了するように設定す
ることが好ましい。
また、この発明では色の変化を伴う酸化還元反応を外
部より視認できるように単電池乃至通水路を透明材質で
構成したが、このほかに通水路に比色計を介在させるこ
とにより、色の変化をより客観的に認識させることがで
きる。
更に、この他電池の電流、電圧、抵抗の変化を視認す
るために豆電球やブザーなどを負荷としたり、簡単なク
ーロンメータを接続するようにしてもよい。
(作用) 以上のように、この発明ではフロー型電池内に電解液
中で酸化還元反応を行ない、且つ酸化還元反応により変
色する正極液と負極液をそれぞれ循環通水させるととも
に、電池には所定電流を通電して酸化還元反応(充放電
反応)を行なわせるものであるが、この発明では正極液
と負極液は水溶液中でイオン化するレドックスイオン対
で構成しているため、酸化還元反応は電極上で化学量論
的に進行する。しかも、正極液と負極液は酸化還元反応
に色の変化するものを使用するとともに、単電池乃至通
水路を透明材質で構成するため、酸化還元反応に伴う色
の変化を外部より視認することができる。
即ち、この発明によれば化学量論的に進行する酸化還
元反応を外部より色の変化によって視認することがで
き、また充放電状態を色の変化で追跡して判断すること
が可能となり、更に酸化体イオンと還元体イオンの色の
差を目視することが可能となる。
したがって、この発明によればレドックスイオン対を
適切に選択したり、或いは電池セルの何個かを組み合わ
せることにより、(1)同種イオンでもイオンの荷数に
より色の異なること、(2)異種イオンの組み合わせで
起電力の異なる電池が作れること(イオン化傾向と標準
酸化還元電位との関係)、(3)イオンの量により電流
量が決定されること、(4)電気量と物質量との関係
(ファラデーの法則)、(5)電圧(起電力)は同種イ
オンの酸化体と還元体の濃度比で決定されること(ネル
ンストの関係)、(6)電池の電流、電圧、抵抗の関係
(オームの法則)など、電気化学の基本的概念を中高生
に説明するのが容易となる。
そのほか、電池の役割(大型、据え置き、微小、可搬
など)やエネルギー用(直接発電用燃料電池や、貯蔵用
二次電池など)の電池の説明教材として使用できる。
(実施例) 以下、この発明の実施例を示す。
実施例 図中、1はこの発明の教材用レドックス電池を構成す
る単電池である。単電池1はその中央に正極端子2aを有
する電極端子板2とその中央に負極端子3aを有する電極
端子板3の間に陽イオン交換膜で構成される隔膜4を介
在させ、隔膜4の1側には炭素繊維で構成される正極
5、スペーサー6を介在させて正極室7を形成し、一方
隔膜4の他側には炭素繊維で構成される負極8、スペー
サー9を介在させて負極室10を形成し、更に電極端子板
2と電極端子板3の四隅にはボル11,…を挿通し、更に
ナットで固定して組み立てる。
第3図は、以上のように構成された単電池1の3個を
連結して構成された教材用レドックス電池の一例を示す
もので、12aと12bは正極液容器と負極液容器、13はチュ
ーブポンプ、14はポテンシオ・ガルバノスタット、15は
レコーダーである。
3個の単電池1はそれぞれの正極端子2aと負極端子3a
を通電用の炭素棒などで構成されるリード線16で接続
し、リード線16の端部にポテンシオ・ガルバノスタット
14を接続する。また、単電池1の正極室7,…は正極液容
器12aとチューブポンプ13を介在させて透明チューブ17a
で接続し、一方単電池1の負極室10,…は負極液容器12b
とチューブポンプ13を介在させて透明チューブ17bで接
続する。
以上のようなレドックス電池の正極液容器12aには鉄
イオン濃度0.5Mの硫酸水溶液からなる正極液10mlを収容
し、また負極液溶液12bにはチタン濃度0.5Mの硫酸水溶
液からなる負極液10mlを収容する。これら電解液のうち
正極液はチューブポンプ10によって単電池1の正極室7,
…内を循環通水させ、負極液はチューブポンプ13によっ
て単電池1の負極室10,…内を循環通水させる。そし
て、ポテンシオ・ガルバノスタット14からは3個連結さ
れた単電池1に約20mA/cm2の電流密度で定電流を通電し
たところ、1時間以内で充放電の1サイクルを終了させ
ることができ、しかも透明チューブ17a,17b中を流れる
電解液の色の変化から充放電の進行状況を観察すること
ができた。
なお、1個の単電池を使用して上記同様な条件で充放
電を行なうと、充電と放電にそれぞれ約40分を要し、ま
たこれ以上電解液の濃度を薄くすると色の変化を観察す
ることが困難である。
本願発明者らの研究によれば、1時間の授業時間内に
充放電の1サイクルを完了させ、しかもその進行状況を
色の変化から観察するためには少なくとも上記構成の単
電池を2個以上連結する必要があることが明らかになっ
た。
また、他のレドックスイオン対からなる正極液と負極
液を使用して行なった酸化還元反応の結果を表1に示
す。
(発明の効果) この発明の電池を用いれば、従来中高生の理解が困難
であった酸化還元による電池の充放電反応を授業時間内
で視認させることができ、したがって教育現場において
酸化と還元にかかわる多数の知識を理解させるのが容易
となる。
【図面の簡単な説明】 第1図は、この発明で使用する単電池の分解斜視図、第
2図は同上の単電池の組み立て状態における縦断側面
図、第3図はこの発明の一実施例を示すレドックス電池
の斜視図である。 図中、1は単電池、4は隔膜、7は正極室、10は負極
室、17a,17bは透明チューブ。
フロントページの続き (72)発明者 野崎 健 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 電子 技術総合研究所内 (72)発明者 青木 隆道 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 電子 技術総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−240581(JP,A) 特開 昭52−135793(JP,A) 実開 昭59−142036(JP,U) 特公 昭57−29159(JP,B2)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】隔膜によって画された正極室と負極室を有
    する単電池の1又は2以上を配列し、該正極室及び負極
    室はそれぞれ通水路で連結し、該通水路にはマンガン、
    チタン、セリウム、コバルト、バナジウム、その錯イオ
    ンの組み合わせからなるレドクッスイオン対で構成され
    る正極液と負極液をそれぞれ循環通水させると共に、通
    水路には比色計を介在させ、更に単電池乃至通水路を透
    明材質で構成して各構成要素を同一平面上に一体化して
    配置することにより上記酸化還元反応に伴う色の変化を
    外部より視認できるようにしたことを特徴とする教材用
    レドックス電池。
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