JPH0279374A - 教材用レドックス電地 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（、捕集し難いところがらである。

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な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。

ここて、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
−パナジウム、鉄−クロム、パナジウム−マンガン、ヂ
タンーマンガン、セリウム−チタン、セリウム−パナジ
ウム、コバルト−パナジウム、コバルト−チタン、セリ
ウム−鉄、コバルト−鉄、パナジウム−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、チタン、セリウム、コバルト
、パ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、その内部には陽イオ
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な設けたものが
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、該通水
路にはポンプ等を介在させて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、簡単なり−
ロンメータを接続するようにしてもよい。

（イ乍用） 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術数によ
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ｌ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の四隅にはボルト１１．・・・を挿
通し、更にナツ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３
ａ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ｌ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、−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１０ｍ
１を収容し、また負極液容器１２ｂにはチタン濃度０．
５Ｍの硫酸水溶液からなる負極液１０ｍ１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ｌ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Ｉ４がらは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４゜分を要し、ま
たこれ以上電解液の濃度を薄（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姦表１に示す
。

１．！警 第１表　教材用レドックス電池のレドックスイオン対（
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
化と還元にかがね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１示すレドックス電池
の斜視図である。 図中、ｌ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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、該正極室並びに負極室は
   それぞれ通水路で連結し、該通水路には水溶液中でイオ
   ン化するレドックスイオン対で構成され、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、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
   るようにしたことを特徴とする教材用レドックス電池。
2. （２）正極液と負極液を構成するレドックスイオン対が
   マンガン、チタン、セリウム、コバルト、パナジウム、
   その錯イオンの組み合わせで構成するとともに、通水路
   には比色計を介在させた特許請求の範囲第１項記載の教
   材用レドックス電池。