小型燃料電池(水素形)モデルの工作

タッパ式の小型燃料電池の試作品：もとは野曽原先生の「簡易燃料電池」を改良したもので、プラスチック板で押さえて電極間を狭くし、セルロース膜を用いるなどして、内部抵抗を抑制する工夫を加えました。出力も十分で教材としては上々の出来だと思います。

「動　画」工作編

□鉢底用の網を電極の押さえに用いています

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＜実験プリント公開版＞

「目　的」水素-酸素(空気)形燃料電池教材の作成と内部抵抗の測定を通じ、電池反応のメカニズムと電子性能の考え方を理解する。

「実験概要」

1.反応原理：アルカリ性(OH^－)の電解液のもとイオン伝導を利用している。

負極：水素が電子を放出する。

(-) H₂ + 2OH^－ → 2H₂O + 2e^－

正極：空気中の酸素が電子を受取る。

(+) 1/2O₂ + H₂O + 2e^－ → 2OH^－

全体：生成物は水のみ　H₂ + 1/2O₂  → H₂O

水素を燃料として供給し続ければ電池として機能するので、燃料電池とされている。

2.電池としての機能：燃料電池の理論電圧Vは、正極と負極のそれぞれの酸化電位の差 E  = E₍₊₎ – E_(-)から求まる。

(-)H₂ + 2OH^– = 2H₂O + 2e^–   E_(-) = – 0.829 V

(+)1/2O₂ + H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻   E₍₊₎ = +0.401V

理論電圧 E = E₍₊₎ – E_(-)

= 0.401 – ( – 0.829)

=  1.23 V

3.燃焼電池の一般的な特徴：熱の発生が抑えられ、電気エネルギーへの変換効率は極めて高く、約83%にも達する。

(1)エネルギーの制御が容易で、音や振動を生じない。生成物は水のみで、排気・冷却システムも基本的に不要。装置全体の省力・小型化が容易で移動も容易。

(2)電池セルの構成がシンプルで金属電極は消耗しない。金属電極自身は、化学変化せず、電極表面で起こる化学反応の速度を高めるだけの役割を果たす。特に、金属表面には金やパラジウムのような触媒が活性を高める。

(3)化石燃料の代替エネルギーとして有望。太陽光や風力、水力などのいわゆる自然エネルギーは、施設導入・維持コストが高い割に、効率が低く不安定である。

(4)課題は触媒となる貴金属、特にレアメタル(レアアース)呼ばれる高価な金属を海外からの輸入に依存していること。しかし、燃料電池は、その技術の進展によって、開発コストの低減化が急速に図られている。

「準　備」100 mL三角フラスコ　塩化パラジウム PdCl₂ 130 g 　濃塩酸4.6 mL　タッパ(64×89×41 mm：ダイソー製)　プラ製鉢底網(54×78 mm ：ダイソー製)3枚　油性サインペン　カッター　はさみ電解質膜　セルロースチューブ(68×92 mm)　水酸化カリウムKOH　純水　200 mL三角フラスコ　メモリ付きゴムボード　Ni金網(200 mesh,φ=0.05 m/m：真鍋工業製)　リード線　1mo塩酸100mL　アスコルビン酸1 g　バット　洗ビン　300 mLビーカー　単三乾電池2本　炭素棒　割りばし　ビニールテープ　スターラー　輪ゴム2　テスター　駒込ピペット　手袋　アルミホイル小片　外部抵抗(例えば50Ωなど)　ソーラーモータ

「操　作」(一部のみ)

※2人1組作業：ニッケル電極は2個分を作成することができる。

1.パラジウムメッキ液の調製：50 mL三角フラスコに塩化パラジウム PdCl₂ 130 g 精秤し、濃塩酸4.6 mLを加えて栓をする。　→　換気しながら操作・塩化パラジウムが完全に溶解すると茶褐色透明溶液となるが、これには10分以上を要する。

2.タッパ容器等の準備

• タッパ(64×89×41 mm)を準備する・
• 押さえ板の作成：プラ製鉢底網54×78 mm 3枚を切り出す。角を丸めて、タッパのふたに合う確認しておく。
• タッパのふたの窓の切り抜き：窓(40×60 mm：タッパの枠から10 mm程度)をサインペンで下書きしておき、カッター等切り抜く。
• タッパ側面への水素供給のための穴あけ： 水素供給管のサイズに合わせた小穴を開けておく。カッターとはさみを使うと良い。
• 電解質膜：セルロースチューブ(68×92 mm)を切り出しておく。
• 5 mol/L KOH調製：試験管に水酸化カリウムKOH 1 gを入れ、純水を加え全体を5 mLとしておく。
• 75 mol/L KOH調製：200 mL三角フラスコに水酸化カリウムKOH 2 g入れ、純水を加え全体を50 mLとしておく。

3.ニッケルNi金網の切り出し

メモリ付きゴムボード上にNi金網(200 mesh,φ=0.05 m/m：真鍋工業製)を置き、油性サインペンで印を付ける。長方形(50×70 mm)を4枚分、ただしそれぞれの長方形の短辺側に2 mmの引き出し線を作っておく。→実質的には各48×70 mmとなる。

Ni金網をはさみで切り出し、短編側の片方のみ、長辺側2 mmの引き出し線を切り出しておく。　→　リード線接続用(図参照)

表面処理(この操作は省略可)

1mol/L塩酸100mLにアスコルビン酸1 gを溶解させバットに注いでおく。そこにニッケルNi金網を入れて数分間浸し表面処理(酸化被膜を除く)を行う。

表面処理後、バットの処理液を捨て、そのまま金網に洗ビンから純水をあてて洗い流す。さらに純水を加え、ニッケル金網をバットの純水中に置く。

4.パラジウムPdメッキ

ニッケル網を300 mLビーカー側壁に配置し、引き出し線を上方に引き上げて洗濯ばさみで留めておく。

単三乾電池2本(直列)のリード線(-)をニッケル網の引き出し線部分に、(+)は炭素棒に接続。　→　炭素棒は割りばしにテープで固定し、ビーカー上部に備え付ける。

純水約200 mLを先に注ぎ込み、スターラー上に置いて軽く作動させておく。

三角フラスコ中に溶解(完全に溶解して茶褐色透明になっていることを確認)させておいた塩化パラジウムPdCl₂ 塩酸溶液を注ぎ込む。フラスコ内壁も純水でよく洗い流し、メッキ浴の体積が300 mLになるまで純水を加える。

メッキ浴の水溶液の色が茶褐色からほぼ透明になるまで約10分を要する。

リード線と炭素棒を外す。

ニッケル金網はそのままで、メッキ溶液を別容器に廃棄する。

洗ビン(純水)を用いてビーカー内のニッケル金網をよく洗う。

ニッケル金網をバットに取り出し、4枚にカットする。さらに残り3枚分の切り出し線も作っておく。

(その他の操作　省略)

「注　意」

1. 水酸化カリウムの取り扱いに注意する。水道水を少し流しておき、濡れ雑巾も準備しておくとよい。
2. 引き出し線が切断しないようやさしく取り扱う。
3. 水酸化カリウム　水道水を少し流しておき濡れ雑巾も準備しておく。

「観察・結果」

1. 塩化パラジウム水溶液と電解メッキの様子　メッキ液の構成：PdCl₂ 0.13 g濃塩酸 HCl 4.6 mLを300 mLにした。→　[Pd²⁺] = 2.5×10^-3 mol/L,[HCl] =  0.50 mol/L
2. 実験装置・操作図など
3. モータを接続し放電した際の様子
4. 電池性能に関するデータ記入：ただし、開放電圧Eの電池に抵抗Rをつないで実際に電流を流した時にかかる内部抵抗 r は、r = R(E/V)-1で表すことができる。測定のための回路図(E・V・Rの関係図)

【電池性能データ】

	開放電圧E〔V〕	端子電圧V〔V〕	抵抗R〔Ω〕	内部抵抗ｒ〔Ω〕
1
2
3
4

「工夫と注意・片付けなど」

• 実験終了後、電池セルは解体してよく水洗いしたのち、特に電極はアセトンで洗浄・乾燥させて保管する。

「考察・演習」

1. 電位性能測定に関わる回路図(E・V・Rの関係図)に内部抵抗rを加えたものを書きなさい。
2. パラジウムはどのような役割を果たしたか説明しなさい。
3. 電池としての機能について
4. 2molの電子の移動による電気量Q〔C〕を求めなさい。
5. 060gの水素がある。この水素がすべて電池反応に関わったとして、放出できる電気量を算出しなさい。
6. 安定的に点灯させるのに02Aの電流を流し続けることが必要な電球がある。0.060gの水素を燃料とした場合、この電球を何時間点灯させることが可能か計算しなさい。
7. 次世代のエネルギー源としての燃料電池について、その長所と短所を箇条書きで述べなさい。(一般的な鉛蓄電池や乾電池、他の電力源と比較して)

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