簡単な燃料電池の作り方

【楽しい化学実験】　　簡単な燃料電池の作り方

　燃料電池には様々な形式のものがありますが、ここでは最も歴史が古くアポロ宇宙船やスペースシャトルで使用されたアルカリ型燃料電池の作製法を説明します。白金などの高価な触媒は全く不要で、水酸化カリウム（または水酸化ナトリウム）と炭素棒があれば、簡単に作製することができます。以下は、スーパーサイエンスハイスクール事業の一環で石川県立七尾高校化学部が当研究室を訪問したときに各生徒に作製させたものです。

必要なもの

・炭素棒　直径8mm、長さ58mm程度のもの２本・・・ここでは単一乾電池用の第一カーボン株式会社製を使用した。使用済の単一乾電池を分解して取り出しても良い。シャープペンシルの芯でも代用可能で、2B以上の濃いもの、太いものほど良い。直径2mmの芯も市販されている。三菱鉛筆ホルダー芯、品番ULN2B～ULN4Bなど。

・ガラス管　外径18mm、長さ80mm程度　２本

・ゴム栓（3号サイズ　ここではシリコン栓を使用）２個・・・上のガラス管に差し込んで使用する。炭素棒を突っ込めるように直径8mm弱の穴を開ける。

・ポリ容器（縦10cm、横15cm、高さ10cmくらいのもの）・・・ビーカーでも代用可能だが、ガラス管をひっくり返して空気を抜く操作が行いにくい。

・水酸化カリウム・・・水酸化ナトリウムでも良い。・電圧計・・・ここではヒューレットパッカード（現アジレントテクノロジー）HP34401Aを使用した。

・直流電源（９Ｖの角型乾電池でよい）・・・ここでは定電圧電源アドバンテストR6144を使用した。

・テスター用ケーブル・・・差し込み部分がバナナ式かピン式のものが扱いやすい。

・洗濯バサミ様のクリップ・・・なくてもよいがガラス管をこれで挟んだ方が扱いやすくなる。

・ガムテープ・・・ポリ容器にクリップをしっかり固定するのに使用する

　ガラス管＋栓の部分はフィルムケースをうまく活用しても良い。

　ポイントは電解液＋水素＋炭素棒の部分に空気が入りこまないこと。

必要な部品（左）、組み立てた燃料電池（右）

作り方

１．炭素棒をゴム栓に差し込み、さらにそのゴム栓をガラス管に差し込む。ピンタイプ、バナナタイプの端子で実験するときは、上写真のようにゴム栓の穴の半分程度の位置で炭素棒を止めておくと、ピンを突っ込みやすい。ワニ口タイプの端子なら炭素棒を貫通させて、ゴム栓上部に頭を出す方が良い。

２．水酸化カリウム（水酸化ナトリウム）水溶液を作製する。濃度は1mol/lでもよいし、10mol/lでもよい。発熱するので注意。蒸気を吸うとむせる。

３．ポリ容器に水酸化カリウム水溶液を入れる。１．で作ったガラス管＋ゴム栓＋炭素棒（＋洗濯バサミ様クリップ）のセットをいったん沈めて空気を完全に抜いてからポリ容器の壁に固定する。このとき水素を発生させる側に泡が残っていると動作不良、電圧低下の原因となる。

４．１分～５分程度直流電源を用いて電気を流し、水を電気分解する。陽極（アノード）から酸素、陰極（カソード）から水素が発生する。これが充電に相当する。発生するガスの体積比、水素：酸素はほぼ２：１である。

５．電極をつなぎかえて、電圧計で電圧を測ると0.9V～1.2Vの電圧を示す。30秒程度おきに電圧を測定すると電圧が低下していくことがわかる。

６．２個を直列につなげば電子オルゴール、発光ダイオード、時計などを作動させることができる。時計を作動させれば、時計の止まった時間で、燃料電池の寿命をチェックできる。

模式図

発展

　燃料電池をただ作製するだけでは単調なので、下記のことを考察するとよい。

・水酸化ナトリウムの濃度を変えたら電圧の経時変化はどうなるか？（結果　濃い方が電圧が低下しにくく性能は向上する（長持ちする）。その理由はなぜか？実際、実用化されているものの濃度は30～50%で、アポロ宇宙船用は85%である。）

・温度を上げるとどうなるか？（理論上、起電力は絶対温度に比例する。但し加熱時に水から出てきた酸素が水素極に混入すると低下することがある。）

・電極同士の距離を離したり近づけたりするとどうなるか？（理論的には、離した方が内部抵抗が増加するので電圧低下が起きやすくなるはずである。）

・同濃度の水酸化ナトリウムと水酸化カリウムで比較するとどうなるか？（結果　水酸化カリウム水溶液の方が導電率が高いので性能は向上する。これが実用品に水酸化カリウムが用いられる理由である。）

・炭素電極の太さや水溶液に浸かっている部分の表面積を変えるとどうなるか？（理論的には、表面積が増えれば内部抵抗が減り、流れる電流値は増える。）

解説・補足

カソード（正極）での反応　　Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-　→　４ＯＨ^-

アノード（負極）での反応　　Ｈ₂＋２ＯＨ^-→２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-

・燃料電池の酸素極の方は炭素棒が酸素に接していればよいので、空気中に開放してあっても構わない。つまり、ガラス管を用いず、炭素棒を直接、電解液に浸すスタイルでも実験しても差し支えない。但し、反応する物質の濃度（分圧）10倍違うと、起電力は室温では0.059/n V異なる（ネルンストの式、nはやり取りするｅ^-の係数）。空気と酸素では分圧が5倍違うので、起電力は0.059×log5／4=0.01V程度異なってくることになる。（以前、4で割り忘れてたものを記載していましたので訂正しました）

・アルカリ型の欠点　　アルカリ型は最も古いタイプであるが、民生用としては一般的ではない。実用的には現在、固体高分子型やリン酸型が主流である。これはアルカリ型は、電解液に水酸化カリウムの溶液を用いるので、水素や酸素に二酸化炭素が混入すると、電解液が反応して炭酸カリウムになってしまい、性能が低下するためである。燃料として純粋な水素が必要になり、酸素極に空気（二酸化炭素を0.03%含む）を用いるわけにもいかなくなる。天然ガスを改質して製造した水素を用いるのが他の形式では主流だが、天然ガスを改質した場合は二酸化炭素が混じるのでアルカリ型には使えない。他にも、アルカリ型では、反応で生成した水で電解液が徐々に薄まってしまうことも欠点の一つである。

・電圧が低下する理由を理解するには、「内部抵抗」の概念を理解する必要がある。例えば乾電池が使えなく理由は電圧の低下でなく、内部抵抗の増加である。実際に使えなくなった乾電池の電圧は1.3V前後のことが多いが、これを1.3Vの電源として使用できるかというとそうではない。２つ直列につないだところで、使えないことがほとんどである。電圧が1.3Vあっても、乾電池内部の抵抗が高くなったために、電流が流れなくなったからである。電池が正常に動作するためには、電子やイオンなど電気を帯びたものが、電池内部も含めて回路を一周しないといけないのだが、使えなくなくなった電池は内部でイオンが移動しにくくなっている。一般的に電池が使えなくなる理由は電圧低下のためではなく、内部抵抗増加のためである。

参考文献

・左巻健男編著『たのしくわかる化学実験事典』（東京書籍）pp.256-257
・小林光一、高橋政志著『図解雑学　燃料電池』（ナツメ社）