平面電池の製作と教材化

高
校
化
学
平面電池の製作と教材化
埼玉県立川口工業高等学校
目
的
常
之＊
図 1 に一般的な平面電池の製作方法を示す（写真 1、
写真 2）。
図 1 一般的な平面電池の製作方法
要
（1）この平面電池は、面を押しても電解液が漏れ出
さない量的条件のもとで、布粘着テープで密閉し
て製作する。布粘着テープは、絶縁体として短絡
を防ぐだけでなく、手で簡単に裂いたり切断でき、
乾いた状態で接着すると後でぬれてもはがれにく
く、本電池の製作目的に最適である。
（2）電解液の液漏れが無い密閉構造をとることにより、
従来のこの種の電池では製作が困難であった、ア
ルカリ電解液を使用する電池（アルカリ電池、ア
ルカリ蓄電池）や気体活物質を利用する蓄電池
（水素酸素燃料電池など）の製作が可能であり、生
徒が製作した電池の持ち帰りもできる。
（3）この電池では、キッチンタオルペーパーを用い
て電解液を吸収し、液漏れを防止する構造にした。
タオルペーパーは、ティッシュペーパー（製作可
能）よりも吸水力に優れ、しかも濾紙よりも安価
で、本電池製作に適する。また炭素繊維シート
（カーボンマットの方がカーボンクロスよりも安
価）を用いて、電解液の吸収層と導電剤を兼ねる
工夫をした。
（4）製作する電池は、厚さの薄い平面型電池のため、
正負両極板間の距離が非常に小さくなり、意外と
電池性能がよく、本格的な玩具用マブチモーター
の作動が可能である。また薬品の使用量を減らし
て作製するため、いわゆる少量化学実験になる利
点もある。
＊
岸
教材・教具の製作方法
現代の子供は、さまざまな「もの」を利用している
が、「もの」自体を自作する体験には極めて乏しい。
電池の学習においても、実用的な種々の電池を製作
することは容易でなく、もっぱら「図解」などの参考
資料を見て理解するのが常である。
そこで、化学の教科書に出ているダニエル電池、マ
ンガン乾電池、鉛蓄電池ばかりでなく、アルカリ乾電
池、空気電池、燃料電池、ニッケルカドミウム蓄電池
など多くの実用電池を簡便に自作できる、形もユニー
クで、薄型の平面型電池（以下、「平面電池」という）
の製作方法を工夫考案した。
概
峯
みねぎし
つねゆき
埼玉県立川口工業高等学校
図 2 に、負極集電体金属が活物質を兼ねる場合の断
面図を示す。タオルペーパーが隔膜を兼ねている。
図2
集電体が活物質を兼ねる場合の特別な製作方法
写真 1 製作中の平面電池
教諭
〒 333-0846 埼玉県川口市南前川 1-10-1
☎(048)251-3081
@
E-mail [email protected]
写真 2 製作後の各種一次電池（二次電池も形は同様）
製作時には、正極側と負極側の集電体や活物質が互
いに接触しないように注意する必要がある。
使用時には、モーターやメーターの端子をつなぎ、
面を押す。端子のない炭素繊維シート等には、端子用
の太い銅線（0.8mm）をのせて圧着するとよい（写
真 3）。
写真 3 平面電池によるマブチモーターの作動
［図 1 の方法による製作］
① Aダニエル電池
亜鉛板（5cm 角；負極活物質）上にタオルぺーパー
2 枚(5c m 角)を置き、
1moℓ/ℓ ｰ酸亜鉛水溶液0.5mℓ
を滴下し、セロハン
（5.5cm 角）
とタオルぺーパー 2 枚
（5cm 角）を順に重ね、その上から1moℓℓ
/ 硫酸銅
（Ⅱ）
ﾀ
水溶液 0.5mℓを滴下し、銅板
（4.5cm 角；正極集電体）
をのせ、周囲を布粘着テープで囲んで密封する。無負
荷電圧は 1V でマブチ 280 モーターは 8 分間作動す
る。
② Bアルカリ乾電池、アルカリ空気電池
ステンレス板（5cm 角；負極集電体）上の炭素繊維
シート
（4. 5cm 角）
に粉末亜鉛 1g 、KO H 0. 5g 、水
0.5mℓの混合物を塗布し、タオルぺーパー 2 枚（5cm
角）、セロハン
（5.5cm 角）、タオルぺーパー 2 枚
（5cm
角）を順に重ね、その上から KOH 1g、水 2mℓ、二酸
化マンガン 2g、粉末活性炭 1g の混合ペーストの薬さ
じ大 1 杯半
（約 3g）
を塗布後、炭素繊維シート
（4.5cm
角；正極集電体）
をのせて周囲を布粘着テープで密封
する。無負荷 1.35V で、マブチ 280 モーターが 2 時
間 45 分程度作動する。
アルカリ乾電池は、負極活物質の粉末亜鉛がアルカ
リ液に溶解し反応抵抗が小さいため、性能が大変良い。
二酸化マンガンを加えないと、活性炭への吸着酸素が
正極活物質になるアルカリ空気電池になる。
③ C水素酸素燃料電池、水素塩素燃料電池
アルミホイル 4 枚（5cm 角；正極集電体）に粉末
活性炭 1g、KOH 1g、水 2mℓ の混合ペーストの薬さ
じ大 1 杯半を丸く塗布し、タオルぺーパー 2 枚（5cm
角）、セロハン
（5.5cm 角）、タオルぺーパー 2 枚
（5cm
角）を順に重ね、上と同量の混合ペーストを塗布し、
アルミホイル 4 枚（4.5cm 角；負極集電体）をのせて
布粘着テープで周囲を密封すれば、水素酸素燃料電池
になる。
この電池は、面を押しながら、手回し発電機（ゼネ
コン）
を 300 回回転して電気分解により充電すると、
無負荷 1.2V でマブチ 280 モーターが 2 〜 4 分間作動
する（ソーラーモーターなら 30 分間）。
KO H と水の代わりに、飽和硫酸ナトリウム水溶液
（2mℓ）を用いると、電圧が 2V と高く、マブチ 280
モーターが 5 分間作動する水素酸素燃料電池になり、
飽和食塩水
（2mℓ）
を用いると水素塩素燃料電池になる。
燃料電池の製作では、セロハンをのせてから、指で
空気を追い出しながら作製すると上手にできる。
④ Dアルカリ蓄電池
（ニッケルカドミウム蓄電池、ニッ
ケル水素蓄電池など）
ステンレス板（5cm 角；正極集電体）上の炭素繊
維シート
（4.5cm 角）
に、硫酸ニッケル
（Ⅱ）
ﾀ
六水和物 2.4g
を水 6mℓに溶かした液に、KOH 1g を水 2mℓに溶か
した液を加えて生じる水酸化ニッケル
（Ⅱ）
ﾀ
の沈殿をタオ
ルペーパー数枚にはさみ水分を切り、その 1/3 量を
塗布する。タオルぺーパー 2 枚
（5cm 角）、セロハン
（5.5cm 角）、タオルぺーパー 2 枚（5cm 角）を順に重
ね、その上から粉末カドミウム 1g、KOH 1g、水0.5mℓ
ﾌ全量を塗布し、炭素繊維シート
（4.5cm 角）、ステ
ンレス板（4,5cm 角；負極集電体）を順にのせて周囲
を布粘着テープで密封し、ニッケルカドミウム蓄電池
を製作する。
面を押しながら、手回し発電機で 300 回回転充電
すると、無負荷 1.35V で、マブチ 280 モーターが 2
〜 3 分間作動する（ソーラーモーターなら 40 分間）。
粉末カドミウム 1g の代わりに、鉄粉 0.5g を用いる
とニッケル鉄蓄電池（エジソン電池）になり、活性炭
1g（KOH 1g、水 2mℓ）
を用いるとニッケル水素蓄電池に
なる（1.6V、マブチ 280 モーターが 1 〜 3 分間、ソー
ラーモーター 25 分間作動）。
［図 2 の方法による製作］
① A鉛蓄電池
鉛シート
（5cm 角）
2 枚の間に、1moℓℓ
/ 希硫酸 0.5mℓ
を滴下したタオルペーパー
（5.5cm 角）をはさんで、
布粘着テープで周囲を密封する。手回し発電機で
300 回回転充電で、無負荷 1.9V で、マブチ 280 モ
ーターが 2 〜 4 秒間作動する（ソーラーモーター 20
秒間）。
② Bマンガン乾電池、空気電池
アルミホイル 4 枚
（5cm 角）上のタオルペーパー 3
枚（5cm 角）の上から、二酸化マンガン 2.5g、活性
炭 5g、飽和食塩水 16mℓ ﾌ混合ペースト
（4 人分）の
薬さじ大 2 杯を丸くのせ、炭素繊維シート（4cm 角；
正極集電体）をのせてから、その周囲を布粘着テープ
で密封してマンガンアルミニウム乾電池を製作する。
手の平で強く面を押してから測定すると、無負荷
1.1V で、マブチ 280 モーターが 40 分間作動する。
二酸化マンガンを加えないと、活性炭に吸着された
酸素が活物質の空気電池になる（無負荷 1V で、マブ
チ 280 モーターが 12 分間作動）。図 1 の方法で、負
極に亜鉛板・電解液に塩化亜鉛水溶液を使用すると、
マンガン亜鉛乾電池になる。空気電池も亜鉛板を用い
ると、空気亜鉛電池になる。
学習指導方法
生徒実験としての平面電池の製作では、筆者は生徒
全員に作製させることを前提として、材料の入手方法
の容易さや製作費用などの面から、アルミホイルを使
用する電池を対象とした。
1 学年の化学 ⅠB の電池の授業において、第 1 回目
は一次電池の例として、「マンガン乾電池」および
「空気電池」（いずれもアルミホイル使用）の製作実験
を、第 2 回目は二次電池の例として「水素酸素燃料電
池」（電解液として硫酸ナトリウム水溶液、アルミホ
イル使用）の製作実験を、それぞれ実施した。
電圧計で無負荷電圧を測るとともに、1.5V 用豆電
球の点灯およびモーターの回転を確認する。生徒全員
に製作した平面電池を実験プリントにセロテープで貼
り付けて提出する。平面燃料電池では、手回し発電機
によって 300 回回転充電してから放電させた。
考察では、実際の乾電池の炭素棒や亜鉛缶などが、
本実験の炭素繊維シートやアルミホイルなどに対比す
ることから、電池の仕組みを理解する授業を行った。
写真 4
生徒実験の授業風景
実践効果
生徒実験終了後のアンケートによると、製作した平
面電池に関して、「今までこのような電池は見たこと
が無い」、「このような電池で本当にモーターが動くと
は思わなかった」、「こんなにも簡単に電池が作れると
は思わなかった」、「どうして動くのか不思議だ」など
の感想が多かった。このことから、今までにない電池
製作を体験した生徒に大きなインパクトを与えてお
り、それが実際にモーターを動かすのを見て、生徒の
電池に関するイメージが大きく変わる感動を与える教
材になっている。
その他補遺事項
・炭素繊維シート（カーボンマット）は「東急ハンズ」
で購入できる（1m2 あたり 1,380 円＜池袋店＞）。
(http://www.tokyu-hands.co.jp)
炭素繊維シートが無いときは、イオン化しにくい正
極集電体として、太い銅線（厚紙を載せて平面化す
る。これが最も簡単。）、銅板、真鍮箔、ステンレス
板を使用してもよい。
・平面電池製作後に、机上で全体の面を手の平で強く
押して圧着してから、端子をつなぎ、面を指で強く
はさむか、厚紙やプラスチック板ではさんでクリッ
プで押さえると、確実にかつ長時間モーターが回る
（写真 3、文中のデータ〔充電は 2 回目以後〕）。接
着剤としてポリアクリル酸ナトリウムやゼラチン
（二価イオン含有時）を混ぜて製作してもよい。
・空気電池、燃料電池等で、活性炭の代わりに市販の
木炭粉も可能だが、かなり強く面を押す必要がある。
・混合ペーストは、水の含有率が多いと液漏れの原因
になる。混合ペーストの塗布量が多いほど電池性能
がよいが、特に両極に金属板を使用する時は、面を
押すと液漏れを起こしやすいので、タオルペーパー
の枚数との関係から、塗布量には限界がある。
・この平面電池は、重ねるだけで直列接続ができる。

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