はじめにエネルギー・環境教育に向けた取り組み（木炭アルミ電池自動車競技会について）

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本発表では、エネルギー・環境教育に向けた取り組みとして、新潟県内の化学系学科が設置されている専門高校が参加して開催されている「木炭アルミ電池自動車競技会」の概要と課題について報告し、今後の展望について考察する。
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これまで現在社会環境（産業・就業構造）の変化社会的に関心が高まっている「エネルギー・環境教育」
工業系専門高校における専門学科（化学系学科も含む）の改編・募集停止

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化学系学科で学ぶ専門的知識が重要な役割
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９年前

「化学コンクール」に参加

化学系学科の生徒の日頃の学習の発表の場としての大会
ものづくりコンテストにおける化学関連の一部門としてエネルギー・環境問題に関心を深めるた
めの教材づくり模索
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5２００１年８月日本化学会主催の「化学コンクール」に参加
生活に身近な材料である木炭とアルミから電池を作製し，模型自動車を走行させる

課題研究のテーマに設定
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２００２年に化学コンクールに準じた大会を県内で開催

会場

製作をとおして，電池の原理について学ぶと同時に，自作する電池や模型自動車の性能向上を検討する中から，素材の大切さ，またそこから派生するものづくりの楽しさを学ぶ

長岡工業高校１００周年記念行事
新潟県産業教育フェア
新潟県工業教育フェスタの中で毎年行われている。

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木炭アルミ電池の原理
 電子がアルミニウム側から木炭の側へ移動する。
 アルミニウムは，水中で酸化され，この時放出された電子（e-）は，外部の電線を伝わり流れ（電流）木炭の表面に到達し，木炭の表面に吸着した酸素に電子を与え反応する。

電池の作製
1.

e-2.
アルミニウム

木炭
Ｏ2H2O

3.

電解溶液（飽和食塩水）に浸したキッチンペーパーを、木炭（備長炭）の一部が見えるようにして巻きつける。
キッチンペーパーの上に、木炭（備長炭）に触れないようにアルミはくを巻きつける。
備長炭とアルミはくの端をワニ口クリップではさみ、モーター等に接続する。
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電解液に浸けたペーパー＋極（木炭）2H2O ＋ O2 ＋ 4e- → 4OH－極（アルミニウム）
Al → Al3+ ＋３e日本工業化学教育研究会第５８回全国大会 2010.8.4 ～8.6

OH-3

モーター

Al3+電解液（NaCl水溶液など）
9電池の性能向上のために木炭（備長炭）日本工業化学教育研究会第５８回全国大会 2010.8.4 ～8.6

アルミはく10木炭アルミ電池自動車

抵抗の減少電解質の濃度電解質の種類、混合比率 など学んだ知識をもとに工夫が必要
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木炭アルミ電池を搭載した模型自動車

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１０ｍ直線コースでの競争

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競技規則（車体）競技規則（電池）

車体は，規定する木炭・アルミニウム電池のみを電源とし，モーターにより車輪を駆動する自走式のものとする。
車体の重量は，電池を搭載しない状態で100g以上300g以下とすること。
電池は車体から取り外し可能な構造とすること．
車体は，電池をのせた状態で，長さ40cm，幅30cm，高さ10cmを越えないこと。
車体はコースを適切に走行でき，他の車両や競技者に影響を与えないものとする。

車両を駆動する電池は，木炭とアルミニウムを使う木炭・アルミニウム電池とする。
電池のマイナス極にはアルミニウム以外のものを使ってはいけない。
電池のプラス極には炭（木炭など）以外のものを使ってはいけない。
電解液以外の，電池を構成する部品は参加者が用意し，持参する。
電池のプラス極とマイナス極の間に使用する電解液は主催者が用意する各溶液の一つを使うか，そのいくつかを混ぜて使うこと。

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使用できる電解液
1. 飽和塩化ナトリウム水溶液
2. ３％酢酸水溶液
3. 水
4. 飽和炭酸水素ナトリウム水溶液
5. １０％しょ糖水溶液
6. ５％エタノール水溶液
7. １０％塩化アンモニウム水溶液
8. １％ホウ酸水溶液
9. １０％クエン酸（一水和物）水溶液
10. 飽和水酸化カルシウム水溶液
11. 約２％アンモニア水
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これまでの競技会記録
1.

２００２年…１位１３秒６６、２位１５秒７８

2.

２００３年…１位

６秒５０、２位

3.

２００４年…１位

８秒８５、２位１４秒９５

4.

２００５年…１位

９秒６９、２位１４秒２２

5.

２００６年…１位

６秒４１、２位

６秒９１

6.

２００７年…１位

７秒５３、２位

８秒９３

7.

２００８年…１位

６秒５４、２位

６秒６３

8.

２００９年…１位

５秒２７、２位

５秒４９

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８秒９０

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生徒の立場から課題

部活動、課題研究における成果発表の場
他校生徒との交流の場
ジュニアマイスターのポイント獲得の場（優勝４ポイント、入賞２ポイント）
学んだ知識を発揮できる場

電池の性能は、素材である木炭の性能が大きく影響するため、試行錯誤による素材探しの労力が大変大きい。
競技会は県内だけで上位大会につながっていない。
電池づくりにおける工夫が評価されにくい。など

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課題解決のために電池の製作例１
ビタミンＣ（アスコルビン酸）燃料電池

素材を統一できる電池への変更
プレゼンテーションも並行して製作した電池の工夫なども評価の対象にする

概要
産業技術総合研究所生活環境系の藤原らにより開発された。
メタノールを燃料とする燃料電池と比べると、① 燃料・生成物共に安全性が高い。
② 燃料極に白金などの高価な金属触媒を用いずに発電可能という特徴がある。

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原理

組立材料

アスコルビン酸（ビタミンＣ）

デヒドロアスコルビン酸 ＋

２Ｈ＋＋

２ｅ－

2e空気極

燃料極
ステンレス金網

2H+
1/2O2

カーボンペーパー（Pt付）

アスコルビン酸（ビタミンＣ）

固体高分子膜（ナフィオン膜）
H2Oデヒドロアスコルビン酸
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 プラボード 厚み３ｍｍ（６×６ｃｍ）中央に１．５×１．５ｃｍ□を空けたもの … ２枚
 ゴム板 ２mm厚（４×４ｃｍ）
中央に２×２ｃｍ□を空けたもの… ２枚 ステンレス金網□部分（３×３ｃｍ） … ２枚
 カーボンペーパー（東レ（株）製
 TGP-H-060）３×３ｃｍ …
２枚 ナフィオン膜（デュポン（株）製N１１７）
３×３ｃｍ … １枚
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動作１組立
プラボード

カーボンペーパー

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ナフィオン膜
燃料極（負極）を白金なしの場合
ステンレス金網
開放電圧
短絡電流

０．４４V
８～３mA

ボルト・ナット
両極白金付きの場合
開放電圧
短絡電流

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０．４５Ｖ
３３～１３mA

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電池の製作例２O2-H2活性炭吸着型燃料電池

製作方法

概要
燃料電池の原型であるグローブ電池の白金電極を炭素棒に、電解質の希硫酸を硫酸ナトリウム水溶液に置き換え、電池容量の向上のた
め充電によって発生する酸素と水素を活性炭で吸着貯蔵するものである。
作製が簡単で、またフィルムケースやマンガン乾電池の炭素棒などの廃材を利用できる。
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1. フィルムケース（APS用）に，ろ紙を３つ折りにして仕切りとし，顆粒状活性炭を約８ｇを電極である炭素棒（直径５ｍｍ）の周り左右均等になるようにつめる。（図１，図２）
2. ロ．電解質水溶液として硫酸ナトリウム（１mol/dm3，１５ｍｌ）
を注ぎ，炭素棒用と空気抜きの穴を開けたふたを閉め電池とした。

ふたをはずした電池

図２

活性炭吸着型電池

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電池の製作例３
色素増感太陽電池

動作
概要

充電時
電圧
電流
電気分解時間1991年スイスのグレッツエル教授らによって開発された。導電性ガラスに酸化チタンをコーティングして色素を吸着させた負極と導電性ガラスに白金または黒鉛をコーティングした正極からなり、電解質には、ヨウ素／ヨウ化物イオンの混合溶液を用いる。
材料が安価であることと作製に大掛かりな設備を必要としないことから低コストの太陽電池として期待されている。

６Ｖ
約１A
３分

放電時
開放電圧
短絡電流

図１2.5 ～ 1.1V
250 ～ 100mA
図の模型自動車は１０ｍ以上走行可能。

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原理

動作

負極

正極電子

負荷

光源
３００Ｗスライドプロジェクター… ２０７ｍＷ
電池有効面積 ２１ｃｍ２電子電解質溶液
３Ｉ－

開放電圧
短絡電流

太陽光電子

電子

ＤＣマイクロモーター、ＩＣメロディ、安価な太陽電池用モーターを動作させることができる。

Ｉ３－
色素
導電性ガラス

酸化チタン

炭素

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企業へのアンケート内容

企業へのアンケートから（柏崎）３７社

柏崎工業高校の「環境化学コース」で学習する内容と産業現場で必要とされるものとのミスマッチを防ぐことを目的に２００７年３月実施した。
柏崎地区
機械金属、電子機器、自動車部品製造関連の企業が多い
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４４０～３７７ｍＶ
１２．２～１１．１mA

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２００７年３月調査

学習が必要な技術（１）環境分野
・環境分析技術・リサイクル技術
・環境汚染物質の処理技術（２）材料分野
・工業材料の基礎知識
・材料の検査技術
・材料の製造技術
・材料の加工技術（３）生物（バイオ含む）分野
・発酵、醸造技術
・バイオリアクター
・培養技術（４）エネルギー分野
・電池技術
・バイオマスの利用技術
・原子力エネルギー技術
日本工業化学教育研究会第５８回全国大会 2010.8.4 ～8.6→

（水質・大気の分析技術、放射線測定技術）→ （廃棄物等のリサイクル技術）→ （環境汚染物質の浄化技術）→→→→（金属、セラミックス、プラスチックの性質等）（材料の性質、組織の検査技術）（金属、セラミックス、プラスチックの製造技術）（金属、セラミックス、プラスチックの加工技術）→ （アルコール生産等）→ （酵素や微生物を用いた物質の合成）→ （植物の組織・細胞の培養）→→（太陽電池、燃料電池）（バイオディーゼル燃料）
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企業へのアンケート結果

展望（柏崎）２８社回答

次のような「化学コンテスト」として例 バイオエタノールの製造（一定量のスポーツ飲料などのグルコース原料からエタノールを製造）製造したエタノールを用いた燃料電池駆動による模型自動車の走行距離を競う。
エコランカー
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おわりに工業系専門高校で化学を学んでいる
生徒には、専門知識を生かして、現在、注目されている燃料電池や色素増感太陽電池などを用いた競技会として、全国的に広く周知され、開催できることを望みたい。
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