JP2018133319A - 電解液および発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上述の電解液を用いて発電を行う発電装置であって、正極と負極と加熱機構と冷却機構とを有し、前記正極および前記負極は前記電解液に浸漬され、
前記加熱機構は、前記正極と前記負極のうち一方の近傍の前記電解液を加熱し、
前記冷却機構は、前記正極と前記負極のうち他方の近傍の前記電解液を冷却する点にある。
より詳細に説明すると、温度応答性電解質としては、界面活性剤や、ポリNイソプロピルアクリルアミド、ポリペプチド(タンパク質やペプチド)の様な、分子内に極性基と疎水性基を両方有し、さらに、水溶液中でイオンを放出することができる(イオン化可能な)官能基を有するものが挙げられる。
これまで電解質のpHは一般的に温度を変化させると変化することが知られていたが、通常の電解質のpH変化は1℃あたり0.01K-1前後であった。本実施形態に係る温度応答性電解質を用いることにより既存の電解質では見られなかった顕著なpH変化を達成できる。
本実施形態で用いられる酸化還元活性種は、電子授受による酸化還元の過程で酸化体および還元体がともに水溶液に可溶であり、かつ酸化還元反応の系の中に水素イオン(プロトン)が含まれる。そして本実施形態に係る酸化還元活性種は、電解液において平衡状態(酸化還元平衡)を形成する。
アントラキノン誘導体としては、例えば硫酸化アントラキノン(以下「AQDS」と略記する場合がある。)を用いることができる。硫酸化アントラキノンは、アントラキノンにスルホン基を導入して親水化した物質である。親水化により酸化還元活性種を電解液に均一分散でき好適である。すなわち、親水化アントラキノン誘導体は酸化還元活性種として好適に用い得る。
メチレンブルー(以下「MB」と略記する場合がある。)の構造を化学式3に示し、その酸化還元反応式を化学式4に示す。pHの低い環境下では、酸化体(酸化還元反応式の左辺)の還元反応が進行し、平衡が右へ移動して、プロトンと電子が消費される。一方、pHの高い環境下では還元体(酸化還元反応式の右辺)の酸化反応が進行し、平衡が左へ移動して、プロトンと電子が放出される。
次に図1を参照して、上述した電解液を用いた発電装置について説明する。本実施形態に係る発電装置100は、正極槽1、負極槽2、正極3、負極4、冷却機構5、加熱機構6、循環機構7および熱交換機構8を有して構成される。
以上述べた発電装置100の動作について説明する。以下の説明では、温度応答性電解質のイオン化可能な官能基が、硫酸やカルボン酸等の酸(負電荷となり得る官能基)である場合について説明する。
ここで、温度応答性電解質のイオン化可能な官能基が、アミンの様な塩基(正電荷となり得る官能基)である場合について説明する。この場合、温度応答性電解質のアンモニウム基は低温においては高いpKaを有するが高温域においてはpKaの値が低くなる。このような温度応答性電解質を発電装置100に用いる場合には、冷却機構5と加熱機構6の配置を入れ替える。すなわち、冷却機構5が負極槽2の電解液Sを冷却し、加熱機構6が正極槽1の電解液Sを加熱するよう、発電装置100を構成する。
本実施形態に係る電解液によって発電が可能であることを確認するため、図2に示す試験器具にて発電原理確認試験を行った。
低温側電極14および高温側電極15は、水溶液槽11内部の試験用試料と接触した状態とされる。低温側電極14は、白金のワイヤーであって、太さは1mmであり、試験用試料と接触する部位の長さは22mmである。高温側電極15は、白金のワイヤーであって、太さは1mmであり、試験用試料と接触する部位の長さは18mmである。低温側電水溶液槽と高温側水溶液槽は厚み0.2mmの整流板で部分的に区切られており効果的に熱対流が維持されるように設計されている。低温側電水溶液槽と高温側水溶液槽の厚みは3mmであり、直径が30mmの円筒形である。低温側電極14と高温側電極15との間に、電流計18が接続される。
低温側水槽12は、厚み0.1mmの伝熱板を介して水槽と接触しており、低温熱源16から温度を制御した湯水が供給される。高温側水槽13は、厚み0.1mmの伝熱板を介して水槽と接触しており、高温熱源17から温度を制御した湯水が供給される。そうすると水溶液槽11では、低温側電極14の近傍の試験用試料は冷却され、高温側電極15の近傍の試験用試料は加熱されて、水溶液槽11の試験用試料の内部で温度差(温度傾斜)が生じる。また、水溶液槽11内には対流により低温側電極14と高温側電極15の間を試験用試料が循環する。
以下に示す水溶液を調整して試験用試料(電解液)とし、上述の試験器具にて試験を行った。
硫酸化アントラキノン 1mmol/L
還元剤(亜ジチオン酸ナトリウム) 0.5mmol/L
KCl 30mmol/L
NaOH 2mmol/L
温度応答性電解質(Nps(COO−)) 4mmol/L
本実施形態に係る発電装置100のように、2つの槽を用いる構成で発電が可能であることを確認するため、図3に示す試験器具にて2槽電位差測定試験を行った。
<試験用試料>
以下の表に示す水溶液を調整して試験用試料とし、上述の試験器具にて試験を行った。
本実施形態に係る発電装置100のように、2つの槽を用いる構成で発電が可能であることを確認すると同時に様々な酸化還元活性種を用いることができることを実証するため、様々な試料を用いて試験2と同様の試験を行った。
以下の表2および表3に示す水溶液を調整して試験用試料とし、他は試験2と同様に試験を行った。
(1)上述の実施形態では、温度に応じてpH変化を生じさせる温度応答性電解質と、酸化還元活性種とを、電解液に含有させる場合について説明した。温度応答性電解質に替えて、その他の刺激、例えば光によりpH変化を生じさせる物質を用いて、電解液および発電装置を構成することも可能である。
1 :正極槽
2 :負極槽
3 :正極
4 :負極
5 :冷却機構
6 :加熱機構
7 :循環機構
7a :第1流路
7b :第1ポンプ
7c :第2流路
7d :第2ポンプ
8 :熱交換機構
11 :水溶液槽
12 :冷却水循環槽
13 :高温水循環槽
14 :低温側電極
15 :高温側電極
16 :低温熱源
17 :高温熱源
18 :電流電圧計
19 :整流板
20 :伝熱板
21 :低温側槽
22 :高温側槽
23 :低温浴
24 :高温浴
25 :低温側電極
26 :高温側電極
27 :塩橋
28 :電圧計
S :電解液
Claims (13)
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種(ヒドロキノン誘導体を除く)とを含有する電解液。
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種であるN,N,N’,N’−テトラメチル−p−フェニレンジアミンあるいはその誘導体とを含有する電解液。
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種であるニコチンアミドあるいはその誘導体とを含有する電解液。
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種であるプロフラビンヘミ硫酸塩水和物あるいはその誘導体とを含有する電解液。
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種であるリボフラビンあるいはその誘導体とを含有する電解液。
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種である硫酸化アントラキノンあるいはその誘導体とを含有する電解液。
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種であるナフトキノンあるいはその誘導体とを含有する電解液。
- 温度に応じてpKaが変化する電解質である温度応答性電解質と、酸化還元活性種であるメチレンブルーあるいはその誘導体とを含有する電解液。
- 前記温度応答性電解質は、極性基と、疎水性基と、イオン化可能な官能基とを有する分子である請求項1から8のいずれか1項に記載の電解液。
- 請求項1から9のいずれか1項に記載の電解液を用いて発電を行う発電装置であって、
正極と負極と加熱機構と冷却機構とを有し、前記正極および前記負極は前記電解液に浸漬され、
前記加熱機構は、前記正極と前記負極のうち一方の近傍の前記電解液を加熱し、
前記冷却機構は、前記正極と前記負極のうち他方の近傍の前記電解液を冷却する、発電装置。 - 前記加熱機構は、前記温度応答性電解質の相転移温度より高い温度に前記電解液を加熱し、
前記冷却機構は、前記温度応答性電解質の相転移温度より低い温度に前記電解液を冷却する請求項10に記載の発電装置。 - 正極槽と負極槽と循環機構とを有し、前記電解液が前記正極槽および前記負極槽に収容され、前記正極が前記正極槽の前記電解液に接触し、前記負極が前記負極槽の前記電解液に接触し、前記加熱機構が前記正極槽と前記負極槽のうち一方の前記電解液を加熱し、前記冷却機構が前記正極槽と前記負極槽のうち他方の前記電解液を冷却し、前記循環機構が前記正極槽と前記負極槽との間で前記電解液を循環させる請求項10または11に記載の発電装置。
- 熱交換機構を有し、前記熱交換機構は、前記循環機構が前記正極槽に送る前記電解液と、前記循環機構が前記負極槽に送る前記電解液との間で熱交換を行う請求項12に記載の発電装置。
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