JP2019032935A

JP2019032935A - 水分解・空気電池複合発電システム

Info

Publication number: JP2019032935A
Application number: JP2017151571A
Authority: JP
Inventors: 光廣佐想; Mitsuhiro Saso
Original assignee: Saso Mitsuhiro
Current assignee: Saso Mitsuhiro
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2019-02-28

Abstract

【課題】ナノカーボンの触媒作用による水分解発電の、１ユニット当たりの起電力を向上させる発電システムの提供。【解決手段】ナノカーボンを含む触媒層を積層し、その一方の面を水３２に接触させて水分解層として利用する一方、隣接する他方の面を空気と接触させて空気層として利用し、水分解発電と空気発電とを組み合わせた複合発電システム。カーボン導電体をナノカーボンを含むカーボンシートの積層体から構成し、その内側の水又は電解液と接触するカーボンシート３１Ａが酸処理され、その一方又は双方の面が水との接触時水の内部浸透を制限又は遮断する疎水性膜又は層で封止し、水分解発電システムを形成し、また、カーボン導電体をナノカーボンを含むカーボンシートの積層体３１Ａ，Ｂから構成し、その外側の空気と接触するカーボンシート面が空気から酸素を取り込み、負極金属３３との間に空気電池発電システムを形成する水分解・空気電池３０。【選択図】図４

Description

本発明は、水分解発電システムと金属-空気電池発電システムとを複合化した、大
きな起電力を生む複合発電システムに関する。

現在の発電システムは物理的発電システムと化学的発電システムに２分されるが、前者の物理的発電システムは水力、原子力を筆頭に多額の設備費用を必要とするだけでなく、火力発電は大気汚染の原因となり、原子力発電は放射線汚染の問題をはらむので、後者の化学的発電システムが電力補充システムとして脚光を浴びている。

後者の発電システムにおいて、特に、太陽電池は無尽蔵の太陽光の有効利用ができることで再生可能エネルギーとして、また、燃料電池は大気汚染のない発電システムとてして有望視されている。しかしながら、太陽電池システムは遊休土地が少なく、長時間の日照時間が得られない日本などではコストパフォーマンスの問題があり、その適正化に問題が残る。一方、後者燃料電池は燃料源として水素ガスを含む燃料の供給が必要であるという問題がある。

そこで、再生可能エネルギー源として太陽光発電に代わる新たな発電システムの提供が望まれ、バイオマス発電（特許文献１）、風力発電（特許文献２）、地熱発電（特許文献３）などが提案されるが、いずれも現在の水力発電、火力発電及び原子力発電に代わり得る再生可能エネルギー発電システムとしては不十分であり、新たな再生可能エネルギー発電システムの提供が望まれるものの、水力を除く再生可能エネルギーの電力量はわずか３．２％（平成26年度電気事業連合会の調査）に過ぎない。かかる現状において、本発明者はナノカーボンの触媒作用により水を分解することができることを発見し、このナノカーボンの触媒作用を利用して新しい再生可能エネルギーとしての水分解発電システムを提供したが、水分解による起電力は多くても１Ｖ前後に止まり、自動車及び家庭電源として利用するには不十分である。

特開２０１６−４４２１５号公報特開２０１７−８８０７号公報特開２０１６−２２３３７７号公報

そこで、本発明はナノカーボンの触媒作用による水分解発電の、１ユニット当たりの起電力を向上させる発電システムを提供することを課題とする。

本発明者は、ナノカーボンを含む触媒層は、水と接触すると、酸処理により水分解を示すだけでなく、空気と接触すると、酸素を取り込んで空気電池の正極として機能することを見出し、これに基づき鋭意研究の結果、ナノカーボンを含む触媒層を積層し、その一方の面を水に接触させて水分解層として利用する一方、隣接する他方の面を空気と接触させて空気極として利用し、水分解発電システムと空気電池発電システムとを組み合わせ、これにより起電力を向上させることができることを見出して完成した。すなわち、本発明は、金属負極と、水又は電解液層と、カーボン導電体とからなり、カーボン導電体の一方の面を水又は電解液と接触させて金属負極との間に水分解発電システムを形成する一方、
カーボン導電体の他方の面を空気と接触させて金属負極との間に空気電池発電システ
ムを形成することを特徴とする水分解・空気電池複合発電システムにある。

本発明においては、前記カーボン導電体はナノカーボンを含むカーボンシートの積層体から構成するのが好ましく、そのカーボン積層体の内側の水又は電解液と接触するカーボンシートは酸処理されるのが好ましく、しかもその一方又は双方の面が水との接触時水の内部浸透を制限又は遮断する疎水性膜又は層で封止されることにより、長時間発電が可能な水分解発電システムを形成する。

他方、前記カーボン導電体がナノカーボンを含むカーボンシートの積層体からなる場合、その積層体の外側の空気と接触するカーボンシート面は空気から酸素を取り込むことにより、負極金属との間に空気電池発電システムを形成する。

したがって、本発明によれば、カーボン導電体を兼用して水分解発電システムと空気電池発電システムとを複合化することができるので、水分解発電システム又は空気電池発電システム単独の場合より大きな起電力を得ることができる。

すなわち、本発明の水分解発電システムによれば、図１（ａ）に示すようにカーボン導電体の水又は電解液との界面に存在する水分子は、水分解による電気化学反応による電子を生成する。この電子を負極で受け、正極から供給すれば、水分解による起電力を発生することができる。
詳しくは、水を分解すれば、以下の通りとなる。
２Ｈ₂Ｏ→２Ｈ⁽⁺⁾＋２ＯＨ^(-)→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏの全体反応を示し、
カーボン導電体内部で、正極（＋極）反応の２ＯＨ^(-)→１／２Ｏ₂＋２ｅ^-＋Ｈ₂Ｏと負極（ー極）反応の２Ｈ⁽⁺⁾＋２ｅ^-→Ｈ₂の反応を起こし、このような水の分解作用が行なわれ、発生する電子のエネルギーによりその起電力を生む。すなわち、本発明によれば、ナノカーボン界面に存在する水分子はナノカーボンの触媒作用を受けて分解し、
２H₂O→２H⁺＋２OH^-→２Ｈ₂＋ O₂ の反応による電子の移動を受け、水分解による相当の起電力（１．２V以下、通常０．８〜１．０V）を発生する。

また、本発明の空気電池発電システムによれば、図１（ｂ）に示すように、負極金属と空気と接触するカーボン面とは電解液を介在して、例えばアルカリ電解液では２Zn＋O₂＋H₂O→2Zn(OH)₂の反応を示し、正極では酸素ガスを取り込んでのO₂+2H₂O+４e-→４OH-反応と、負極でのZn+４OH⁻→Zn(OH)^2- ₄＋２e-の反応を伴い、酸性電解液では２Zn＋O₂＋２H₂SO_４→2Zn SO_４＋２H₂Oの反応を示し、正極では酸素ガスを取り込んでのO₂+2H₂O+４e-→４OH-反応と、負極でのZn+H₂SO_４→ZnSO₄＋H₂の反応を伴うものと思われる。これにより、中性又は酸性電解液では金属に応じて金属‐空気電池による相当の起電力（１．２Ｖ〜１．５Ｖ）を発生する。

これにより、水分解発電システムと空気電池の発電システムとが複合化して両者の統合した起電力を生むことができる。

本発明の水分解発電システムの原理を示す概略図（ａ）と金属‐空気電池の発電システムの原理を示す概念図（ｂ）である。本発明で用いるカーボン導電体を用いた水分解発電システムの説明図で、Pt集電体／塩水層／カーボンシート積層体（水分解発電体）／Ｐｔ集電体からなる。本発明でカーボン導電体を用いた金属‐空気電池の発電システムの説明図で、金属／塩水層／無処理カーボンシート（空気極）／ステンメッシュ集電体からなる。本発明でカーボン導電体を用いた複合発電システムの説明図で、亜鉛板／塩水層／酸処理カーボンシート積層体（水分解発電体）／無処理カーボンシート（空気極）／ステンメッシュ集電体からなる。

以下、好ましい具体例に基づき、具体的に説明する。
本発明の水分解・金属‐空気電池の複合発電システムは、図２の水分解発電システムと図３の金属‐空気電池の発電システムとを複合化して図４の水分解・金属‐空気電池の発電システムを構成する。

本発明で用いるカーボン導電体を用いた水分解発電システムは図２で示すように、発電体１０は酸処理したカーボンシート１１からなり、その一方の側面には吸水シートに５重量％濃度の塩水を吸水させて塩水層１２を構成して接触させるとともに、その塩水層１２にPt等の非腐食性の集電体１３を接触させる一方、カーボンシート１１の他方の側面にPt等の非腐食性の集電体１３を接触させる。したがって、その発電システムの構成はPt等集電体１３／塩水層１２/カーボンシート積層体（水分解発電体）１１/Pt集電体からなり、０．８〜１．０Ｖの起電力を得ることができる。負極集電体１３をイオン化傾向の大きい金属、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ等を用いることにより起電力は向上する。

本発明で用いるカーボン導電体を用いた金属‐空気電池の発電システムは図３で示すように、空気電池２０は金属負極２３と無処理カーボンシート２１とで５重量％濃度の塩水を吸水シートに吸水させて構成した塩水層２２を挟持して接触させ、その塩水層２２とは異なる、カーボンシート２１の他方の側面にＰｔ等の非腐食性の集電体、ここではステンレスメッシュの集電体２４を接触させて構成する。したがって、その発電システムの構成は金属負極２３／塩水層２２／カーボンシート（空気極）２１／ステンレスメッシュ集電体２４とからなる。カーボンシートとして酸処理したものを用いてもよい。負極金属、電解液との関係にもよるが、亜鉛、塩水、無処理カーボンシートの組み合わせで１．２〜１．５Ｖの起電力を得ることができる。

本発明では図２の水分解発電システムと図３の金属‐空気電池発電システムとを組み合わせてカーボン導電体を用いた複合発電システム３０を構成する。複合発電システム３０は酸処理カーボンシート３１Ａと無処理カーボンシート３１Ｂとを積層させて構成する。カーボンシートとしては東洋炭素製のバインダーを用いないでシート化したもの６と、金属負極３３と酸処理カーボンシート３１Aとで５重量％濃度を吸水シートに吸水させて構成した塩水層３２を挟持して接触させる。他方、その塩水層３２とは異なる面の、無処理カーボンシート３１Ｂに非腐食性の集電体、ここではステンレスメッシュの集電体３４を接触させて空気層と接触させるように構成する。したがって、その発電システムの構成は金属負極３３／塩水層３２／酸処理カーボンシート（水分解発電体）３１Ａ／無処理カーボンシート（空気極）３１Ｂ／ステンレスメッシュ集電体３４とからなる。負極金属、電解液との関係にもよるが、亜鉛、塩水、酸処理カーボンシート、無処理カーボンシートの組み合わせで、２．０Ｖ前後の起電力を得ることができる。

カーボン導電体としては、ナノカーボン粒子または繊維をシート状に構成したカーボンシートを積層して構成されるのがよい。水分解発電システムに用いるカーボンシートは水との接触時水の浸透を制限又は遮断する疎水性膜又は層で封止されているのが好ましい。２ＯＨ^(-)→１／２Ｏ2＋２ｅ^-＋Ｈ2Ｏで示される正極反応により水が生成される。
したがって、右反応を進行させるためには水の侵入を封止又は制限するのが好ましいためである。また、疎水性層又は膜は生成する水素、酸素ガスが透過するのが好ましい。

金属負極は水素よりイオン化傾向の大きい金属、Ｚｎ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｆｅ等の金属が使用できるが、酸処理カーボンシートと接触する塩水層が酸性を示すので、Ａｎ又はＦｅあるいはＳＵＳ等の酸性に耐性を有するのが好ましい。

カーボン導電体に使用するカーボンシートは硝酸、塩酸、硫酸で前処理された又は後処理されるナノカーボン粒子または繊維をシート状に構成したカーボンシートが好ましい。また、カーボンシートを酸処理するにあたり、ラジウム鉱石粉末を硝酸水溶液で溶解し、これに浸漬してまたは塗布して乾燥させて使用するのが好ましい。水分解の触媒機能を向上させるからである。本発明においては東洋炭素製PERMA-FOILをそのまま無処理カーボンシートとして用い、酸処理シートとしては東洋炭素製PERMA-FOILを硝酸、硫酸、塩酸に浸漬して用いる。硝酸処理は１０時間程度浸漬してこれを天日乾燥させて用いた。硫酸処理はシートが崩壊しやすいので、１時間以内１０分程度の浸漬後これを天日乾燥させて用いた。ナノカーボン粉末とガンマー線鉱石（ラジウム鉱石）粉末をバインダを添加して硝酸等の酸とともに混錬してシートまたは塊状マスとして用いることもできる。

３０水分解・空気電池発電システム
３１Ａ酸処理カーボンシート
３１Ｂ無処理カーボンシート
３２塩水層
３３金属負極
３４ステンレスメッシュ集電体

Claims

金属負極と、水又は電解液層と、カーボン導電体とからなり、カーボン導電体の一方
の面を水又は電解液と接触させて金属負極との間に水分解発電システムを形成する一方
、カーボン導電体の他方の面を空気と接触させて金属負極との間に空気電池発電シス
テムを形成することを特徴とする水分解・空気電池複合発電システム。
前記カーボン導電体がナノカーボンを含むカーボンシートの積層体からなり、その内側の水又は電解液と接触するカーボンシートが酸処理され、その一方又は双方の面が水との接触時水の内部浸透を制限又は遮断する疎水性膜又は層で封止され、水分解発電システムを形成する請求項１記載の水分解・空気電池複合発電システム。
前記カーボン導電体がナノカーボンを含むカーボンシートの積層体からなり、その外側の空気と接触するカーボンシート面が空気から酸素を取り込み、負極金属との間に空気電池発電システムを形成する請求項１記載の水分解・空気電池複合発電システム。