JP2023129192A - primary metal battery - Google Patents

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勝也 田崎
Katsuya Tazaki
健也 柳原
Takeya Yanagihara
信貴 安倍
Nobutaka Abe
恒雄 水野
Tsuneo Mizuno
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Macrw Co Ltd
Nisoul Co Ltd
Onozka Seiki Co Ltd
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Macrw Co Ltd
Nisoul Co Ltd
Onozka Seiki Co Ltd
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Abstract

To provide a primary metal battery from which electric energy can be extracted efficiently and which uses a long-term usable electrode.SOLUTION: A primary metal battery according to the present invention uses a coated metal electrode in which either a conductive film or a semiconducting film each preventing chemical reaction, or both the conductive film and the semiconducting film, are formed on the metal. As a metal electrode, copper, zinc or zinc alloy, aluminum or aluminum alloy, magnesium or magnesium alloy can be used. The conductive film can be a layered compound, a resistor, or metal, and the semiconductive film can be titanium oxide, tungsten oxide, or a photocatalyst.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電気エネルギーを取り出すことができる一次金属電池及びその電極に関する。 The present invention relates to a primary metal battery and its electrodes from which electrical energy can be extracted.

携帯電話やノート型パソコン、電子玩具など電子機器では、電源として電池が幅広く使用されている。電池にはマンガン電池やアルカリ電池などが広く利用されているが、現在、金属材料を電極に使用した亜鉛電池、アルミニウム電池、マグネシウム電池等が開発されている。また、自然界から電気エネルギーを取り出すことができる微生物燃料電池も、取り出せる電気エネルギーは僅かではあるが、自然に適合し、環境に優しい自然エネルギーとして注目されている。 Batteries are widely used as power sources in electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and electronic toys. Although manganese batteries, alkaline batteries, and the like are widely used as batteries, zinc batteries, aluminum batteries, magnesium batteries, and the like, which use metal materials for electrodes, are currently being developed. In addition, microbial fuel cells, which can extract electrical energy from the natural world, are attracting attention as natural energy that is compatible with nature and friendly to the environment, although the amount of electrical energy that can be extracted is small.

なお、以下の説明で正極とカソード電極(又はカソード)、負極とアノード電極(又はアノード)の言葉は、業界により標準的に使用されている言葉が違うため、混在しているが、一次電池としては、同じ意味で使用する。 In the following explanation, the words positive electrode, cathode electrode (or cathode), and negative electrode and anode electrode (or anode) are used interchangeably because the words used are different depending on the industry, but as a primary battery are used with the same meaning.

亜鉛電池は負極に亜鉛または亜鉛合金が用いられ、高容量化や高電圧化が求められる一方、より長時間の使用が要望されている。 Zinc batteries use zinc or a zinc alloy for the negative electrode, and are required to have higher capacity and higher voltage, and are also required to be used for longer periods of time.

特許文献1には、電池のサイクル寿命および保存可能期間が向上する技術が開示されている。充電式亜鉛アルカリ電気化学電池の負極活性物質は、スズおよび/または鉛で被覆された金属亜鉛粒子から形成される。その後、残りの亜鉛電極構成成分、たとえば、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ビスマス(Bi)、分散剤および結合剤を加える。これにより。従来の電池に比べて、60~80%も水素ガスの発生が起こりにくくなり、亜鉛導電性マトリックスが元の状態のまま損なわれず、保存時の放電を抑制できる。これにより、電池のサイクル寿命および保存可能期間が向上する。 Patent Document 1 discloses a technique that improves the cycle life and shelf life of a battery. The negative electrode active material of rechargeable zinc-alkaline electrochemical cells is formed from metallic zinc particles coated with tin and/or lead. The remaining zinc electrode components, such as zinc oxide (ZnO), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), dispersant, and binder are then added. Due to this. Compared to conventional batteries, hydrogen gas generation is 60-80% less likely, the zinc conductive matrix remains intact, and discharge during storage can be suppressed. This increases the cycle life and shelf life of the battery.

特許文献2には、電池の負極にアルミニウムを用いても、高電圧、高寿命かつ低コストの電池を得る技術が開示されている。アルミニウム電池は、正極と負極との間に電解質を有し、負極のアルミニウム電極に接触している電解質中に分散された粘土鉱物を有するアルミニウム電池、または正極と負極との間に電解質を有し、負極のアルミニウム電極に接触している粘土鉱物の層を有する。 Patent Document 2 discloses a technique for obtaining a battery with high voltage, long life, and low cost even when aluminum is used for the negative electrode of the battery. Aluminum batteries have an electrolyte between the positive and negative electrodes and have clay minerals dispersed in the electrolyte in contact with the negative aluminum electrode, or aluminum batteries have an electrolyte between the positive and negative electrodes. , with a layer of clay mineral in contact with the negative aluminum electrode.

特許文献3には、マグネシウム電池の長寿命化を図ることができる技術が開示されている。マグネシウム電池は、負極にマグネシウムを使用している。負極は、薄板状アルミニウムの導電板の両面に薄膜状マグネシウムの負極材を接合した構成を有している。負極材は、1.5~2.5重量%のカルシウムが添加されたマグネシウムからなっている。 Patent Document 3 discloses a technique that can extend the life of a magnesium battery. Magnesium batteries use magnesium for the negative electrode. The negative electrode has a structure in which a thin film of magnesium negative electrode material is bonded to both sides of a thin aluminum conductive plate. The negative electrode material consists of magnesium to which 1.5-2.5% by weight of calcium is added.

微生物燃料電池は、微生物の異化代謝能を利用して有機物から電力を生産するシステムである。ヘドロは、産業排水及び家庭排水等に含まれる有機物が泥と共に、川底及び海底に堆積しているが、微生物によりヘドロ中の有機物を分解するバイオマス処理すると、水素イオンと電子が発生して電力という形で直接電気エネルギーを回収できる。微生物燃料電池において,微生物から放出された電子はアノード電極(負極)へと受け渡される。電子はアノード電極から外部負荷を経てカソード電極(正極)へと移動し,そこで酸化剤(電子受容体)となる化合物およびアノード側から拡散してきた水素イオン(H+)と反応する。このため、アノード電極とカソード電極の間に負荷を接続することにより電気回路として機能する。 A microbial fuel cell is a system that uses the catabolic ability of microorganisms to produce electricity from organic matter. Sludge is organic matter contained in industrial and domestic wastewater that is deposited along with mud on riverbeds and the ocean floor. When microorganisms decompose the organic matter in the sludge through biomass processing, hydrogen ions and electrons are generated, which can be used as electricity. electrical energy can be recovered directly in the form of In microbial fuel cells, electrons released from microorganisms are transferred to the anode electrode (negative electrode). Electrons move from the anode electrode through an external load to the cathode electrode (positive electrode), where they react with a compound that becomes an oxidizing agent (electron acceptor) and hydrogen ions (H+) that have diffused from the anode side. Therefore, by connecting a load between the anode electrode and the cathode electrode, it functions as an electric circuit.

特許文献4では、電力生産力を向上させると共に発電コストを抑制することのできる微生物燃料電池、微生物燃料電池用電極およびその製造方法、微生物を利用した電力生産方法及びその電力生産方法に用いられる微生物の選択的培養方法を開示されている。有機性物質を含む液体とアノード電極とを有し、嫌気雰囲気下で微生物により有機性物質を生分解するアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極を電気的に接続する外部回路とを備え、アノード電極は、グラフェンを備えている。アノード電極に備えられたグラフェンは、優れた電子伝導材料であるので、グラフェンによって微生物から負極までの電子伝達を容易にすることができ、電力生産量を向上させることができるとしている。 Patent Document 4 discloses a microbial fuel cell, an electrode for a microbial fuel cell, a manufacturing method thereof, a power production method using microorganisms, and a microorganism used in the power production method, which can improve power production capacity and suppress power generation costs. A method for selective culturing is disclosed. An anode electrode that has a liquid containing an organic substance and an anode electrode, the organic substance is biodegraded by microorganisms in an anaerobic atmosphere, a cathode electrode, and an external circuit that electrically connects the anode electrode and the cathode electrode. The anode electrode includes graphene. The graphene included in the anode electrode is an excellent electron conductive material, so graphene can facilitate electron transfer from microorganisms to the negative electrode, improving power production.

特許文献5では、微生物燃料電池において高出力電流を発生することが可能な微生物燃料電池用電極とそれを用いた微生物燃料電池が開示されている。微生物燃料電池のアノード電極として、電極基盤表面に導電性ポリマーによりナノワイヤ構造を形成させて電極表面積を増大させている。これにより、微生物から電極への電荷移動効率が、従来の微生物燃料電池用電極と比較して10倍~100倍も増大することを見出している。 Patent Document 5 discloses a microbial fuel cell electrode capable of generating high output current in a microbial fuel cell, and a microbial fuel cell using the electrode. As an anode electrode for a microbial fuel cell, a nanowire structure is formed on the surface of the electrode base using a conductive polymer to increase the electrode surface area. It has been found that this increases the efficiency of charge transfer from microorganisms to the electrode by 10 to 100 times compared to conventional electrodes for microbial fuel cells.

特開2012-527733号公報Japanese Patent Application Publication No. 2012-527733 特開2018-041670号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-041670 特開2017-188483号公報Japanese Patent Application Publication No. 2017-188483 国際公開2013/073284号International Publication 2013/073284 国際公開2011/025021号International Publication 2011/025021

従来の一次金属電池は、正極(カソード電極)、負極(アノード電極)と電解質で構成されるが、電極に金属を用いた場合は、腐食の問題がつきまとう。さらに、電気エネルギーは、金属の化学反応を利用しているため、寿命の問題もある。また、微生物燃料電池は、カーボンフェルトが使用されているが、カソード電極とアノード電極に同じ材料が使用されているため、電圧や電流が少なくなってしまう。 Conventional primary metal batteries are composed of a positive electrode (cathode electrode), a negative electrode (anode electrode), and an electrolyte, but when metal is used for the electrodes, there is a problem of corrosion. Furthermore, since electrical energy uses chemical reactions in metals, there is a problem with its lifespan. Furthermore, although carbon felt is used in microbial fuel cells, since the same material is used for the cathode and anode electrodes, the voltage and current are low.

既存の亜鉛電池、アルミニウム電池やマグネシウム電池等の一次金属電池は、化学反応を利用しており、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムおよびそれらの合金類は、化学反応により溶解して小さくなっていく。このため、特性の劣化は避けられず、寿命が大きな課題となっている。 Existing primary metal batteries such as zinc batteries, aluminum batteries, and magnesium batteries utilize chemical reactions, and zinc, aluminum, magnesium, and their alloys dissolve and become smaller due to chemical reactions. For this reason, deterioration of characteristics is unavoidable, and longevity has become a major issue.

微生物燃料電池では、取り出せる電力が著しく少なく、電圧も太陽電池に比べて低く、実用化に際して更なる高電圧化、電力生産量の向上が必要であるという課題があった。 Microbial fuel cells have the problem that the amount of electricity that can be extracted is extremely small and the voltage is also lower than that of solar cells, and that it is necessary to further increase the voltage and increase the amount of power production for practical use.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電気エネルギーを効率よく取り出し、長期に使用できる電極を使用した一次金属電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a primary metal battery using electrodes that can efficiently extract electrical energy and can be used for a long period of time.

本発明は、以下の手段により一次金属電池の電極の長寿命化を図っている。 The present invention aims to extend the life of the electrodes of primary metal batteries by the following means.

(1)本発明の一次金属電池は、金属に化学反応を防止する導電性被膜又は半導電性被膜のいずれか一方、又は、導電性被膜と半導電性被膜の両方が形成されている被膜金属電極を使用したこと、を特徴とする。 (1) The primary metal battery of the present invention is a coated metal in which either a conductive coating or a semiconductive coating, or both a conductive coating and a semiconductive coating are formed on the metal to prevent chemical reactions. It is characterized by the use of electrodes.

(2)本発明の一次金属電池において、金属は、亜鉛または亜鉛合金,アルミニウムまたはアルミニウム合金,マグネシウムまたはマグネシウム合金であること、が好ましい。 (2) In the primary metal battery of the present invention, the metal is preferably zinc or a zinc alloy, aluminum or an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy.

(3)本発明の一次金属電池において、導電性被膜は、層状化合物、抵抗体又は金属であり、半導電性被膜は半導体であること、が好ましい。 (3) In the primary metal battery of the present invention, it is preferable that the conductive film is a layered compound, a resistor, or a metal, and the semiconductive film is a semiconductor.

(4)本発明の一次金属電池において、層状化合物は、黒鉛,プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体であること、が好ましい。ここで層状化合物は、インターカレーション機能を有する物質の総称として使用しており、三次元骨格で細孔構造が固定化されたマイクロポーラスクリスタル、多孔性配位高分子を含む。 (4) In the primary metal battery of the present invention, the layered compound is preferably graphite, Prussian blue, or a Prussian blue analog. Here, the term "layered compound" is used as a general term for substances having an intercalation function, and includes microporous crystals and porous coordination polymers in which pore structures are fixed in a three-dimensional skeleton.

(5)本発明の一次金属電池において、抵抗体は、鉄フタロシアニン、酸化鉄又は導電性の不働態被膜であること、が好ましい。 (5) In the primary metal battery of the present invention, the resistor is preferably iron phthalocyanine, iron oxide, or a conductive passive film.

(6)本発明の一次金属電池において、半導体は、酸化チタン、酸化タングステン又は光触媒であること、が好ましい。 (6) In the primary metal battery of the present invention, the semiconductor is preferably titanium oxide, tungsten oxide, or a photocatalyst.

(7)本発明の一次金属電池において、導電性被膜には、導電材として、黒鉛、カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末、鉄フタロシアニン、酸化鉄、又は、有機導電性ポリマーが含まれていること、が好ましい。 (7) In the primary metal battery of the present invention, the conductive coating may contain graphite, carbon nanotubes, carbon black, activated carbon, Ketjen black, fullerene, charcoal fine powder, iron phthalocyanine, iron oxide, or Preferably, an organic conductive polymer is included.

(8)本発明の一次金属電池において、導電性被膜は、導電材が結合剤又は樹脂と混合されて金属にコーティングされていること、が好ましい。 (8) In the primary metal battery of the present invention, it is preferable that the conductive coating is a mixture of a conductive material with a binder or a resin and coated on the metal.

(9)本発明の一次電金属池において、被膜金属電極を負極とし、正極は、カーボンを主成分とした黒鉛、活性炭、カーボングラファイト、ハードカーボン、木炭を材料としたカーボン電極、又は、イオン化傾向が貴な金属であること、が好ましい。 (9) In the primary battery of the present invention, the coated metal electrode is used as a negative electrode, and the positive electrode is a carbon electrode made of carbon-based graphite, activated carbon, carbon graphite, hard carbon, or charcoal, or a carbon electrode with ionization tendency. It is preferred that the metal is a noble metal.

(10)本発明の一次金属電池において、カーボン電極は、鉄フタロシアニン又は酸化鉄を結合剤又は樹脂でコーティングした鉄成分被膜、酸化チタン被膜、酸化タングステン又は光触媒被膜が形成されていること、が好ましい。 (10) In the primary metal battery of the present invention, it is preferable that the carbon electrode is formed with an iron component film, a titanium oxide film, a tungsten oxide film, or a photocatalytic film formed by coating iron phthalocyanine or iron oxide with a binder or resin. .

(11)本発明の一次金属電池において、電解質は水、土壌、海水、肥料の水溶液、有機物又は肥料を含ませた土壌、又は、これらの組み合わせであること、が好ましい。 (11) In the primary metal battery of the present invention, the electrolyte is preferably water, soil, seawater, an aqueous solution of fertilizer, soil containing organic matter or fertilizer, or a combination thereof.

(12)本発明の一次金属電池において、電解質は、植物が光合成で生成し、根から放出する糖類を含んでいること、が好ましい。 (12) In the primary metal battery of the present invention, it is preferable that the electrolyte contains sugars produced by plants through photosynthesis and released from their roots.

(13)本発明の一次金属電池において、前記被膜金属電極は、透水性の絶縁シートで覆われていること、が好ましい。 (13) In the primary metal battery of the present invention, the coated metal electrode is preferably covered with a water-permeable insulating sheet.

(14)本発明の一次金属電池において、絶縁シートは、前記被膜金属電極の被膜と同じ材料を含侵していること、が好ましい。 (14) In the primary metal battery of the present invention, it is preferable that the insulating sheet is impregnated with the same material as the coating of the coated metal electrode.

(15)本発明の一次金属電池は、蓄電池と、一次金属電池からの電気エネルギーを蓄電池に蓄電する制御部とからなる電気エネルギーシステムとすることが好ましい。 (15) The primary metal battery of the present invention is preferably an electrical energy system comprising a storage battery and a control unit that stores electrical energy from the primary metal battery in the storage battery.

(1)本発明の一次金属電池は、電極のイオン化傾向(酸化還元電位)の差を利用して電解質に電圧を印加し、電解質を電気分解することにより電子を発生させ、電子を電極から取り出すことで一時電池として機能させるのが原理である。電極に金属を使用した場合は、電解質との化学反応による腐食が問題となる。このため、金属に化学反応を防止する導電性被膜又は半導電性被膜のいずれか一方、又は、導電性被膜と半導電性被膜の両方が形成されている被膜金属電極を使用することにより、電極の溶解、即ち化学反応が防止でき、長期に渡って使用可能となる。 (1) The primary metal battery of the present invention utilizes the difference in ionization tendency (oxidation-reduction potential) of the electrodes to apply a voltage to the electrolyte, electrolyze the electrolyte, generate electrons, and extract the electrons from the electrodes. The principle is that it functions as a temporary battery. When metal is used for the electrode, corrosion due to chemical reaction with the electrolyte becomes a problem. For this reason, by using a coated metal electrode in which either a conductive film or a semi-conductive film, or both a conductive film and a semi-conductive film are formed on the metal to prevent chemical reactions, the electrode This prevents dissolution, that is, chemical reaction, and allows for long-term use.

(2)本発明の一次金属電池は、金属に亜鉛または亜鉛合金,アルミニウムまたはアルミニウム合金,マグネシウムまたはマグネシウム合金が使用できる。酸化還元電位は、亜鉛が-0.76V、アルミニウムが-1.68V、マグネシウムが-2.34Vである。この酸化還元電位に依存して発生電圧が決まる。酸化還元電位がマイナスの亜鉛,アルミニウム,マグネシウム等は負極に使用することが好ましい。それぞれの酸化還元電位により、他の電極との酸化還元電池との差で電解質に電圧を印加することができる。 (2) In the primary metal battery of the present invention, zinc or a zinc alloy, aluminum or an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy can be used as the metal. The redox potential is -0.76V for zinc, -1.68V for aluminum, and -2.34V for magnesium. The generated voltage is determined depending on this redox potential. It is preferable to use zinc, aluminum, magnesium, etc., which have a negative oxidation-reduction potential, for the negative electrode. Each redox potential allows a voltage to be applied to the electrolyte at a difference in the redox cell from other electrodes.

微生物燃料電池においては、負極としてカーボンフェルトが使用されている。この負極を、本発明による被膜金属電極とすれば、電圧、電流とも大幅な増加が可能となる。 Carbon felt is used as a negative electrode in microbial fuel cells. If this negative electrode is a coated metal electrode according to the present invention, both voltage and current can be significantly increased.

(3)導電性被膜は、層状化合物、抵抗体又は金属であり、半導電性被膜は半導体であり、この導電性被膜により、金属の化学反応を防止でき、長期使用が可能となる。 (3) The conductive film is a layered compound, a resistor, or a metal, and the semiconductive film is a semiconductor, and this conductive film can prevent chemical reactions of metals and enable long-term use.

(4)導電性被膜の層状化合物は、黒鉛,プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体であることが好ましく、インターカレーション機能を持っていることが必要である。インターカレーションは分子または分子集団の空隙に他の元素が侵入する可逆反応である。黒鉛は酸化還元電位がマイナスの亜鉛,アルミニウム,マグネシウム等が金属表面にコーティングされていることが好ましい。層状化合物のコーティングは、金属の化学反応を抑制し、インターカレーション機能により、電荷移動反応に代えることができる。 (4) The layered compound of the conductive film is preferably graphite, Prussian blue, or a Prussian blue analog, and must have an intercalation function. Intercalation is a reversible reaction in which another element enters the void space of a molecule or group of molecules. It is preferable that the metal surface of the graphite is coated with zinc, aluminum, magnesium, etc., each having a negative oxidation-reduction potential. The layered compound coating suppresses the chemical reaction of the metal and can replace the charge transfer reaction due to its intercalation function.

(5)抵抗体は、鉄フタロシアニン、は酸化鉄又は導電性の不働態被膜であることが好ましい。これにより、低抵抗の被膜が形成でき、さらに金属の化学反応を防止できる。 (5) The resistor is preferably iron phthalocyanine, iron oxide, or a conductive passive film. This makes it possible to form a low-resistance film and further prevent chemical reactions of the metal.

(6)半導体は、酸化チタン、酸化タングステン又は光触媒をコーティングして半導体被膜が形成できる。酸化チタン、酸化タングステン又は光触媒は、負極と正極のイオン化傾向(酸化還元電位)の差により発生する電圧を印加でき、これにより電子が価電子帯から導電帯に励起されるため、電解質を電気分解して電子の発生を増加させ、取得できる電気エネルギーを増加させることができ、さらに金属の化学反応を防止できる。 (6) A semiconductor film can be formed by coating a semiconductor with titanium oxide, tungsten oxide, or a photocatalyst. Titanium oxide, tungsten oxide, or a photocatalyst can be used to electrolyze the electrolyte by applying a voltage generated by the difference in ionization tendency (redox potential) between the negative and positive electrodes, which excites electrons from the valence band to the conduction band. This can increase the generation of electrons, increase the available electrical energy, and prevent chemical reactions of metals.

(7)導電性被膜には、導電材として、黒鉛、活性炭,カーボンナノチューブ,カーボンブラック,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末、鉄フタロシアニン又は酸化鉄、又は、有機導電性ポリマーが含まれている。特に、プルシアンブルーとプルシアンブルー類似体は、低抵抗化に効果がある。これらの導電材は、抵抗を小さくでき電子を通しやすくする。 (7) The conductive coating contains graphite, activated carbon, carbon nanotubes, carbon black, Ketjenblack, fullerene, fine charcoal powder, iron phthalocyanine or iron oxide, or an organic conductive polymer as a conductive material. There is. In particular, Prussian blue and Prussian blue analogs are effective in lowering resistance. These conductive materials have low resistance and allow electrons to pass through them easily.

(8)導電性被膜は、導電材が結合剤又は樹脂と混合されて前記金属に被膜を形成している。導電材と、結合剤又は樹脂を混合して十分に攪拌して均一な分散状態として、コーティングすることで、均一な被膜となる。これにより、導電材が均一で強固に前記金属に密着する。 (8) In the conductive coating, a conductive material is mixed with a binder or a resin to form a coating on the metal. A uniform film is obtained by mixing the conductive material and the binder or resin, stirring the mixture sufficiently to obtain a uniformly dispersed state, and coating the mixture. As a result, the conductive material uniformly and firmly adheres to the metal.

(9)被膜金属電極を負極とし、正極は、カーボンを主成分とした黒鉛、活性炭、カーボングラファイト、ハードカーボン、木炭を材料としたカーボン電極、又は、イオン化傾向が貴な金属とすることにより、電池としての機能を発揮する一次金属電池となる。 (9) By using the coated metal electrode as the negative electrode and the positive electrode as a carbon electrode made of carbon-based graphite, activated carbon, carbon graphite, hard carbon, or charcoal, or a metal with a noble ionization tendency, It becomes a primary metal battery that functions as a battery.

(10)カーボン電極は、鉄フタロシアニン又は酸化鉄を結合剤又は樹脂でコーティングした鉄成分被膜が形成されている。これにより取得できる電気エネルギーを増加させることができる。 (10) The carbon electrode has an iron component coating formed by coating iron phthalocyanine or iron oxide with a binder or resin. This can increase the electrical energy that can be obtained.

(11)電解質は水、土壌、海水、肥料の水溶液、有機物又は肥料を含ませた土壌、又は、これらの組み合わせである。土壌に有機物又は肥料を含ませることにより、電池の大幅な性能向上に効果がある。即ち、自然界を電界質として地球上のどこからでも電気エネルギーを取得できる。 (11) The electrolyte is water, soil, seawater, an aqueous solution of fertilizer, soil containing organic matter or fertilizer, or a combination thereof. Adding organic matter or fertilizer to the soil has the effect of significantly improving battery performance. In other words, electric energy can be obtained from anywhere on earth using the natural world as an electric field.

(12)電解質は、植物が光合成で生成し、根から放出する糖類を含んでいてもよい。植物が光合成で生成し、根から放出する糖類は、植物が生育している限り継続的に放出され、半永久的なエネルギー供給源とすることができる。 (12) The electrolyte may contain sugars produced by plants through photosynthesis and released from their roots. Sugars produced by plants through photosynthesis and released from their roots are continuously released as long as the plant is growing, and can be used as a semi-permanent source of energy.

(13)被膜金属電極は、透水性の絶縁シートで覆われている。透水性の絶縁シートで包むことにより、被膜金属電極と電解質間は、電解質における電荷の移動のみを行うことができる。これにより、被膜金属電極に形成されている被膜をキズ等により、被膜が剥がれることを防止しすることができる。また、被膜金属電極交換の際には、絶縁シートで包まれた被膜金属電極を、残渣物を含めて取り除くことができ、電解質に残渣物が残らず、容易に交換できる。 (13) The coated metal electrode is covered with a water-permeable insulating sheet. By wrapping with a water-permeable insulating sheet, only the charge in the electrolyte can be transferred between the coated metal electrode and the electrolyte. This can prevent the coating formed on the coated metal electrode from peeling off due to scratches or the like. Furthermore, when replacing the coated metal electrode, the coated metal electrode wrapped in the insulating sheet can be removed including any residue, and no residue will remain in the electrolyte, making it easy to replace.

(14)絶縁シートは、前記被膜金属電極の被膜と同じ材料を含侵している。これにより、被膜の機能を補うことができる。 (14) The insulating sheet is impregnated with the same material as the coating of the coated metal electrode. Thereby, the function of the coating can be supplemented.

(15)一次金属電池と、蓄電池と、一次金属電池からの電気エネルギーを蓄電池に蓄電する制御部との構成により、電気エネルギーシステムとすることができ、一次金属電池から取得した電気エネルギーを効率よく利用することができる。 (15) With the configuration of a primary metal battery, a storage battery, and a control unit that stores electrical energy from the primary metal battery in the storage battery, an electrical energy system can be created, and the electrical energy obtained from the primary metal battery can be efficiently used. can be used.

本発明の一次金属電池に用いる被膜金属電極の断面を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a cross section of a coated metal electrode used in the primary metal battery of the present invention. 従来のマグネシウム空気電池の原理を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of a conventional magnesium air battery. 本発明による一次金属電池を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a primary metal battery according to the present invention. 植物の生育している土壌に、アノード電極とカソード電極を埋め込んだ微生物燃料電池を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a microbial fuel cell in which an anode electrode and a cathode electrode are embedded in soil where plants are growing. 電解質を土壌領域と水領域で構成した微生物燃料電池の類型である田んぼ発電を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating rice field power generation, which is a type of microbial fuel cell in which the electrolyte is composed of a soil region and a water region. 負極として試作した被膜金属電極の試作例を示している。An example of a prototype coated metal electrode fabricated as a negative electrode is shown. 被膜金属電極の機能を確認する実験装置Aである。This is experimental equipment A for confirming the function of coated metal electrodes. 花を植えた植木鉢に、電極を埋め込んで電気エネルギーを取り出し、イルミネーションを点灯させる実験装置Bを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an experimental device B in which an electrode is embedded in a flowerpot in which flowers are planted to extract electrical energy and turn on illumination.

電池には一次電池と二次電池がある。一次電池は、正極と負極が電解質(化学物質)を挟んだセル構造であり、原理的には、セル内に存在する化学物質を電極との不可逆的な化学反応であるため、非充電式である。化学反応は、電極とセル内に存在する化学物質との反応であり、電極は化学反応によって溶解する。電極又は化学物質のすべてが使用されると発電は終了する。 Batteries include primary batteries and secondary batteries. A primary battery has a cell structure in which a positive electrode and a negative electrode sandwich an electrolyte (chemical substance).In principle, the chemical substance present in the cell undergoes an irreversible chemical reaction with the electrode, so it is non-rechargeable. be. The chemical reaction is a reaction between the electrode and the chemical substance present in the cell, and the electrode is dissolved by the chemical reaction. Power generation ends when all of the electrodes or chemicals are used.

一次電池の起電力は、正極と負極のイオン化傾向の差である。イオン化傾向を表す酸化還元電位が、正極と負極とで差が大きいほど大きな起電力が得られる。一次電池の例としては、電極材に二酸化マンガンと亜鉛を使用したマンガン乾電池やアルカリ乾電池がある。マンガン乾電池の電解質は主に塩化亜鉛溶液であり、アルカリ乾電池の電解質は水酸化カリウム溶液である。 The electromotive force of a primary battery is the difference in ionization tendency between the positive and negative electrodes. The greater the difference in redox potential, which indicates ionization tendency, between the positive electrode and the negative electrode, the greater the electromotive force obtained. Examples of primary batteries include manganese dry batteries and alkaline dry batteries that use manganese dioxide and zinc as electrode materials. The electrolyte for manganese dry batteries is mainly a zinc chloride solution, and the electrolyte for alkaline batteries is a potassium hydroxide solution.

リチウム一次電池は、正極の電極材料にイオン化傾向の大きいリチウムを使い、正極の電極材料として、二酸化マンガン、フッ化黒鉛、塩化チオニル等を使用している。安価な二酸化マンガンを使った出力電圧が3Vのものが主流であるが、フッ化黒鉛、塩化チオニル等を使った出力電圧が3.6Vのものもある。 Lithium primary batteries use lithium, which has a strong ionization tendency, as the material for the positive electrode, and manganese dioxide, graphite fluoride, thionyl chloride, etc. as the material for the positive electrode. The mainstream is one that uses inexpensive manganese dioxide and has an output voltage of 3V, but there are also those that use graphite fluoride, thionyl chloride, etc. and have an output voltage of 3.6V.

マグネシウム一次電池は、現在非常用の電池として実用化されている。負極の電極材料にマグネシウムを使い、正極の電極材料としてカーボンを使用している。電解質として塩化ナトリウム水溶液を使用するため、一度マグネシウムが塩化ナトリウム水溶液にさらされると浸蝕が発生する。このため、マグネシウムにアルミニウムや亜鉛等を添加して耐食性を向上させているが十分ではなく、現状では非常用の使い捨てタイプに限定されている。 Magnesium primary batteries are currently in practical use as emergency batteries. Magnesium is used as the negative electrode material, and carbon is used as the positive electrode material. Since a sodium chloride aqueous solution is used as the electrolyte, once magnesium is exposed to the sodium chloride aqueous solution, corrosion occurs. For this reason, aluminum, zinc, etc. are added to magnesium to improve its corrosion resistance, but this is not sufficient, and currently it is limited to emergency use disposable types.

電極材料の化学反応を伴わない一次電池としては、燃料電池及び微生物燃料電池がある。燃料電池は、水の電気分解の逆で、水素と酸素により水をつくり、その過程で生じる電気を取り出す。燃料極において、水素燃料を供給することで触媒反応より水素イオン(H)と電子(e)を取り出す。電解質は、例えばリン酸(HPO)水溶液であり、イオンは通すが電子を通さない物質の為、水素イオン(H)は電解質を通り、空気極に移動する。 Primary batteries that do not involve chemical reactions of electrode materials include fuel cells and microbial fuel cells. A fuel cell is the opposite of water electrolysis; it creates water using hydrogen and oxygen, and extracts the electricity generated in the process. At the fuel electrode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) are extracted through a catalytic reaction by supplying hydrogen fuel. The electrolyte is, for example, a phosphoric acid (H 3 PO 4 ) aqueous solution, which is a substance that allows ions to pass through but not electrons, so hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte and move to the air electrode.

電子は、電解質に阻まれ移動できないので、外部に取り出すことで、電気を発生させることができる。空気極では、空気中の酸素を供給することで触媒反応により、酸素(O)が酸素原子2個に分離する。この酸素原子に移動した電子と電解質を通ってきた水素イオンが結合することより、水(HO)ができる。 Since electrons are blocked by the electrolyte and cannot move, electricity can be generated by extracting them to the outside. At the air electrode, when oxygen in the air is supplied, oxygen (O 2 ) is separated into two oxygen atoms by a catalytic reaction. Water (H 2 O) is produced by combining the electrons transferred to the oxygen atoms with the hydrogen ions that have passed through the electrolyte.

微生物燃料電池は、微生物の代謝能力を利用して有機物などを電気エネルギーに変換する。微生物燃料電池の燃料となる有機物は、落ち葉等が発酵したり、植物の光合成により生成されて根から排出されたりした糖分等である。負極(アノード)では、有機物が電流発生菌と呼ばれる微生物(例えばシュワネラ菌)により酸化分解される時に発生する電子を回収する。 Microbial fuel cells utilize the metabolic abilities of microorganisms to convert organic matter into electrical energy. Organic substances that serve as fuel for microbial fuel cells include sugars produced by fermentation of fallen leaves, etc., and sugars produced by photosynthesis of plants and excreted from their roots. The negative electrode (anode) collects electrons generated when organic matter is oxidized and decomposed by microorganisms called amperogens (for example, Shewanella bacteria).

その電子は外部回路を経由して正極(カソード)に移動し、正極で酸化剤の還元反応、即ち空気中の酸素により消費され水となる。このため、正極はエアカソードとも呼ばれている。汚水や汚泥などの有機物を燃料として用いることができ、発電と同時に有機廃棄物の処理や水質改善などの環境浄化にも応用可能である。電極の材料は、正極、負極とも主にカーボンフェルトが使用されており、取り出せる電気エネルギーも小さい。 The electrons move to the positive electrode (cathode) via an external circuit, where they are consumed by the reduction reaction of the oxidant, that is, by oxygen in the air, and become water. For this reason, the positive electrode is also called an air cathode. Organic matter such as sewage and sludge can be used as fuel, and it can be applied to power generation as well as environmental purification such as processing organic waste and improving water quality. Carbon felt is mainly used as the electrode material for both the positive and negative electrodes, and the electrical energy that can be extracted is small.

一次電池の一種である再生可能エネルギーとしては、太陽光発電や風力発電等がある。現在は太陽光発電が主流であり、COを発生せず、地球温暖化対策の重要なエネルギーに位置付けられている。太陽光発電は、太陽光をエネルギー源としているため、当然ながら、太陽光の当たらない場所や夜間は発電しない。風力発電も風を利用しているので、まさに風任せの不安定なエネルギーであり、設置場所も限られる。 Renewable energy that is a type of primary battery includes solar power generation and wind power generation. Currently, solar power generation is the mainstream, does not generate CO2 , and is positioned as an important energy source for global warming countermeasures. Since solar power generation uses sunlight as its energy source, it naturally does not generate electricity in areas without sunlight or at night. Wind power generation also uses the wind, so it is an unstable form of energy that is left to the wind, and its installation locations are limited.

二次電池は、繰り返し充放電可能なことが要求され、可逆的な化学反応を伴う二次電池は繰り返し電極材料を析出・溶解することが難しく、例えばリチウムイオン電池のように、正極と負極の間で電荷を移動させる電荷移動型が主流である。電荷移動型は、充電時は、外部からの電圧印加により正極に電荷を蓄積し、使用時は、正極に蓄積された電荷を電解質内で負極に移動させて、外部回路には電子を流す方式である。 Secondary batteries are required to be able to be charged and discharged repeatedly, and it is difficult to repeatedly deposit and dissolve electrode materials in secondary batteries that involve reversible chemical reactions. The mainstream is the charge transfer type, in which charges are transferred between the two. In the charge transfer type, when charging, charge is accumulated in the positive electrode by applying a voltage from the outside, and when in use, the charge accumulated in the positive electrode is transferred to the negative electrode in the electrolyte, and electrons flow to the external circuit. It is.

二次電池の例としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池がある。ニッケル水素電池は、正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を使った電池である。水素吸蔵合金は、体積の1000倍もの水素を蓄えられる金属である。電解液には水酸化カリウム水溶液などのアルカリ溶液が使用されている。充電時は、水素吸蔵合金へ水素を蓄積し、放電時は水素吸蔵合金に蓄積された水素を放出する。ニッケル水素電池の電圧は、1.2Vとニッカド電池と同じであるが、約2倍の電気容量を持っている。 Examples of secondary batteries include nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries. A nickel-metal hydride battery uses nickel hydroxide for the positive electrode and a hydrogen storage alloy for the negative electrode. Hydrogen storage alloys are metals that can store 1000 times their volume of hydrogen. An alkaline solution such as an aqueous potassium hydroxide solution is used as the electrolyte. During charging, hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy, and during discharge, the hydrogen stored in the hydrogen storage alloy is released. The voltage of a nickel-metal hydride battery is 1.2V, the same as a nickel-cadmium battery, but it has about twice the electrical capacity.

リチウムイオン電池は、インターカレーション現象を利用した高電圧大容量を特徴とする代表的な二次電池であり、現在の主流を占めている。正極、負極ともインターカレーション機能を有する層状化合物が使用されており、正極はコバルト酸リチウムと焦電体にアルミニウム、負極は黒鉛(グラファイト)と焦電体に銅が使用されているのが代表的な例である。 Lithium ion batteries are a typical secondary battery that utilizes an intercalation phenomenon and are characterized by high voltage and large capacity, and are currently the mainstream. A layered compound with an intercalation function is used for both the positive and negative electrodes, with the positive electrode typically using lithium cobalt oxide and aluminum for the pyroelectric material, and the negative electrode using graphite and copper for the pyroelectric material. This is an example.

コバルト酸リチウムは酸化複合物とも呼ばれ、コバルトはコストが高いことから、コストをより抑えられるマンガン酸リチウム(LiMn)系、ニッケル酸リチウム(LiNiO)系、リン酸鉄リチウム(LiFePO)系なども用いられている。電解質(電解液)に高い導電率と安全性を与えるため、炭酸エチレン・炭酸プロピレンなどの環状炭酸エステル系高誘電率・高沸点溶媒に、低粘性率溶媒である炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル等の低級鎖状炭酸エステルなども用いられている。 Lithium cobalt oxide is also called an oxide composite, and since cobalt is expensive, lithium manganate (LiMn 2 O 4 )-based, lithium nickel oxide (LiNiO 2 )-based, lithium iron phosphate (LiFePO), which can further reduce costs, are used. 4 ) systems are also used. In order to give high conductivity and safety to the electrolyte (electrolytic solution), we use low viscosity solvents such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and carbonic acid in addition to cyclic carbonate ester-based high dielectric constant and high boiling point solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate. Lower chain carbonate esters such as diethyl are also used.

以上、一次電池と二次電池について概観したが、一次電池は化学反応、二次電池は電荷移動反応が主な原理である。これらは化学電池に分類されているが、一次電池としては、物理電池の他、太陽光発電、風力発電、水力発電等があり、電解質(燃料)を継続的に供給する燃料電池もある。 The above is an overview of primary batteries and secondary batteries. The main principle of primary batteries is chemical reaction, and the main principle of secondary batteries is charge transfer reaction. These are classified as chemical batteries, but in addition to physical batteries, primary batteries include solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, etc., and there are also fuel cells that continuously supply electrolyte (fuel).

化学電池としての一次電池は、金属の化学反応を利用した発電原理であり、化学反応を利用して金属を溶解させているため、自ずと寿命に限界がある。二次電池は、繰り返し使用可能であるが、最初は外部からの電気エネルギーによる充電である。COを排出しない再生可能エネルギーとして注目されている太陽光発電や風力発電は、安定に電力を供給することができず、太陽光発電は太陽光が照射されているときに限られ、風力発電も風が吹いているときに限られる。燃料電池は継続的な電気エネルギーの供給が可能であるが、単位セルでの電圧が低く、特に微生物燃料電池は電流容量が少ない。 A primary battery as a chemical battery uses a chemical reaction of metals to generate power, and because the chemical reaction is used to dissolve the metal, it naturally has a limited lifespan. Although secondary batteries can be used repeatedly, they are first charged with external electrical energy. Solar power generation and wind power generation, which are attracting attention as renewable energies that do not emit CO2 , are unable to provide a stable supply of electricity, and solar power generation is limited to when sunlight is shining, while wind power generation Also only when the wind is blowing. Although fuel cells are capable of continuously supplying electrical energy, the voltage per unit cell is low, and microbial fuel cells in particular have low current capacity.

これらの問題点を解決するために、新たに考案したのが本発明の一次金属電池である。 In order to solve these problems, the primary metal battery of the present invention has been newly devised.

本発明の一次金属電池は、正極と負極に使用する物質のイオン化傾向(酸化還元電位)の差を利用して電圧を発生させ、この電圧により電解質を電気分解して電気エネルギーを得ることを基本原理としている。このとき、電極の化学反応を抑えるために、電極表面に被膜を形成する。正極と負極に使用する物質が金属であれば、電圧発生に金属のイオン化傾向の差を利用する。化学反応を防止する導電被膜が形成されている被膜金属電極を、少なくとも正極又は負極のいずれか一方の電極に使用している。正極は、金属では無いカーボン系の材料が使用できる。この場合、正極の酸化還元電位は、0Vと見做すことができる。 The primary metal battery of the present invention uses the difference in ionization tendency (oxidation-reduction potential) of the materials used for the positive and negative electrodes to generate voltage, and uses this voltage to electrolyze the electrolyte to obtain electrical energy. This is the principle. At this time, a film is formed on the electrode surface in order to suppress the chemical reaction of the electrode. If the materials used for the positive and negative electrodes are metals, the difference in ionization tendency of the metals is used to generate voltage. A coated metal electrode on which a conductive coating that prevents chemical reactions is formed is used as at least one of the positive electrode and the negative electrode. For the positive electrode, a carbon-based material other than metal can be used. In this case, the redox potential of the positive electrode can be considered to be 0V.

金属に化学反応を防止する導電被膜が形成されているので、金属自身が直接的に電解質と接することが無く、化学反応をすることはない。このため、金属の水酸化物、例えば、マグネシウム電池における水酸化マグネシウムの発生がなく、被膜金属電極は長期的に安定して使用できる。 Since the metal is coated with a conductive coating that prevents chemical reactions, the metal itself does not come into direct contact with the electrolyte and no chemical reaction occurs. Therefore, there is no generation of metal hydroxides, such as magnesium hydroxide in magnesium batteries, and the coated metal electrode can be used stably over a long period of time.

金属に亜鉛または亜鉛合金,アルミニウムまたはアルミニウム合金,マグネシウムまたはマグネシウム合金等が使用できる。酸化還元電位は、亜鉛が-0.76V、アルミニウムが-1.68V、マグネシウムが-2.34Vである。この酸化還元電位に依存して発生電圧が決まる。酸化還元電位がマイナスの亜鉛,アルミニウム,マグネシウム等は負極に使用することが好ましい。それぞれの酸化還元電位により、他の電極との酸化還元電池との差で電解質に電圧を印加することができる。なお、酸化還元電位がマイナス同士であっても、還元電位の差で電圧は発生する。例えば、負極をアグネシウム、正極を亜鉛とすれば、酸化還元電位の差は1.58Vである。 Zinc or zinc alloy, aluminum or aluminum alloy, magnesium or magnesium alloy, etc. can be used as the metal. The redox potential is -0.76V for zinc, -1.68V for aluminum, and -2.34V for magnesium. The generated voltage is determined depending on this redox potential. It is preferable to use zinc, aluminum, magnesium, etc., which have a negative oxidation-reduction potential, for the negative electrode. Each redox potential allows a voltage to be applied to the electrolyte at a difference in the redox cell from other electrodes. Note that even if the redox potentials are negative, a voltage is generated due to the difference in the redox potentials. For example, if the negative electrode is made of magnesium and the positive electrode is made of zinc, the difference in redox potential is 1.58V.

微生物燃料電池においては、正極(カソード)としてカーボンフェルトが使用されている。さらに微生物燃料電池においては、負極(アノード)も同じカーボンフェルトが使用されており、このカーボンフェルトの一方の側が空気に接して空気中の酸素を取り入れるエアカソード方式として、正極となる。 In microbial fuel cells, carbon felt is used as a positive electrode (cathode). Furthermore, in microbial fuel cells, the same carbon felt is used for the negative electrode (anode), and one side of this carbon felt is in contact with the air and serves as the positive electrode as an air cathode system that takes in oxygen from the air.

水田などでの電極の接地では、負極を水田の泥の中に埋めて嫌気性環境とし、正極は酸素を含む好気性環境とする。このため、正極は水の上に空気と接するように設置しなければならず、複雑となるばかりでなく、取り出せる電気エネルギーも少ない。微生物燃料電池におけるこの負極を、本発明による被膜金属電極とすれば、電圧、電流とも大幅な増加が可能となる。さらに、本発明の一次金属電池は、エアカソード方式とする必要が無く、正極を嫌気性の泥の中に埋め込んでもよく、水田から電気エネルギーを取得する場合にも簡単に設置できる。 When grounding electrodes in rice fields, etc., the negative electrode is buried in the mud of the rice field to create an anaerobic environment, and the positive electrode is placed in an aerobic environment containing oxygen. For this reason, the positive electrode must be installed above the water so that it is in contact with the air, which not only complicates the process, but also reduces the amount of electrical energy that can be extracted. If this negative electrode in a microbial fuel cell is made of a coated metal electrode according to the present invention, both voltage and current can be significantly increased. Furthermore, the primary metal battery of the present invention does not need to be of an air cathode type, the positive electrode may be embedded in anaerobic mud, and it can be easily installed even when obtaining electrical energy from rice fields.

導電性被膜は、層状化合物、抵抗体又は金属であり、半導電性被膜は半導体であることが好ましく、この導電性被膜や半導電性被膜により、金属に電解質が直接的に接しないため、金属の化学反応を防止できる。従って、金属が溶解することがないため、長期使用が可能となる。 The conductive film is preferably a layered compound, a resistor, or a metal, and the semiconductive film is preferably a semiconductor. Because the conductive film or semiconductive film prevents the electrolyte from coming into direct contact with the metal, can prevent chemical reactions. Therefore, since the metal does not melt, long-term use is possible.

導電性被膜の層状化合物は、黒鉛,プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体等であることが好ましく、インターカレーション機能を持っていることが必要である。インターカレーションは分子または分子集団の空隙に他の元素が侵入する可逆反応である。侵入した物質はインターカレーターやインターカラントと呼ばれ、電解質(電解液)に存在する電荷が、インターカレーション現象により、イオン化傾向の差による起電力で負極に蓄積され、正極に移動する。 The layered compound of the conductive film is preferably graphite, Prussian blue or a Prussian blue analog, and needs to have an intercalation function. Intercalation is a reversible reaction in which another element enters the void space of a molecule or group of molecules. The invading substance is called an intercalator or intercalant, and due to the intercalation phenomenon, the charge present in the electrolyte (electrolyte) is accumulated on the negative electrode due to the electromotive force due to the difference in ionization tendency, and is transferred to the positive electrode.

抵抗体は、鉄フタロシアニン、酸化鉄又は導電性の不働態被膜であること、が好ましい。抵抗体は、金属のイオン化傾向、即ち、酸化還元電位の差により発生した電圧(起電力)を電解質に直接印加し、電解質を電気分解すると同時に、電位分解により発生する電子が金属に流れる通路となる。負極側から正極側へは、外部導線を通して電子が流れる。なお、導電性の不働態被膜は、陽極酸化処理により形成される。抵抗体で被膜を形成することにより、金属の化学反応を抑える効果もある。 Preferably, the resistor is iron phthalocyanine, iron oxide, or a conductive passive film. A resistor applies a voltage (electromotive force) generated by the ionization tendency of a metal, that is, a difference in redox potential, directly to an electrolyte, electrolyzing the electrolyte, and at the same time creating a path through which electrons generated by the potential decomposition flow to the metal. Become. Electrons flow from the negative electrode side to the positive electrode side through the external conductor. Note that the conductive passive film is formed by anodizing. Forming a film with a resistor also has the effect of suppressing the chemical reaction of the metal.

半導体は、酸化チタン、酸化タングステン又は光触媒をコーティングして半導体被膜が形成できる。酸化チタン、酸化タングステン又は光触媒は、アノード電極とカソード電極のイオン化傾向(酸化還元電位)の差により発生する電圧を印加できる。これにより、価電子帯の電子が正孔と分離し、伝導帯に励起され、価電子帯の正孔と伝導体の電子による酸化還元反応で電解質を分解して電子を発生させる。この時発生した電子が、アノード側からカソード側に外部導線を通して流れる。このため、電解質を電気分解して電子の発生を増加させ、取得できる電気エネルギーを増加させることができ、さらに金属の化学反応を防止できる。 A semiconductor film can be formed by coating the semiconductor with titanium oxide, tungsten oxide, or a photocatalyst. Titanium oxide, tungsten oxide, or a photocatalyst can be applied with a voltage generated by the difference in ionization tendency (oxidation-reduction potential) between the anode electrode and the cathode electrode. As a result, the electrons in the valence band are separated from the holes and excited to the conduction band, and the electrolyte is decomposed by a redox reaction between the holes in the valence band and the electrons in the conductor to generate electrons. Electrons generated at this time flow from the anode side to the cathode side through the external conductor. Therefore, it is possible to electrolyze the electrolyte to increase the generation of electrons, increase the obtainable electrical energy, and further prevent chemical reactions of metals.

光触媒は、酸化チタンを主成分とした材料の他、酸化タングステンを主成分とした材料である。酸化チタンや酸化タングステンは、光の照射により強い酸化還元機能を発揮するが、電圧の印加によっても同様の機能が発揮されることを確認している。酸化チタンや酸化タングステンを主成分とした光触媒は、助触媒として銅、銀や白金の微粒子が含まれていてもよい。 The photocatalyst is a material whose main component is titanium oxide or a material whose main component is tungsten oxide. Titanium oxide and tungsten oxide exhibit strong redox functions when irradiated with light, and we have confirmed that they also exhibit the same function when voltage is applied. The photocatalyst mainly composed of titanium oxide or tungsten oxide may contain fine particles of copper, silver, or platinum as a promoter.

導電性被膜には、導電材として、黒鉛、カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末、鉄フタロシアニン、酸化鉄、又は、導電性ポリマーが含まれていることが好ましい。これらの導電材は、導電被膜の抵抗値を下げ、電子を流れやすくする効果がある。特に、プルシアンブルーとプルシアンブルー類似体は、低抵抗化に効果がある。 The conductive film preferably contains graphite, carbon nanotubes, carbon black, activated carbon, Ketjenblack, fullerene, fine charcoal powder, iron phthalocyanine, iron oxide, or a conductive polymer as a conductive material. . These conductive materials have the effect of lowering the resistance value of the conductive film and facilitating the flow of electrons. In particular, Prussian blue and Prussian blue analogs are effective in lowering resistance.

抵抗体である鉄フタロシアニン又は酸化鉄に、鉛、カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末、カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末のいずれか1つ、又は、これらを組み合わせて添加してもよい。 In addition to iron phthalocyanine or iron oxide, which is a resistor, lead, carbon nanotubes, carbon black, activated carbon, Ketjen black, fullerene, fine charcoal powder, carbon nanotubes, carbon black, activated carbon, Ketjen black, fullerene, fine charcoal powder. Either one or a combination of these may be added.

半導体である酸化チタンに、黒鉛、カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末、鉄フタロシアニン、酸化鉄、又は、有機導電性ポリマーのいずれか1つ、又は、これらを組み合わせて添加してもよい。導電性ポリマーには Titanium oxide, which is a semiconductor, is combined with one or more of graphite, carbon nanotubes, carbon black, activated carbon, Ketjenblack, fullerene, fine charcoal powder, iron phthalocyanine, iron oxide, or an organic conductive polymer. They may be added in combination. For conductive polymers

導電性被膜は、導電材を結合剤又は樹脂に混合させてコーティングし、金属に被膜を形成することができる。導電材と結合剤又は樹脂を混合して十分に攪拌して均一な分散状態として、コーティングすることで、被膜も均一な被膜となる。これにより、導電材が均一で強固に前記金属に密着する。 The conductive film can be formed on metal by coating a conductive material mixed with a binder or resin. By mixing the conductive material and the binder or resin, stirring the mixture sufficiently to obtain a uniformly dispersed state, and coating the mixture, a uniform film can be obtained. As a result, the conductive material uniformly and firmly adheres to the metal.

導電性被膜の形成に使用されている層状化合物、抵抗体又は半導体は、いずれも粉体であり、結合剤又は樹脂と混合されて金属にコーティングされる。結合剤としては、例えばPTFEがある。樹脂としては、例えば塗料として使用されている、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂やシリコーン樹脂がある。 The layered compound, resistor, or semiconductor used to form the conductive coating is all powder, mixed with a binder or resin, and coated on the metal. Examples of binders include PTFE. Examples of the resin include acrylic resin, epoxy resin, urethane resin, fluororesin, and silicone resin, which are used as paints.

被膜金属電極10を負極とし、正極は、カーボンを主成分とした黒鉛、活性炭、カーボングラファイト、ハードカーボン、木炭を材料としたカーボン電極、又は、イオン化傾向が貴な金属とすることにより、電池としての機能を発揮する一次金属電池となる。イオン化傾向が貴な金属としては、銅、銀、白金、金等がある。銅の酸化還元電位は0.34V、銀の酸化還元電位は0.78V、白金の酸化還元電位は1.19V、金の酸化還元電位は1.52Vである。なお、本発明は金属のイオン化傾向の差により電圧を発生させているため、例えば、負極をマグネシウムとし正極を亜鉛としても電気エネルギーは得られる。 The coated metal electrode 10 is used as a negative electrode, and the positive electrode is a carbon electrode made of carbon-based graphite, activated carbon, carbon graphite, hard carbon, charcoal, or a metal with a noble ionization tendency, so that it can be used as a battery. It becomes a primary metal battery that exhibits the following functions. Metals with noble ionization tendencies include copper, silver, platinum, and gold. The redox potential of copper is 0.34V, the redox potential of silver is 0.78V, the redox potential of platinum is 1.19V, and the redox potential of gold is 1.52V. In addition, since the present invention generates voltage based on the difference in ionization tendency of metals, electric energy can be obtained even if the negative electrode is made of magnesium and the positive electrode is made of zinc, for example.

カーボンを主成分とした正極は、金属ではなくイオン化傾向を持たないが、酸化還元電位を0として考えることができる。 Although a positive electrode mainly composed of carbon is not a metal and does not have a tendency to ionize, it can be considered to have an oxidation-reduction potential of zero.

一次金属電池において、カーボン電極は、鉄フタロシアニン又は酸化鉄を結合剤又は樹脂でコーティングした鉄成分被膜、酸化チタン被膜、酸化タングステン又は光触媒被膜が形成されていてもよい。黒鉛、活性炭、カーボングラファイト、ハードカーボン又は木炭を材料として、その表面に、鉄フタロシアニン、酸化鉄、又は、導電性ポリマーを結合剤又は樹脂でコーティングした鉄成分被膜酸化チタン被膜、酸化タングステン又は光触媒被膜のいずれかを形成することにより電流容量が増加する。結合剤としては、例えばPTFEがある。樹脂としては、例えば塗料として使用されている、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂やシリコーン樹脂がある。 In the primary metal battery, the carbon electrode may be formed with an iron component film, a titanium oxide film, a tungsten oxide film, or a photocatalyst film, which is made by coating iron phthalocyanine or iron oxide with a binder or resin. Iron component coating, titanium oxide coating, tungsten oxide, or photocatalyst coating made of graphite, activated carbon, carbon graphite, hard carbon, or charcoal and coated with iron phthalocyanine, iron oxide, or conductive polymer with a binder or resin on the surface. The current capacity increases by forming either one of these. Examples of binders include PTFE. Examples of the resin include acrylic resin, epoxy resin, urethane resin, fluororesin, and silicone resin, which are used as paints.

一次金属電池において、電解質は水、土壌、海水、肥料の水溶液、又は、これらの組み合わせであることが好ましい。水、例えば河川の水には、ミネラルや有機物が溶けているため、これらが電気ネルギー源となる。土壌は、原野では、植物の葉や枯れ草が堆積して発酵し、腐葉土となって植物の肥料となるが、ここにも電気エネルギー源が存在する。海水も塩分を含み、電気ネルギー源として適している。肥料も化学肥料及び有機肥料には、電気エネルギー源となる成分、即ち、リン、カリウム、カルシウム等が含まれている。この構成により一次金属電池を構築すれば、自然界を電解質とした高性能な一次金属電池が得られる。電解質は水、土壌、海水、肥料の水溶液、又は、これらの組み合わせであることから、自然界のあらゆる場所から電気エネルギーを得ることができる。 In primary metal batteries, the electrolyte is preferably water, soil, seawater, an aqueous solution of fertilizer, or a combination thereof. Water, such as river water, contains dissolved minerals and organic matter, which serve as a source of electrical energy. In the wilderness, soil is made up of plant leaves and dead grass that accumulate and ferment to form humus, which is used as fertilizer for plants, and this is also a source of electrical energy. Seawater also contains salt and is suitable as a source of electrical energy. Both chemical and organic fertilizers contain components that serve as electrical energy sources, such as phosphorus, potassium, and calcium. If a primary metal battery is constructed with this configuration, a high-performance primary metal battery using natural materials as an electrolyte can be obtained. Since the electrolyte is water, soil, seawater, an aqueous solution of fertilizer, or a combination thereof, electrical energy can be obtained from anywhere in nature.

電解質は、植物が光合成で生成し、根から放出する糖類を含んでいること、が好ましい。植物は光合成を行うが、植物の細胞内に存在する葉緑体で行われ、光エネルギーが化学エネルギーに変換され、二酸化炭素と水から炭水化物などの有機化合物が合成される。有機化合物の多くはデンプンでありショ糖やタンパク質も生成される。これらは、果実や根などの貯蔵器官に運ばれ植物の生長に寄与するが、残った有機化合物は、根から放出される。この有機物を発電菌と呼ばれるシュワネラ菌等により分解され、電子と水素イオンに分解される。 Preferably, the electrolyte contains sugars produced by plants through photosynthesis and released from their roots. Plants carry out photosynthesis, which is carried out in chloroplasts present within plant cells, converting light energy into chemical energy and synthesizing organic compounds such as carbohydrates from carbon dioxide and water. Most of the organic compounds are starch, and sucrose and protein are also produced. These are transported to storage organs such as fruits and roots and contribute to plant growth, while the remaining organic compounds are released from the roots. This organic material is decomposed by Shewanella bacteria, which are called power-generating bacteria, and are decomposed into electrons and hydrogen ions.

電子は、負極(被膜金属電極)から外部導線を通して正極(カーボン電極)に運ばれ、水素イオンと反応して水となる。また、有機化合物は、電極のイオン化傾向を利用して印加される電圧によっても電気分解され、電子と水素イオンに分解される。 Electrons are transported from the negative electrode (coated metal electrode) to the positive electrode (carbon electrode) through an external conductor, and react with hydrogen ions to become water. Organic compounds are also electrolyzed by an applied voltage using the ionization tendency of the electrodes, and are decomposed into electrons and hydrogen ions.

被膜金属電極又はカーボン電極の少なくとも一方は、透水性の絶縁シートで覆われていることが好ましい。これにより、被膜金属電極に形成されている被膜をキズ等により、被膜が剥がれることを防止しすることができる。また、被膜金属電極交換の際には、絶縁シートで包まれた被膜金属電極を、残渣物を含めて取り除くことができ、電解質に残渣物が残らず、容易に交換できる。また、被膜金属電極を、透水性の絶縁シートで覆うことにより、被膜金属電極とカーボン電極が短絡することがなくなり、複数の電極を接触させながら重ねて密に並べることができ、単位面積当たり取得される電流容量が大きくなる。 At least one of the coated metal electrode and the carbon electrode is preferably covered with a water-permeable insulating sheet. This can prevent the coating formed on the coated metal electrode from peeling off due to scratches or the like. Furthermore, when replacing the coated metal electrode, the coated metal electrode wrapped in the insulating sheet can be removed including any residue, and no residue will remain in the electrolyte, making it easy to replace. In addition, by covering the coated metal electrode with a water-permeable insulating sheet, short circuits between the coated metal electrode and the carbon electrode are prevented, and multiple electrodes can be closely stacked and arranged in contact with each other. The current capacity is increased.

次に、被膜金属電極について、層状化合物を被膜する場合を説明する。 Next, a case where a layered compound is coated on a coated metal electrode will be described.

図1は、本発明の一次金属電池に用いる被膜金属電極の断面を示す図である。図1の被膜金属電極10は、金属12の表面にコーティングにより導電性被膜14を形成し、電極として端子16を設けている。金属12の材料は、イオン化傾向を有する様々な材料が使用できる。イオン化傾向は、金属の持つ特有の基本的な性質であり、水溶液中における水和イオンと単体金属との間の標準酸化還元電位の順で表される。 FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a coated metal electrode used in the primary metal battery of the present invention. The coated metal electrode 10 shown in FIG. 1 has a conductive film 14 formed by coating on the surface of a metal 12, and a terminal 16 is provided as an electrode. Various materials having a tendency to ionize can be used as the material of the metal 12. Ionization tendency is a fundamental property unique to metals, and is expressed in the order of standard redox potentials between hydrated ions and simple metals in an aqueous solution.

標準酸化還元電位がマイナスである金属は、例えば、リチウム(酸化還元電位:-3.05V),カリウム(酸化還元電位:-2.93V),マグネシウム(酸化還元電位:-2.36V),アルミニウム(酸化還元電位:-1.68V),チタン(酸化還元電位:-1.63V),亜鉛(酸化還元電位:-0.76V)、鉄(酸化還元電位:-0.44V),ニッケル(酸化還元電位:-0.26V)等がある。 Examples of metals whose standard redox potential is negative are lithium (redox potential: -3.05V), potassium (redox potential: -2.93V), magnesium (redox potential: -2.36V), and aluminum. (oxidation-reduction potential: -1.68V), titanium (oxidation-reduction potential: -1.63V), zinc (oxidation-reduction potential: -0.76V), iron (redox potential: -0.44V), nickel (oxidation-reduction potential: -0.44V), reduction potential: -0.26V).

酸化還元電位がプラスである貴な金属は、例えば、銅(酸化還元電位:0.34V),銀(酸化還元電位:0.80V),白金(酸化還元電位:1.19V),金(酸化還元電位:1.52V)等がある。 Noble metals with a positive redox potential include, for example, copper (redox potential: 0.34V), silver (redox potential: 0.80V), platinum (redox potential: 1.19V), and gold (redox potential: 1.19V). reduction potential: 1.52V).

導電性被膜は、層状化合物、抵抗体又は金属であり、半導電性被膜は半導体であり、この導電性被膜により、金属の化学反応を防止でき、長期使用が可能となる。 The conductive film is a layered compound, a resistor, or a metal, and the semiconductive film is a semiconductor. This conductive film prevents chemical reactions of metals and enables long-term use.

層状化合物は、インターカレーション機能を有する物質の総称として使用しており、三次元骨格で細孔構造が固定化されたマイクロポーラスクリスタル、多孔性配位高分子を含む。層状化合物は、層構造がファンデルールスカで保持されている層状化合物と、層体が電荷を持っており、その電荷を補償するための交換可能なカウンターイオンが層間に存在し、それらの間に働くクーロンカで層構造が保たれている層状化合物がある。 The term "layered compound" is used as a general term for substances that have an intercalation function, and includes microporous crystals in which pore structures are fixed in a three-dimensional skeleton and porous coordination polymers. There are two types of layered compounds: layered compounds in which the layer structure is held by van der Ruska, and layered compounds in which the layer structure has a charge, and exchangeable counter ions exist between the layers to compensate for the charge. There are layered compounds whose layered structure is maintained in the working coronka.

ファンデルールスカで保持されている代表的な層状物質に黒鉛(グラファイト)がある。グラフェンシート層は、規則的に並べて形成される三次元秩序構造である。面内の炭素原子はC-C共有結合で結ばれており、面と面の間の炭素原子間に働いているのがファンデルワールス力である。これが電荷挿入の要因となる。 Graphite is a typical layered material preserved in Van der Ruska. The graphene sheet layer is a three-dimensional ordered structure formed by regularly arranging the sheets. Carbon atoms within the plane are connected by CC covalent bonds, and van der Waals forces act between the carbon atoms between the planes. This causes charge insertion.

層体が電荷を持つ層状化合物は、例えば層状複水酸化物は、ブルース石の構造を基本とし、2価の金属イオンM2+の一部を3価のものM3+に置き換えた水酸化物層からなる。そのため層自体は正電荷を有し、それを補償するために層間に交換可能な陰イオンが存在している。M2+としては,Mg,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Znなどが、また,M3+としてはAl,Fe,Cr,Co,Inなどがとり得る。そして,いろいろなM2+とM3+の組み合わせの層状複水酸化物を合成することができる。 A layered compound in which the layer body has an electric charge, for example, a layered double hydroxide, is a hydroxide layer based on the structure of bluestone, in which a part of the divalent metal ion M 2+ is replaced with a trivalent one M 3+ Consisting of Therefore, the layers themselves have a positive charge, and to compensate for this, exchangeable anions are present between the layers. Examples of M 2+ include Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn, and examples of M 3+ include Al, Fe, Cr, Co, and In. Then, layered double hydroxides with various combinations of M 2+ and M 3+ can be synthesized.

リチウムイオン電池に使用されているコバルト酸リチウムは層状複水酸化物の一種であり酸化複合物とも呼ばれている。コストをより抑えられるマンガン酸リチウム(LiMn)系,ニッケル酸リチウム(LiNiO)系,リン酸鉄リチウム(LiFePO)系なども用いられている。 Lithium cobalt oxide used in lithium ion batteries is a type of layered double hydroxide and is also called an oxide composite. Lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), etc., which can further reduce costs, are also used.

プルシアンブルーもインターカレーション機能を有する多孔性配位高分子の一種として、層状化合物である。プルシアンブルーの分子組成は鉄(Fe3+/Fe2+)とシアノ基(CN)-が主成分となって、NaCl型の結晶構造を持つ。カリウム(K)やアンモニウム(NH )等の陽イオンを含んでいる。 Prussian blue is also a layered compound as a type of porous coordination polymer with an intercalation function. The molecular composition of Prussian blue is mainly iron (Fe 3+ /Fe 2+ ) and cyano group (CN)-, and has a NaCl-type crystal structure. It contains cations such as potassium (K + ) and ammonium (NH 4 + ).

鉄イオン(Fe+2)の上下・左右・前後の6方位にシアノ基(CN)-が配位して,金属イオン(Fe/Ni/Coなど)を頂点とする立方体ジャングルジム構造を組んでいる.金属イオンがFeの場合がプルシアンブルーである。Fe2+とFe3+の距離は0.5nmと大きいため、大きな空隙を持っている。この大きな空隙は様々なカチオンや分子を脱挿入できる。プルシアンブルー類似体は、プルシアンブルーの金属イオンや配位子の中心金属を置換することで得られ、プルシアンブルーと同じ格子構造を持つが、格子定数が異なる。Fe2+とFe3+の距離を大きくしているため、Na,K,Ca,Mgといった無機イオンを利用したアノード電極として好適である。 Cyano groups (CN)- are coordinated in six directions: top, bottom, left, right, front and back of iron ions (Fe +2 ), creating a cubic jungle gym structure with metal ions (Fe/Ni/Co, etc.) at the vertices. .. When the metal ion is Fe, it is Prussian blue. Since the distance between Fe 2+ and Fe 3+ is as large as 0.5 nm, there is a large void. This large cavity can insert and remove various cations and molecules. Prussian blue analogues are obtained by substituting the metal ions of Prussian blue or the central metal of the ligand, and have the same lattice structure as Prussian blue, but with different lattice constants. Since the distance between Fe 2+ and Fe 3+ is large, it is suitable as an anode electrode that utilizes inorganic ions such as Na + , K + , Ca + , and Mg + .

層状化合物自体に導電性がない場合は、導電材を混入させる。導電材としては、活性炭,ケッチェンブラック,黒鉛,カーボンナノチューブなどの炭素材料、マグネシウム,銅やアルミニウムなどの金属材料、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などがある。また、酸素の還元酸化反応を効率よく行うための触媒成分が含まれていてもよい。触媒成分としては、白金,コバルト,ニッケル,パラジウム,およびマンガンなどの金属,これらの金属の合金,およびこれらの金属の酸化物などがある。 If the layered compound itself does not have conductivity, a conductive material is mixed therein. Examples of the conductive material include carbon materials such as activated carbon, Ketjen black, graphite, and carbon nanotubes, metal materials such as magnesium, copper, and aluminum, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives. Further, a catalyst component for efficiently carrying out the oxygen reduction-oxidation reaction may be included. Catalyst components include metals such as platinum, cobalt, nickel, palladium, and manganese, alloys of these metals, and oxides of these metals.

層状化合物と導電材は、結合剤で結着させる。結合剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF),ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP),テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA),エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE),ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE),エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE),ポリフッ化ビニル(PVF)などがある。 The layered compound and the conductive material are bound together using a binder. As a binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene - Examples include tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and polyvinyl fluoride (PVF).

本発明による一次金属電池においては、負極(以下、アノード電極という)側に電荷を蓄積し、一方向に電流が流れるので、正極(以下、カソード電極という)側に電荷を蓄積せず、カソード電極側は必ずしも層状化合物をコーティングする必要はない。また、アノード電極側の酸化還元電位のみを利用すれば、カソード電極側は金属を使用しなくとも起電力は発生する。 In the primary metal battery according to the present invention, charge is accumulated on the negative electrode (hereinafter referred to as anode electrode) side and current flows in one direction, so that charge is not accumulated on the positive electrode (hereinafter referred to as cathode electrode) side and the cathode electrode The sides do not necessarily need to be coated with a layered compound. Further, if only the oxidation-reduction potential on the anode side is used, an electromotive force can be generated without using metal on the cathode side.

このため、カソード電極は、例えば酸化還元電位がプラスの銅を使用してカーボン系の層状化合物をコーティングすることが好ましいが、必ずしも銅などの金属を使用する必要はなく、また、層状化合物でなくてもよい。即ち、カソード電極としては、カーボン系の材料を金属にコーティングしてもよいし、単独で使用してもよい。 For this reason, the cathode electrode is preferably coated with a carbon-based layered compound using, for example, copper with a positive redox potential, but it is not necessarily necessary to use a metal such as copper, and it is not necessary to use a layered compound. It's okay. That is, as a cathode electrode, a carbon-based material may be coated on metal, or may be used alone.

カーボン系の材料はいろいろあるが、層状化合物としては黒鉛がある。黒鉛はグラファイトとも呼ばれ、炭素からなる元素鉱物で、六方晶系、六角板状結晶である。構造は亀の甲状の層状物質で、層毎の面内は強い共有結合で炭素間が繋がっているが、層と層の間(面間)は弱いファンデルワールス力で結合している。層状化合物以外では、炭素繊維(カーボンファイバー)、木炭、活性炭など、きちんとした結晶構造を持たない無定形炭素があり、この無定形炭素も使用可能である。内部に筒状の中空空間を有しているため、様々な分子を内包させることができる。 There are various carbon-based materials, but graphite is a layered compound. Graphite, also called graphite, is an elemental mineral consisting of carbon, with hexagonal, hexagonal plate-shaped crystals. The structure is a layered material shaped like a tortoise shell, with carbons connected in the plane of each layer by strong covalent bonds, but bonds between layers (interplanes) are weak by van der Waals forces. In addition to layered compounds, there are amorphous carbons that do not have a proper crystal structure, such as carbon fiber, charcoal, and activated carbon, and these amorphous carbons can also be used. Since it has a cylindrical hollow space inside, it can contain various molecules.

また、カーボンナノチューブも利用できる。カーボンナノチューブは、一様な平面のグラファイトを円筒状に丸めたような構造をしている。閉口状態の場合、両端はフラーレンの半球のような構造で閉じられており5員環を必ず6個ずつ持つ。5員環の数が少ないため有機溶媒等には溶けにくい。チューブは筒のような構造のためキャップを焼き切るなどにより中に様々な物質を取りこむ事ができる。 Carbon nanotubes can also be used. Carbon nanotubes have a structure similar to that of graphite rolled up into a cylindrical shape. In the closed state, both ends are closed with a structure similar to a fullerene hemisphere, and it always has six five-membered rings. Due to the small number of five-membered rings, it is difficult to dissolve in organic solvents. Because the tube has a cylinder-like structure, various substances can be taken into it by burning off the cap.

さらに、ケッチェンブラックも利用できる。ケッチェンブラックは、組成的に言えば、ゴム用カーボンブラック、炭素繊維、黒鉛(グラファイト)と同様炭素からなり、疑似グラファイト構造と呼ばれる結晶子から構成されている。結晶子はπ電子をもった縮合ベンゼン環からなり、このπ電子はカーボンブラック上を自由に移動することができる。アグリゲートやアグロメレートにより形成された導電回路上をπ電子が移動するためこのため、ケッチェンブラックを添加した材料が導電性を発現する。ケッチェンブラックは、比表面積、多孔度ともに高いことが特徴的であり、粒子密度の増加による導電回路の形成が支配的となって高導電性を発現させている。 Additionally, Ketjenbrak is also available. Compositionally speaking, Ketjen black is composed of carbon like carbon black for rubber, carbon fiber, and graphite, and is composed of crystallites called a pseudographite structure. Crystallites consist of fused benzene rings with π electrons, and these π electrons can move freely on the carbon black. Because π electrons move on the conductive circuit formed by the aggregate or agglomerate, the material to which Ketjenblack is added exhibits conductivity. Ketjenblack is characterized by high specific surface area and high porosity, and the formation of conductive circuits due to increased particle density is dominant, resulting in high conductivity.

また、鉄フタロシアニン又は酸化鉄でもよい。鉄フタロシアニンは、鉄系の有機金属錯体であり、触媒作用がある。酸化鉄は、鉄の酸化鉄を意味し、特に酸化第二鉄(Fe)が適している。 Further, iron phthalocyanine or iron oxide may be used. Iron phthalocyanine is an iron-based organometallic complex and has catalytic activity. Iron oxide means iron oxide of iron, and ferric oxide (Fe 2 O 3 ) is particularly suitable.

次に、本発明の一次金属電池を従来のマグネシウム電池との比較により説明する。 Next, the primary metal battery of the present invention will be explained by comparing it with a conventional magnesium battery.

図2は、従来のマグネシウム空気電池の原理を説明する図である。マグネシウム空気電池は、非常用電源として既に市販されている。マグネシウム空気電池20は、アノード電極22としてマグネシウム合金(以下、単にマグネシウムという。)を使用し、カソード電極26にカーボンを使用している。なお、アノード電極22は負極であり、カソード電極26は正極となり、アノード電極26は負極となる。カソード電極22は、容器内の電解質30に接する側と反対側は大気中にさらされて、空気中の酸素を反応に利用することができるようにしている。このため、エアカソードと呼ぶ場合もある。電解質30は、例えば塩化ナトリウムの水溶液である。電解液は、食塩水が使用されている。食塩水とすることで、取得電力量を大幅に増加させている。 FIG. 2 is a diagram explaining the principle of a conventional magnesium-air battery. Magnesium air batteries are already commercially available as emergency power sources. The magnesium air battery 20 uses a magnesium alloy (hereinafter simply referred to as magnesium) as an anode electrode 22 and carbon as a cathode electrode 26. Note that the anode electrode 22 is a negative electrode, the cathode electrode 26 is a positive electrode, and the anode electrode 26 is a negative electrode. The cathode electrode 22 is exposed to the atmosphere on the side opposite to the side in contact with the electrolyte 30 in the container, so that oxygen in the air can be used for the reaction. For this reason, it is sometimes called an air cathode. The electrolyte 30 is, for example, an aqueous solution of sodium chloride. Salt water is used as the electrolyte. By using salt water, the amount of electricity acquired is significantly increased.

ここで、カソード電極と正極、アノード電極と負極の用語の使い方について説明する、一般に電池の場合には電位によって区別して、電位の高い方を正極或いは陽極、低い方を負極或いは陰極という。英語では、溶液から負電荷(アニオン)が集る方がアノード、正電荷(カチオン)が集る方をカソードと言う。腐食や電気分解の場合、金属(電極)から溶液にプラスのイオン(正の電荷)が移動する方をアノード(anode)、プラスのイオンが移動する方をカソード(cathode)と言う。これは、ファラデーによって命名され、ギリシャ語で上り口を意味する「anodos」と下り口を意味する「cathode」に由来している。 Here, we will explain how to use the terms cathode electrode and positive electrode, and anode electrode and negative electrode. Generally, in the case of batteries, they are distinguished by potential, and the one with a higher potential is called a positive electrode or anode, and the one with a lower potential is called a negative electrode or cathode. In English, the side where negative charges (anions) gather from a solution is called an anode, and the side where positive charges (cations) gather is called a cathode. In the case of corrosion or electrolysis, the side where positive ions (positive charge) move from the metal (electrode) to the solution is called the anode, and the side where the positive ions move is called the cathode. It was named by Faraday and is derived from the Greek words ``anodos'', which means upward, and ``cathode'', which means downward.

このため、以下の実施例を説明するにあたっては、より現象に忠実なカソードを一般的な用語、カソード電極をカソードとなる物理的な物、アノードを一般的な用語、アノード電極をアノードとなる物理的な物、という意味で用語を使用することにする。 For this reason, in explaining the examples below, we will use the term cathode, which is more faithful to the phenomenon, in a general term, the cathode electrode in a physical object that becomes a cathode, the anode in a general term, and the anode electrode in a physical object that becomes an anode. I will use the term in the sense of something specific.

原理的なマグネシウム電池の化学反応は以下のようになる。
カソードでの反応は、
+2HO+4e → 4OH
であり、アノードでの反応は、
2Mg → 2Mg2++4e
である。全体としての反応は、
2Mg+O+2HO → 2Mg(OH)
となる。
The basic chemical reaction of a magnesium battery is as follows.
The reaction at the cathode is
O 2 +2H 2 O+4e - → 4OH -
and the reaction at the anode is
2Mg → 2Mg 2+ +4e -
It is. The overall reaction was
2Mg+O 2 +2H 2 O → 2Mg(OH) 2
becomes.

アノード電極はマグネシウムであり、化学反応により溶解し水酸化マグネシウム(Mg(OH))を生成する。溶解によりマグネシウム電極は減少し、最終的には無くなって寿命となる。当然、マグネシウム電極が減少するに従い、電流容量も減少する。寿命を長くするためには、マグネシウム板の厚さを厚くすることが必要となる。 The anode electrode is magnesium, which dissolves through a chemical reaction to produce magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ). Due to dissolution, the magnesium electrode decreases and eventually disappears, reaching the end of its life. Naturally, as the number of magnesium electrodes decreases, the current capacity also decreases. In order to extend the service life, it is necessary to increase the thickness of the magnesium plate.

図3は、本発明による被膜金属電極を用いた一次金属電池を説明する図である。図3(A)は被膜金属電極144を用いた一次金属電池36の構成を示す図、図3(B)は被膜金属電極を用いた一次金属電池36のモデル図である。金属の導電被膜には、層間化合物を用いている。被膜金属電極を用いた一次金属電池36の構成は、アノード電極22に、例えば黒鉛、プルシアンブルーあるいはプルシアンブルー類似体をコーティングしたマグネシウム板を使用し、カソード電極26に黒鉛をコーティングした銅板を使用している。銅板は、エアカソードとするため、メッシュ状の銅板を用いている。アノード電極22,カソード電極26とも金属板に層状化合物をコーティングした被膜金属電極である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a primary metal battery using a coated metal electrode according to the present invention. FIG. 3(A) is a diagram showing the configuration of a primary metal battery 36 using a coated metal electrode 144, and FIG. 3(B) is a model diagram of the primary metal battery 36 using a coated metal electrode. An interlayer compound is used for the metal conductive coating. The configuration of the primary metal battery 36 using coated metal electrodes is such that the anode electrode 22 is a magnesium plate coated with graphite, Prussian blue, or a Prussian blue analog, and the cathode electrode 26 is a copper plate coated with graphite. ing. A mesh copper plate is used as the copper plate to serve as an air cathode. Both the anode electrode 22 and the cathode electrode 26 are coated metal electrodes in which a metal plate is coated with a layered compound.

アノード電極22はマグネシウム板、カソード電極26は銅メッシュを使用している。マグネシウムの酸化還元電位は、-2.34Vであり、銅の酸化還元電位は、+0.34Vである。酸化還元電位の差は、2.68Vでありこれが起電力となる。この起電力により、電解質の有機物等が分解され、そのときに発生する電子がアノード電極22から外部導線(図示せず)を通してカソード電極に流れる。これが一次金属電池としての原理である。 The anode electrode 22 uses a magnesium plate, and the cathode electrode 26 uses a copper mesh. The redox potential of magnesium is -2.34V, and the redox potential of copper is +0.34V. The difference in redox potential is 2.68V, which becomes an electromotive force. This electromotive force decomposes organic matter in the electrolyte, and electrons generated at this time flow from the anode electrode 22 to the cathode electrode through an external conductor (not shown). This is the principle of a primary metal battery.

カソード電極26は、空気と接するエアカソード方式として図示しているが、必ずしもエアカソード方式とする必要はなく、カソード電極26と同じく、電解液30の中に入れるだけでもよい。 Although the cathode electrode 26 is illustrated as an air cathode type in which it is in contact with air, it does not necessarily have to be an air cathode type, and may simply be placed in the electrolytic solution 30 like the cathode electrode 26.

電解質(電解液)30は、例えば塩化ナトリウム(NaCl)の水溶液(食塩水)であり、酸化還元電位の差による起電力で塩化ナトリウムと水が電気分解され、電解液中には電子と、陽イオンとしてH(水素イオン)とNaが存在することになる。これらの陽イオンがインターカレーター(インターカラントとも呼ばれている。)38となって層状化合物に侵入してインターカレーション反応を生成する。 The electrolyte (electrolytic solution) 30 is, for example, an aqueous solution (saline solution) of sodium chloride (NaCl). Sodium chloride and water are electrolyzed by electromotive force due to the difference in redox potential, and electrons and positives are generated in the electrolytic solution. H + (hydrogen ion) and Na + are present as ions. These cations become intercalators (also called intercalants) 38 and enter the layered compound to generate an intercalation reaction.

インターカレーター38となる陽イオンは、無機イオンのMg(マグネシウムイオン),K(カリウムイオン),Ca(カルシウムイオン),S(硫化物イオン)等であってもよい。純粋なマグネシウムは水によく溶けるため、水に純粋なマグネシウムを溶解させた水溶液を電解液とすることができる。また、Mg,K,Ca,S等は、植物を育てる肥料の成分でもあり、例えば化成肥料やリンカリ肥料にはKが含まれている。苦土石灰にはMg,Caが含まれている。さらに有機肥料としては発酵鶏糞があり、K成分が含まれている。従って、電解液は肥料の水溶液であってもよい。 The cations serving as the intercalator 38 may be inorganic ions such as Mg + (magnesium ion), K + (potassium ion), Ca + (calcium ion), and S + (sulfide ion). Since pure magnesium is highly soluble in water, an aqueous solution of pure magnesium dissolved in water can be used as an electrolyte. Furthermore, Mg + , K + , Ca + , S + , etc. are also components of fertilizers used to grow plants; for example, chemical fertilizers and phosphoric acid fertilizers contain K + . Magnesium lime contains Mg + and Ca + . Furthermore, fermented chicken manure is an organic fertilizer that contains K + ingredients. Therefore, the electrolyte may be an aqueous solution of fertilizer.

被膜金属電極10を用いた一次金属電池36は、アノード電極22に使用したマグネシウムとカソード電極26に使用した銅のイオン化傾向の差が起電力となっており、電解液中の陽イオンがインターカレーター38となってアノード電極22側でインターカレーション反応を生成し、電池の使用時には、インターカレーター38が放出されるとともに、アノード電極22から外部回路を介してカソード電極26に流れる。 In the primary metal battery 36 using the coated metal electrode 10, the electromotive force is generated by the difference in ionization tendency between the magnesium used in the anode electrode 22 and the copper used in the cathode electrode 26, and the cations in the electrolyte become intercalators. 38 to generate an intercalation reaction on the anode electrode 22 side, and when the battery is used, the intercalator 38 is released and flows from the anode electrode 22 to the cathode electrode 26 via an external circuit.

一次金属電池にインターカレーション反応を利用することは、従来にない新たな原理であり、詳細な検討は今後の課題である。原理的に、化学反応から電荷移動反応に変えられるため、電極の溶解がなく長寿命化できる。このため、例えば非常用マグネシウム空気電池に適用し、マグネシウム電極を本発明の被膜金属電極10に代えれば、塩化ナトリウム水溶液(塩水)を入れ替えて常時使用可能な電池となる。 The use of intercalation reactions in primary metal batteries is a new principle that has never existed before, and detailed study is a future issue. In principle, the chemical reaction can be changed to a charge transfer reaction, so there is no dissolution of the electrode and the lifespan can be extended. Therefore, for example, if the present invention is applied to an emergency magnesium-air battery and the magnesium electrode is replaced with the coated metal electrode 10 of the present invention, the battery can be used at all times by replacing the sodium chloride aqueous solution (salt water).

また、燃料電池が水素を供給するように、電解液を連続的に、あるいは定期的に供給すれば、継続して発電可能となる。定期的な供給にあっては、例えば、電解液を大気にさらし、蒸発分を補給する形態であってもよい。さらに、微生物燃料電池に適用すれば、高電圧化と電流容量の増加が可能である。 Furthermore, if the electrolyte is supplied continuously or periodically, like a fuel cell supplies hydrogen, it becomes possible to continuously generate electricity. For periodic supply, for example, the electrolyte may be exposed to the atmosphere and evaporated content may be replenished. Furthermore, if applied to microbial fuel cells, it is possible to increase voltage and current capacity.

導電性被膜14に抵抗体を用いる場合は、低抵抗である必要があり、鉄フタロシアニン、酸化鉄又は導電性不働態被膜がある。鉄フタロシアニンは触媒機能もある。導電性不働態被膜に関しては、例えばマグネシウム又はマグネシウム合金への導電性不働態被膜の形成は、特許4367838(堀金属表面処理工業株式会社、岡山県)にある導電性陽極酸化皮膜が利用できる。導電性不働態被膜は、リン酸根を0.1~1mol/L、アンモニア又はアンモニウムイオンを0.2~5mol/L含有し、pHが8~14である電解液にマグネシウム又はマグネシウム合金を浸漬し、その表面を陽極酸化処理して製造することができる。 If a resistor is used for the conductive film 14, it must have low resistance, and iron phthalocyanine, iron oxide, or a conductive passive film may be used. Iron phthalocyanine also has a catalytic function. Regarding the conductive passive film, for example, the conductive anodic oxide film disclosed in Patent No. 4367838 (Hori Metal Surface Treatment Co., Ltd., Okayama Prefecture) can be used to form a conductive passive film on magnesium or a magnesium alloy. The conductive passive film is prepared by immersing magnesium or a magnesium alloy in an electrolytic solution containing 0.1 to 1 mol/L of phosphate radicals, 0.2 to 5 mol/L of ammonia or ammonium ions, and having a pH of 8 to 14. , can be manufactured by anodizing the surface thereof.

導電性被膜に半導体を用いる場合は、酸化チタン(TiO)、酸化タングステン(WO)や光触媒が利用できる。酸化チタンは、二酸化チタンとも呼ばれる。酸化チタンは、光触媒の原材料として利用されている。酸化チタンに紫外線が照射されると価電子帯の電子が伝導帯に励起され、価電子帯に残された正孔と共に酸化還元反応を起こす。紫外線でなくとも、電圧の印加により電圧の印加により、電子帯の電子が伝導帯に励起されるので、アノード電極とカソード電極で使用される金属の酸化還元電位の差を起電力として電圧の印加をすることができる。 When using a semiconductor for the conductive film, titanium oxide (TiO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), or a photocatalyst can be used. Titanium oxide is also called titanium dioxide. Titanium oxide is used as a raw material for photocatalysts. When titanium oxide is irradiated with ultraviolet light, electrons in the valence band are excited to the conduction band, causing a redox reaction with the holes left in the valence band. Even if it is not ultraviolet rays, the application of voltage excites electrons in the electronic band to the conduction band, so the voltage can be applied using the difference in redox potential of the metals used in the anode and cathode electrodes as an electromotive force. can do.

図4は、植物の生育している土壌に、アノード電極とカソード電極を埋め込んだ微生物燃料電池を示す図である。微生物燃料電池40は、土壌42に化成肥料等の肥料を混入させている。この土壌42に、アノード電極22とカソード電極26を埋め込み、電気エネルギーを取り出す。アノード電極22は、マグネシウムやアルミニウム等のイオン化傾向が卑な金属に、層状化合物として、例えば黒鉛、プルシアンブルーあるいはプルシアンブルー類似体をコーティングしている。 FIG. 4 is a diagram showing a microbial fuel cell in which an anode electrode and a cathode electrode are embedded in soil where plants are growing. In the microbial fuel cell 40, fertilizer such as chemical fertilizer is mixed into the soil 42. An anode electrode 22 and a cathode electrode 26 are embedded in this soil 42 to extract electrical energy. The anode electrode 22 is formed by coating a metal with a base ionization tendency, such as magnesium or aluminum, with a layered compound such as graphite, Prussian blue, or a Prussian blue analog.

アノード電極22は、マグネシウムやアルミニウム等のイオン化傾向が卑な金属に、抵抗体として鉄フタロシアニンや酸化鉄を、PTFEやウレタン樹脂等を使用してコーティングしてもよい。さらに、半導体として酸化チタンを、PTFEやウレタン樹脂等を使用してコーティングしてもよい。酸化チタンは、アナターゼ型の酸化チタンを使用する。 The anode electrode 22 may be formed by coating a metal with a low ionization tendency, such as magnesium or aluminum, with iron phthalocyanine or iron oxide as a resistor using PTFE, urethane resin, or the like. Furthermore, titanium oxide as a semiconductor may be coated with PTFE, urethane resin, or the like. As the titanium oxide, anatase type titanium oxide is used.

カソード電極26は、銅などのイオン化傾向が貴な金属に、層状化合物として、例えば黒鉛をコーティングしている。カソード電極26は、銅などのイオン化傾向が貴な金属を用いず、木炭,黒鉛,カーボングラファイトフェルト,ハードカーボンや炭素繊維シート等であってもよい。また、カソード電極26は、木炭、黒鉛、カーボングラファイト又はハードカーボンを材料として、その表面に、鉄フタロシアニン又は酸化鉄を結合剤又は樹脂でコーティングした鉄成分被膜を形成してもよい。 The cathode electrode 26 is made of a noble metal with a tendency to ionize, such as copper, coated with a layered compound such as graphite. The cathode electrode 26 may be made of charcoal, graphite, carbon graphite felt, hard carbon, carbon fiber sheet, etc., instead of using a noble metal with a tendency to ionize, such as copper. Further, the cathode electrode 26 may be made of charcoal, graphite, carbon graphite, or hard carbon, and may have an iron component film coated with iron phthalocyanine or iron oxide with a binder or resin on its surface.

土壌42には、太陽の光合成により植物44で生成された糖分(C12)が根46から排出され、シュワネラ菌等の電流生産菌により水素イオン(H)と電子(e)に分解され、電気エネルギー源となる。さらに土壌42に存在する有機物や肥料等が、電極間のイオン化傾向の差による起電力で電気分解され、電気エネルギー源となる。 In the soil 42, sugar (C 6 H 12 O 6 ) produced by the plants 44 through photosynthesis of the sun is discharged from the roots 46, and hydrogen ions (H + ) and electrons (e - ) and becomes a source of electrical energy. Furthermore, organic matter, fertilizer, etc. present in the soil 42 are electrolyzed by electromotive force due to the difference in ionization tendency between the electrodes, and become an electrical energy source.

一般に微生物燃料電池は、微生物の異化代謝能を利用して有機物から電力を生産するシステムであり、燃料として汚泥、生ごみ等のバイオマスを使用できることから、持続可能な発電システムでもある。微生物自体が有機物から電子を取り出す生体触媒として機能するため、低コストである利点もある。 In general, a microbial fuel cell is a system that uses the catabolic metabolic ability of microorganisms to produce electricity from organic matter, and is also a sustainable power generation system because it can use biomass such as sludge and garbage as fuel. Since the microorganism itself functions as a biocatalyst that extracts electrons from organic matter, it also has the advantage of being low cost.

土壌中に存在する微生物には、水素を電子放出源とし硫黄で電子を受容する、高度好熱性硫黄依存古細菌が存在し、この菌は硫化水素を生成する。さらに、二酸化炭素を電子受容体とするメタン細菌や、硫酸塩を電子受容体にする硫酸塩還元細菌、炭酸塩を電子受容体にする酢酸生成細菌や、鉄を電子受容体にする異化的鉄還元細菌が存在する。 Microorganisms present in soil include highly thermophilic sulfur-dependent archaea, which use hydrogen as an electron emission source and sulfur to accept electrons, and these bacteria produce hydrogen sulfide. In addition, there are methane bacteria that use carbon dioxide as an electron acceptor, sulfate-reducing bacteria that use sulfate as an electron acceptor, acetogenic bacteria that use carbonate as an electron acceptor, and catabolic iron that uses iron as an electron acceptor. Reducing bacteria are present.

微生物の中には、有機物を分解する過程で電子を外部に放出する性質をもつ電流生成菌と呼ばれる細菌が存在する。電流生成菌は、この異化的鉄還元細菌のことで、異化的鉄還元細菌は、アモルファス状の鉄酸化物に直接触れることで、三価鉄を二価鉄に還元し、ナノサイズの磁性粒子を生産する。 Among microorganisms, there are bacteria called amperogenes, which have the property of emitting electrons to the outside during the process of decomposing organic matter. Current-producing bacteria are these dissimilatory iron-reducing bacteria.Dissimilatory iron-reducing bacteria reduce trivalent iron to divalent iron by directly touching amorphous iron oxide, and produce nano-sized magnetic particles. to produce.

異化的鉄還元細菌として、ジオバクター菌やシュワネラ菌などがある。これらの菌は、空気中の酸素を嫌い、地中や海底、沼底など、酸素のほとんどない環境で生息している。この電流生成菌は、有機物と一緒に水を与えると電流発生菌が有機物を分解し、水素イオンと電子を放出する。放出した電子をアノード電極に渡し、カソード電極側に流せば、電流が流れ、カソード電極側では水素イオンが酸素と反応して水となる。このため、有機物と水を継続的に微生物に与えれば、持続的に発電が可能となる。 Examples of catabolic iron-reducing bacteria include Geobacter and Schwanella. These bacteria hate oxygen in the air and live in environments with little oxygen, such as underground, the ocean floor, and the bottom of swamps. When these current-generating bacteria are given water together with organic matter, the current-generating bacteria decomposes the organic matter and releases hydrogen ions and electrons. When the emitted electrons are passed to the anode electrode and flowed to the cathode side, a current flows, and hydrogen ions react with oxygen on the cathode side to form water. Therefore, if organic matter and water are continuously fed to microorganisms, it becomes possible to generate electricity sustainably.

有機物を継続的に土壌に与えるために、植物の光合成を利用することができる。植物は、葉緑体で太陽の光により光合成を行い、根から導管により吸い上げた水と空気中の二酸化炭素から、有機物、例えばショ糖(C12)やデンプンを合成する。水を分解する過程で生じた酸素は、空気中に放出する。光合成により生産された有機物の一部は、植物の根から土壌中に放出される。このため、エネルギー源となる有機物を継続的に供給することができる。 Plant photosynthesis can be used to continuously provide soil with organic matter. Plants perform photosynthesis using sunlight in their chloroplasts, and synthesize organic substances such as sucrose (C 6 H 12 O 6 ) and starch from water sucked up from roots through ducts and carbon dioxide from the air. Oxygen produced in the process of decomposing water is released into the air. Some of the organic matter produced through photosynthesis is released into the soil through plant roots. Therefore, it is possible to continuously supply organic matter as an energy source.

従来の微生物燃料電池は、電気エネルギー源を電流生産菌により生成される電子(e)のみを利用することで発電していたが、本発明による一次金属電池に適用により、電極間のイオン化傾向の差による起電力で有機物や肥料が電気分解され、電気エネルギー源となるので、大幅に取得電力が増加する。このため、土壌に肥料を含ませることにより、肥料の成分も電気的エネルギーとして利用でき、発電能力が飛躍的に増大する。 Conventional microbial fuel cells generate electricity by using only electrons (e - ) generated by current-producing bacteria as an electrical energy source, but by applying it to the primary metal battery of the present invention, the ionization tendency between the electrodes can be reduced. Organic matter and fertilizers are electrolyzed by the electromotive force caused by the difference in energy, and become an electrical energy source, significantly increasing the amount of power obtained. Therefore, by incorporating fertilizer into the soil, the ingredients of the fertilizer can also be used as electrical energy, dramatically increasing power generation capacity.

肥料は、「有機肥料」と「化学肥料」の2種に大きく分けられるが、何れでもよい。化成肥料は、化学肥料の分類に属し、鉱石などの無機物から抽出した成分を原料としている。有機肥料とは、油粕や魚粉、鶏糞など、植物性または動物性の有機物(炭酸そのものを除く炭素を含む化合物)を原料にした肥料である。また、肥料はその成分により窒素肥料,リン酸肥料,カリ肥料,ケイ酸肥料,石灰肥料,複合肥料などに分類され,化学的性質によりアルカリ性肥料,酸性肥料に分けられる。 Fertilizers can be broadly divided into two types: "organic fertilizers" and "chemical fertilizers," and either of them may be used. Chemical fertilizers belong to the category of chemical fertilizers and are made from ingredients extracted from minerals such as ores. Organic fertilizers are fertilizers made from vegetable or animal organic matter (compounds containing carbon other than carbon dioxide itself) such as oil cake, fish meal, and chicken manure. Furthermore, fertilizers are classified into nitrogen fertilizers, phosphoric acid fertilizers, potash fertilizers, silicate fertilizers, lime fertilizers, compound fertilizers, etc. according to their components, and are divided into alkaline fertilizers and acidic fertilizers according to their chemical properties.

肥料は、土壌に施す栄養物質であり、これによって土壌の生産力を維持,増進し,植物の生長を促進する。肥料の3大要素は、窒素,リン酸,カリ(カリウム)である。さらに、マグネシウム,カルシウム,硫黄と酸素及び水素を合わせた9元素のほか、マンガン,亜鉛,鉄,ホウ素などの微量成分が必要とされている。 Fertilizer is a nutritional substance applied to soil, thereby maintaining and increasing the productivity of the soil and promoting plant growth. The three major elements of fertilizer are nitrogen, phosphoric acid, and potassium. Furthermore, in addition to nine elements including magnesium, calcium, sulfur, oxygen, and hydrogen, trace elements such as manganese, zinc, iron, and boron are required.

肥料によって電気エネルギーが増大するのは、9元素と微量成分が、電極間のイオン化傾向の差による起電力により電気分解され、イオンとなって電子を生成し、電解質中を移動するためである。 The reason why electrical energy increases with fertilizer is that the nine elements and trace components are electrolyzed by the electromotive force caused by the difference in ionization tendency between the electrodes, become ions, generate electrons, and move through the electrolyte.

さらに、肥料は植物の生長と電気的エネルギーの増大に効果がある。このため、自然界の生態系に適合し、まさに自然界と共存する自然エネルギーとなる。他の自然エネルギー、例えば太陽発電は、太陽光パネルを設置するためにコンクリートで固定するなど自然を破壊してしまう。完成された太陽光発電システムの景観は自然とは相いれず、風景を一変する。また、風力発電も同様であり、自然の破壊と、さらに低騒音問題を抱えている。いずれも廃棄する場合には費用が高額であり、廃棄処理の問題もある。 Furthermore, fertilizers are effective in increasing plant growth and electrical energy. For this reason, it is compatible with the natural ecosystem and becomes a natural energy that truly coexists with the natural world. Other natural energy sources, such as solar power generation, destroy nature by fixing it with concrete to install solar panels. The landscape of the completed solar power generation system is incompatible with nature and will completely change the landscape. The same is true for wind power generation, which causes destruction of nature and also has low noise issues. All of them are expensive to dispose of, and there are problems with disposal.

肥料を利用した電解質は、土壌に肥料を混入することで実現することができる。土壌は固体(固相)、液体(液相)および気体(気相)から構成され,これら3つは土壌の三相と呼ばれ,これら三相の分布割合を土壌の三相分布という.土壌の三相分布は,植物の根の伸長の難易および,根への水分,酸素および養分の供給の良否といった要素に 影響を及ぼし、植物の生育にとって重要な要素のひとつである. Fertilizer-based electrolytes can be created by mixing fertilizers into soil. Soil is composed of solid (solid phase), liquid (liquid phase), and gas (vapor phase), and these three are called the three phases of soil, and the distribution ratio of these three phases is called the three-phase distribution of soil. The three-phase distribution of soil is one of the important factors for plant growth, influencing factors such as the difficulty of plant root elongation and the quality of the supply of water, oxygen, and nutrients to the roots.

土壌の隙間は,気相および液相で占められている。この三相の分布割合は様々で,土壌の種類あるいは利用形態などにより異なる.畑土壌の場合,三相分布が固相30~40%、液相40~30%占めている状態が植物の生育に最適であるとされている。土壌の構造は、単位構造と団粒構造の2つのタイプに分類されている。単位構造は、土壌の粒子が単独に並んでいる状態である。団粒構造は個々の粒子が集まり団粒を形成し、この団粒が並んでいる状態である。 The interstices in the soil are occupied by gas and liquid phases. The distribution ratios of these three phases vary depending on the type of soil and the type of use. In the case of field soil, a three-phase distribution in which the solid phase accounts for 30 to 40% and the liquid phase accounts for 40 to 30% is said to be optimal for plant growth. Soil structure is classified into two types: unit structure and aggregate structure. A unit structure is a state in which soil particles are arranged singly. The aggregate structure is a state in which individual particles gather to form aggregates, and these aggregates are lined up.

団粒構造には,大きな孔隙および小さな孔隙の両方がある。大きい孔隙は排水性を良くし、小さい孔隙は保水性に関係する。一般的に、団粒構造の土壌の方が土壌中の隙間(孔隙)が多く、隙間がある程度多い方が、排水、保水、通気および根の伸長等、植物の生育に適している。 The aggregate structure has both large and small pores. Large pores improve drainage, while small pores improve water retention. Generally, soil with a granular structure has more voids (pores) in the soil, and a certain amount of voids is suitable for plant growth, including drainage, water retention, ventilation, and root elongation.

土壌には、植物の生長に欠かせない窒素,リン酸,カリ(カリウム)等の養分の他に、微量要素として、鉄,マンガン,銅,亜鉛,ホウ素等が含まれている。肥料は、土壌中に欠乏し易い成分、特に窒素,リン酸,カリを補給するのが役割である。 Soil contains nutrients such as nitrogen, phosphoric acid, and potash (potassium) that are essential for plant growth, as well as trace elements such as iron, manganese, copper, zinc, and boron. The role of fertilizer is to replenish the soil with elements that are easily deficient, especially nitrogen, phosphoric acid, and potassium.

土壌は固体(固相)、液体(液相)および気体(気相)から構成され、液相は水分であり、気相は主に空気であるから、アノード電極を土壌中に埋め込んでも、水素イオン(H)と気相における空気の酸素が反応し、電池としての機能を果たすことができる。また、液相の水分は、導電性を付与し、アノード電極への電子の移動を可能としている。このため、アノード電極とカソード電極を土壌中に埋めても電気エネルギーを取り出すことができる。 Soil is composed of solid (solid phase), liquid (liquid phase), and gas (vapor phase).The liquid phase is moisture and the gas phase is mainly air, so even if the anode electrode is embedded in the soil, it will not absorb hydrogen. Ions (H + ) react with oxygen in the air in the gas phase, and can function as a battery. In addition, the water in the liquid phase provides conductivity and enables the movement of electrons to the anode electrode. Therefore, electrical energy can be extracted even if the anode and cathode electrodes are buried in soil.

肥料を含む電解質は、水に肥料を溶解させた水溶液であってもよい。この場合は、肥料の成分を利用して、電極で電気エネルギーを取り出している。肥料の成分には、前述したように窒素,リン酸,カリ(カリウム)と、マグネシウム,カルシウム,硫黄と酸素及び水素を合わせた9元素がある。 The electrolyte containing fertilizer may be an aqueous solution in which fertilizer is dissolved in water. In this case, the fertilizer components are used to extract electrical energy using electrodes. As mentioned above, the ingredients of fertilizer include nine elements: nitrogen, phosphoric acid, potassium, magnesium, calcium, sulfur, oxygen, and hydrogen.

これら9元素のうち、電気的なエネルギー源としてカリウム,マグネシウム,カルシウムと硫黄が挙げられる。これらの成分は、水溶液中でイオン化してアノード電極とカソード電極の電気伝導を担う。これにより電子の移動が生じ、電気エネルギーとなる。従って、肥料には、カリウム,マグネシウム、カルシウム、及び、硫黄のいずれか1以上の成分を含んでいることが好ましい。 Among these nine elements, potassium, magnesium, calcium and sulfur can be cited as electrical energy sources. These components are ionized in an aqueous solution and play a role in electrical conduction between the anode electrode and the cathode electrode. This causes the movement of electrons, which becomes electrical energy. Therefore, it is preferable that the fertilizer contains any one or more of potassium, magnesium, calcium, and sulfur.

植物は、光合成により大気中の二酸化炭素を吸収し、酸素を放出する。光合成は、二酸化炭素を利用して糖分(有機化合物)を生成するが、植物体内で消費される量以上に糖分が生成されるから、余った糖分は根から排出される。さらに土壌には、落ち葉や枯れた枝が存在し、有機物の増加に寄与している。また、植物の根からの滲出物、分泌物等も電気エネルギーに寄与している。 Plants absorb carbon dioxide from the atmosphere and release oxygen through photosynthesis. Photosynthesis uses carbon dioxide to produce sugar (organic compounds), but since more sugar is produced than is consumed within the plant, the excess sugar is excreted from the roots. In addition, fallen leaves and dead branches are present in the soil, contributing to an increase in organic matter. Exudates and secretions from plant roots also contribute to electrical energy.

これらの有機物は、土壌中に存在するシュワネラ菌とよばれる電流発生菌により分解され、水素イオン(H)と電子(e)が生成される。アノード電極では、カソード電極から外部回路を通して流れてきた電子(e)と酸素が水素イオン(H)と反応して水(HO)となる。この化学反応が基本的な原理であり、電子(e)の流れを生じさせることで電気エネルギーに変換される。 These organic substances are decomposed by a current-generating bacterium called Shewanella bacteria present in the soil, and hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) are generated. At the anode electrode, electrons (e ) and oxygen flowing from the cathode electrode through an external circuit react with hydrogen ions (H + ) to become water (H 2 O). This chemical reaction is the basic principle, and is converted into electrical energy by generating a flow of electrons (e ).

土壌の養分に肥料を加え、それにより植物の生長を促進する。植物は太陽の光により光合成して大気中の二酸化炭素(CO)を吸収し、植物体内には糖類を生成して植物自身を成長させる。生成された糖類は、全てが植物体内で消費されるのではなく、余った糖類は根から放出される。根から放出された糖類が電流発生菌により水素イオンと電子に分解され、酸素と反応して電気エネルギー源となる。まさに自然と共存し、自然の持続的な生態系循環サイクルに適合した自然エネルギーである。 Add fertilizer to soil nutrients, thereby promoting plant growth. Plants photosynthesize using sunlight, absorb carbon dioxide (CO 2 ) from the atmosphere, and produce sugars within their bodies to grow themselves. The sugars produced are not all consumed within the plant; the excess sugars are released from the roots. Sugars released from the roots are broken down into hydrogen ions and electrons by current-generating bacteria, which react with oxygen to become an electrical energy source. It is a natural energy that coexists with nature and is compatible with nature's sustainable ecological circulation cycle.

図5は、電解質を土壌領域と水領域で構成した微生物燃料電池の類型である田んぼ発電を説明する図である。田んぼ発電50は、水田を利用した微生物燃料電池であり、電解質は、水領域54と土壌領域52で構成されている。稲56が植えられており、稲56が太陽の光合成により根46から糖分(C12)を排出する。排出された糖分(C12)は、シュワネラ菌等の電流生産菌により水素イオン(H)と電子(e)に分解され、さらに、電極間のイオン化傾向の差による起電力により排出された糖分(C12)が電気分解され、電気エネルギー源となる。稲56は光合成により継続的に糖分を生成し、根46から排出するため、継続的な発電が可能となる FIG. 5 is a diagram illustrating rice field power generation, which is a type of microbial fuel cell in which the electrolyte is composed of a soil region and a water region. The rice field power generation 50 is a microbial fuel cell using a rice field, and the electrolyte is composed of a water region 54 and a soil region 52. Rice 56 is planted, and the rice 56 discharges sugar (C 6 H 12 O 6 ) from its roots 46 through photosynthesis of the sun. The discharged sugar (C 6 H 12 O 6 ) is decomposed into hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) by current-producing bacteria such as Shewanella bacteria, and an electromotive force is generated due to the difference in ionization tendency between the electrodes. The sugar content (C 6 H 12 O 6 ) discharged by is electrolyzed and becomes an electrical energy source. Rice 56 continuously produces sugar through photosynthesis and excretes it from its roots 46, making continuous power generation possible.

従来、アノード電極22とカソード電極26は、両電極とも同じカーボンフェルトが使用されている。カソード電極26は、空気中の酸素を取り入れて化学反応をさせるため、空気と接するように配置されている。このため、エアカソードとも呼ばれている。カソード電極28では、電流生産菌により糖分を分解して生成された水素イオン(H)が、空気中の酸素と結合し水を生成する。この時電子(e)を必要とし、外部回路を介してアノード電極22から電子(e)を引き寄せるため、外部回路に電流が流れ、電気エネルギーとして取り出すことができる。 Conventionally, the same carbon felt has been used for both the anode electrode 22 and the cathode electrode 26. The cathode electrode 26 is placed in contact with air in order to take in oxygen from the air and cause a chemical reaction. For this reason, it is also called an air cathode. At the cathode electrode 28, hydrogen ions (H + ) generated by decomposing sugar by current-producing bacteria combine with oxygen in the air to generate water. At this time, electrons (e - ) are required, and since the electrons (e - ) are drawn from the anode electrode 22 via the external circuit, a current flows through the external circuit and can be extracted as electrical energy.

この田んぼ発電50のアノード電極22に、被膜金属電極10を使用することにより、大幅に電気エネルギーを増大させることができる。金属12としては、マグネシウム、マグネシウム合金やアルミニウムが使用できる。金属12にコーティングする層状化合物14は、プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体が使用できる。また、抵抗体や半導体でもよい。この被膜金属電極10を用いた田んぼ発電では、化学反応を伴わずに効率よく電気エネルギーを取り出すことができるので、例えば金属12にマグネシウムを使用し、層状化合物14としてプルシアンブルーを使用した場合は、1.8V前後の出力電圧が得られる。金属12にアルミニウムを使用した場合は、0.8V前後の出力電圧である。従来の田んぼ発電では、出力電圧が0.5V程度であり、大幅に改善することができる。 By using the coated metal electrode 10 for the anode electrode 22 of this rice field power generation 50, electrical energy can be significantly increased. As the metal 12, magnesium, a magnesium alloy, or aluminum can be used. The layered compound 14 that coats the metal 12 can be Prussian blue or a Prussian blue analog. Alternatively, it may be a resistor or a semiconductor. In rice field power generation using this coated metal electrode 10, electrical energy can be extracted efficiently without chemical reactions. For example, if magnesium is used as the metal 12 and Prussian blue is used as the layered compound 14, An output voltage of around 1.8V can be obtained. When aluminum is used as the metal 12, the output voltage is around 0.8V. In conventional rice field power generation, the output voltage is about 0.5V, which can be significantly improved.

土壌等に電極を設置する場合は、取り扱い時に被膜金属電極10の層状化合物14の被膜が傷つつくことがあるが、透水性シートにより覆うのがよい。電被膜金属電極10の全体を、包み込むことにより、被膜を保護すると同時に、交換時には透水性シートに包まれた被膜金属電極10を残渣物とともに全てを除去することができる。このため、交換が容易となる。 When installing the electrode in soil or the like, the coating of the layered compound 14 of the coated metal electrode 10 may be damaged during handling, but it is preferable to cover it with a water-permeable sheet. By wrapping the entire electrode-coated metal electrode 10, the coating can be protected, and at the same time, the coated metal electrode 10 wrapped in the water-permeable sheet can be completely removed together with the residue when replaced. Therefore, replacement becomes easy.

図6は、アノード電極として試作した被膜金属電極とカソード電極の試作例を示している。図6(A)は、マグネシウム板にプルシアンブルーをコーティングした皮膜金属電極22の試作例である。図6(B)は、プルシアンブルーをコーティングしたマグネシウム板に透水シートでカバーした皮膜金属電極22の試作例である。図6(C)は、カソード電極26の試作例である。 FIG. 6 shows an example of a coated metal electrode and a cathode electrode that were prototyped as an anode electrode. FIG. 6(A) is a prototype example of a coated metal electrode 22 in which a magnesium plate is coated with Prussian blue. FIG. 6(B) is a prototype example of a coated metal electrode 22 in which a magnesium plate coated with Prussian blue is covered with a water-permeable sheet. FIG. 6(C) is a prototype example of the cathode electrode 26.

マグネシウム板は、厚さ0.5mmのAZ31を使用している。層状化合物としてプルシアンブルーを使用し、結合剤としてのウレタン樹脂を混合してシンナーで稀釈している。導電材は、活性炭を使用し、20~30%でプルシアンブルーの希釈液に混合した。この希釈液をマグネシウム板に塗布し、常温で乾燥させた。プルシアンブルーをコーティングしたマグネシウム板は、透水性シートで全体が包み込まれており、透水性シートは、保護カバーとしての機能と絶縁機能を有している。 The magnesium plate used is AZ31 with a thickness of 0.5 mm. Prussian blue is used as a layered compound, mixed with urethane resin as a binder, and diluted with thinner. Activated carbon was used as the conductive material, and was mixed in a diluted Prussian blue solution at 20 to 30%. This diluted solution was applied to a magnesium plate and dried at room temperature. The Prussian blue-coated magnesium plate is entirely wrapped in a water-permeable sheet, and the water-permeable sheet has the function of a protective cover and an insulating function.

図7は、被膜金属電極の機能を確認する実験装置Aである。アノード電極22とカソード電極26でセパレータ62を挟んだ三層構造の被膜金属電極を用いた一次金属電池10としている。セパレータ62には、絶縁性の吸水シートを使用し、電解液30の水溶液を毛細管現象で吸い上げてアノード電極22とカソード電極26から構成される電池部に供給している。電解液30としては、化成肥料(窒素リン酸カリ)の水溶液を使用し、容器32に入れている。 FIG. 7 is an experimental apparatus A for confirming the function of the coated metal electrode. The primary metal battery 10 uses a three-layer coated metal electrode in which a separator 62 is sandwiched between an anode electrode 22 and a cathode electrode 26. An insulating water-absorbing sheet is used as the separator 62 to suck up the aqueous solution of the electrolytic solution 30 by capillary action and supply it to the battery section composed of the anode electrode 22 and the cathode electrode 26. As the electrolytic solution 30, an aqueous solution of chemical fertilizer (nitrogen phosphate potassium) is used and is placed in a container 32.

アノード電極22は、厚さ0.5mmのマグネシウム板(AZ31)に、活性炭とウレタン樹脂とプルシアンブルーを混ぜてコーティングし、透水性シートで包んでいる。実施例1で示した図6(B)の電極である。カソード電極26は、厚さ0.3mmの銅メッシュ板に、ケッチェンブラックとポリフッ化ビニリデン(PVDF)を混ぜ、触媒として白金を使用して加熱して焼成することにより作製した。アノード電極22とカソード電極26は、長さ7.4cmで幅2.5cmであり、面積は18.5cmである。 The anode electrode 22 is a magnesium plate (AZ31) with a thickness of 0.5 mm coated with a mixture of activated carbon, urethane resin, and Prussian blue, and wrapped in a water-permeable sheet. This is the electrode in FIG. 6(B) shown in Example 1. The cathode electrode 26 was prepared by mixing Ketjen black and polyvinylidene fluoride (PVDF) on a copper mesh plate with a thickness of 0.3 mm, and heating and baking the mixture using platinum as a catalyst. The anode electrode 22 and the cathode electrode 26 have a length of 7.4 cm, a width of 2.5 cm, and an area of 18.5 cm 2 .

この条件で、開放電圧と短絡電流を測定した。結果は、開放電圧が1.8V、短絡電流が48.7mA得られた。電流密度は、2.6mA/cmである。カソード電極26を、セパレータ62を挟んでアノード電極22の逆側にも設けると、電流密度は2倍の5.2mA/cmとなる。この場合、単純に開放電圧と短絡電流を掛けたエネルギー密度は、9.6mW/cmである。 Under these conditions, open circuit voltage and short circuit current were measured. As a result, an open circuit voltage of 1.8 V and a short circuit current of 48.7 mA were obtained. The current density is 2.6 mA/ cm2 . If the cathode electrode 26 is also provided on the opposite side of the anode electrode 22 with the separator 62 in between, the current density will be doubled to 5.2 mA/cm 2 . In this case, the energy density simply multiplied by the open circuit voltage and the short circuit current is 9.6 mW/cm 2 .

また、アノード電極22の両側に、セパレータ62を挟んでカソード電極を設けた場合の厚さは、約3mmであり、高さ15cmの電極を垂直に設置すると、エネルギー密度は、481mW/cmとなる。設置する場合に、この電極を1cm当たり3本設置するとしても、設置面積でのエネルギー密度は、441mW/cmである。 Furthermore, when cathode electrodes are provided on both sides of anode electrode 22 with separators 62 in between, the thickness is approximately 3 mm, and when the electrodes with a height of 15 cm are installed vertically, the energy density is 481 mW/cm 2 . Become. When installing, even if three electrodes are installed per 1 cm, the energy density in the installation area is 441 mW/cm 2 .

エネルギー密度は、(最大取り出せる短絡電流密度)×(最大取り出せる開放電圧)として算出したが、最大取り出せる電力は、(最大取り出せる短絡電流密度)×(最大取り出せる開放電圧)とはならない。これは、微生物燃料電池内部の直列抵抗や並列抵抗(シャント抵抗)の影響によるものであり、最大発電電力と(最大取り出せる短絡電流密度)×(最大取り出せる開放電圧)の比は、形状因子と呼ばれている。 The energy density was calculated as (maximum extractable short-circuit current density) x (maximum extractable open-circuit voltage), but the maximum extractable power is not (maximum extractable short-circuit current density) x (maximum extractable open-circuit voltage). This is due to the effects of the series resistance and parallel resistance (shunt resistance) inside the microbial fuel cell, and the ratio of maximum generated power to (maximum extractable short-circuit current density) x (maximum extractable open circuit voltage) is called the form factor. It is.

太陽光電池のエネルギー密度は、13~15mW/cmと言われている。これは、太陽電池の最大エネルギー密度である。太陽光の南中時に真上から降りそそぐパワーは、地上1mの面積に約1kWであり、太陽電池の変換効率は、現状では受けた光の13~15%である。当然ながら朝夕、曇りの日、雨の日はエネルギー密度が低下し、夜間は全く発電していない。従って、形状因子を考慮しても太陽光電池からの電気エネルギーを大幅に超えた電気エネルギーが取得できる。 The energy density of solar cells is said to be 13 to 15 mW/cm 2 . This is the maximum energy density of solar cells. The power that falls from directly above when sunlight is at its midpoint is approximately 1 kW per square meter of ground, and the conversion efficiency of solar cells is currently 13 to 15% of the light received. Naturally, the energy density decreases in the morning and evening, on cloudy days, and on rainy days, and no power is generated at night. Therefore, even if the form factor is taken into account, electrical energy that significantly exceeds that from solar cells can be obtained.

図8は、花を植えた植木鉢に、電極を埋め込んで電気エネルギーを取り出し、イルミネーションを点灯させる実験装置Bを示す図である。実験装置B66において、アノード電極22は、マグネシウム板にプルシアンブルーをコーティングし、透水性シートで包んだカバー付き被膜金属電極である。透水性シートは、市販の吸水シートや防根シートが利用できる。カソード電極26は、木炭をステンレス線で巻いた木炭電極である。この2つの電極を植木鉢の土壌に埋め込んでいる。植木鉢に化成肥料の水溶液を供給しながら、花を育てている。 FIG. 8 is a diagram showing an experimental device B that embeds electrodes in a flowerpot containing flowers to extract electrical energy and turn on illumination. In experimental apparatus B66, the anode electrode 22 is a coated metal electrode with a cover, which is a magnesium plate coated with Prussian blue and wrapped in a water-permeable sheet. Commercially available water-absorbing sheets and root-prevention sheets can be used as water-permeable sheets. The cathode electrode 26 is a charcoal electrode made of charcoal wrapped with stainless steel wire. These two electrodes are embedded in the soil of a flower pot. Flowers are grown while supplying an aqueous solution of chemical fertilizer to the flower pots.

植木鉢へ埋め込んだ電極から取り出した電気エネルギーは、制御回路に入力され、ニッケル水素電池に蓄電される。制御回路はイルミネーションに接続され、イルミネーションの点灯を行っている。イルミネーションの点灯は制御回路で制御され、連続点灯やオン・オフの点滅等、数種類の点灯モードがコントロールできる。 Electrical energy extracted from electrodes embedded in the flowerpot is input to a control circuit and stored in a nickel-metal hydride battery. The control circuit is connected to the illumination and turns on the illumination. The illumination lighting is controlled by a control circuit, and several lighting modes can be controlled, including continuous lighting and on/off flashing.

植木鉢へ埋め込んだ電極からは1.5~1.8Vの電圧が得られ、短絡電流は5~10mAが得られている。当然、取り出せる電流は土壌の状態に依存し、特に水分量の影響が大きい。ニッケル水素電池は、定格1.2V,1900mAhのものを使用しており、満充電状態でのイルミネーション点灯は、約2日間行えた。ニッケル水素電池への充電は、常時行われており、土壌の状態によっては、更に長時間の点灯が可能である。イルミネーションの輝度が低下し、薄い光となった時のニッケル水素電池の電圧は836mVであったが、定格電圧への充電は半日ぐらいで行えた。 A voltage of 1.5 to 1.8 V was obtained from the electrode embedded in the flower pot, and a short circuit current of 5 to 10 mA was obtained. Naturally, the current that can be extracted depends on the soil condition, and is particularly influenced by the moisture content. The nickel-metal hydride battery used had a rating of 1.2V and 1900mAh, and the illumination could be turned on for about two days when fully charged. The nickel-metal hydride battery is constantly charged, and depending on the soil conditions, it can be lit for even longer periods of time. The voltage of the nickel-metal hydride battery was 836 mV when the brightness of the illumination decreased and the light became faint, but it took about half a day to charge it to the rated voltage.

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention includes appropriate modifications without impairing its objects and advantages, and is not limited by the above-described embodiments.

10 被膜金属電極
12 金属
14 導電性被膜
16 端子
20 従来のマグネシウム空気電池
22 アノード電極
24 アノード端子
26 カソード電極
28 カソード端子
30 電解質
32 容器
36 被膜金属電極を用いた一次金属電池
38 インターカレーター
40 微生物燃料電池
42 土壌
44 植物
46 根
50 田んぼ発電
52 土壌領域
54 水領域
56 稲
58 試作電極
60 実験装置A
62 セパレータ
66 実験装置B
10 Coated metal electrode 12 Metal 14 Conductive coating 16 Terminal 20 Conventional magnesium air battery 22 Anode electrode 24 Anode terminal 26 Cathode electrode 28 Cathode terminal 30 Electrolyte 32 Container 36 Primary metal battery using coated metal electrode 38 Intercalator 40 Microbial fuel Battery 42 Soil 44 Plant 46 Root 50 Rice field power generation 52 Soil area 54 Water area 56 Rice 58 Prototype electrode 60 Experimental device A
62 Separator 66 Experimental apparatus B

Claims (15)

金属に化学反応を防止する導電性被膜又は半導電性被膜のいずれか一方、又は、導電性被膜と半導電性被膜の両方が形成されている被膜金属電極を使用したこと、
を特徴とする一次金属電池。
Using a coated metal electrode in which either a conductive film or a semi-conductive film, or both a conductive film and a semi-conductive film, are formed on the metal to prevent chemical reactions;
A primary metal battery characterized by:
前記金属は、亜鉛または亜鉛合金,アルミニウムまたはアルミニウム合金,マグネシウムまたはマグネシウム合金であること、
を特徴とする請求項1に記載の一次金属電池。
the metal is zinc or a zinc alloy, aluminum or an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy;
The primary metal battery according to claim 1, characterized in that:
導電性被膜は、層状化合物、抵抗体又は金属であり、半導電性被膜は半導体であること、
を特徴とする請求項1に記載の一次金属電池。
The conductive film is a layered compound, a resistor, or a metal, and the semiconductive film is a semiconductor;
The primary metal battery according to claim 1, characterized in that:
前記層状化合物は、黒鉛,プルシアンブルーまたはプルシアンブルー類似体であること、
を特徴とする請求項3に記載の一次金属電池。
the layered compound is graphite, Prussian blue or a Prussian blue analog;
The primary metal battery according to claim 3, characterized in that:
前記抵抗体は、鉄フタロシアニン、は酸化鉄又は導電性の不働態被膜であること、
を特徴とする請求項3に記載の一次金属電池。
The resistor is iron phthalocyanine, iron oxide or a conductive passive film;
The primary metal battery according to claim 3, characterized in that:
前記半導体は、酸化チタン、酸化タングステン又は光触媒であること、
を特徴とする請求項3に記載の一次金属電池。
the semiconductor is titanium oxide, tungsten oxide or a photocatalyst;
The primary metal battery according to claim 3, characterized in that:
前記導電性被膜には、導電材として、黒鉛、カーボンナノチューブ,カーボンブラック,活性炭,ケッチェンブラック,フラーレン,木炭の微粉末、鉄フタロシアニン又は酸化鉄、又は、有機導電性ポリマーが含まれていること、
を特徴とする請求項3に記載の一次金属電池。
The conductive film contains graphite, carbon nanotubes, carbon black, activated carbon, Ketjen black, fullerene, charcoal fine powder, iron phthalocyanine or iron oxide, or an organic conductive polymer as a conductive material. ,
The primary metal battery according to claim 3, characterized in that:
前記導電性被膜は、前記導電材が結合剤又は樹脂と混合されて前記金属に被膜を形成していること、
を特徴とする請求項7に記載の一次金属電池。
The conductive coating is formed by mixing the conductive material with a binder or a resin to form a coating on the metal;
The primary metal battery according to claim 7, characterized in that:
被膜金属電極を負極とし、正極は、カーボンを主成分とした黒鉛、活性炭、カーボングラファイト、ハードカーボン、木炭を材料としたカーボン電極、又は、イオン化傾向が貴な金属であること、
を特徴とする請求項1記載の一次金属電池。
The coated metal electrode is used as a negative electrode, and the positive electrode is a carbon electrode made of carbon-based graphite, activated carbon, carbon graphite, hard carbon, or charcoal, or a metal with a noble ionization tendency;
The primary metal battery according to claim 1, characterized in that:
前記カーボン電極は、鉄フタロシアニン又は酸化鉄を結合剤又は樹脂でコーティングした鉄成分被膜が形成されていること、
を特徴とする請求項9に記載の一次金属電池。
The carbon electrode has an iron component film formed by coating iron phthalocyanine or iron oxide with a binder or resin;
The primary metal battery according to claim 9, characterized in that:
電解質は水、土壌、海水、肥料の水溶液、有機物又は肥料を含ませた土壌、又は、これらの組み合わせであること、
を特徴とする請求項9に記載の一次金属電池。
The electrolyte is water, soil, seawater, an aqueous solution of fertilizer, soil containing organic matter or fertilizer, or a combination thereof;
The primary metal battery according to claim 9, characterized in that:
前記電解質は、植物が光合成で生成し、根から放出する糖類を含んでいること、
を特徴とする請求項11に記載の一次金属電池。
The electrolyte contains sugars produced by plants through photosynthesis and released from their roots;
The primary metal battery according to claim 11, characterized in that:
前記被膜金属電極は、透水性の絶縁シートで覆われていること、
を特徴とする請求項9に記載の一次金属電池。
the coated metal electrode is covered with a water-permeable insulating sheet;
The primary metal battery according to claim 9, characterized in that:
前記絶縁シートは、前記被膜金属電極の被膜と同じ材料を含侵していること、
を特徴とする請求項13に記載の一次金属電池。
the insulating sheet is impregnated with the same material as the coating of the coated metal electrode;
The primary metal battery according to claim 13, characterized in that:
請求項1乃至14に記載の前記一次金属電池と、
蓄電池と
前記一次電池からの電気エネルギーを前記蓄電池に蓄電する制御部
とからなる電気エネルギーシステム。

The primary metal battery according to any one of claims 1 to 14,
An electrical energy system comprising a storage battery and a control unit that stores electrical energy from the primary battery in the storage battery.

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