JP3198443B2

JP3198443B2 - 電磁流体通電装置

Info

Publication number: JP3198443B2
Application number: JP19026591A
Authority: JP
Inventors: 直樹八田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 1991-07-30
Filing date: 1991-07-30
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH0538127A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁流体の通電装置に
関し、さらに詳しくは、電磁流体の電極反応による化学
変化、例えばガス発生や固体の析出などを一切起こすこ
となく電磁流体中に通電し得る電磁流体通電装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電磁流体装置として、磁界中の流
体に通電することによってこの流体を移動させる電磁ポ
ンプ、およびこの方法による推進装置を有する電磁推進
船が知られている。また、この逆の原理に基づき、磁界
中を移動する流体の運動エネルギーを電気エネルギーに
変換するＭＨＤ発電装置や電磁流量計がある。これらは
一般のポンプ、推進装置、発電装置、流量計に比べて、
流体摩擦によるエネルギー損失を低減できることが有利
である。このうち、電磁ポンプと電磁推進船の推進装置
においては、電磁流体中に直流電流を通電して流体を移
動させる方式と交流電流を通電する方式があり、前者の
方がエネルギー効率が高い。定常磁場を用いるＭＨＤ発
電装置や電磁流量計では一般に直流が通電される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の直
流通電方式の電磁流体通電装置においては、電磁流体が
イオン性導電体である場合、通電時に必ず電磁流体自体
の電極酸化還元反応を伴う。例えば、図２に表されるよ
うな海水を電磁流体とする電磁推進船の推進装置の場
合、直流通電時に海水の電気分解が起こり、陰極で水素
ガス、陽極で酸素ガスと塩素ガスを大量に生じる。特に
塩素ガスは大気中、海水中に放出されると公害問題を引
起こす恐れが大きい。こうした問題を回避するため、例
えば特開昭６２−７３６５では、発生したガスを電磁流
体中に放出しないような気体透過性と液体被透過性とを
有する１μｍ以下の穴径をもつ撥水性多孔質体電極を提
供し、併せて一方の電極反応で発生したガスを他方の電
極に導きこれを電極反応させて電磁流体中に消費する方
法を提案している。しかしながら、このような微細孔の
電極が微細なごみなどを含む電磁流体に直接接する場
合、長期的には微細孔が塞がって通電性能が劣化する恐
れがある。また、前述のようなガスの閉鎖系は気密を保
つことが困難であり、また電磁流体中の溶存化学種、例
えば酸素などによって発生したガスが化学的に消費され
てしまう恐れもある。また特開平２−７７３９４では、
通電時に塩素ガスをほとんど発生しない電磁推進船用の
不溶性酸素発生電極として、チタン基体にＲｕＯ₂およ
び／またはＩｒＯ₂を被覆し、この表面にマンガン酸化
物層を設けた電極を提供している。しかしながら、かか
る電極においても電流効率数％の塩素発生は避けられ
ず、またガス発生にともなう電極表面からの触媒層の剥
離、海水からの被毒物質による電極表面の汚染などが考
えられ、長期的な寿命については明らかではない。さら
に、かかる電極を用いても水素および酸素ガスは依然と
して発生する。これらは海水にほとんど溶解せず、気液
２相流を生じる。かかる気液２相流においては海水の摩
擦抵抗が増大し導電率が減少するとともに電極間でアー
ク放電が生じる可能性もあり、いずれも推進装置のエネ
ルギー効率を低下せしめる。

【０００４】その他のイオン性導電体の電磁流体中の通
電の場合も、例えば電極被毒物が電析する場合のよう
に、電磁流体自体の電極反応は好ましくないことが多
い。

【０００５】ところでソーダ電解を始めとする電解工業
においては、周知のように、イオン交換膜を用いた電解
槽技術が広く応用されている。またこの電解槽技術を応
用したレドックス・フロー型電池が知られている。これ
は、イオン交換膜で仕切られた正負極それぞれにおい
て、正負極電解液中に溶存する酸化還元種対が電極酸化
または還元されることによって充放電が行われる２次電
池である。

【０００６】本発明の目的は、こうしたイオン交換膜電
解槽技術を応用することによって前述のような電磁流体
自体の電極反応に伴う問題点を根本的に解決し、電磁流
体自体は全く化学変化を受けることなく直流を通電でき
る電磁流体通電装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては電磁流体通電装置を以下の構成と
した。即ち、電源に電気的に接続され電磁流体の通路に
面して所定間隔で設けられた一対または数対の電極と、
この電極間の電磁流体に磁界を与える一対の磁石とを有
する電磁流体通電装置にあって、電極を電磁流体から隔
てるイオン交換膜と、電気化学的に酸化還元され得る一
種または数種の酸化還元種と電磁流体中に溶存するイオ
ンのうち少なくとも一種とを含有する電解液を前記電極
に送液する手段とを設け、前記電極のどちらか一方で前
記酸化還元種を電極酸化し、他方で電極還元することに
よって電磁流体中に通電する。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、電磁流体の全成分が熱力学
的に安定な酸化還元電位範囲内にその標準酸化還元電位
を有する酸化還元種対を、イオン交換膜によって電磁流
体から隔てられた対をなす電極室双方に送り込み、一方
の電極で酸化、他方で還元することにより、電磁流体自
体は全く化学変化を受けることなく直流が通電される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の電磁流体通電装置について図
を用いて具体的に説明する。

【００１０】図１において、１は紙面に対して垂直な方
向に移動する電磁流体である。２、３は電源、もしくは
外部負荷に電気的に接続された電極であり、集電上必要
があればこれと密着させて適当な材質の集電体４、５を
挿入してもよい。この電極２、３と電磁流体１との間に
イオン交換膜６、７を設け、電極枠８、９とによって外
部から隔てられた電極室対を構成する。この電極室対の
それぞれに分岐された配管１１を通しポンプ１３を用い
て電解液１０を送液し、さらに配管１２を通して排液さ
れ合流する。電解液１０は配管１２から配管１１に循環
されるが、両配管の間にタンク１４を設けてもよい。こ
のタンク１４は直接の機能上は必ずしも必要ではない
が、長期にわたる使用において、電解液１０の組成変化
を小さくする効果がある。

【００１１】このように両電極室で反応した電解液１０
を再混合し再度双方の電極室に循環させることによって
電解液１０中の酸化還元種の組成を一定に保つことがで
き、連続して直流通電を行なえる。

【００１２】１５は電磁流体１に印加された磁界を表
す。この磁界は永久磁石、電磁石、または超電導コイル
磁石等によって作ることができる。

【００１３】前述の電極室は１対であっても複数対あっ
てもよい。複数対の場合は配管１１、１２の分岐数を増
し、電解液１０が全ての電極室対に循環されるようにす
る。このとき、電磁流体装置の機能は電極室対の数だけ
倍化できる。

【００１４】本発明が電磁ポンプまたは電磁推進船の推
進装置に用いられた場合、電極２、３間に電圧が加えら
れると、電極２、３の一方で電極室内の酸化還元種が酸
化、他方で還元されて、電流１６が電磁流体１中を流
れ、電磁流体１はローレンツ力の反力によって紙面に垂
直な方向に移動する。なお電磁推進船の推進装置におい
ては、図１に示された構造はダクトを有する内磁型推進
装置に相当するが、本発明の通電装置は外磁型推進装置
にも適用できる。これらの推進装置の機構については、
例えば荻原、”応用超電導”１９８６、ｐｐ１７９、日
刊工業新聞社に説明がある。また、本発明はＭＨＤ発電
や電磁流量計にも適用でき、この場合は移動する電磁流
体１によって電極２、３間に電界が誘起され、電極室内
の酸化還元種が電極酸化還元されて電磁流体１に電流が
流れる。

【００１５】本発明における電解液１０としては、電磁
流体１中の少なくとも１種のイオンと酸化還元種対とを
溶解させた溶液が用いられる。電解液１０の他の成分と
してはなるべく電磁流体１と同じであることが好まし
い。しかし、電磁流体１中に電極反応を阻害する成分が
ある時はこの成分を電解液１０から除いてもよい。ま
た、電解液１０は電磁流体１と等張に近いことが好まし
い。

【００１６】電解液１０中の酸化還元種対としては、電
磁流体１の全成分が熱力学的に安定な酸化還元電位範囲
内にその標準酸化還元電位を有するものが選ばれ、複数
対あってもよい。酸化還元種対は、その酸化または還元
状態のいずれにおいても、電解液１０中に安定かつ高濃
度に溶存できるものが好ましく、また電磁流体１中にお
いても安定かつ高濃度に溶存できるものが好ましい。

【００１７】具体的には、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍ
ｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖのうちのいずれかを中心金属
としＣＮ~、Ｃｌ~、Ｂｒ~、ＯＨ~、ＳＣＮ~、ＮＣＳ~、
ＮＨ₃、Ｈ₂Ｏ、エチレンジアミン４酢酸イオン、ピリジ
ン、ビピリジン、サイクラム類、クラウンエーテル類、
ジシクロペンタジエニルのうちの少なくとも１種の配位
子を含む錯イオン、０価のＩ、１価のＩ、キノン、ヒド
ロキノンのいずれかによって酸化還元種対を構成するこ
とができる。

【００１８】以下に挙げる例は本発明の適用を限定する
ものではないが、一例を挙げるとすれば、還元種Ｆｅ
（ＣＮ）₆ ⁴~／酸化種Ｆｅ（ＣＮ）₆ ³~、還元種Ｃｒ（ed
ta）²~／酸化種Ｆｅ（ＣＮ）₆ ³~、還元種Ｃｒ（edta）²
~／酸化種Ｉ₂といった酸化還元種対の組合せを考えるこ
とができる。ここでedtaはエチレンジアミン４酢酸イオ
ンを表す。なお、電磁流体装置においては電極間電圧が
低い方がエネルギー変換効率が高くなる。電極間電圧を
低くし、併せて系を単純化するためには、還元種と酸化
種はそれぞれ酸化および還元によって互いに自身に変換
されるものであると好ましい。前述の例では、還元種Ｆ
ｅ（ＣＮ）₆ ⁴~／酸化種Ｆｅ（ＣＮ）₆ ³~がこうした例に
相当し、無通電時には電極間電圧がＯＶになる。本発
明におけるイオン交換膜６，７としては、電解液１０中
および電磁流体１中に共通に溶存するイオンのうち少な
くとも１種を通電時に選択的に容易に透過させてイオン
性導電を成立させ、かつ電解液１０中の前述の酸化還元
種対をなるべく透過させないものを用いる。イオン交換
膜を透過するイオンが陰イオンでかつ酸化還元種対が陽
イオンの場合には、イオン交換膜は陰イオン交換型を用
いるのが好ましい。その逆の場合は陽イオン交換型が好
ましい。

【００１９】以下、本発明の適用を限定するものではな
いが、イオン交換膜の例を挙げる。電磁流体が、電荷の
担体として電解質を含む極性有機溶液または水溶液であ
る場合、陰イオン交換膜としては、−Ｎ〈陽イオン〉
（Ｒ₁)(Ｒ₂)(Ｒ₃）などのアンモニウムまたは化１など
のピリジニウムをイオン交換基とし、炭化水素系もしく
はフッ化炭素系ポリマーを基体とする膜を用いることが
できる（Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ＝ＣＨ₃，ＣＨ₂ＯＨ，ＣＨ₂
ＣＨ₂ＯＨなど）。また電磁流体が、前述のような極性
有機溶液または水溶液である場合、陽イオン交換膜とし
ては、−ＳＯ₃~，−ＣＯＯ~，−ＰＯ₃Ｈ~，−ＯＰＯ₂Ｈ
~などをイオン交換基とし、炭化水素系もしくはフッ化
炭素系ポリマーを基体とする膜を用いることができる。
また、イオン交換基に代えて、電磁流体中の電荷の担体
であるイオンを促進移送する部位を有するポリマー膜を
用いてもよい。こうした部位としては、クラウンエーテ
ル類、ポリエチレンオキシド、サイクラム類などが挙げ
られる。さらに、ポリシロキサンをはじめとする無機ポ
リマーを膜の基体として用いてもよい。また、イオンの
選択透過性を有する結晶膜を用いることもできる。例え
ば、Ｈ〈陽イオン〉イオンの透過性を有するものとして
は、Ｈ〈陽イオン〉β−Ａｌ₂Ｏ₃，Ｈ₃ＰＷ₁₂Ｏ₄ ₀・２
９Ｈ₂Ｏなどがある。Ｎａ〈陽イオン〉イオン透過で
は、Ｎａ〈陽イオン〉β−Ａｌ₂Ｏ₃，化２などがある。
Ａｇ〈陽イオン〉イオン透過では、ＲｂＡｇ₄Ｉ₅，Ａｇ
₆Ｉ₄ＷＯ₄などがある。Ｃｕ〈陽イオン〉イオン透過の
場合、ＲｂＣｕ₄Ｃｌ₃Ｉ₂，ＣｕＢｒ・Ｃ₆Ｈ₁₂Ｎ₄ＣＨ₂
Ｂｒなどがある。Ｌｉ〈陽イオン〉イオン透過の場合、
Ｌｉ₁₄Ｚｎ（ＧｅＯ₄）₄などがある。これらの膜は、必
要があればガラス繊維、強化ポリマー繊維などで補強し
てもよい。また、膜の電磁流体に面する側に多孔質の保
護膜を重ねて用いてもよい。

【００２０】

【化１】

【００２１】

【化２】

【００２２】本発明における電極２，３としては、電気
伝導性が良く電解液１０中の前述の酸化還元種対に対し
て高い電極反応性を有することが好ましい。かつ、電解
液１０を効率的に流通させる形状をもつことが好まし
い。具体的には、固体多孔質電極、溝付電極、フェルト
状繊維電極、布状繊維電極のいずれかであるとよい。こ
こで固体多孔質電極とは、電極が容易にはほぐれないス
ポンジのような形状のものを示す。さらに、電極材料と
しては、黒鉛や部分的に結晶化した炭素が安価なため好
ましい。この時、電極反応性上必要があれば、適切な触
媒をこれらの基体に担持させたものを用いてもよい。こ
の触媒としては、酸化還元種の種類によって変わるが、
金・白金属元素またはその酸化物などを用いることがで
きる。

【００２３】前述の酸化還元種対が例えば、Ｆｅ（Ｃ
Ｎ）₆ ⁴~／Ｆｅ（ＣＮ）₆ ³~である場合、無触媒の黒鉛電
極上でも電極酸化還元はすみやかに進む。さらのこのよ
うな場合には、電極２，３の極性を逆にした場合も双方
の電極に全く同じ材料が使え、電磁流体１の移動の向き
の反転に対して完壁に対応できる。例えば本発明を電磁
推進船の推進装置に用いた場合において、このことは後
進による電極の劣化や通電効率の低下を一切引起こさな
い点で非常に有利である。

【００２４】電磁流体１が常温の場合、電解液１０の送
液流量は、少なくとも通電時に電極反応する酸化還元種
対の化学量論的所要量をまかなう流量とする。より好ま
しくは化学量論的所要量の少なくとも２倍量以上を送液
する。

【００２５】本発明によれば、以上に従い、電磁流体自
体は全く化学変化を受けることなく電磁流体中に直流が
通電できる。

【００２６】（実施例）以下、電磁流体として疑似海水
である常温の３％食塩水を用いた場合に本発明を適用し
た実施例について説明する。

【００２７】電解液１０としては、３％程度の食塩水に
酸化還元種対を溶存させた溶液を用いる。この酸化還元
種対としては、前述した酸化還元電位を有するものを用
いることができる。海水の主成分の酸化還元電位として
低い方からＨ₂／Ｈ〈陽イオン〉、Ｈ₂Ｏ／Ｏ₂、Ｃｌ~／
Ｃｌ₂を考えると、化学種としてＨ〈陽イオン〉、Ｈ
₂Ｏ、Ｃｌ~が熱力学的に安定な電位範囲に電解液１０中
の酸化還元種の酸化還元電位が存在するとよい。図３に
電位ダイアグラムを示す。図中に示すように、例えばＦｅ（ＣＮ）₆ ⁴~／Ｆｅ（ＣＮ）₆ ³~およびＦｅ（edta）²~／Ｆｅ（edta）￣の二つの酸化還元種対の標準酸化還元電位は海水が安定
な電位範囲に入っている。海水中の溶存酸素がイオン交
換膜を通して電解液１０中に混入した場合、前者の対の
方が標準酸化還元電位が高いため、酸素によって酸化さ
れにくく、電解液組成がより安定である。

【００２８】よって、酸化還元種対としてＦｅ（ＣＮ）
_６ ^４￣／Ｆｅ（ＣＮ）₆ ³~を用いた。

【００２９】電解液１０は、Ｎａ₄Ｆｅ（ＣＮ）₆および
Ｎａ₃Ｆｅ（ＣＮ）₆を等モル海水または３％食塩水に溶
解させて調製するか、もしくはＫ₄Ｆｅ（ＣＮ）₆および
Ｋ₃Ｆｅ（ＣＮ）₆の等モル溶液を用いることもできる。
後者の対では、通電時間経過に従ってＫ〈陽イオン〉が
３％食塩水中のＮａ〈陽イオン〉に置き換わるが、通電
特性の変化はほとんどみられない。

【００３０】よって、電解液１０としてＫ₄Ｆｅ（Ｃ
Ｎ）₆／Ｋ₃Ｆｅ（ＣＮ）₆の等モル３％食塩水溶液を用
いた。

【００３１】また、電極として東邦レーヨン（株）製１
３００℃焼成ポリアクリロニトリル系炭素フェルト（寸
法５cm×５cm×３mm厚、目付量７００ｇ／ｍ²（見かけ
面積）、比表面積３０ｍ²（実面積）／ｇ）、集電板
４、５として新日鐵化学（株）製ポリオレフィン結着炭
素板（導電性接着剤で背面を銅板と貼り合わせたもの。
１.５mm厚、比抵抗０.１Ω／cm）、およびイオン交換膜
６、７として旭硝子（株）製ＣＭＶ陽イオン交換膜を用
いて電極室を１対作成した。

【００３２】この電極室対を５cm離して３％食塩水中に
沈め、双方の電極に前記電解液を合計１６０ｍｌ／min
送液して通電したところ、０.５Ａ／cm²の電流密度の通
電においても両極から全くガス発生が見られなかった。
また、この時の３％食塩水中の電位降下を差引いた電解
電圧は約１Ｖであった。

【００３３】この実施例のこの通電状態における両極の
電位を図３に示す。また、図２に示されるような両極に
Ｐｔ板を用いた場合の海水直接電解時の両極の電位も図
３に付記した。図３より、この実施例においては、０.
５Ａ／cm²通電時でも熱力学的になんらガス発生が起こ
り得ないのに対し、海水直接電解では電解電圧が大き
く、塩素を含むガス発生が避けられないことが判る。ま
た、この流量の送液に必要なポンプ動力は、電解電力に
対して無視できた。

【００３４】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の電磁流
体通電装置によれば、電磁流体の全成分が熱力学的に安
定な酸化還元電位範囲内にその標準酸化還元電位を有す
る酸化還元種対を、イオン交換膜によって電磁流体から
隔てられた対をなす電極室双方に循環させ、一方の電極
で酸化、他方で還元することにより、電磁流体自体は全
く化学変化を受けることなく直流が通電される。本発明
は電磁ポンプ、電磁推進船の推進装置、ＭＨＤ発電装
置、電磁流量計などにも適用可能であり、ガス発生や電
析などを起こさずに高効率の通電ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかわる実施例の模式図である。

【図２】従来技術による海水通電装置の模式図である。

【図３】本発明を海水通電に用いた場合の実施例と従来
技術による海水通電における電極反応の差異を説明する
電極電位ダイアグラムである。

【符号の説明】

１電磁流体２電極３電極６イオン交換膜７イオン交換膜１０電解液１５磁界１６電流

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電源に電気的に接続され電磁流体の通路
に面して所定間隔で設けられた一対または数対の電極
と、該電極間の電磁流体に磁界を与える一対の磁石とを
有する電磁流体通電装置において、前記電極を電磁流体
から隔てるイオン交換膜と、電気化学的に酸化還元され
得る一種または数種の酸化還元種と電磁流体中に溶存す
るイオンの少なくとも一種とを含有する電解液を前記電
極に送液する手段とを設け、前記電極対のどちらか一方
で前記酸化還元種を電極酸化し、他方で電極還元するこ
とによって電磁流体中に通電することを特徴とする電磁
流体通電装置。