JP4029482B2 - エネルギー変換装置 - Google Patents
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- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エネルギー変換方法としては石油や石炭などの化石燃料を燃焼させて炭素の結合エネルギーという化学エネルギーを熱エネルギーに変換してその熱エネルギーでタービンを回して電気エネルギーを得ている。しかしながら化石燃料を一旦熱エネルギーを介して電気エネルギーに変換する場合の効率は通常40%以下であると言われている。
【０００３】
これ以外のエネルギー変換方法としては光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池や化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池などがある。しかしながら、酸化還元系の中和反応を用いて電気エネルギーを得る方法は今までに報告はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
中和反応を用いて電気エネルギーを得ることが本発明の課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の中和エネルギーを、電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置は、少なくとも１以上の酸化還元活性種を含み、その酸化種および還元種の双方が、水素イオンまたは水酸イオンと可逆的に反応する電極セルIと、少なくとも１以上の酸化還元活性種を含む電極セルIIを有し、前記電極セルIIの酸化還元電位が、前記電極セルIの複数個の酸化還元活性種に由来する酸化還元電位の間に存在することを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記装置が複数集合することを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記水素イオンまたは水酸イオンの発生方法が、酸または塩基を電極セル内に添加することを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記酸化還元活性種が電子吸引性のリガンドを有するルテニウム−水和錯体よりなることを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記ルテニウム錯体が一般式（化１）で示される構造を有することを特徴とする。
請求項６記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記ルテニウム錯体の水和物と水酸化物の酸化還元を用いることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明では、中和エネルギーを電気エネルギーに変換する。このエネルギー変換装置について図を用いて説明する。図１は中和エネルギーを電気エネルギーに変換する装置の概念図である。電極セルIにA,電極セルIIにBという物質が存在している。Aは酸化種[A]oxと還元種[A]redを有する。[A]oxおよび[A]redは、水素イオンまたは水酸イオンと可逆的に反応して[AH+]oxおよび[AH+]redを形成する。さらにこの電極セルＩの酸化還元電位は水素イオン濃度により変化する。また電極セルIIの酸化還元電位は、セルIで変化する酸化還元電位の間にあることが必要である。
【００１１】
中和エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は次の通りである。
（１） 電極セルIにAの酸化種[A]ox、電極セルIIにBの還元種[B]redを入れる。これらの間に水素イオン濃度差はないのでこの時点では電流は流れない。
（２） 電極セルＩにH+を添加してAH+の酸化種[AH+]oxを形成する。電極セルIIの酸化還元電位は電極セルIで変化する酸化還元電位の間にあるので、電極セルＩと電極セルII間の水素イオン濃度差の分だけ電流が流れる。ここで電極セルIではAH+の酸化種[AH+]oxがAH+の還元種[AH+]red に、電極セルII中のBの還元種[B]redはBの酸化種[B]oxに変化する。すなわち中和エネルギーを電気エネルギーに変えて取り出すことができる。
【００１２】
また、水酸イオンを添加する場合の中和エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は次の通りである。
（１） AH+の酸化種[AH+]oxをセルIにBの酸化種[B]oxをセルIIにそれぞれ入れる。これらの間に水素イオン濃度差はないのでこの時点では電流は流れない。
（２） 電極セルIにOH-を添加してAの還元種[A]redを形成する。電極セルIIの酸化還元電位は電極セルIで変化する酸化還元電位の間にあるので、電極セルＩと電極セルII間の水素イオン濃度差の分だけ電流が流れる。ここで電極セルIではAの還元種[A]redがAの酸化種[A]oxに、電極セルII中のBの酸化種[B]oxはBの還元種[B]redに変化する。
【００１３】
このようにして中和エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。ここで安定な酸化還元活性種が複数個存在して変化する電極セルの酸化還元電位間にもう一方の電極セルの酸化還元電位が存在する場合はH+を添加してもOH-を添加しても電気エネルギーを取り出すことができる。
【００１４】
また、H+やOH-の添加方法は特に指定しない。塩酸、硫酸や水酸化ナトリウム等の酸、塩基によりプロトンや水酸イオンを添加するだけでなくプロトン勾配を発生する機構と本発明の電極を組み合わせることにより電極セルにプロトンを供給することができる。たとえばハロバクテリアハロビウムの紫膜のように光により膜内外にプロトン勾配を発生する機構と組み合わせることによって生物の作り出すプロトン勾配を電気エネルギーに変換することもできる。
【００１５】
中和エネルギーを電気エネルギーに変換するこの装置を複数集合することによって必要な起電力を生み出すことができる。
【００１６】
本発明では以上説明してきたような酸化還元活性種をもち水素イオンあるいは水酸イオンで変化する装置であればどのような物質を用いてもかまわないが、ルテニウム錯体を用いるのが最適である。ルテニウムの水和錯体であれば水素イオンあるいは水酸イオンによりリガンドである水がヒドロキシ体とオキソ体に可逆的に変化するので好ましい。しかしながらこのヒドロキシやオキソのリガンドは重合しやすいのでこの重合を防ぐために電子吸引性のリガンドを使うべきである。このような電子吸引性のリガンドとしてキノンが使いやすく最適である。
【００１７】
また本発明で用いるルテニウム錯体のカウンターアニオンは特にその種類を限定しない。BF4やPF6、ClO4など用いる溶媒に溶解すればどんなものでも構わない。
【００１８】
以下に具体的な実施例を示す。
[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)](ClO4)2（ここでtrpyは２，２’：６’，２”−ターピリジン、3,5-dbqは３，５−ジt-ブチルo-キノンを示す）の合成。
[Ru(trpy)(3,5-dbq)(AcO)]のメタノール溶液中に60%過塩素酸水溶液を添加した。溶液が濃青色に変化してから飽和トリメチルアンモニウムパークロレートメタノール溶液を添加した。さらにこの溶液に水を加えることで[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)](ClO4)2の針状結晶を得た。
（サイクリックボルタンメトリー試験）
ここで合成した[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)](ClO4)2（以後[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)] を[Ru-H2O]とあらわす）のアセトン中でのサイクリックボルタングラムを図２に示す。この錯体は-0.47Vと0.38Vの２つの可逆な酸化還元電位をもっていた。-0.47Vは[Ru-H2O]0/+による電位、0.38Vは[Ru-H2O]+/2+による電位であった。次にこの溶液中に0.7当量のOH-を加えたところ新しい酸化還元準位が出現した。これらは[Ru-OH]0/+に由来する-0.8Vと[Ru-OH]+/2+に由来する0.00Vである。
【００１９】
ここで示した[Ru-H2O]は２つの酸化還元活性種をもち、これにOH-を加えたときに生成される[Ru-OH]も２つの酸化還元活性種をもつのでこの物質を用いることで本発明の変換装置が形成できる。
（変換装置）
アニオン交換膜で分離した２つの電極セルの双方に[Ru-H2O]のアセトン溶液を満たした。次に表1に示すようにOH-またはH+を添加することにより電流を得た。
【００２０】
【表１】
【００２１】
まず1.6当量のOH-を添加することにより[Ru-OH]が生成し電荷0.50Cを得た。
さらにここに1.6当量のOH-を添加することにより電荷0.5Cを得た。
【００２２】
さらに続けて1.5当量のH+を添加することにより電荷0.27Cを得た。
続けて1.6当量のOH-を添加することにより電荷0.35Cを得た。
【００２３】
ここで示すようにH+またはOH-を添加することにより中和エネルギーを電気エネルギーに変換することができた。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の変換装置を用いることにより中和エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である、変換装置の概念図
【図２】本発明の実施例である、[Ru(trpy)(dbq)(H2O)]のアセトン中でのサイクリックボルタングラムを示す図
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エネルギー変換方法としては石油や石炭などの化石燃料を燃焼させて炭素の結合エネルギーという化学エネルギーを熱エネルギーに変換してその熱エネルギーでタービンを回して電気エネルギーを得ている。しかしながら化石燃料を一旦熱エネルギーを介して電気エネルギーに変換する場合の効率は通常40%以下であると言われている。
【０００３】
これ以外のエネルギー変換方法としては光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池や化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池などがある。しかしながら、酸化還元系の中和反応を用いて電気エネルギーを得る方法は今までに報告はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
中和反応を用いて電気エネルギーを得ることが本発明の課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の中和エネルギーを、電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置は、少なくとも１以上の酸化還元活性種を含み、その酸化種および還元種の双方が、水素イオンまたは水酸イオンと可逆的に反応する電極セルIと、少なくとも１以上の酸化還元活性種を含む電極セルIIを有し、前記電極セルIIの酸化還元電位が、前記電極セルIの複数個の酸化還元活性種に由来する酸化還元電位の間に存在することを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記装置が複数集合することを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記水素イオンまたは水酸イオンの発生方法が、酸または塩基を電極セル内に添加することを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記酸化還元活性種が電子吸引性のリガンドを有するルテニウム−水和錯体よりなることを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記ルテニウム錯体が一般式（化１）で示される構造を有することを特徴とする。
請求項６記載の本発明のエネルギー変換装置は、前記ルテニウム錯体の水和物と水酸化物の酸化還元を用いることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明では、中和エネルギーを電気エネルギーに変換する。このエネルギー変換装置について図を用いて説明する。図１は中和エネルギーを電気エネルギーに変換する装置の概念図である。電極セルIにA,電極セルIIにBという物質が存在している。Aは酸化種[A]oxと還元種[A]redを有する。[A]oxおよび[A]redは、水素イオンまたは水酸イオンと可逆的に反応して[AH+]oxおよび[AH+]redを形成する。さらにこの電極セルＩの酸化還元電位は水素イオン濃度により変化する。また電極セルIIの酸化還元電位は、セルIで変化する酸化還元電位の間にあることが必要である。
【００１１】
中和エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は次の通りである。
（１） 電極セルIにAの酸化種[A]ox、電極セルIIにBの還元種[B]redを入れる。これらの間に水素イオン濃度差はないのでこの時点では電流は流れない。
（２） 電極セルＩにH+を添加してAH+の酸化種[AH+]oxを形成する。電極セルIIの酸化還元電位は電極セルIで変化する酸化還元電位の間にあるので、電極セルＩと電極セルII間の水素イオン濃度差の分だけ電流が流れる。ここで電極セルIではAH+の酸化種[AH+]oxがAH+の還元種[AH+]red に、電極セルII中のBの還元種[B]redはBの酸化種[B]oxに変化する。すなわち中和エネルギーを電気エネルギーに変えて取り出すことができる。
【００１２】
また、水酸イオンを添加する場合の中和エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は次の通りである。
（１） AH+の酸化種[AH+]oxをセルIにBの酸化種[B]oxをセルIIにそれぞれ入れる。これらの間に水素イオン濃度差はないのでこの時点では電流は流れない。
（２） 電極セルIにOH-を添加してAの還元種[A]redを形成する。電極セルIIの酸化還元電位は電極セルIで変化する酸化還元電位の間にあるので、電極セルＩと電極セルII間の水素イオン濃度差の分だけ電流が流れる。ここで電極セルIではAの還元種[A]redがAの酸化種[A]oxに、電極セルII中のBの酸化種[B]oxはBの還元種[B]redに変化する。
【００１３】
このようにして中和エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。ここで安定な酸化還元活性種が複数個存在して変化する電極セルの酸化還元電位間にもう一方の電極セルの酸化還元電位が存在する場合はH+を添加してもOH-を添加しても電気エネルギーを取り出すことができる。
【００１４】
また、H+やOH-の添加方法は特に指定しない。塩酸、硫酸や水酸化ナトリウム等の酸、塩基によりプロトンや水酸イオンを添加するだけでなくプロトン勾配を発生する機構と本発明の電極を組み合わせることにより電極セルにプロトンを供給することができる。たとえばハロバクテリアハロビウムの紫膜のように光により膜内外にプロトン勾配を発生する機構と組み合わせることによって生物の作り出すプロトン勾配を電気エネルギーに変換することもできる。
【００１５】
中和エネルギーを電気エネルギーに変換するこの装置を複数集合することによって必要な起電力を生み出すことができる。
【００１６】
本発明では以上説明してきたような酸化還元活性種をもち水素イオンあるいは水酸イオンで変化する装置であればどのような物質を用いてもかまわないが、ルテニウム錯体を用いるのが最適である。ルテニウムの水和錯体であれば水素イオンあるいは水酸イオンによりリガンドである水がヒドロキシ体とオキソ体に可逆的に変化するので好ましい。しかしながらこのヒドロキシやオキソのリガンドは重合しやすいのでこの重合を防ぐために電子吸引性のリガンドを使うべきである。このような電子吸引性のリガンドとしてキノンが使いやすく最適である。
【００１７】
また本発明で用いるルテニウム錯体のカウンターアニオンは特にその種類を限定しない。BF4やPF6、ClO4など用いる溶媒に溶解すればどんなものでも構わない。
【００１８】
以下に具体的な実施例を示す。
[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)](ClO4)2（ここでtrpyは２，２’：６’，２”−ターピリジン、3,5-dbqは３，５−ジt-ブチルo-キノンを示す）の合成。
[Ru(trpy)(3,5-dbq)(AcO)]のメタノール溶液中に60%過塩素酸水溶液を添加した。溶液が濃青色に変化してから飽和トリメチルアンモニウムパークロレートメタノール溶液を添加した。さらにこの溶液に水を加えることで[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)](ClO4)2の針状結晶を得た。
（サイクリックボルタンメトリー試験）
ここで合成した[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)](ClO4)2（以後[Ru(trpy)(3,5-dbq)(H2O)] を[Ru-H2O]とあらわす）のアセトン中でのサイクリックボルタングラムを図２に示す。この錯体は-0.47Vと0.38Vの２つの可逆な酸化還元電位をもっていた。-0.47Vは[Ru-H2O]0/+による電位、0.38Vは[Ru-H2O]+/2+による電位であった。次にこの溶液中に0.7当量のOH-を加えたところ新しい酸化還元準位が出現した。これらは[Ru-OH]0/+に由来する-0.8Vと[Ru-OH]+/2+に由来する0.00Vである。
【００１９】
ここで示した[Ru-H2O]は２つの酸化還元活性種をもち、これにOH-を加えたときに生成される[Ru-OH]も２つの酸化還元活性種をもつのでこの物質を用いることで本発明の変換装置が形成できる。
（変換装置）
アニオン交換膜で分離した２つの電極セルの双方に[Ru-H2O]のアセトン溶液を満たした。次に表1に示すようにOH-またはH+を添加することにより電流を得た。
【００２０】
【表１】
まず1.6当量のOH-を添加することにより[Ru-OH]が生成し電荷0.50Cを得た。
さらにここに1.6当量のOH-を添加することにより電荷0.5Cを得た。
【００２２】
さらに続けて1.5当量のH+を添加することにより電荷0.27Cを得た。
続けて1.6当量のOH-を添加することにより電荷0.35Cを得た。
【００２３】
ここで示すようにH+またはOH-を添加することにより中和エネルギーを電気エネルギーに変換することができた。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の変換装置を用いることにより中和エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である、変換装置の概念図
【図２】本発明の実施例である、[Ru(trpy)(dbq)(H2O)]のアセトン中でのサイクリックボルタングラムを示す図
Claims (6)
- 少なくとも１以上の酸化還元活性種を含み、前記酸化種および還元種の双方が、水素イオンまたは水酸イオンと可逆的に反応する電極セルIと、少なくとも１以上の酸化還元活性種を含む電極セルIIを有し、前記電極セルIIの酸化還元電位が、前記電極セルIの複数個の酸化還元活性種に由来する酸化還元電位の間に存在することを特徴とする中和エネルギーを、電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置。
- 前記装置が複数集合することを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
- 前記水素イオンまたは水酸イオンの発生方法が、酸または塩基を電極セル内に添加することを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
- 前記酸化還元活性種が電子吸引性のリガンドを有するルテニウム−水和錯体よりなることを特徴とする請求項１〜３記載のエネルギー変換装置。
- 前記ルテニウム錯体が一般式（化１）で示される構造を有することを特徴とする請求項１〜３記載のエネルギー変換装置。
- 前記ルテニウム錯体の水和物と水酸化物の酸化還元を用いることを特徴とする請求項１〜５記載のエネルギー変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21524898A JP4029482B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | エネルギー変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21524898A JP4029482B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | エネルギー変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000048848A JP2000048848A (ja) | 2000-02-18 |
| JP4029482B2 true JP4029482B2 (ja) | 2008-01-09 |
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ID=16669179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP21524898A Expired - Fee Related JP4029482B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | エネルギー変換装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP4029482B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7448304B2 (en) | 2003-10-03 | 2008-11-11 | Tsugami Corporation | Lathe |
-
1998
- 1998-07-30 JP JP21524898A patent/JP4029482B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7448304B2 (en) | 2003-10-03 | 2008-11-11 | Tsugami Corporation | Lathe |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000048848A (ja) | 2000-02-18 |
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