JP4486980B2 - 起電力を有する組成物及びこれを用いた電源セルその他の電源ユニット並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
他方、二次電池は充電により何回でも再生可能であるが、その都度外部から電極間に逆方向の電流を流す必要があり、充電コスト、労力、時間のロスなどの問題がある。
この電池は、陰極側の酸性媒体中で水素イオンを発生させ、陽極側の塩基性媒体中で水酸イオンを発生させるものであり、電池内で酸化還元反応を行うため、電池内部に各々のイオン発生反応場を必要とするとともに、少なくとも電池内のいずれかの反応場に過酸化水素などの反応物質を供給する必要がある。
これに対し、化学反応により発生させた水素イオンと水酸イオンのうち、水素イオンを不活性化し、水酸イオンを多く存在させた組成物を予め生成し、この組成物を陽極に使用して起電力を発生させるようにした本件特許出願の電池は、出願人の知る限りでは見当らない。
Ca(OH)2 + H3PO4――――→ CaHPO4 + 2H2O
この反応過程で2(H+ + OH−)の水素イオンと水酸イオンが発生する。
3Ca(OH)2 + 2H3PO4――――→ Ca3PO4 + 6H2O
この反応過程で6(H+ + OH−)の水素イオンと水酸イオンが発生する。
さらに反応が進むと――――→ Ca3(PO4)2 + H2
となり、白濁したリン酸水素カルシウム水溶液が生成される。これをさらにクエン酸水溶液と混合して二次反応させ、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)等でアルカリ性に調整すると、水素イオン(H+)と水酸イオン(OH−)を発生させた還元力のあるリン酸金属化合物、すなわち、リン酸水素カルシウム(CaHPO4)が沈殿物として生成される。
前記のように、まず、水酸化カルシウムの粉末又は粒子をリン酸水溶液と一次反応させると、水素イオンと水酸イオンが発生するとともに、白濁したリン酸水素カルシウム水溶液が生成される。
次いで、前記の白濁したリン酸水素カルシウム水溶液を、クエン酸水溶液と二次反応させて水素イオンと水酸イオンを発生させた後、前記のように水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)などを添加するなどの方法でアルカリ性に調整すると、水素イオンと水酸イオンを発生させるとともに、還元力のあるリン酸金属化合物、すなわち、リン酸水素カルシウムが沈殿物として生成される。
上記の一次反応過程で生成される水溶液中のリン酸水素カルシウム及び二次反応によって生成したリン酸金属化合物をアルカリ性に調整して得たリン酸水素カルシウムの沈殿物は、水素イオンと水酸イオンのうち、イオンの大きさの違いから水素イオンのみを通し、水酸イオンは通さない微細網目の網かご状の結晶構造を有している。このため、一次反応及び二次反応によって生成された水素イオンと水酸イオンのうち、イオンの大きさから、水素イオン、すなわちプロトンのみが前記網かご状結晶構造の空洞内部に吸着・吸収されて閉じ込められるとともに、結晶構造内部に入り込めない水酸イオンは結晶構造の外側に残され、空洞内部の水素イオンは不活性化される。
前記起電力のある組成物1のペースト4を塗布する支持体2は、紙パルプ、布、不織布などのフレキシブルなシートを用いて折りたたみ又は折り曲げ可能に形成してもよく、またプラスチックなどの固形プレートを使用してもよい。
陽極部材3となる起電力のある組成物1のペースト4の塗布厚は電源の使用目的、電気容量、支持体材質等にもよるが、通常は1mm〜5mm、好ましくは、2mmが良好である。
この電源セル7は、陽極部材3、陰極部材6に銅、カーボンなどの電気的なリード線8、9を設け、LED等の電気デバイスに接続して使用するものであるが、本発明の電源セル7は、前記の反応で発生した水素イオンがリン酸金属化合物の結晶構造内部に閉じ込めて不活性化され、陽極部材3に指数的に多量の水酸イオンが存在することにより、相対的に大きな起電力を有している。
ちなみに、本発明の電源セル7は、例えば、4cm×6cmの単体で、1ボルト、1アンペアの電気エネルギーが得られる。
陽極部材3と陰極部材6間に吸水部材を介在させる場合のセパレータは、電極間の絶縁性を保持するとともに、水分の電解による電子を通す必要があるところから、電子を通すが、他の基は通さない紙パルプ、布、不織布などのシート隔膜からなる「イオン交換を持つセパレータ」を用いる。これは、電子を通すがショートしないセパレータであることを意味する。
実験によれば、4cm×6cmの電源セル4枚を直列で接続すると、4乃至5ボルトの電圧が得られ、白色LEDを4〜5V、20mAで200乃至800時間連続点灯させる電力が得られ、また、6セルを直列にした場合は、6乃至8ボルトの電力が発生し、青色LEDを200乃至800時間点灯維持できる。電源セルの規模、組み合わせをさらに改善して電力を大容量にすることにより5,000時間程度の点灯維持も可能である。
2.反応が進行した後、この一次反応生成水溶液にクエン酸10%溶液20mlを添加して二次反応を行った。反応が進行すると、空洞内に水素イオンを吸着・吸収した前記結晶構造が白濁分散液として得られた。
この白濁分散液中の網かご状結晶構造は、反応により生成された水素イオンのうち、イオンの大きさから水素イオンのみを内部に通し、水酸イオンは通さない構造である。
3.この白濁分散液に水酸化カリウムと水酸化ナトリウムの20%混合溶液20mlを添加してアルカリ性(pH11程度)に調整し、溶液中に沈殿組成物を得た。このときのORP値(酸化還元値)は−500mVであった。
4.この沈殿組成物を取出してII型ゼオライト、活性炭を合計30重量%加えてよく練り込み、ペースト状にした。
5.このペースト状組成物2gを、4×12平方センチのシート状支持体に均一に塗布して乾燥させ、リード線を取付けて陽極部材を形成した。
6.他方、同様の面積のアルミ箔(シート)にリード線を取付けて陰極部材を形成した。
7.この陽極部材と陰極部材を、イオン交換能を有する吸水性シートからなるセパレータを介して一体に積層したところ、1V程度の電位差を有するセルが得られた。
この電源ユニットを30mA、4.5Vの白色LEDに接続したところ、点灯時間が約200時間持続した。
水分補給による再点灯は繰り返し実現された。
例えば、懐中電灯、電動器具、電動玩具等の移動体電気器具あるいは電飾用に利用した場合はコンパクトで長時間使用可能な電源として使用できる。
2 支持体
3 陽極部材
4 起電力のあるペースト
5 セパレータ
6 陰極部材
7 電源セル
8 リード線
9 リード線
10 吸水部材
11 吸水片
Claims (5)
- 酸化亜鉛、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウムの一種または二種以上の混合物の粉末粒子をリン酸水溶液と一次反応させて、水素イオンと水酸イオンを発生させるとともに、結晶構造の空洞内部に前記水素イオンのみを吸着・吸引させた網かご状結晶構造を有するリン酸金属化合物の水溶液を生成し、この一次反応生成物をクエン酸水溶液と二次反応させて水素イオンと水酸イオンを発生させた後、この二次反応生成水溶液をアルカリ性に調整して、前記水素イオンと水酸イオンのうち、イオンの大きさから水素イオンのみを、前記結晶構造の空洞内に吸着させて結晶構造内部の水素イオンを不活性化させた還元力のある化合物の沈殿物を生成し、この還元性化合物の沈殿物を多孔質無機物と混連してペーストに生成してなり、前記反応により生成した水素イオンを不活性化し水酸イオンを指数的に多く含有させたことを特徴とする起電力を有する組成物。
- 陽極部材と陰極部材間にセパレータを挟んで積層したシート状又はプレート状の電源セルであって、前記陽極部材が酸化亜鉛、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウムの一種または二種以上の混合物の粉末粒子をリン酸水溶液と一次反応させて、水素イオンと水酸イオンを発生させるとともに、結晶構造の空洞内部に前記水素イオンのみを吸着・吸引させた網かご状結晶構造を有するリン酸金属化合物の水溶液を生成し、この一次反応生成物をクエン酸水溶液と二次反応させて水素イオンと水酸イオンを発生させた後、この二次反応生成水溶液をアルカリ性に調整して、前記水素イオンと水酸イオンのうち、イオンの大きさから水素イオンのみを、前記結晶構造の空洞内に吸着させて結晶構造内部の水素イオンを不活性化させた還元力のある化合物の沈殿物を生成し、この還元性化合物の沈殿物を多孔質無機物と混連してペーストに生成してなり、前記反応により生成した水素イオンを不活性化し水酸イオンを指数的に多く含有させた起電力のある前記ペースト状組成物をシート状またはプレート状の支持体に塗布した構造になることを特徴とする電源セル。
- 陽極部材と陰極部材間にセパレータを挟んで積層したシート状又はプレート状の電源セルであって、前記陽極部材が、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウムの一種または二種以上の混合物の粉末粒子をリン酸水溶液と一次反応させて、水素イオンと水酸イオンを発生させるとともに、結晶構造の空洞内部に前記水素イオンのみを吸着・吸引させた網かご状結晶構造を有するリン酸金属化合物の水溶液を生成し、この一次反応生成物をクエン酸水溶液と二次反応させて水素イオンと水酸イオンを発生させた後、この二次反応生成水溶液をアルカリ性に調整して、前記水素イオンと水酸イオンのうち、イオンの大きさから水素イオンのみを、前記結晶構造の空洞内に吸着させて結晶構造内部の水素イオンを不活性化させた還元力のある化合物の沈殿物を生成し、この還元性化合物の沈殿物を多孔質無機物と混連してペーストに生成してなり、前記反応により生成した水素イオンを不活性化し水酸イオンを指数的に多く含有させた起電力のある前記ペースト状組成物をシート状またはプレート状の支持体に塗布した構造になり、前記セパレータがイオン交換能を有する吸水部材を含むことをさらに特徴とする電源セル。
- 酸化亜鉛、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウムの一種または二種以上の混合物の粉末粒子をリン酸水溶液と一次反応させて、水素イオンと水酸イオンを発生させるとともに、結晶構造の空洞内部に前記水素イオンのみを吸着・吸引させた網かご状結晶構造を有するリン酸金属化合物の水溶液を生成し、この一次反応生成物をクエン酸水溶液と二次反応させて水素イオンと水酸イオンを発生させた後、この二次反応生成水溶液をアルカリ性に調整して、前記水素イオンと水酸イオンのうち、イオンの大きさから水素イオンのみを、前記結晶構造の空洞内に吸着させて結晶構造内部の水素イオンを不活性化させた還元力のある化合物の沈殿物を生成し、この還元性化合物の沈殿物を多孔質無機物と混連してペーストに生成してなり、前記反応により生成した水素イオンを不活性化し水酸イオンを指数的に多く含有させた起電力のある前記ペースト状組成物を生成し、この起電力のあるペースト状組成物をシート状またはプレート状支持体に塗布して陽極部材を形成し、この陽極部材にイオン交換能を有するセパレータを介在させて陰極部材を積層し、これにより、リード線を介して陽極部材から陰極部材に電流を通電可能にしたことを特徴とする電源セルの製造方法。
- 酸化亜鉛、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウムの一種または二種以上の混合物の粉末粒子をリン酸水溶液と一次反応させて、水素イオンと水酸イオンを発生させるとともに、結晶構造の空洞内部に前記水素イオンのみを吸着・吸引させた網かご状結晶構造を有するリン酸金属化合物の水溶液を生成し、この一次反応生成物をクエン酸水溶液と二次反応させて水素イオンと水酸イオンを発生させた後、この二次反応生成水溶液をアルカリ性に調整して、前記水素イオンと水酸イオンのうち、イオンの大きさから水素イオンのみを、前記結晶構造の空洞内に吸着させて結晶構造内部の水素イオンを不活性化させた還元力のある化合物の沈殿物を生成し、この還元性化合物の沈殿物を多孔質無機物と混連してペーストに生成してなり、前記反応により生成した水素イオンを不活性化し水酸イオンを指数的に多く含有させた前記起電力のあるペースト状組成物を生成し、このペースト状組成物をシート状またはプレート状支持体に塗布した陽極部材にイオン交換能を有するセパレータを介在させて陰極部材を積層するとともに、陽極部材と陰極部材間のいずれかの位置に吸水部材を介在させ、これにより、リード線を介して陽極部材から陰極部材に電流を通電可能にするとともに、陽極部材と陰極部材間に介在させたセパレータの含水水分を電解し、得られた水酸イオンを陽極部材に供給して起電力を再生させるようにしたことを特徴とする電源セルの製造方法。
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