JP5271716B2 - 電力の生成のための方法及びその実現のための装置 - Google Patents

Description

公表された発明群は、電力源の形態において応用されたナノ構造を有する材料を基礎とする水力発電機と薄い水層が設けられたナノ構造を有する導電性の表面の接触のシステムから電力を生成するための方法を含む。前記発明群は、更新可能なエネルギー源の使用により電力を生成するための方法及び装置に関する。公表された発明群においては、電力システムの構築のための現在まで未知の原理が使用され、前記原理は種々の科学及び技術の領域においてさらに広い用途を見付け得る。

本発明の本質は、薄い水層を有するナノ構造を有する導電性表面の接触のシステムが、特定の条件下において起電力（ＥＭＦ）の源になることである。前記条件を作り出すためには、第一に、二つの対向する側面からの水層が導電性材料の層によって取り囲まれたことが必要である。ここにおいて、水の科学的組成の変化の可能性を回避するために、導電層は水に対して不活性の材料（金属、半金属、これらの塩、合金、半導体）から生産されるべきである。第二に、水層に接触する導電層の表面はナノ構造を有するべきである。すなわち、水層に接触する導電層の表面は、突起及び／又は中空及び／又はナノ寸法のパラメータ不均一（導電性、誘電透磁性等）の形態のナノ寸法の構造的不均一を有するべきである。前記システム、すなわち第一の導電層と、水を含む層と、第二の導電層から構成されるシステムの導電層の間に、電位差が発生する。電位差の発生は、水分子に接触する、導電性表面のナノ寸法の構造的及び／又はパラメータ不均一の近くに存在する不均一な電界により起こる水中環境の構造化の過程により引き起こされる。一般に、そのような（二以上の）導電層の品質は任意であり得る。

このように、ナノ構造を有する導電性表面と薄い水層の接触の近くに、水中環境の構造化のための条件が作り出され、そのような水中環境が、今度は水を含む層を取り囲むプレートの対抗する導電性表面上への、水中環境の反対に帯電した構成要素の分割及び到達（carrying over）に導く。

前記効果は、本発明の発明者によって初めて実験的に発見され、条件的に水力発電として指定され得る。電気的負荷が当該システムの導電層に接続されている場合、前記負荷内を流れる電流は電力の解放に導く。

このように、ナノ構造を有する導電性表面と、数ナノメートル以上の単位からの厚さを有する薄い水層の接触のシステムは、上記に列記した条件下において、電力を生成することが可能なＥＭＦの源になる。

例えば極めて注意深い導電層の表面の処理のため実質的に上述の不均一性を除去された導電層の表面の間に純水の薄い層が包まれたときの場合においてさえ、極めて小さいサイズの水力発電効果が起こることが確認される。特定された現象は、本質的にそのような表面上に構造及びパラメータの両方についてナノ不均一性が常に存在する事実によって引き起こされる。前記不均一性は、薄い水層の弱い、無視できるほど小さい構造化を促進する。

水層を制限するプレートは、導電性材料のみからでなく、誘電体又は半導体からも作られ得る。この場合において、水力発電効果の達成のためには、含水層に接触するそれらの表面（一つ又は両方）が導電性含有物、パラメータ不均一性を有することで十分である。同様に、含水層に接触する特定された導電性含有物の表面は、ナノ寸法によるべきであり、かつ／又はナノ寸法の不均一性を有するべきである。ここにおいて、電力の生成のために、各層内の特定された導電性含有物は負荷が接続されている対応する接点と電気的接触を有するべきである。

要求された構造及び／又はパラメータの不均一性は、水層に接触する導電層の表面の特別な処理によって、かつ／又は導電層若しくは導電性含有物の表面上に対応する物質を人工的に置くことによって生成された。導電層の表面上に置く物質として、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド粉末等も使用され得る。

本発明の電力生成の方法は、全ての既知の電気化学的、電気機械的、動電学的及び水力学的な電力生成の方法から基本的な差異を有する。前記の基本的差異は、電力生成の進行において、摩擦又は他の部品及び組み立て品の表面が互いに隣接することの不存在に関係する。

本発明は図面において図示され、図１上において不均一導電含有物を有するプレートにより制限された含水層が、図２上において水を含む電池が、図３上において遮蔽された（screened）水力発電電池（膜）が示され、そこでは、
１‐汎用バスへの導電性含有物の電気的接続
２‐第一のプレート
３‐中空
４‐導電性含有物
５‐含水層
６‐突起
７‐パラメータの不均一
８‐第二のプレート
９‐銅箔の接点
１０‐マイクロ及びナノ不均一表面を有する上端電極
１１‐より均一又は類似の材料の底部電極
１２‐絶縁体により被覆された細い銅線
１３‐銀の被膜
１４‐ポリコア（policor）のプレート
１５‐繊維ガラスベアリング
１６‐含水層
１７‐金属ケース
１８‐金属カバー
１９‐貫通接続キャパシタ
２０‐スクリーン銅管
２１‐細い電気ケーブルの閉塞
２２‐二重線
である。

水力発電効果を実現する本システムの一般的な場合は、水に対して不活性の導電性材料から作られたプレートによって制限された含水層を含む電池の形態により図１上に表示される。前記プレートの表面は前記含水層に接触し、ナノ寸法の構造及び／又はパラメータの不均一性を有する。この場合において、そのようなプレートが誘電体又は半導体から構成されたとき、前記プレートは対応する電気接点に接続されるべきナノ寸法の導電性含有物を含むべきである。

実験の実行において、特定の装置における水力発電効果を実現する機会が与えられると、含水層を囲むプレートが水に対して不活性の物質である炭素、シリコン、ガラス状炭素（glass carbon）、二酸化バナジウム、金、クロム、及び突起又は中空又はパラメータ不均一の形態のナノ寸法の不均一性を含む他のいくつかの物質から、水に接触する層の表面上に作られた。実行された実験の大部分において、約１００ミクロンの厚さを有する二次蒸留水（water bidistillate）が含水層として使用され、導電層から水への接点の面積は約１ｃｍ^２から作られた。そのような電池の外部負荷上においては、ナノアンペアの単位からマイクロアンペアの単位の電流が、約１０〜３００ミリボルトの電圧において生成される。

含水層に接触するプレートの導電性表面上における突起若しくは中空又はパラメータ不均一の形態のナノ寸法の不均一性は、水中において不溶性の非導電性物質から作られ得る。この場合において、誘電体のナノ寸法の構造的不均一性による、水力発電効果に導く水層の構造化もまた起こる。しかし、水層の構造化に導く均一な水中環境における不均一電界の発生の可能性は、導電性のナノ寸法の構造的不均一の存在におけるよりも、本質的により小さいと分かる。それを理由として、含水層による発電の効果はかなり減少する。実験において使用されたそのような非導電性のナノ構造及びマイクロ構造の不均一性の例は、層のうちの一つの表面上に均一に分散されたダイヤモンド粉末、粉末化（pounded）ガラス、コランダム粉末、珊瑚カルシウム「アルカ‐メイン（Alka-Main）」である。

電力の生成の現象は水層が水溶性の塩を含む化学的及び／又は機械的不純物を含むときの場合に起こることが、実験的に確認された。前記効果は、最大１％までの不純物の濃度において質的に変化しない。

生成されたＥＭＦのサイズと水層の内部抵抗は、水に接触するプレートが作られる材料とこれらの表面上において起こる不均一の特性にも依存し、２〜４の順序により異なり得ることもまた実験的に確認される。

同一の物質に接触する水層の厚さが数ナノメートルから５０ミクロンに増加すると、電圧（生成されたＥＭＦのサイズ）と電流が減少することもまた確認される。

研究の実行において、実験結果の１００パーセントの信頼性が、実験の条件の保存において観察された。

効果の存在の温度制限は、液体相存在の条件によって規定される。

水物質に対して不活性の導電体から作られたプレートの間に包まれた、水層に接触する前記プレートの表面上のナノ寸法の不均一性を含む、純水の層から構成される電力源を表す装置が、開発され試験される。７〜１５ｍＶから最大５００ｍＶまでの出力電圧において、前記装置はその電気負荷において５〜１０ｎＡから最大６０００ｎＡまでの電流を提供する。与えられた結果は、１００〜３００ミクロンより大きくない厚さを有し、１〜２ｃｍ^２の動作表面の面積を有する二次蒸留水の層において、１２〜３０℃の温度範囲において受け取られる。実験においては、水物質における不溶物‐研磨された単結晶シリコン、マイクロ起伏表面を有する単結晶シリコン、ナノ細孔を有する単結晶多孔性シリコン、研磨されたガラス状炭素及びマイクロ不均一性を有するガラス状炭素、カーボンナノチューブ、二酸化バナジウムを含むナノ構造が使用される。

通常の（遮蔽されていない）含水膜の構造は、図２上に提示される。前記膜の底部の電極は、その終端がスズメッキされたパッチ上においてはんだ付けされた銅線ＥＭＲＷ−０．０５（エナメル加工された耐湿線）の一片を通じて、外部の電気回路に接続される。含水層を限定する上端電極は、ナノ不均一性を有する材料から作られた薄い導電性プレートを表す。前記上端電極は、繊維ガラス撚糸のベアリングにより底部電極から分離される。上端電極は、当該小片を通じて外部電気回路への接続が実行される銅線ＥＭＲＷ−０．０５の小片により、拡散圧縮タイプの電気接続を有する銅箔のプレートに接触する。底部電極は、類似の方法により外部回路に接続される。

遮蔽された水力発電電池（図３）は、実験の実行の期間についてはんだ付けされた、０．３ｍｍの厚さを有する黄銅板の蓋を有する円筒形の密封された全金属製の容器に対応し、当該銅管を通じて測定設備への接続のために意図された二本の配線が伝えられる細い銅管の横方向の薄い（３．０ｍｍの内径を有する）壁部品にはんだ付けされる。

ナノ及びマイクロオーダーの少量の電流及び電圧の測定のために、高い度合いのノイズ電磁波耐性が必要とされ、このことは実験における全金属スクリーニング構造の適用を引き起こした。ケース（図３）の内部には、当該表面と電池の全金属製ケースの間において電気的に接続された、金属化された上端及び下端表面を有する固体の誘電体、例えばポリコアから作られたプレートの表面上に固定されている含水膜（図２）が存在する。ここで、前記膜の前記上端プレートとその上に置かれた銅箔のプレートの接点は流電式（galvanic）である。今度は、前記膜の前記下端表面は金属化されたポリコアプレートの上端表面上に固定されている。水力発電（water electric）電池の膜は、低周波数のフィルタを形成する貫通接続キャパシタ及び閉塞を通じて遮蔽された二本の配線の入力に接続されている。水に接触する下端及び上端の平面電極は、２ｃｍ^２について０．１〜０．３ミクロンを超えない、互いに関する並行からの偏差を有した。前記距離は、較正された直径の繊維ガラス撚糸（図３）によって維持された。

発電器としての遮蔽された水力発電電池（図３）は、以下の方法により動作する。遮蔽された水力発電電池（図３）の全金属製ケースの内部に位置する含水膜（図２）は、当該電圧を通じて閉塞及び貫通接続キャパシタが二本の遮蔽された配線の入力を入力する電圧を生成する。負荷が線の出口に接続されている場合、電流が前記負荷を通じて流れ始める。

遮蔽された水力発電電池の電気的パラメータは、長時間に亘り（最大１０時間まで）実質的に不変のままである。当該電池の電気的パラメータにおける変化は、含水層からの相当量の水の蒸発において実質的に開始する。発明者は、動作中に電池からの水の蒸発を防止する電池の密封（hermetizatioin）のための特別の構築手段を採らなかった。これは、原理の問題ではない。既に存在する技術が、特別の努力なしに、発明者により作り出された装置と同様に、作用する水層からの水の蒸発及び漏れを排除する、装置内における含水層の完全な密封を提供する本発明の装置を作ることを可能にすることがよく知られている。

発電器としての電池は、以下の方法により動作する。水力発電（hydrocontaining）電池は、当該電圧を通じて閉塞及び貫通接続キャパシタが二本の遮蔽された配線の入力を入力する電圧を生成する。線の出口に負荷が接続されている場合、電流は前記負荷を通じて流れ始める。いくつかの水力発電電池は、それらの間において並列又は直列に接続され得る。それは第一の場合において動作電流を増加させることに導き、第二の場合においては動作電圧を増加させることに導く。

水力発電膜の境界電極の製造のために、以下の材料が使用された。
・第１４級により研磨された表面を有し、固有の導電性を有する純度９９９．９９９９９９％の単結晶のシリコンのプレート、
・０．１〜０．２ミクロンの厚さを有する薄いフィルムの形態に成長した直径３０〜２５０オングストロームを有するカーボンナノチューブにより被覆されたシリコンのプレート、
・ｎ‐タイプ及びｐ‐タイプの同一の純度のナノ多孔性シリコンのプレート、
・研磨されたガラス状炭素のプレート、
・表面のナノ寸法の不均一性を有するガラス状炭素のプレート、
・カーボンナノチューブの薄いフィルムにより被覆されたナノ位置の（nanopointed）不均一性を有するガラス状炭素のプレート、
・基盤表面上において互いに近接して位置する、高さ１００〜１２０ナノメートル及び幅８０〜１００ナノメートルのナノ粒子のサイズを有する、二酸化バナジウムを含むナノ構造の薄いフィルムにより覆われたシリコンのプレート、
・研磨されたクロムプレート、ナノ起伏のあるクロムプレート、
・研磨されたナノ起伏のある金プレート、研磨されたナノ起伏のあるタンタルプレート。

水力発電電池の準備のために、二次蒸留水、ダイヤモンド粉末５号、１４号、２８号、コランダム粉末１０号、２８号、４０号、天然由来の珊瑚カルシウムの粉末アルカ‐メイン、人工由来の珊瑚カルシウムの粉末アルカ‐メイン、ガラス粉（５〜１０ミクロンの粒子のサイズを有する粉末化ガラス）が使用された。

実験の結果は、純水中への可溶性の不純物（酸、蒸留酒、生理食塩水）の導入は、極めて小さい濃度（１％を超えない）においてさえ、水の導電性における相当の増加を未だ引き起こさず（１０％未満）、集積電池発生の可能性は数回に亘り水力発電効果の増加に導くことを示した。

全ての実行された実験における水層の純度の維持、実験の再現可能性及び測定の正確性の増加の視点と共に、当該プレート自体の間に薄い含水層を包むプレートとして、完全なモノリシック構造の導電層が使用されたことを強調する必要がある。そして、水層に接触する表面上のそのような層のみが、やはりナノ寸法の構造又はパラメータの不均一性を有した。この場合において、汎用電気バスにおいてはモノリシック構造の導電層の使用が自動的に前記問題を解決するため、含水層をその間に包む複数の層表面上における導電性含有物の集積を達成することの技術的困難における必要性を消去することが特に重要である。

（薄い水層を有するナノ構造の導電性表面の接触のシステムを基礎とした電源の実験的研究の結果。）
実験の結果は、下記の表１〜７において与えられる。
表において、Ｓはプレートの領域である。表において、「時間」の欄は電流の終了及び電圧変化に対応する。
表４についての注：下端電極（上端及び下端電極は研磨されたシリコンの同じ素材から作られている）から水中において不溶性の粉末の固体の誘電体の薄い層の除去後、実験条件維持の保存の下において、水膜により開発された負荷内の電流及び電圧はゼロに近くなる（Ｉｏｕｔｐｕｔ≒１ｎＡ，Ｕｏｕｔｐｕｔ≒１ｍＶ）。

不均一導電含有物を有するプレートにより制限された含水層が示される。 水を含む電池が示される。 遮蔽された水力発電電池（膜）が示される。

Claims (7)

1. 水に対して不活性の物質である、炭素、シリコン、ガラス状炭素、二酸化バナジウム、金、及びクロムからなる群から選択される導電性物質からなる、少なくとも二つの導電層を形成し（ただし、隣り合う導電層がともに単結晶研磨シリコンのみから形成される場合を除く）、隣り合う導電層の間に、１００〜３５０ミクロンの厚さを有する、二次蒸留水からなる水層又は内部抵抗が４．８〜６３００ｋΩ・ｃｍ²の水層を形成し、前記水層に接触する前記導電層の表面は、ナノ多孔性或いはナノチューブに基く、又は研磨或いは薄い粉末層の被覆によるナノ寸法の構造的不均一を有し、さらに、隣り合う前記導電層から電力を取り出すことを含む、発電の方法（但し、コンデンサ及びキャパシタによる場合を除く）。
2. 前記導電層のうちの少なくとも一つが導電性含有物を有する誘電体から作られ、かつ前記導電層において前記導電性含有物が一つの電気バスにより結合される、請求項１に記載の方法。
3. 水に対して不活性の物質である、炭素、シリコン、ガラス状炭素、二酸化バナジウム、金、及びクロムからなる群から選択される導電性物質からなる、少なくとも二つの導電層（ただし、隣り合う導電層がともに単結晶研磨シリコンのみから形成される場合を除く）と、
   前記少なくとも二つの導電層における隣り合う導電層の間に形成され、１００〜３５０ミクロンの厚さを有する水層であって、二次蒸留水からなる水層又は内部抵抗が４．８〜６３００ｋΩ・ｃｍ²の水層と、を有し、
   前記少なくとも二つの導電層の表面であって、前記水層に接触する表面が、ナノ多孔性或いはナノチューブに基く、又は研磨或いは薄い粉末層の被覆によるナノ寸法の構造的不均一を有し、
   隣り合う前記導電層から電力が取り出されるように構成される電池、を含むことを特徴とする電源（但し、コンデンサ及びキャパシタを除く）。
4. 前記導電層のうちの少なくとも一つが導電性含有物を有する誘電体から作られ、前記導電層において前記含有物が一つの電気バスにより結合される、請求項３に記載の電源。
5. 少なくとも二つの分離された前記電池が直列に接続されている、請求項３又は４に記載の電源。
6. 少なくとも二つの分離された電池が並列に接続されている、請求項３又は４に記載の電源。
7. 前記導電層は少なくとも三つ形成され、前記水層は少なくとも二つ形成されることを特徴とする請求項３に記載の電源。