JP5805258B2 - 海水電池 - Google Patents
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Description
本発明は海水電池に関し、特に、陽極がカーボンナノチューブ材料を含む海水電池に関する。
電池の構造は時代の進歩に伴って絶えず進化しており、例えばよく見受けられる乾電池、蓄電池、水銀電池、空気電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、太陽電池、燃料電池、海水電池等があり、そのうち、海水電池は使用時に海水と接触させて発電を行うため、平常の保管時に電極は電解液（海水）に接触せず、一般的な電極が電解質と共に置かれる蓄電池と比較してより安全であるだけでなく、海洋関連の電力提供が必要な製品に特に適している。
特許文献１において、海水電池が開示されており、前記海水電池は主に耐腐食性の鋼陰極、海水電解液、多孔卑金属陽極で構成される。そのうち、前記多孔卑金属陽極には５０〜８０ミクロンの亜鉛・アルミニウム合金粉と６０ミクロン未満のアルミナ粉を３：１の割合で充分に混合し、粉末冶金技術で鋳造したものを採用している。製造された海水電池は陽極の表面面積が増加するだけでなく、陽極活性物質が化学反応に参与する実表面積を保持する。これは安定で比較的大きな電流を供給できる海水電池である。
しかしながら、前記多孔卑金属陽極はその構成する前記海水電池中で約４００ｍＡ・ｃｍ−２の電流密度を発生し、前記鋼陰極の有効電位差が約０．２Ｖであり、電流密度の面においてやや小さいため、まだ改善の余地がある。
本発明の主な目的は、従来の海水電池の電流密度がやや低い問題を解決する、海水電池を提供することにある。
上述の目的を達するため、本発明の海水電池は、電解液、陽極、陰極を含み、前記陽極が複数個のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブと混合された第１材料を含み、前記陰極が第２材料を含み、かつ前記陰極と前記陽極が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液と接触し、そのうち、前記電解液が海水であり、前記電解液と前記陰極及び前記陽極がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陰極及び前記陽極で電位差を生じる。
本発明は別の海水電池も提供する。前記海水電池は、電解液、陽極、陰極を含み、前記陽極が第１材料を含み、前記陰極が複数個のカーボンナノチューブを含み、かつ前記陰極と前記陽極が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液と接触し、そのうち、前記電解液が海水であり、前記電解液と前記陰極及び前記陽極がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陰極及び前記陽極で電位差を生じる。
本発明はさらに別の海水電池も提供する。前記海水電池は、電解液、陽極、陰極を含み、前記陽極が複数個のカーボンナノチューブ及び前記カーボンナノチューブと混合された第１材料を含み、前記陰極が複数個のカーボンナノチューブを含み、かつ前記陰極と前記陽極が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液と接触し、そのうち、前記電解液が海水であり、前記電解液と前記陰極及び前記陽極がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陰極及び前記陽極で電位差を生じる。
これにより、本発明は海水電池の電極が前記カーボンナノチューブを含むことにより、前記カーボンナノチューブの高活性と高比表面積を利用して、前記電位差が形成する電流の電流密度を高め、前記海水電池の給電性能を効果的に向上することができる。
本発明の詳細な説明及び技術内容について、以下、図面を組み合わせて詳細に説明する。
図１に本発明の実施例１の概略図を示す。図１に示すように、本発明の海水電池は、実施例１において、前記海水電池が電解液１０、陽極２０、陰極３０を含み、前記電解液１０はここでは海水を使用し、前記海水中には主に正電荷を帯びたナトリウムイオン與負電荷を帯びた塩素イオンが包含され、前記陽極２０は第１材料を使用して成り、前記第１材料は金属、金属酸化物、超伝導体、グラファイト、導電性高分子等の導電材質から選択でき、例えばポリアセチレン、ポリチオフェン類、ポリアニリン類等とすることができる。
前記陰極３０の材質は複数個のカーボンナノチューブを包含し、本発明において、前記陰極３０は大部分が前記カーボンナノチューブで組成される材料、または前記カーボンナノチューブと第２材料を結合して成る複合材料とすることができる。また前記陰極３０は前記カーボンナノチューブで完全に組成してもよい。前記陰極３０の製造方式は次の通りである。まず前記カーボンナノチューブと高分子材料を混合し、前記高分子材料はフェノール樹脂（Ｐｈｅｎｏｌｉｃ Ｒｅｓｉｎ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ、略称ＰＡＮ）またはフラン樹脂（Ｆｕｒａｎ Ｒｅｓｉｎ）とすることができる。続いて順にホットプレス工程と炭化工程を行う。前記ホットプレス工程は前記カーボンナノチューブと前記高分子材料を１１０℃〜２２０℃の間の的受熱温度に置き、５Ｋｇｆ／ｃｍ２〜２００Ｋｇｆ／ｃｍ２の間の成形圧力で、前記カーボンナノチューブと前記高分子材料に剛性を備えた立体構造のブロック材を形成させる。前記炭化工程は前記カーボンナノチューブと前記高分子材料を還元性雰囲気中に置く。前記還元性雰囲気はアルゴンガスまたは窒素ガスとすることができ、かつ５００℃〜３０００℃の間の炭化温度で加熱して、前記高分子材料を除去し、前記ブロック材に５％〜５０％の間の孔隙率を形成する。そのほか、前記炭化工程のパラメータ制御により、前記ブロック材でさらに前記カーボンナノチューブ間に付着する炭素材料を産生し、前記陰極３０の導電性と熱伝導性を高めることができる。
継続して図１に示すように、本発明は使用時、前記陽極２０と陰極３０が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液１０に浸漬されるが、これに制限されず、前記陽極２０と前記陰極３０が前記電解液１０とそれぞれ接触を形成していればよく、前記電解液１０と前記陽極２０及び前記陰極３０がそれぞれ電気化学反応を行う。そのうち、前記電解液１０が前記陽極２０で酸化させるための前記電気化学反応は、次の反応式で示される。
前記陰極３０で行う還元のための前記電気化学反応は、次の反応式で示される。
上述の電気化学反応において、Ｍは前記陽極２０で反応に参与する金属を表し、ここではマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）で形成される合金とすることができる。前記陰極２０の前記カーボンナノチューブは電子伝達のプラットホームを提供し、それ自体は反応に参与しない。
ここで、前記電解液１０と前記陽極２０及び前記陰極３０の間に電位差Ｖが生じ、電気の流れが形成されて電流を生み出すことができる。この実施例において、前記電位差Ｖが１．４Ｖ〜２Ｖであるとき、前記電流は最高で６５０ｍＡ・ｃｍ−２の電流密度を有する。
また、本発明の実施例２において、前記海水電池の構造配置は実施例１と類似しており、図１に示すように、電解液１０、陽極２０、陰極３０を含み、前記陽極２０と前記陰極３０が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液１０と接触し、実施例１と同様に、前記電解液１０は海水であり、前記電解液１０と前記陽極２０及び前記陰極３０がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陰極３０及び前記陽極２０に電位差Ｖを生じる。実施例２において、前記陽極２０は複数個のカーボンナノチューブ及び前記カーボンナノチューブと混合された前記第１材料を含み、前記第１材料は金属、金属酸化物、超伝導体、導電性高分子または炭素等の材質から選択でき、炭素はグラファイト、カーボンブラックまたはその他炭素で構成される材料等とすることができ、かつ構造上は多層構造、球状構造または棒状構造とすることができる。具体的に、前記陽極２０は前記第１材料と前記カーボンナノチューブを混合して形成される複合材料とすることができ、かつ前記カーボンナノチューブ間に５％〜５０％の間の孔隙率を備えている。前記陰極３０は前記第２材料から成り、前記第２材料は金属、金属酸化物、超伝導体、グラファイト、導電性高分子の導電性材質から選択できる。このように、前記陽極２０と前記陰極３０がそれぞれ前記電解液１０と接触したとき、前記電解液１０と前記陽極２０は次の式で示される電気化学酸化反応を行う。
前記陰極３０は次の式で示される電気化学還元反応を行う。
前記電解液１０も前記陽極２０及び前記陰極３０間で電位差Ｖを生じることができ、電気の流れを形成して電流を生み出すことができる。
上述の実施例１と実施例２のほか、本発明の実施例３は、前記海水電池の構造配置が実施例１と類似しており、図１に示すように、電解液１０、陽極２０、陰極３０を含み、前記陽極２０と前記陰極３０は複数個のカーボンナノチューブをそれぞれ含み、かつ前記陽極２０がさらに前記カーボンナノチューブと混合した前記第１材料を含み、前記陰極３０において、前記カーボンナノチューブ間に５％〜５０％の間の孔隙率を備えており、かつ炭素材料を付着して有することができる。さらに、前記陰極３０は前記カーボンナノチューブと混合した前記第２材料を含むことを選択してもよく、前記陽極２０と前記陰極３０は相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液と接触し、前記電解液は海水であり、前記電解液と前記陽極２０及び前記陰極３０がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陽極２０及び前記陰極３０に電位差Ｖを生じる。
図２に本発明の別の実施例の構造概略図を示す。この実施例において、前記海水電池はさらに容器４０を含み、前記容器４０は反応空間４１、前記反応空間４１に連通された流入口４２、前記反応空間４１に連通され、かつ前記流入口４２に対応する流出口４３を含む。図に示すように、前記電解液１０は前記流入口４２から前記反応空間４１に流入し、前記反応空間４１中で前記陽極２０及び前記陰極３０と接触して前記電気化学反応を行い、前記流出口４３より前記反応空間４１から流出する。前記電解液１０は前記容器４０の前記流入口４２及び前記流出口４３を通って継続的に流入及び流出され、前記反応空間４１における前記電解液１０のイオン濃度を維持し、発生される前記電流を安定することができる。
上述をまとめると、本発明はカーボンナノチューブを利用して海水電池の電極（前記陽極及び前記陰極）を製造し、カーボンナノチューブの高活性と高比表面積により、イオンが移動する通路が提供され、前記電位差により形成される前記電流の電流密度を高めることができ、電位差が１．４Ｖ〜２Ｖの時、前記電流の電流密度は最高で６５０ｍＡ・ｃｍ−２に達し、前記海水電池の給電性能を効果的に高めることができる。さらに、本発明は前記カーボンナノチューブを利用して海水電池の電極とすることで、前記電極の前記電気化学反応中での消耗を抑え、前記海水電池の使用寿命を延長することができる。
本発明は特に海を航行する船舶或いは海上に建設される施設への応用に適しており、必要な電力を提供することができるが、本発明はこれに限られず、原則的にあらゆる海水を含有する環境に広く適用することができる。従来の火力発電と比較して、本発明の海水電池の運用過程では、環境に有害な物質が発生しない。水力発電と比較しても、建築の関係で生態環境に影響を与えることがないため、環境に配慮した発電方式に属する。このほか、太陽電池と比較して、本発明の海水電池は日照時間或いは気候条件の制限を受けず、海水を電解液として利用するだけで発電できるため、安定した発電量を提供することができる。このため、本発明は極めて進歩性を備えており、特許出願の要件を満たしている。
１０ 電解液
２０ 陽極
３０ 陰極
４０ 容器
４１ 反応空間
４２ 流入口
４３ 流出口
Ｖ 電位差
２０ 陽極
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Ｖ 電位差
Claims (11)
- 海水電池であって、
電解液と、
複数個のカーボンナノチューブ及びこれ等カーボンナノチューブと混合された第１材料を含む陽極と
第２材料を含む陰極と、を含み、前記陰極と前記陽極が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液と接触し、
そのうち、前記第１材料は、マグネシウム或いはマグネシウム−アルミニウム合金であって、前記第２材料は、金属、金属酸化物、超伝導体、グラファイト、導電性高分子から構成される群より選択され、前記電解液が海水であり、前記電解液と前記陰極及び前記陽極がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陰極及び前記陽極で電位差を生じる
ことを特徴とする、海水電池。 - さらに容器を含み、前記容器が前記電解液と前記陰極及び前記陽極を接触させる反応空間と、前記反応空間に連通され、かつ前記電解液を前記反応空間に流入させる流入口と、前記反応空間に連通され、かつ前記電解液を前記反応空間から流出させる流出口を含むことを特徴とする、請求項１に記載の海水電池。
- 前記陽極において、前記カーボンナノチューブ間に５％から５０％の間の孔隙率を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の海水電池。
- 海水電池であって、
電解液と、
第１材料を含む陽極と、
複数個のカーボンナノチューブを含む陰極と、を含み、前記陰極と前記陽極が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液と接触し、
そのうち、前記第１材料は、金属、金属酸化物、超伝導体、グラファイト、導電性高分子から構成される群より選択され、前記陰極は、これ等カーボンナノチューブの間に介在してカーボン材を付着する複数個の孔隙を有し、前記電解液が海水であり、前記電解液と前記陰極及び前記陽極がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陰極及び前記陽極で電位差を生じる
ことを特徴とする、海水電池。 - さらに容器を含み、前記容器が前記電解液と前記陰極及び前記陽極を接触させる反応空間と、前記反応空間に連通され、かつ前記電解液を前記反応空間に流入させる流入口と、前記反応空間に連通され、かつ前記電解液を前記反応空間から流出させる流出口を含むことを特徴とする、請求項４に記載の海水電池。
- 前記陰極がさらに前記カーボンナノチューブと混合された第２材料を含み、前記第２材料が金属、金属酸化物、超伝導体、グラファイト、導電性高分子から構成される群より選択されることを特徴とする、請求項４に記載の海水電池。
- 前記陰極において、前記カーボンナノチューブ間に５％から５０％の間の孔隙率を備えたことを特徴とする、請求項４に記載の海水電池。
- 海水電池であって、
電解液と、
複数個のカーボンナノチューブ及びこれ等カーボンナノチューブと混合された第１材料を含む陽極と、
複数個のカーボンナノチューブを含む陰極と、を含み、前記陰極と前記陽極が相互に間を隔ててそれぞれ前記電解液と接触し、
そのうち、前記第１材料は、金属、金属酸化物、超伝導体、グラファイト、導電性高分子から構成される群より選択され、前記陰極は、これ等カーボンナノチューブの間に介在してカーボン材を付着する複数個の孔隙を有し、前記電解液が海水であり、前記電解液と前記陰極及び前記陽極がそれぞれ電気化学反応を行い、前記陰極及び前記陽極で電位差を生じる
ことを特徴とする、海水電池。 - さらに容器を含み、前記容器が前記電解液と前記陰極及び前記陽極を接触させる反応空間と、前記反応空間に連通され、かつ前記電解液を前記反応空間に流入させる流入口と、前記反応空間に連通され、かつ前記電解液を前記反応空間から流出させる流出口を含むことを特徴とする、請求項８に記載の海水電池。
- 前記陰極において、前記カーボンナノチューブ間に５％から５０％の間の孔隙率を備えたことを特徴とする、請求項８に記載の海水電池。
- 前記陰極がさらに前記カーボンナノチューブと混合された第２材料を含み、前記第２材料が、金属、金属酸化物、超伝導体、炭素、導電性高分子から構成される群より選択されることを特徴とする、請求項８に記載の海水電池。
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