JP5946551B2 - 海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法 - Google Patents

Description

本発明は電気エネルギーを生成する方法であって、特に海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法に関するものである。

近年来、人口増加及び工業化と都市化の進歩に伴って、人類にとってエネルギーの需要は増えるものの減ることはなく、エネルギーが不足する事態はすでに目前に迫ってきているが、現時点で先進国の多くが使用する原子力発電は、大量の熱汚染及び発電後の使用済み核燃料処理の問題が付随的に発生する。これに鑑み、エネルギーの日を追っての枯渇及び環境保護意識の高まりを受けて、各種再生可能エネルギーの研究開発及び使用はますます世界各国から注目を集めており、化石燃料の代替となる新たなエネルギー源の模索に心血が注がれている。

従来の火力発電では石炭、石油又は天然ガスなどの化石燃料を燃焼して発生する熱エネルギーで水を水蒸気に転換して、この水蒸気でタービンを稼働させることで、発電機を駆動して電気エネルギーを発生させるものであり、つまり熱エネルギーを機械的エネルギーに転換して発電機を駆動する発電方法となっている。また、現在原子力発電ではウラニウム−２３５を核燃料として、それを反応炉内で核分裂させて大量の熱エネルギーを放出させ、高圧の循環冷却水にて熱エネルギーを輸送させ、ひいては蒸気発生器内で水蒸気を発生させ、高温高圧の水蒸気でタービンを稼働させ、更に発電機を駆動して電気エネルギーを発生させるというものである。

しかし、火力発電技術は化石原料を燃料としていることから、廃熱、二酸化炭素、二酸化硫黄又は粒子状物質などが発生して大気汚染を引き起こすうえ、化石燃料は決して無尽蔵ではない。また、原子力発電所で使用される反応炉内には大量の放射性物質が存在し、発電後にはこれに付随して使用済み核燃料が発生するうえ、その熱汚染も深刻である。よって、再生可能で環境に優しい新たな電気エネルギーの製造方法を提案するということは、今日では見逃すことのできない課題となっている。

本発明の主な目的は、従来の火力又は原子力発電では化石燃料又は放射性物質を燃料とすることで大気汚染又は使用済み核燃料処理が必須となる問題を解決するところにある。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の工程を含む、海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法を提供する。

工程１：第１の太陽光集熱器を有する海水処理装置と、第２の太陽光集熱器を有する沈殿設備と、第３の太陽光集熱器を有する分離設備と、発電設備とからなり、海洋に隣接する電気エネルギー供給設備を提供するものであり、このうち前記発電設備は第１の電極担持体と、前記第１の電極担持体に対応し且つ炭素材質を含む第２の電極と、電解質とを備えており、

工程２：前記海水から海水を取水するとともに前記海水を前記海水処理装置に導入して、前記海水を１００℃から１２０℃の間の第１の温度にまで加熱することで、濃縮海水を得て、

工程３：前記濃縮海水を前記沈殿設備に導入するとともに沈殿剤を投入することで、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）を含有する第１の結晶物を得て、

工程４：前記第１の結晶物を６００℃から１１００℃の間の第２の温度にまで加熱することで、前記濃縮海水中の水分を除去しつつ前記第１の結晶物を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含有する第２の結晶物に転換し、

工程５：前記第２の結晶物を前記分離設備に送り込むとともに還元剤を投入して、１２００℃から２４００℃の間の第３の温度にまで加熱して、前記第２の結晶物を金属マグネシウムに転換し、

工程６：前記金属マグネシウムを前記発電設備に送り込むものであり、このうち、前記金属マグネシウムは前記第１の電極担持体に送り込まれて第１の電極を形成し、前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ前記電解質とで電気化学反応を行って、前記第１の電極と前記第２の電極とに電位差を発生させて電気エネルギーを生成する。

一実施例において、工程２、４、５の加熱工程は、標準気圧にて加熱を行うものである。

一実施例において、工程３の実行時に、投入反応する前記沈殿剤は水酸化カルシウム、炭酸カルシウム及び酸化カルシウムからなる群から選ばれ；工程５にて投入する前記還元剤はケイ素、鉄、クロム、炭素及び炭化カルシウムからなる群から選ばれる。一実施例において、工程６中の前記第２の電極としての前記炭素材質はカーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンファイバ及びカーボンブラックからなる群から選ばれる。

一実施例において、前記発電設備は蓄電モジュールに接続されており、前記蓄電モジュールにより、工程６にて生成された前記電気エネルギーを受取って蓄電して、前記電気エネルギーのこの後での使用における経済効率を高める。

これにより、本方法は以下の利点を備える。

１．再生可能エネルギーで環境にやさしい発電方法であり、化石燃料又は核燃料を使用する必要がないため、大気汚染又は使用済み核燃料処理の問題はない。

２．用いられる資源が海水であることから、その他資源、例えば化石燃料又は放射性物質に比べて、海水の資源量は多いうえ安定供給でき、しかも前記海水発電システムに連続的に補充されることから、前記第１の電極の前記金属マグネシウムは持続的に析出され、発電資源が豊富となる利点を備えている。

本発明の一実施例の設備の概略図である。

本発明の詳細な説明及び技術内容に関しては、ここで図面を合わせて以下の通り説明する。

本発明の一実施例の設備の概略図である図１を参照されたい。本発明は海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法に関し、該方法は以下の工程を含む。

工程１：海洋に隣接する海岸、又は海洋に囲まれた島上に設置可能であり、取水装置（１１）及び濃縮装置（１２）を備えた海水処理装置（１０）と、沈殿設備（２０）と、分離設備（３０）と、発電設備（４０）とからなり、海洋に隣接する電気エネルギー供給設備を提供する。

工程２：まず前記海水処理装置（１０）の前記取水装置（１１）を用いて、前記海水中から海水（１）を取水するものであり、この実施例においては、前記取水装置（１１）は前記海洋に接触する入口側と、前記入口側と反対側の出口側と、抽水ポンプとを備えており、前記抽水ポンプの運転により、前記海水（１）を前記海洋から取水して前記入口側から前記取水装置（１１）に送水して、更に前記出口側から前記取水装置（１１）に送り前記濃縮装置（１２）に送水するものであり、前記濃縮装置（１２）はここでは第１の太陽光集熱器（１２１）を備えており、前記第１の太陽光集熱器（１２１）は前記海水（１）を標準気圧にて１００℃から１２０℃の間の第１の温度まで加熱することで、前記海水（１）の一部の水分を蒸発させて、濃縮海水（２）を形成する。

工程３：続いて、前記海水処理装置（１０）に接続されるとともに、第１の供給タンクのチャンバ（２１）と、第２の太陽光集熱器（２２）とを備えており、前記チャンバ（２１）は前記濃縮装置（１２）に連通することで、前記濃縮装置（１２）から送り出された前記濃縮海水（２）を受取るようにした前記沈殿設備（２０）に前記濃縮海水（２）を導入して、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム及び酸化カルシウムからなる群から選ばれて、ひいては水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）を含有する第１の結晶物である沈殿剤を前記第１の供給タンクから投入する。

工程４：更に前記第２の太陽光集熱器（２２）を始動して、前記第１の結晶物を標準気圧にて６００℃から１１００℃の間の第２の温度にまで加熱して、ひいては酸化マグネシウムを含有する第２の結晶物として金属酸化物（３）の沈殿物を生成する。

工程５：更に前記第２の結晶物を、第２の供給タンクと第３の太陽光集熱器（３１）とを備えた前記分離設備（３０）に送り込み、続いてケイ素、鉄、クロム、炭素又は炭化カルシウムである還元剤を前記第２の供給タンクから投入し、続いて前記第２の結晶物を標準気圧にて１２００℃から２４００℃の間の第３の温度にまで加熱して、前記第２の結晶物と前記還元剤とを作用させて酸化還元反応を発生させて、前記第２の結晶物を金属（４）として還元するものであり、この工程において、前記還元剤として炭素を選択して、該酸化マグネシウムと前記炭素とを作用させてマグネシウムの前記金属（４）として還元する。

工程６：第１の電極担持体と前記金属マグネシウムとから直接形成されている第１の電極（４１）と、第２の電極（４２）と、電解質（４３）とを有する前記発電設備（４０）に前記金属マグネシウムを送り込み、前記電解質（４３）により前記第１の電極（４１）と前記第２の電極（４２）とで電気化学反応を行い、ひいては電位差を発生させて電気エネルギーを生成する。この工程において、前記第２の電極（４２）の材質はカーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンブラック又は何れかの炭素系で形成された負極を選択することができ、そして前記電解質（４３）は前記海水（１）を直接使用しても、またマイナスイオン及びプラスイオンを含有する混合溶液を使用してもよい。

このうち、本方法発明の工程６において、発電を行う際には、前記電解質（４３）は前記第１の電極（４１）と前記第２の電極（４２）とでそれぞれ電気化学反応を行うものであって、前記電解質（４３）と前記第１の電極（４１）とで行われる前記電気化学反応は以下で表される。

(化１)
Ｍｇ+２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２+Ｈ_２

そして前記第２の電極（４２）とで行われる電気化学反応は次の通りである。

(化２)
Ｏ_２+２Ｈ_２Ｏ+４ｅ⁻→４ＯＨ⁻

このように、前記第１の電極（４１）の金属材料と前記電解質（４３）とを反応させ、更に前記電解質（４３）により同時に前記第２の電極（４２）箇所のガスとの還元で発電回路が完成されることから、これによって、前記第１の電極（４１）と前記第２の電極（４２）とで持続的に電位差を発生させて電気エネルギーを生成する。

更に、本方法の工程２、４、５中の前記第１の太陽光集熱器（１２１）、前記第２の太陽光集熱器（２２）及び前記第３の太陽光集熱器（３１）にて、前記太陽光集熱器の各々は複数枚の平面反射鏡と、ヒータと、前記平面反射鏡から反射された太陽光を前記ヒータに集光するための集光レンズとを備えている。また、本方法にて使用される前記電気エネルギー供給設備は、前記発電設備（４０）に接続されている蓄電モジュールを更に備えており、前記蓄電モジュールは工程６にて生成された前記電気エネルギーを受取って蓄電して、前記電気エネルギーのこの後での使用における経済効率を高めることができる。

上記をまとめるに、本発明が提供するエネルギーを製造する新たな方法によれば、海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成することで、本方法の各工程により前記海水から、前記発電設備の前記第１の電極として前記金属を析出して、続いて前記第１の電極及び前記第２の電極とで前記電気化学反応を行って電気エネルギーを生成するものであり、前記海水は絶えず補充することができるため、前記第１の電極に消耗される前記金属を持続的に供給することができ、これにより発電量を連続して提供する一方で、化石原料又は核燃料を発電燃料として使用する必要はなくなることから、大気汚染又は使用済み核燃料処理の問題はなくなり、再生可能エネルギーで環境保護の要求に符合している。本発明は進歩性及び発明特許の出願要件を備えている。

以上、本発明に詳細な説明を行ったが、上記したものは単に本発明の好ましい実施例を説明するためのものであり、本発明の実施する範囲を限定することはできない。本発明の特許請求の範囲により行われる均等な変化及び付加などは、いずれも本発明の特許がカバーする範囲に含まれるものである。

１ 海水
２ 濃縮海水
３ 金属酸化物
４ 金属
１０ 海水処理装置
１１ 取水装置
１２ 濃縮装置
１２１ 第１の太陽光集熱器
２０ 沈殿設備
２１ チャンバ
２２ 第２の太陽光集熱器
３０ 分離設備
３１ 第３の太陽光集熱器
４０ 発電設備
４１ 第１の電極
４２ 第２の電極
４３ 電解質

Claims (6)

1. 海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法であって、
   工程１：第１の太陽光集熱器を有する海水処理装置と、第２の太陽光集熱器を有する沈殿設備と、第３の太陽光集熱器を有する分離設備と、発電設備とからなり、海洋に隣接する電気エネルギー供給設備を提供するものであり、このうち前記発電設備は第１の電極担持体と、前記第１の電極担持体に対応し且つ炭素材質を含む第２の電極と、電解質とを備えており、
   工程２：前記海水から海水を取水するとともに前記海水を前記海水処理装置に導入して、前記海水を１００℃から１２０℃の間の第１の温度にまで加熱することで、濃縮海水を得て、
   工程３：前記濃縮海水を前記沈殿設備に導入するとともに沈殿剤を投入することで、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）を含有する第１の結晶物を得て、
   工程４：前記第１の結晶物を６００℃から１１００℃の間の第２の温度にまで加熱することで、前記濃縮海水中の水分を除去しつつ前記第１の結晶物を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含有する第２の結晶物に転換し、
   工程５：前記第２の結晶物を前記分離設備に送り込むとともに還元剤を投入して、１２００℃から２４００℃の間の第３の温度にまで加熱して、前記第２の結晶物を金属マグネシウムに転換し、
   工程６：前記金属マグネシウムを前記発電設備に送り込むものであり、このうち、前記金属マグネシウムは前記第１の電極担持体に送り込まれて第１の電極を形成して、前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ前記電解質とで電気化学反応を行って、前記第１の電極と前記第２の電極とに電位差を発生させて電気エネルギーを生成する、工程を含む、ことを特徴とする海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法。
2. 工程２、４、５の加熱工程では、標準気圧にて加熱を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法。
3. 前記炭素材質がカーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンファイバ及びカーボンブラックからなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項１に記載の海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法。
4. 前記沈殿剤が水酸化カルシウム、炭酸カルシウム及び酸化カルシウムからなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項１に記載の海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法。
5. 前記還元剤がケイ素、鉄、クロム、炭素及び炭化カルシウムからなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項１に記載の海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法。
6. 前記電気エネルギー供給設備が、工程６にて生成された前記電気エネルギーを受取って蓄電するための蓄電モジュールを更に備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の海水から金属電極を製造して電気エネルギーを生成する方法。