JPH0785900A

JPH0785900A - 電気化学的発電装置

Info

Publication number: JPH0785900A
Application number: JP22691093A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Yasuda; 繁之安田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】低温度の熱エネルギーを効率良く電気エネル
ギーに変換する。【構成】液溜器１１内にポリエチレングリコール溶液
１２を貯溜し、このポリエチレングリコール溶液１２に
イオン導電性を与える塩類（塩化リチウム）と電子捕捉
剤（例えばハロゲン化物，芳香族化合物類等）を添加す
る。このポリエチレングリコール溶液１２中に、グラフ
ァイト製の平板状の正極１３と平板状の負極１４（例え
ば銅電極）とを平行に対向させて浸し、外部から１００
℃前後の熱を加える。これにより、正極１３のグラファ
イトからポリエチレングリコール溶液１２中に移動した
電子は、電子捕捉剤と反応してポリエチレングリコール
溶液１２中に拡散し、グラファイト表面近くの電子の量
が新たな電子移動を妨げない程度まで減少する。これに
より、グラファイトからポリエチレングリコール溶液１
２への新たな電子移動が繰り返し発生し、電力が定常的
に発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、グリコール系有機物を
電解質とする電気化学的発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、エネルギー資源の多様化・地球環
境保護等の要請から、小規模発電に、ゼーベック効果を
利用した熱電発電素子による熱電発電を利用することが
考えられている。この熱電発電は、例えば、プロパン等
の化石燃料をバーナーで燃焼させて得られた〜８２０Ｋ
の熱源によりＰｂＴｅ系の熱電発電素子を加熱して、ゼ
ーベック効果により熱起電力を発生させたり、或は、化
石燃料を白金触媒によって徐燃させて得られた〜６００
Ｋの熱源によりＢｉＴｅ系の熱電発電素子を加熱するよ
うにしたものもある。その他、化石燃料の補給が困難な
場合には、原子炉や放射性同位元素を熱源としてＳｉＧ
ｅ系の熱電発電素子により熱電発電することが考えられ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の熱電発電素
子を用いた熱電発電では、高温度の熱源を必要として、
熱電変換効率が低いという欠点がある。しかも、高温度
の熱源を得るために、化石燃料や原子炉、放射性同位元
素を必要とするため、装置全体が大掛かりとなって、コ
ンパクト化・低コスト化の要請に反するばかりか、ラン
ニングコストも高くつき、省エネ効果もあまり期待でき
ない。

【０００４】この他、太陽光エネルギーを光起電力効果
により電気エネルギーに変換する太陽電池もあるが、こ
の太陽電池は高価であると共に、太陽光線の当たるとこ
ろでしか使用できず、光以外の熱エネルギーを電気エネ
ルギーに変換できない致命的な欠点がある。しかも、太
陽光線を受けるために広い面積を必要とし、コンパクト
化・低コスト化の要請にも反する。

【０００５】本発明はこの様な事情を考慮してなされた
もので、その目的は、熱源として排熱等の低温度の熱エ
ネルギーを利用できて、その低温度の熱エネルギーを効
率良く電気エネルギーに変換でき、発電を経済的なもの
にして、十分な省エネ効果を得ることができると共に、
地球環境保護にも貢献でき、しかも、装置全体のコンパ
クト化・低コスト化も実現することができる電気化学的
発電装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電気化学的発電装置は、グラファイト又は
グラファイト含有物により形成された正極と、金属によ
り形成された負極と、これら正負両極を浸す液状又はペ
ースト状のグリコール系有機物とから成り、前記グリコ
ール系有機物に電子捕捉剤を添加したものである。

【０００７】この場合、前記グリコール系有機物中に、
イオン導電性を与える塩類も添加することが好ましい。

【０００８】

【作用】本発明者は、自己温度調節面状発熱体としての
ポリエチレングリコール−グラファイト系（以下「ＰＧ
−ＧＣ系」と略称する）の研究を続け、その研究成果が
特許第１６４７６９６号（特公平３−１０２０３号）等
として特許されている。その後、このＰＧ−ＧＣ系の導
電機構を解明する過程で、グラファイト（ＧＣ）からポ
リエチレングリコール（ＰＧ）への電子移動の存在を仮
定すると、この系のスイッチングや電流−電圧の関係を
説明することができた。この事から、ＰＧ−ＧＣ系は、
発電装置として機能するかもしれないとの発想が生ま
れ、実験を行ったところ、予想以上の起電力・短絡電流
を発生する発電装置を発明するに至った（特願平４−２
０１２８１号，特願平４−２７８６２３号，特願平４−
３３４２０１号等）この発電装置の構成は、液溜器に貯溜したグリコール系
有機物中に正負両極を浸し、前記液溜器を通して例えば
１００℃前後の熱エネルギーをグリコール系有機物に加
えることにより、電極反応を起こさせて発電するように
したものであり、正極をグラファイト又はグラファイト
含有物により形成している。

【０００９】従来の化学電池においては、正極側で還元
反応が起こり、負極側で酸化反応が起こる。これに対
し、この発電装置によれば、負極側では電極が酸化さ
れ、金属イオンとなってグリコール系有機物中に溶出す
るが、正極側では、グラファイトからグリコール系有機
物への電子移動が起こるのみである（この原理について
は特願平４−２０１２８１号の明細書に詳述されてい
る）。正極のグラファイトには、この電子移動に伴いホ
ールが形成されるが、負極側で発生した電子が外部回路
を流れて正極に到達してホールを埋めるようになるの
で、正極のグラファイトは、見掛上、何の変化も見られ
ない。この点が従来の化学電池と大きく異なっている。

【００１０】この発電装置の原理を究明する過程で、本
発明者は、空気中の酸素がグリコール系有機物中に溶け
込んで金属イオンの溶出に一役買っているのではないか
と推測し、グリコール系有機物中に酸素又は酸素含有ガ
スを供給しながら実験を行ったところ、予想以上の起電
力・電流を発生する電気化学的発電装置（一種の燃料電
池）を発明するに至った（特願平５−１００６６５
号）。

【００１１】以前から、この電力発生機構における酸素
の役割は、電子との反応ではないかと推定し、実験を重
ねるうちに、酸素がなくても、電子捕捉剤（過剰電子と
反応する化合物）があれば、酸素と同じように作用する
ことが判明した。本発明は、この事実に基づいてなされ
た発明であり、正負両極を浸す液状又はペースト状のグ
リコール系有機物に電子捕捉剤を添加したことを特徴と
するものである。本発明者は、この電子捕捉剤の役割を
次のように推定している。

【００１２】即ち、正極のグラファイトからグリコール
系有機物中に移動した電子は、クーロン力等により、グ
ラファイト表面近くに局部的に存在していて、グリコー
ル系有機物中へは拡散してゆきにくいものと推定してい
る。このままの状態では、グラファイト表面近くに局在
する電子の量が増えるに従って、グラファイトからグリ
コール系有機物への新たな電子移動が妨げられ、電力の
発生を持続させることは不可能である。

【００１３】この点、本発明では、グリコール系有機物
に電子捕捉剤を添加しているので、正極のグラファイト
からグリコール系有機物中に移動した電子は、電子捕捉
剤と反応してグリコール系有機物中に拡散してゆき、グ
ラファイト表面近くの電子の量が新たな電子移動を妨げ
ない程度まで減少する。これにより、グラファイトから
グリコール系有機物への新たな電子移動が繰り返し発生
し、電力が定常的に発生する。

【００１４】また、グリコール系有機物に、イオン導電
性を与える塩類を加えれば、グラファイトからグリコー
ル系有機物への電子の移動を促進することができて、発
生電力を効率良く高めることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を説明する。液溜器
１１は外部の熱を吸収しやすい熱良導性材料で形成さ
れ、その内部にグリコール系有機物であるポリエチレン
グリコール溶液１２（第一工業製薬＃３００）が貯溜さ
れている。このポリエチレングリコール溶液１２中に
は、グラファイトにより形成された平板状の正極１３と
例えば銅板により形成された平板状の負極１４とが互い
に平行に対向した状態で浸されている。これら正負両極
１３，１４は、液溜器１１の上面に被せられた絶縁材製
の蓋１５に吊り下げられている。

【００１６】上記ポリエチレングリコール溶液１２に
は、イオン導電性を与える塩類として例えば塩化リチウ
ムが１重量％添加されている。更に、このポリエチレン
グリコール溶液１２中には、電子捕捉剤（過剰電子と反
応する化合物）が１重量％添加されている。

【００１７】この場合、電子捕捉剤としては次の(1) 〜
(6)のいずれかの化合物を用いれば良い。

【００１８】(1) ハロゲン化物例えば、ヨードベンゼン、ヨードメタン、クロルベンゼ
ン等である。これらの化合物は電子と反応して、ハロゲ
ンアニオンと、ラジカルを生成する。ＲＸ＋ｅ⁻ → ・Ｒ- ＋Ｘ⁻ ここで、Ｒはアルキル基，芳香族環、Ｘはクロル基，ブ
ロム基，ヨード基，フルオル基である。

【００１９】(2) 芳香族化合物類例えば、ベンゼン、トルエン、ナフタレン、ピレン、ア
ントラセン、ビフェニル等である。これらの化合物は一
般に電子親和力が強く、電子と反応してアニオンを形成
する。Ａｒ＋ｅ⁻ → Ａｒ⁻

【００２０】(3) カルボニルを含む化合物例えば、カルボン酸類、アルデヒド類、ケトン類、エス
テル類等である。代表例として、アセトンの反応を示す
と、下記のようになり、ラジカルを形成する。

【化１】

【００２１】(4) シアノ基をもつ化合物例えば、シアノ酢酸、シアノヒドリン等である。これら
の化合物は、電子と反応してアニオンを形成する。Ｒ−ＣＮ＋ｅ⁻ → ＲＣＮ⁻

【００２２】(5) 硫黄を含む化合物例えば、硫黄化合物、硫酸化合物等である。この化合物
も電子親和力が強く、電子と反応してアニオンを形成す
る。

【００２３】(6) ニトロ基、ニトロソ基をもつ化合物例えば、ニトロベンゼン、ニトロメタン、ニトロトルエ
ン、ニトロソナフトール、ニトロソアミン等である。

【００２４】本発明者は、これらの電子捕捉剤が酸素と
同じ役割を果たすことを確認するために、次のような実
験を行った。まず、液溜器１１内の空気を真空排気系
（図示せず）により排気して、液溜器１１内の酸素濃度
を可能な限り低下させ、酸素の影響を排除した。この状
態で、液溜器１１内のポリエチレングリコール溶液１２
を９０℃〜１００℃程度に加熱しながら正負両極１３，
１４間の電圧を測定した（この測定結果を図２に示
す）。この電圧測定を１０分間継続して行い、正負両極
１３，１４間の電圧が安定していることを確認した。図
４の測定結果は、電子捕捉剤として１重量％のピレン
（○印），ビフェニル（×印）、ヨードベンゼン（□
印）を用いたものであるが、いずれの場合も、６００ｍ
Ｖ以上の電圧が安定して得られることを確認した（この
電圧は常温下でも得られる）。この電圧は、同じ実験装
置を用いて酸素存在下で得られた電圧とほぼ同じであっ
た。

【００２５】これに対し、同じ実験装置で、電子捕捉剤
を添加しない場合、真空状態下ではせいぜい１０ｍＶ程
度の電圧が得られるに過ぎないことを確認した。この結
果から、電子捕捉剤が酸素と同じ役割を果たしているも
のと推定できる。本発明者は、この電子捕捉剤の役割を
次のように推定している。

【００２６】即ち、正極１３のグラファイトからポリエ
チレングリコール溶液１２中に移動した電子は、クーロ
ン力等により、グラファイト表面近くに局部的に存在し
ていて、ポリエチレングリコール溶液１２中へは拡散し
てゆきにくいものと推定している。このままの状態で
は、グラファイト表面近くに局在する電子の量が増える
に従って、グラファイトからポリエチレングリコール溶
液１２への新たな電子移動が妨げられ、電力の発生を持
続させることは不可能である。

【００２７】この点、本実施例では、ポリエチレングリ
コール溶液１２に電子捕捉剤を添加しているので、グラ
ファイトからポリエチレングリコール溶液１２中に移動
した電子は、電子捕捉剤と反応してポリエチレングリコ
ール溶液１２中に拡散してゆき、グラファイト表面近く
の電子の量が新たな電子移動を妨げない程度まで減少す
る。これにより、グラファイトからポリエチレングリコ
ール溶液１２への新たな電子移動が繰り返し発生し、電
力が定常的に発生する。この際、ポリエチレングリコー
ル溶液１２を９０℃〜１００℃程度に加熱すると、効率
良く電流を発生させることができる。

【００２８】また、本実施例のように、ポリエチレング
リコール溶液１２に、イオン導電性を与える塩類（例え
ば塩化リチウム）を加えれば、グラファイトからポリエ
チレングリコール溶液１２への電子の移動を促進するこ
とができて、発生電力を効率良く高めることができる。

【００２９】但し、イオン導電性を与える塩類として
は、塩化リチウムに限定されず、ＮａＣｌ等の他の金属
ハロゲン化物や、無機酸の金属塩（Ｎａ2 ＳＯ4 ，Ｋ3
ＰＯ4，ＮａＮＯ3 ）や過塩素酸金属塩（ＬｉＣｌＯ4
，ＮａＣｌＯ4 ）、或はシュウ酸塩、ギ酸塩、カルボ
ン酸塩等の有機酸塩類であっても良い。最近、本発明者
が行った実験によれば、イオン導電性を与える塩類とし
て過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4 ）を用いると、電流
が増加することが確かめられている。

【００３０】尚、本実施例では、負極１４を銅により形
成したが、これに限定されず、負極１４をイオン化傾向
が銅と同等かそれよりも大きい金属（例えば亜鉛、アル
ミ等）で形成したり、鉄で形成しても良い。また、本実
施例では、正極１３をグラファイト板により形成した
が、例えば二酸化マンガン等の他の成分が混入したグラ
ファイト含有物を板状に成形して正極を作っても良い。

【００３１】更に、ポリエチレングリコール溶液１２中
に酸素含有ガス（空気等）や酸素ガスを供給する送気手
段を設けたり、ポリエチレングリコール溶液１２を撹拌
する撹拌手段を設けるようにすれば、前述した電子との
反応を促進することができ、発生電力を高めることがで
きる。

【００３２】また、電極１３，１４を浸すグリコール系
有機物は、ポリエチレングリコールに限定されず、トリ
エチレングリコール、エチレングリコール、プロピレン
グリコール、トリメチレングリコール等の他のグリコー
ル系有機物を用いても良い。更に、ポリエチレングリコ
ールを用いる場合、不織布に含浸されたペースト状のポ
リエチレングリコールを正負両極間にサンドイッチ状に
挟み込む構成としても良い。また、このグリコール系有
機物に二酸化マンガン等の賦活剤を添加するようにして
も良い。この賦活剤は、電極反応を促進して発生電力を
高める効果を期待できる。その他、本発明は、液溜器１
１の形状や電極１３，１４の形状・枚数を適宜変更して
も良い等、種々変更して実施できることは言うまでもな
い。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の電気化学的発電装置は、ゼーベック効果を利用した熱
電発電素子と比較して、低温度の熱エネルギーを効率良
く電気エネルギーに変換できると共に、太陽電池とは異
なり、光の無い場所でも発電可能である。このため、熱
源として排熱や、太陽熱、地熱、温泉熱等の低温度の熱
エネルギーを有効に利用できて、発電を経済的なものに
して、十分な省エネ効果を得ることができると共に、地
球環境保護にも貢献できる。更に、本発明の電気化学的
発電装置は組成物の原材料コストが安価であり、熱電発
電素子や太陽電池と比較して、大幅な低コスト化が可能
であると共に、組成物も人体に無害の有機化合物であ
り、従来の化学電池と比較して、人体に対する安全性も
高い。また、グリコール系有機物にイオン導電性を与え
る塩類を加えれば、反応を促進して発生電力を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電気化学的発電装置の
縦断面図

【図２】電圧の経時的変化を示す図

【符号の説明】

１１…液溜器、１２…ポリエチレングリコール溶液（グ
リコール系有機物）、１３…正極（グラファイト電
極）、１４…負極（金属；銅）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】グラファイト又はグラファイト含有物に
より形成された正極と、金属により形成された負極と、
これら正負両極を浸す液状又はペースト状のグリコール
系有機物とから成り、前記グリコール系有機物に電子捕捉剤を添加したことを
特徴とする電気化学的発電装置。
【請求項２】前記グリコール系有機物中に、イオン導
電性を与える塩類も添加されていることを特徴とする請
求項１記載の電気化学的発電装置。