JPWO2008015844A1

JPWO2008015844A1 - 発電装置

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Publication number: JPWO2008015844A1
Application number: JP2008527682A
Authority: JP
Inventors: 信義辻
Original assignee: Techno Bank Co Ltd
Current assignee: Techno Bank Co Ltd
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2009-12-17
Also published as: CA2659513A1; US20090324997A1; MX2009001132A; BRPI0715461A2; AU2007279876A1; EP2048110A1; KR20090060996A; WO2008015844A1

Abstract

本発明は、加水分解で水素ガスを発生させ水素需要体が発電をする系と、電極とイオンの酸化・還元による化学反応から発電をする系の二系統を有する発電装置に関する。本発明の発電装置は、機能物質を容器内部に装着したもの、あるいは負極および陽極に機能物質を装着して電解質からなる電池要素を容器内部に設けた水素発生容器による水素放出手段と、機能物質と水または水溶液（電解液）とを反応させる加水分解および加水分解による機能物質の変質から結晶間に定着している水素原子の結合による双方からの水素ガスを発生させる液体容器を含む水素発生手段と、水素発生容器の電池要素が起電する第一の起電手段と、水素発生容器の発生水素ガスによって水素需要体が起電する第二の起電手段と、第一の起電手段による電力を負荷装置に通電して負荷による電流量によって水素発生手段の水素ガスの発生量を制御する制御手段とで構成した。

Description

本発明は、加水分解で水素ガスを発生させ水素需要体が発電をする系と、電極と複数イオンの酸化・還元による化学反応から発電をする系の二系統を有する発電装置に関する。

水を加水分解するために金属材料などを高温熱で加熱し水と反応させたり、乾燥固形の水素化物と水蒸気とを反応させて水素を発生させ、燃料電池などに供給して酸素との反応で電流を発生させる発電装置として提供されている。
このような文献資料としては、以下が知られている。
特許公開２００４−１４９３９４特許公開２００２−０６９５５８国際特許公開ＷＯ２００３／０２０６３５

この金属材料の高温加熱による水素発生方法では、装置も大きく熱害の課題があり、酸・アルカリの材料を含む水素化物に水蒸気を反応させる水素発生方法では、酸、アルカリによる固体高分子型燃料電池等の装置の劣化害や、作動停止中でも低湿度で水素発生が起きるという危険な課題がある。
また、金属材料の高温加熱による水素発生方法では、６００℃以上の反応環境にあり、加水分解のために供給する水自体の蒸発が激しく供給水量が多いため効率が悪く、他方、酸・アルカリの材料を含む水素化物に水蒸気を反応させる水素発生方法では、水素化物の再生に手間がかかり有害な生成物も発生する。
また、従来方法では、発生水素ガスの制御が困難で余剰水素ガスの備蓄手段もないため、発生余剰ガスの圧力で破裂する課題がある。これを産業や民生で利用する固体高分子型燃料電池、水素エンジン、水素溶断システム、半導体製造装置などの水素需要体の水素供給源としては、危険が伴い不適当な手段である。
また、水素発生の制御の課題は、特に小型な携帯電話や自動車などの装置が天地を逆にして用いられたり、ランダムな水素供給が要求される場合、装置内に水または水溶液が注入されているため、常に重力の作用する側に溜まることで、発生した水素ガスの放出・流路の確保や水素消費量の変動に対応する制御も困難である。
また、負極に水素吸蔵合金を装着し陽極のニッケル化合物とのイオンの酸化・還元による化学反応から充放電するＮｉ−水素二次電池の文献資料としては、以下が知られている。
特許公開２００２−１０５５６４

この密閉のＮｉ−水素二次電池では、出力を多くしたい場合には、水素吸蔵量が最大のマグネシウム（Ｍｇ）材料の合金割合を多くする。しかし、反面でマグネシウムの割合を増すほどに電解液との加水分解反応も反比例的に増して、耐久性も短くなり発生水素ガス圧で電池が爆発するという課題がある。
従って本発明は、従来技術の課題である装置が小型な携帯電話や自動車などの電源として用いる場合、天地を逆にして用いられたりランダムな水素供給が要求されても機能に影響がなく電力供給ができることにある。且つ、発生する水素ガス量や電池機能を向上しても装置の小型化と低コスト化ができることにある。他の目的は、資源枯渇もなく環境保全にもよい身近な物質を用いて、自然または再生可能なエネルギーからの電気エネルギーを物（機能物質）として変換し、安全で大量な貯蔵・輸送を提供する。

本発明では、機能物質を容器内部に装着したもの、あるいは負極および陽極に機能物質を装着して電解質からなる電池要素を容器内部に設けた水素発生容器による水素放出手段と、機能物質と水または水溶液（電解液）とを反応させる加水分解および加水分解による機能物質の変質から結晶間に定着している水素原子の結合による双方からの水素ガスを発生させる液体容器を含む水素発生手段と、水素発生容器の電池要素が起電する第一の起電手段と、水素発生容器の発生水素ガスによって水素需要体が起電する第二の起電手段と、第一の起電手段による電力を負荷装置に通電して負荷による電流量によって水素発生手段の水素ガスの発生量を制御する制御手段とで構成される。
機能物質は、自然に微紛化する最終の粒径以下から１ｎｍ以内に微粉化されると、機能物質の単位質量あたりの表面積が拡大され単位質量あたりの界面反応を著しく促進し、未知の機能性も生ずる。最良の粒径は３μｍ以下１ｎｍの域であり、この微紛体の利用にあたっては装着の簡易化、飛散や被毒の防止、熱や電気の伝導性、被膜材質の特定物質の透過性など、様々な課題を解消する工夫が不可欠となる。その手段として、製造した機能物質の微粉体の表面を被膜材として可塑性高分子の樹脂等で薄く被膜化することで、様々な課題が解消できる。たとえば、機能物質が水素吸蔵合金の場合であれば、大気中などの主に酸素のほか炭酸ガス、窒素、水分などが直接に水素吸蔵合金の表面に触れないようにできるため、被毒や界面反応などが防止できる。あるいは、機能物質の粉体をまとめて固形体や粗粒子にすることで熱や電気の伝導性も高めることができる。あるいは、被膜材に水溶性の高分子の樹脂で脂肪族ポリエステル系樹脂のように７０℃以下で分子が流動化をする低温熱可塑性の高分子の樹脂で被膜をする場合では、機能材料の膨縮で膜の亀裂が生じても自己発熱の低温熱で自己修復して微紛の脱落を防いだりや密着固定を維持することができる。
また、被膜化のプロセスでは、従来のメッキ法、真空蒸着法などでは、製造コストが高い。この点、水溶解性や有機溶剤溶解性の高分子の樹脂は、水や有機溶剤によって容易に薄い成膜工程が可能である。比較的低温域で作動する装置では、例えば、化学合成法によって乳酸を重合した水溶解性有機高分子の樹脂である脂肪族ポリエステル系樹脂またはポリオレフィン系の樹脂などを水に分散したエマルジョンタイプを用いることができ、他にも一般の有機高分子の樹脂も使用できる。これらの機能性として、具体的には、機能物質が装置に装着され運転時間の経過と共に被膜の表面にクラックが生じた場合、高分子機能が低温熱可塑性から運転時の発熱等により被膜の亀裂を自己修復できる。
これらの機能性の応用において、機能物質が水素吸蔵合金の場合、水素貯蔵の目的で水素コンテナや水素貯蔵施設などの大型な水素貯蔵容器の場合でも同様に、被膜化した粒状の様々な機能物質と、結合材とを混合して固形化したものを装置内のパイプの内側または外側に詰め込んで装着する場合、被膜化した粒状の機能物質を、予め活性化してから結合材とを混合して有機溶剤によるペースト化したものを固形化して、装置内のパイプの内側または外側に詰め込んで装着するか、ペースト化したものを波形プレートの溝内に固形接着すると、後から活性化を要しないために大型装置が圧力に対して頑丈な容器である必要がない。この応用は、水素精製の目的で、パイプまたはシートの形状を含む改質ガスや低純度水素ガスの水素精製装置、あるいは、ヒートポンプの目的で、熱交換装置、あるいは、水素加圧の目的で、水素圧縮装置においても同様な効果を得ることができる。
また、機能物質と、被膜材に可塑性高分子の樹脂を用いてニッケル水素電池やリチウム金属電池などの電池の電極箔に装着すると、活物質が水素やリチウムの吸蔵および放出による膨縮から微紛化して脱落することが防止でき、負極と正極と分離膜からなる発電要素を接合して絶縁膜で覆って一体化すると、より発電要素の機能性が高まり電池の長寿命化も実現できる。
機能物質の水素化のプロセスについて、耐圧容器内に金属や合金など機能物質の粗粒子を入れて高圧水素を導入しておき、温調部に電熱線、電熱プラグ、レーザー放射プラグなどを選択し設けることによって、機能物質の一端を高温加熱して着火をすることで、水素化反応による自己発熱を利用した合成ができるため、ナノメートル域の金属結晶を含む水素化物の微粉体が低コストで容易に得られる。
また、このレーザー放射では、金属化合物等の材料を高温加熱してガス化分離させて冷却する方法で金属を還元することができる。金属還元は、たとえば、機能物質として利用後の酸化マグネシウムであれば、自然エネルギーなど再生可能なエネルギーから作られたレーザーを温調部のレーザー放射プラグから照射し、酸化マグネシウムを高温加熱してガス化させ、酸素は放散させマグネシウムのガスを冷却することによって微粒子金属が還元製造できる。
また、自然または再生可能なエネルギーによって還元および水素化が行われて製造された機能物質は、防水された容器または袋で密封保存できる。言い換えると、自然または再生可能なエネルギーで発電された電気エネルギーを用いることによって高密度な安全物質として電気エネルギーが変換され貯蔵・輸送ができる。
この水素化した機能物質は、例えば、水素化マグネシウムであれば水素発生容器に充填して、水素発生容器内部に水または水溶液を注入することで、マグネシウムが加水分解で発生させる水素ガスと、そのマグネシウムが反応して水酸化マグネシウムに変質することでマグネシウムの結晶間に定着している水素原子が開放され、原子２つ同士が結合して水素分子を生成することで発生する水素ガスの双方からの大量の水素ガスを得ることができる。
この容器を風呂水、洗浄水、養殖水などに投入することで、加水分解による大量な発生水素ガスを直接水に溶解させ還元電位と弱アルカリ性Ｐｈ値を与えた機能水の製造材として用いることができる。
また、発生水素ガスを水素需要体に供給して、水素需要体が燃料電池や水素機関であれば、酸素と水素の化合によって水を生成する。この生成水は、酸・アルカリを含まないため水素発生容器内部に再度直接循環させることができ、外部から水を供給することなく加水分解の原料水を得ることができる。
従来この加水分解反応は、酸・アルカリの材料の水溶液を用いるか、高圧環境で１４０℃以上の加熱をすれば水との自走反応は可能であって、常温水での反応が持続できないことも知られているが、自然界に存在し人体にも有用な、一般にはにがり（塩化マグネシウム／ＭｇＣｌ）を水溶液（電解液）として用いると常温常圧域で加水分解の自走反応を行うことができる。
この反応は、局部電池の短絡による自己放電現象から、これを利用して容器内に電池要素を形成すれば起電することができる。電池要素の構成は、例えば、負極の活物質に機能物質のマグネシウム（Ｍｇ）または水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）を装着して、電解質に塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ）水溶液（電解液）、高分子固体電解質と、陽極の拡散層には、Ｎｉ、Ｔｉ系などの金属、合金、金属化合物の粉末、粉末活性炭やグラファイトおよび触媒などをフッ素樹脂に混ぜ合わせた機能物質を電極に装着して酸素、水酸化ニッケル等の複数の活物質を有する電池を構成すると、多価のイオンを含む複数イオンでも単位面積が拡大され界面反応を促進できる拡散層で受け止めることができ、分極抵抗を低減した加水分解を兼ねるマグネシウム電池として機能できる。
また、この密閉な電池ではない場合では、電解質に水素ガス流出を遮蔽する機能を持たせる必要から高分子固体電解質のほか毛管現象機能を持つ不織布などとゲル体を併用して電解液を含ませると、水素発生容器内で発生する水素ガスを陽極面の開放部から外部に流出させず水素需要体へ送ることができ、容器の破裂も防止できる。これは、板状電池やボタン電池のように携帯機器の小型化な電池分野へも応用ができる。
また、これを密閉型の電池とする場合でも、陽極には水素およびマグネシウムの各イオンが受け止められるＮｉ、Ｔｉ系などの金属、合金、金属化合物の粉末および触媒など活物質材料を混在させ電池要素を構成すると、単位面積を拡大して界面反応を促進し、多価のイオンを含む複数イオンを受け止めることで分極抵抗を低減した加水分解を兼ねる電池として機能できる。
また、容器の電池要素で起電した電力を負荷装置へ通電して負荷を流れる電流量を変動させることによって、例えば、負極のマグネシウム（Ｍｇ）のイオン化を増減させると、それに応じてマグネシウム（Ｍｇ）の表面側から金属結晶が水酸化マグネシウムに変性する量も比例的となる。このとき、Ｍｇ金属の結晶間に定着場所を失った水素原子は、原子の２個が結合して水素分子となるため水素ガスを生成する。この生成量は負荷電流量による反応から水素ガスの発生も電流で制御ができる。
また、容器や電池要素のセルを積層して構成すると燃料電池自動車など高電圧で水素消費量の変動も大きな水素需要装置を用いる分野でも水素発生の制御が容易にできる。
また、このような電池構造を利用して、負極にマグネシウム（Ｍｇ）の粒子や粉末を装着して容器を製造し、最初に充電をすることで負極のマグネシウム（Ｍｇ）を水素化させて大容量な一次電池として用いることができる。
また、容器を活物質に酸素（Ｏ）を用いる二次電池（充放電）として構成する場合は、マグネシウム（Ｍｇ）の粉体に可塑性高分子あるいは金属でコーティングし負極に固形装着して、電解液にアルカリ性水溶液または非水溶液等と、陽極の拡散層には水素およびマグネシウムの各イオンが受け止められ分極抵抗を回避するために、Ｎｉ、Ｔｉ系などの金属、合金、金属化合物の粉末、粉末活性炭やグラファイトおよび触媒などをフッ素樹脂に混ぜ合わせた機能物質を装着させると、充放電させることができる。
この電池構成の場合、陽極が大気中の酸素を活物質として用いるため正極側では放電できる電気量が制限されず、電気容量を飛躍的に増大させることができるほか、充電に電気または水素の両方を用い供給して充電を行うことができる。
また、陽極の活物質が酸素、塩化チオニル、水酸化ニッケル以外にも金属酸化物またはコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等の遷移金属酸化物の機能物質を用い、電解質と、負極の機能物質に様々な物質が用いられて電池要素が容器内に構成すると、複数イオン（水素イオン、金属イオン、リチウムイオン等）による分極抵抗を回避した複合電池ができる。
また、容器の内部に電池要素を設けない場合は、下部に反応室を設け、例えば、板状の塊または破片あるいは粉体または粉体を固形化した物など多様な形態のマグネシウム（Ｍｇ）または水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）の機能物質を内部に装着して、上部に液体室を設けて、水溶液（電解液）を入れて構成させると、サイホン現象を利用して発生する水素ガスの圧力で水溶液（電解液）を押し上げ（流出）させ、または発生水素ガスを水素需要体が消費することで圧力が降下し落水（流入）させて、水溶液（電解液）と機能物質との加水分解の反応を自動で制御することができる。

第１図は、本発明の一実施例の全体図で全体の概要を示している。第２図は、本発明の一実施例で小型な水素発生容器が装着された全体および部分の断面を示している。第３図は、本発明の一実施例で中大型な水素発生容器の全体および部分の断面を示している。第４図は、本発明の一実施例で電池要素を用いない水素発生容器の全体の断面を示している。

本発明の詳細を説明するために添付の図面に従ってこれを説明する。

機能物質の微粉化および水素化の工程と皮膜および装着の工程を説明する。
機能物質が水素吸蔵合金の場合、材料として、一般的にはＣａ、Ｌａ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉなど、ほかにも第３の元素Ｖ系などが知られ、これら材料を調合して溶解によってＬａ−Ｎｉ系、Ｍｇ−Ｔｉ系の合金など鋳造水素吸蔵合金が製造された後、水素を吸蔵させ初期粉砕あるいは機械的粉砕によって水素貯蔵物質の微紛体が製造されている。他にも機能物質として、金属や合金の粒子またはＭｇの粒子などを耐圧容器内に入れ高圧水素を導入しておき、機能物質の一端を高温加熱して着火をすることで水素化反応による自己発熱を利用した燃焼合成によって、Ｍｇ−Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｖ系、Ｍｇ−Ｃａ−Ｎｉ系の合金など、あるいはＡｌ、Ｍｇなどの金属を含む金属水素化物の結晶をナノメートル域の微粉体が製造されている。他にも同様な方法として、レーザー照射で材料を高温加熱してガス化したものを冷却して非平衡（アモルファス）の微粉体が製造されている。
また、水素吸着材料と水素吸蔵合金などによって機能物質を製造する場合では、例えば、グラファイト構造やアモルファス構造の炭素系材料の紛体と、水素吸蔵合金または炭化物もしくは酸化物のいずれか一種類また複数種以上の粉体を混合して、不活性ガス等を用いて機械的粉砕によって機能物質のナノメートル域の微紛体が製造され、一般公知の触媒材料においても同様にして製造される。
このようにして製造された機能物質の微粉体は、平均的な粒径が２０ｎｍであれば、比表面積は、凡そ４５ｍ２／ｇとなる。仮に粒径が０．５μｍの粉体の場合であれば比表面積は凡そ１ｍ２／ｇであるのに比べて、ナノメートル域の微粉体では、単位質量あたりの表面積が格段と大面積化となるために水素吸蔵、水素やメタンの吸着機能のほか、消臭、分解など触媒機能も向上するほか、加水分解などでは単位重量あたりの反応時間も早くなる。
機能物質の材料は、ヨウ素等のハロゲン元素またはその化合物。硫黄やセレン等の酸素族元素またはその合金あるいはその化合物。ヒ素、アンチモン、ビスマス等の窒素族元素またはその合金あるいはその化合物。炭素、ケイ素、錫等の炭素族元素またはその合金あるいはその化合物。リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属元素またはその合金あるいはその化合物。ベリリウム、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属元素またはその合金あるいはその化合物。亜鉛、カドミウム、水銀の亜鉛・カドミウム・水銀元素またはその合金あるいはその化合物。ホウ素、アルミニウム、ガリウム等のホウ素族元素またはその合金あるいはその化合物。遷移元素として、チタン、クロム、マンガン、鉄、ニッケル等の第４周期の遷移元素、ジルコニウム、ルテニウム、パラジウム等の第５周期の遷移元素、ランタン、タンタル、白金等の第６周期の遷移元素、トリウム等の第７周期の遷移元素であり、これらの遷移元素または合金あるいはその化合物である。これらの材料が機能物質として必要に応じて一種類または複数種類以上が選択され用いられている。
製造されたナノメートル域の微粉体の機能物質は、被膜工程を経る。被膜材として低温熱可塑性の脂肪族ポリエステル系（テラマック／ユニチカ社製等）またはポリオレフィン系（アローベース／ユニチカ社製等）のほか四フッ化エチレン系等、水に分散したエマルジョンタイプの水溶解性高分子の樹脂を用い、水で希釈して機能物質の微粉体とを混練した後、被膜材料を１１０℃〜１５０℃で加熱乾燥してガラス転移させ結晶化した厚みが１〜５μｍの成膜が行なわれている。
あるいは製膜工程で水との反応で機能物質に障害を与える場合は、可塑性の有機溶解性高分子剤では、樹脂を有機溶剤に溶解させ、機能物質の粉体と混練して乾燥させた後、粉砕して粒子化される。他方、水溶性の高分子剤では、水溶液を乾燥させた後、粉砕して粉化させ、機能物質の粒子の周囲に結晶化後の厚みが１〜５μｍで成膜ができるための必要量と機能物質の微粉体とを調合し混合した後、電熱圧着ローラー等を用いて１１０℃〜１５０℃の加熱処理で被膜材料をガラス転移させ結晶化によって被膜が行なわれている。
製造された機能物質は、結合材とを混練したペーストを目的とする装置内または装置内のパイプの内側または外側または波形プレートの溝内、あるいは電極に塗り付けてから乾燥または加熱して固形接着される。必要によって、その固形化した表面から溶剤で希釈した水溶解性または有機溶剤溶解性の可塑性の高分子樹脂を塗布して被膜が行われている。
結合材は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素樹脂、スチレンブタジエンゴム、カルボキシセルロース等の公知の高分子樹脂を用いることができる。
また、機能物質の貯蔵具では、例えば、マグネシウムや水素化マグネシウムの紛体が、あるいはその粉体と脂肪族ポリエステル系樹脂等を乾燥させた粉体とを混合し、加熱でガラス転移を行い適当な粒径に粉砕したものを、防水された容器または袋に不活性ガスとともに充填して密封収納されている。

機能物質にマグネシウム（Ｍｇ）または水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）を用いる加水分解および起電の検証を説明する。
自然に存在する溶質の水溶液による加水分解の最短自走反応実験を試みた。試料は、試料１：マグネシウム（Ｍｇ）粒径２００μｍ以上１ｇ、試料２：水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）粒径５０μｍ以下１ｇ、の２種類を用いた。
水溶液には、水溶液１：水（Ｈ２Ｏ）、水溶液２：クエン酸（Ｃ６Ｈ８Ｏ７）８％水溶液、水溶液３：にがり（６水和塩化マグネシウムＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）５％水溶液の３種類を用いた。
実験方法は、３種類の常温（２０℃）水溶液各５ｃｃを、試験管内の試料に注ぎ入れてスタートし、自走反応が遅い場合は、徐々に水溶液を加熱しながら観察および計測をした。
試料１の場合、水溶液１：水（Ｈ２Ｏ）では、まったく反応せず、加熱９０℃で粒子表面に少し気泡を確認した。水溶液２：クエン酸（Ｃ６Ｈ８Ｏ７）８％水溶液では、激しく反応し温度上昇とともに２分足らずで反応が終了した。水溶液３：にがり（６水和塩化マグネシウムＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）では反応が遅く、加熱とともに反応が旱まり９０℃で気泡の上昇が確認できた。
試料２の場合、水溶液１：水（Ｈ２Ｏ）では、気泡が確認でき、加熱９０℃で気泡の上昇を確認した。水溶液２：クエン酸（Ｃ６Ｈ８Ｏ７）８％水溶液では、激しく反応し温度上昇とともに１．５分足らずで反応が終了した。水溶液３：反応が早く、時間とともに自己発熱で温度が上昇しながら９０℃で激しく気泡の上昇が確認できた。
水素ガスの最終の収集量は、各水溶液とも同様で、試料１：８００ｃｃ（マグネシウム重量比８ｗｔ％）、試料２：１４００ｃｃ（マグネシウム重量比１４ｗｔ％）であった。
次いで、陽極の活物質に空気（酸素）を、負極に水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）を用いる電池要素による起電実験を試みた。市販のマグネシウムバッテリーを分解し、負極に装着されているマグネシウムを取り外して、水素化マグネシウム粉末と水溶性の可塑性高分子剤を有機溶剤で解き混ぜ、電極サイズの枠を接続して圧縮しながら加熱して電極箔に固形接着した。
その他セパレーター、正極集電体等は製品部材の単セルを用い組み立て、電解液ににがり（６水和塩化マグネシウムＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）５％水溶液を用いた。製品の正極集電体では、粉末活性炭やグラファイト、触媒などをフッ素樹脂に混ぜ合わせたものを銅箔に塗って焼成して網状に形成されている。
実験の反応式と起電圧の計測値は、正極反応式：２Ｍｇ→２Ｍｇ^２＋＋４ｅ⁻、負極反応式：Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻、全反応式：２Ｍｇ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ→２Ｍｇ（ＯＨ）_２↓で、初期の起電圧は、２．７Ｖである。
負極にマグネシウムを用いると、リチウム電池に匹敵する電池が得られる事がわかった。空気とマグネシウムの理論上の起電力は、２．７Ｖであるが、同時に加水分解の反応（反応式：ＭｇＨ２＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ^２＋＋２ＯＨ⁻＋２Ｈ_２↑）による複数のイオンによる分極抵抗によって次第に低下する。
この検証には、一次電池として電解液に塩素系化合物の水溶液を用いて加水分解反応を優先させたが、他の機能物質を用い二次電池として採用する場合は、電解液に水酸化カリウム（ＫＯＨ）などアルカリ性電解液や有機溶剤を用いるとよい。
水素ガス発生量の計測値は、約６５０ｃｃ／ｇ（マグネシウム重量比６ｗｔ％）であった。電気量とマグネシウムの減少量は、比例関係にあるので、表１に電気量とマグネシウム（Ｍｇ）の減少量、および負極面積と電流の関係を計測結果からファラデーの法則を用いて割り出した数値のグラフを示す。
ファラデーの法則は、理論上の電気量Ｑ（単位はＣまたはＡｓ）Ｑ＝Ｆｍｎ／Ｍで求められる。Ｆはファラデー定数、ｍは活物質の質量、Ｍは活物質の式量、ｎは反応に関与する電子の数で、電気量は活物質の質量に比例する。

第１図、第２図、第３図の実施例によって説明すると、第１図は、水素発生容器１の内部に、電池要素の陽極６、セパレーター４、機能物質２を装着した負極３が張り合わされて構成されて設けられ、電極からの引き出し線と負荷装置１０とが電線で結線されて通電し、他方の水素需要体３０と水素パイプ１２で連結連通されて、本発明の装置全体１０１を構成している。
また、本装置が移動を目的とする電源装置として、第２図では、携帯電話４０に水素発生容器１が組み込まれた実施例１０２で、第３図では、水素発生容器１が積層された中大型装置の実施例１０３である。
水素発生容器１が開放した一次電池または二次電池で酸素を活物質として用いる場合の陽極６は、拡散層５の機能物質として、Ｎｉ、ＭｇＴｉ系などの金属や合金のほか金属酸化物の粉末、粉末活性炭やグラファイトなどをフッ素樹脂に混ぜ合わせたものを銅箔の内面側に塗って焼成して網状に形成され、電極箔に引き出し電線が接続され形成されている。他方、水素発生容器１が密閉した二次電池で酸素等を活物質として用いる場合の陽極６は、拡散層５の機能物質として金属を前駆体溶液にＮｉ、ＭｇＴｉ系などの金属や合金のほか金属酸化物の粉末を混合分散したものを銅箔の内面側に塗って焼成して形成され、電極箔に引き出し電線が接続されて形成されている。
セパレーター４は、固体高分子電解質フィルム、グラスファイバーや不織布などにアクリル酸系樹脂または納豆の糸の成分、ポリグルタミン酸に放射線照射して合成された納豆樹脂などのゲル材と混成させたものを用いて、発電機能の向上と水または水溶液（電解液）２１を吸い上げ十分な水が補充できるように、電池要素の構成部から液体容器２０内まで延長して設けられている。
また、セパレーター４は、水素発生容器１を密閉にする構造の場合には、特にゲル材の必要性はないが、第２図のセパレーター４のように液体容器を設けられない場合や容器の陽極側が開放される場合は、不織布などとゲル材を用いて電解液を含ませて設けられる。
負極３は、内面側に機能物質２が貼り付けられて、外面側には、電池要素が密着して反応や導電性が高められるように容器との間にばね２５を挟んで設けられ、電極箔に引き出し電線が接続され形成されている。
負極３の内面側に装着される機能物質２は、水素発生容器１が加水分解および一次電池の機能の場合は、マグネシウム（Ｍｇ）の板状の塊、破片、または水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）の粗粒子が固形化され、あるいは二次電池機能の場合は、可塑性高分子または金属でコーティングされたマグネシウム（Ｍｇ）の粉末が結合材で固めて成形されて、引き出し線を設けた電極箔に接合されている。
また、電池要素の材料および形態は、特定するものではなく一般公知のものが利用できる。機能物質の粉体に可塑性高分子剤を用いて被膜化または接着すると、被膜破損を自己修復して飛散防止できるため耐久性が向上する。アルカリボタン電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、鉛蓄電池等、同様に採用すると耐久性なども向上できる。
液体容器２０内には、水溶液（電解液）２１として水またはにがり（６水和塩化マグネシウムＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）水溶液が用いられているが、電池要素の機能物質によって水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、非水溶液など公知の電解液が電池の構成と目的によって選択され注入される。
また、図示は無いが水素発生容器１の外側には、負荷装置１０および制御装置との配線ソケットおよび、水素需要体３０との水素ガスパイプソケットのほか、液体容器２０からセパレーター４へ水または水溶液（電解液）を送るための封しされた送液口がまとめられた接続部が設けられ、水素発生容器１が離脱着できるように構成されている。
水素需要体３０は、電池であれば燃料電池セル、水素機関であれば水素エンジンや水素ジェットエンジン、溶断や溶接であれば水素バーナー、水素ステーションであれば水素ポンプなどの水素ガスを使用する装置であり、目的装置と一体化し水素パイプで連結連通されて、水素ガスが水素発生容器１内に溜まることなく供給されている。
また、電池要素による単セルまたは水素発生容器１を積層して構成すると燃料電池自動車など高圧電力で水素消費量がランダムな分野でも利用しやすい。
また、中大型装置では、空気２２をブロアーポンプで送り込み、陽極の反応を高めて外部圧を高めることで内部からの水素漏れも防止できる。
このように構成された水素発生容器１の運転の一連動作は、一次電池の場合であれば、負荷装置１０のスイッチをＯＮにすると水素発生容器１の内部の活物質から電子が導線によって負荷装置１０を経由して陽極６へ電流として到達し、同時に負極３の活物質が酸化およびイオン化して電解液に溶出し、そのイオンはセパレーター４を経由して陽極６の拡散層５で活物質の例えば、水酸化ニッケル等と到達した電子とが反応する。この反応と同時に負極３が水素化の機能物質であれば表面側から酸化およびイオン化することによって機能物質が変質および削られて、結晶間に定着していた水素原子が定着場所を失い原子の２個が結合して水素分子となるため水素ガスを生成する。水素ガスの一方は、電解液に溶解しイオン化してセパレーター４を経由して陽極６の拡散層５で活物質の空気２２の酸素（Ｏ）等と到達した電子とが反応し、他方、残る水素ガスは、水素需要体３０へ水素パイプ１２内を流動し消費される。
また、負荷装置１０において、負荷抵抗を低くすると電流量が高まり水素ガスの発生も多くなり、スイッチをＯＦＦにすると水素ガスの発生も最少となる。
また、陽極６の機能物質をＮｉ、ＭｇＴｉ系などの金属や合金のほか金属酸化物の粉末で形成された密閉型の二次電池の場合であれば、放電は、負荷装置１０のスイッチをＯＮにすると水素発生容器１の負極３の機能物質から例えば吸蔵している水素原子が電解液に溶出しイオン化してセパレーター４を通過して陽極６の拡散層５に到達して、同時に電子が導線によって負荷装置１０を経由して陽極６へ電流として到達することで、水素のイオンと酸化物の酸素（Ｏ）や水酸化ニッケル等と到達した電子とが反応する。
また、充電は、水素透過膜を用いて水素ガスを電解液へ溶解させて、負極の活物質に吸蔵させる。他の方法は、外部電源を用いて両電極と接続し通電することで、水電解して、発生する水素を負極３の活物質へ吸蔵させる。
また、このような電池要素をもつ水素発生容器の構造では、分極抵抗が低下して都合がよい。ほかにも外部電源により起動または制御のほか様々な電解質とイオン反応を利用して物質の生成・還元を行うこともできる。

第４図によって実施例１０４を説明すると、水素発生容器１は、下部に反応室２９を設け、板状の塊または破片あるいは粉体または粉体を固形化した物など多様な形態の機能物質２または水素化した機能物質２を装着して、上部に液体室２８を設けて、水溶液（電解液）２１を入れて構成されている。
また、水素発生容器１の内部に液体室２８と反応室２９の隔壁の連通パイプに逆止弁３７が設けられ、反応室２９の底部と液体室２８の上部との連通パイプに逆止弁３８が設けられ、反応室２９の上部には水素需要体３０連結連通する水素パイプ１２が設けられて、同様な水素発生容器１の複数が並列に接合されて構成されている。
また、機能物質２がマグネシウム（Ｍｇ）や水素化のマグネシウム（ＭｇＨ２）の場合、水溶液（電解液）２１は、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ）を用いると反応で有害物の発生がなく、公知の水溶液（電解液）を選択し用いることもできる。
また、水素化した機能物質は加水分解と水素化物の双方から大量な水素ガスを発生させるため、水素需要体で生成して結露し回収される水量は、大気放散して減少することを考慮しても加水分解に必要な水量が確保できることから、生成水を再度液体容器内へ循環させると外部から水を補給する必要がない。
このように水素発生容器が構成されると、運転の一連動作は、サイホン現象を利用して発生した水素ガスの圧力で水溶液（電解液）２１を押し上げ（流出）させて反応を停止しておき、利用時には、発生水素ガスを水素需要体３０が消費することで圧力が降下し水溶液（電解液）２１を落水（流入）させて水溶液（電解液）２１と機能物質２との加水分解の反応を開始させ、電子制御装置を用いず制御が自動的に行われる。
本発明について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上説明したように、高機能化、軽量化、低コスト化などを可能とする。且つ、自然界に存在する人体に無害な無尽蔵な材料で安全な自然エネルギーの貯蔵・輸送ができる利点がある。次世代のエネルギー源として、完全なゼロエミッションサイクルが可能となり、資源の枯渇もなく、地球温暖化防止にも功を奏する。

Claims

機能物質を容器内部に装着したもの、あるいは負極および陽極に機能物質を装着して電解質からなる電池要素を容器内部に設けた水素発生容器による水素放出手段と、
前記、機能物質と水または水溶液（電解液）とを反応させる加水分解および加水分解による機能物質の変質から結晶間に定着している水素原子の結合による双方からの水素ガスを発生させる液体容器を含む水素発生手段と、
前記、水素発生容器の電池要素が起電する第一の起電手段と、
前記、水素発生容器が発生した水素ガスによって水素需要体が起電する第二の起電手段と、
前記、第一の起電手段による電力を負荷装置に通電して負荷による電流量によって水素発生手段の水素ガスの発生量を制御する制御手段とで構成したことを特徴とする発電装置。
機能物質は、次の（１）〜（４）のいずれか一種類または複数種類以上の塊または破片あるいは粉体の材料であることを特徴とする請求の範囲１記載の水素発生容器。
（１）Ｓｉなど炭素族元素またはその合金あるいはその水素化物を含む化合物。
（２）Ｌｉなどアルカリ金属元素またはその合金あるいはその水素化物を含む化合物。
（３）Ｍｇ、Ｃａなどアルカリ土類元素またはその合金あるいはその水素化物を含む化合物。
（４）Ａｌ、Ｂなどホウ素族元素またはその合金あるいはその水素化物を含む化合物。
機能物質は、粉体または粉体が可塑性高分子あるいは金属で被膜して固形化されるか、または表面あるいは固形化した表面から可塑性高分子で塗布され、被膜化して次の（１）〜（６）のいずれかの目的に用いることを特徴とする請求の範囲１、２いずれか記載の機能物質。
（１）触媒の目的であり、成形品または塗装材または注入剤等に用いること。
（２）液体への水素溶解目的であり、医薬・食品等に混入あるいは容器等に用いること。
（３）エネルギー貯蔵目的であり、防水された密封な容器または袋等で保存されること。
（４）ガス検知目的であり、検知部等に用いること。
（５）特定物質の精製または貯蔵（吸着・吸蔵）あるいはヒートポンプまたは水素加圧の目的であり、各々装置内等に用いること。
（６）電池を含む化学装置の目的であり、電極または拡散層に用いること。
酸素以外に、塩化チオニル、水酸化ニッケル、金属酸化物、遷移金属酸化物等のいずれか１つ以上複数の活物質が用いられる陽極と、電解質と、負極とで電池要素が容器内に構成される複合電池であることを特徴とする請求の範囲１、２、３いずれか記載の水素発生容器。
陽極側は、拡散層が金属、合金、金属化合物等の粉末のほか、粉末活性炭やグラファイトなどをフッ素樹脂に混ぜ合わせた機能物質を銅箔に塗って焼成して網状に形成されるなど、水素発生容器が開放容器であることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４いずれか記載の水素発生容器。
陽極側は、拡散層が金属、合金、金属化合物等の粉末など混ぜ合わせた機能物質を装着して形成されるなど、水素発生容器が密閉容器であることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５いずれか記載の水素発生容器。
電解液は、次の（１）〜（５）のいずれか一種類または複数種類以上を含む材料であることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６いずれか記載の水素発生容器。
（１）水。
（２）有機溶剤。
（３）にがり（ＭｇＣｌ）。
（４）塩化物。
（５）酸またはアルカリの水溶液あるいは有機溶液
セパレーターは、高分子固体電解質のほか毛管現象機能を有する繊維物などとゲル体を併用して構成したことを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７いずれか記載の水素発生容器。
板状の塊または破片あるいは粒子を固形化したマグネシウム（Ｍｇ）または水素化マグネシウム（ＭｇＨ２）の粉末を固形化した活物質が装着された負極により構成されるマグネシウム電池であることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８いずれか記載の水素発生容器。
空気をブロアーポンプで陽極側へ送り込むことを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８、９いずれか記載の水素発生容器。
外部の電力または水素ガスで充電されることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８、９，１０いずれか記載の水素発生容器。
水素発生容器は水または水溶液（電解液）の液体容器を含み離脱着可能にしたことを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１いずれか記載の水素発生容器。
水素発生容器または電池要素のセル体は、単一または積層して用いられることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２いずれか記載の水素発生容器。
電池要素の電極に外部電源により起動または制御あるいは物質の生成や還元を行うことを特徴とすることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３いずれか記載の水素発生容器。
水素需要体は、電池であれば燃料電池セル、水素機関であれば水素エンジンや水素ジェットエンジン、溶断や溶接であれば水素バーナー、水素ステーションであれば水素ポンプなどの水素ガスを使用する装置であり、水素発生容器と目的装置が水素パイプで連結連通され一体化したことを特徴とする請求の範囲１記載の発電装置。
水素発生容器の発生した水素ガスは水素需要体へ供給されて酸素と化合して生成した水は再度液体容器内へ循環して利用されることを特徴とする請求の範囲１、１５いずれか記載の発電装置。
電池要素の第一の起電手段による起電を負荷装置に通電し、その電流量で負極の機能物質のイオン化から機能物質の変質によって機能物質の結晶間に定着している水素原子の水素分子化からの水素ガスの発生量を制御することを特徴とする請求の範囲１、１５、１６いずれか記載の発電装置。
液体室と反応室とに落差を持たせて発生する水素ガスおよび水素需要体の消費する水素ガスの圧力変化によるサイホン現象を利用して反応室の水または水溶液（電解液）と機能物質との加水分解を制御することを特徴とする請求の範囲１、１５、１６、１７いずれか記載の発電装置。
耐圧容器内に高圧水素を導入して、機能物質の一端をレーザー照射等によって着火させ、水素化反応の自己発熱で反応を自走させて水素化の機能物質の粉体を得ることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８いずれか記載の機能物質の水素化方法
耐圧容器内に合金あるいは金属化合物を入れて、水素または不活性の気体等を導入し、レーザー照射等によって材料を高温加熱してガス化したものを冷却して機能物質の還元をすることを特徴とする請求の範囲１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２，１３，１４、１５、１６、１７、１８、１９いずれか記載の機能物質の還元方法。