(57)【要約】【課題】構造が簡単であり、かつ酸水溶液も必要としない水電池を提供する。【解決手段】水電池は、容器の内側で互いに接触しないように配置された一対の金属電極と、前記一対の金属電極を負荷回路に接続するための導体部とを備えており、前記容器には、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低い活性化水が前記一対の金属電極を水没させた状態で蓄えられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の内側で互いに接触しないように配置された一対の金属電極と、
前記一対の金属電極を負荷回路に接続するための導体部とを備えており、
前記容器には、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低い活性化水が前記一対の金属電極を水没させた状態で蓄えられていることを特徴とする水電池。
【請求項２】
前記容器は透光性を有しており、
前記活性化水に水没するように配置された光触媒を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の水電池。
【請求項３】
前記一対の金属電極の一方は銅を主成分とし、他方はアルミニウムを主成分としていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水電池。
【請求項４】
前記一対の金属電極の少なくとも一方はプラチナを主成分としていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水電池。
【請求項５】
請求項１乃至４にいずれかに記載の水電池を複数直列接続して構成されていることを特徴とする水電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の水電池に用いる活性化水の製造方法であって、
水を光照射されている光触媒に接触させその後逆浸膜によって不純物除去することを特徴とする水電池用活性化水の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の水電池を連続的に使用する方法であって、
前記水電池に対して、水を光照射されている光触媒に接触させその後逆浸膜によって不純物除去することで製造された活性化水を定期的に補水することを特徴とする、水電池の連続使用方法。
【請求項８】
容器の内側で互いに接触しないように配置された一対の金属電極と、
前記一対の金属電極を負荷回路に接続するための導体部とを備えており、
前記容器には、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低い活性化水とアルコール類との混合液が前記一対の金属電極を水没させた状態で蓄えられていることを特徴とする水電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒によって予め活性化された活性化水を用いる水電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水及び光触媒を用いた電池の従来技術の例として、次の特許文献には、酸水溶液と、酸水溶液に浸された一対の電極と、これらの電極の間に配置されたイオン交換膜と、一方の電極の表面に配置され、光が照射されているときに水を分解する光触媒とを備えた光燃料電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2016-103454号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記光燃料電池は、水の電気分解、再結合の化学反応によって電気を生じるものであるが、イオン交換膜等を用いているので構造が複雑である。また酸水溶液の成分として塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、炭酸、フッ酸、ホウ酸、シュウ酸、クエン酸、アスコルビン酸等を必要とするのでその薬品コストも要するという問題があった。これに対して本発明は、その構造が簡単であり、かつ酸水溶液も必要としない水電池、その水電池に用いる活性化水の製造方法、水電池の連続使用方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による水電池は、容器の内側で互いに接触しないように配置された一対の金属電極と、前記一対の金属電極を負荷回路に接続するための導体部とを備えており、前記容器には、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低い活性化水が前記一対の金属電極を水没させた状態で蓄えられていることを特徴とする。
【０００６】
前記活性化水の製造方法は、水を光照射されている光触媒に接触させその後逆浸膜によって不純物除去することを特徴とする。
【０００７】
また前記水電池の連続使用方法は、水を光照射されている光触媒に接触させその後逆浸膜によって不純物除去することで製造された活性化水を定期的に補水することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による水電池は構造が簡単でありかつ酸水溶液等を用いないので、安価に提供できる。
また前記活性化水は、光触媒と逆浸透膜とを用いて安価に製造でき、人体や環境に対する安全性も高い。
また前記水電池は、活性化水を定期的に補水することによって、連続的かつ半永久的に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による水電池の一例を示す全体斜視図である。
【図２】本発明による水電池の分解斜視図である。
【図３】活性化水を製造する製造設備の基本構成図である。
【図４】水電池の実験結果を示す表である。
【図５】本発明による水電池の他例を示す全体斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１、図２は本発明による水電池の一例を示す全体斜視図、その分解斜視図である。
【００１１】
水電池１は、容器２の内側で互いに接触しないように配置された一対の金属電極３１、３２と、金属電極３１、３２を負荷回路１０に接続するための導体部４とを備えている。容器２には、後述のように光触媒によって予め処理された弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低い活性化水が金属電極３１、３２を水没させた状態で蓄えられる。
【００１２】
金属電極３１、３２は、いずれも中空円筒型に成形された金属板からなり、透水性を呈する絶縁セパレーター３３によって分離されている。このような形状とすれば金属電極３１、３２の表面積を十分に確保できる。金属電極３１、２１の一方は銅を主成分とし、他方はアルミニウムを主成分としている。そうしたときには前者が陽極となり、後者が陰極となる。また金属電極３１、３２の一方又は両方がプラチナを主成分としてもよく、そうしたときには耐久性が高くなる。また絶縁セパレーター３３は、天然繊維や化学繊維のシートであってもよく、多数の小孔を形成した樹脂シートであってもよく、多孔質セラミックであってもよい。なお絶縁セパレーター３３は安全性を考慮したものなので、金属電極３１、３２を分離した状態で確実に固定できる構成としたときには、セパレーター３３を省略してもよい。
金属電極３１、３２のそれぞれには、負荷回路１０に接続するための導体部４が固着されており、この導体部４の先端は容器２の外部まで導出されている。導体部４の素材は特に制限されず、金属電極３１、３２との電気接続が安定していればよい。
容器２はガラス又は樹脂で形成されたものであるが、密閉されていても開放されていてもよい。密閉された容器２の場合、栓で開閉可能な注水口を設けておくとよい（図示なし）。なお容器２は密閉されていても開放されていても水電池１の性能はほとんど変わらない。
【００１３】
前記のように構成された水電池１は、構造が簡単でありかつ酸水溶液等を用いないので安価に提供できる。
【００１４】
水電池１は、活性化水に水没するように配置された光触媒５を更に備えていてもよい。光触媒５は、酸化チタンや酸化タングステン等の光触媒活性物質の微粒子を多孔質セラミックやゼオライト等の担体に固定したものである。この例では、光触媒５の担体は金属電極３１、３２の全体を囲む中空円筒形に成形されている。このような光触媒５を設けた構成では、容器２を透光性として光触媒５に外部から光が当たるようにする。このような構成では光触媒５によって活性化水の活性度がより長期間保たれる。
【００１５】
負荷回路１０は、その種別、構成は特段の制限はなく、以下に述べるような水電池１の出力電力に見合っていればよい。
【００１６】
次いで水電池１に用いる活性化水の製造方法を説明する。
図３は、活性化水を製造する製造設備の基本構成図である。
製造設備１０は、水を活性化させる光触媒装置１１と、活性化された水の不純物を濾過する濾過装置１２とを管路１３によって連結した基本構成になっている。管路１３には、光触媒装置１１に水を循環させる循環ポンプ１４と、濾過装置１２に対して水を高圧供給する高圧ポンプ１５とが配置されている。
【００１７】
光触媒装置１１は、紫外線を透過させる例えばガラス管１１ｂの内部に光触媒５を配置し、その光触媒５に、ガラス管１１ｂの外側に紫外線ランプ１１ｃを配置した構成になっている。光触媒５は、前記と同様に酸化チタンや酸化タングステン等の光触媒活性物質の微粒子を多孔質セラミックやゼオライト等の担体に固定したものである。なおガラス管１１ｂは、アクリル管、石英管、塩化ビニル管等で代用してもよい。
【００１８】
光触媒装置１１は、紫外線ランプ１１ｃから紫外線を光触媒５に照射した状態として、ガラス管１１ｂに水を通じさせると、光触媒５の作用によって水が活性化される。具体的には、水分子が分解されて水素分子、酸素分子と共に、スーパーオキシド、過酸化水素、一重項酸素、ヒドロキシラジカル等の活性酸素が生じる。活性酸素の内でもフリーラジカルは非常に活性度が高く短時間で消失するが、それよりも活性度が低いものは長時間残存すると考えられる。また循環ポンプ１４によって水は光触媒装置１１を複数回通過することになるので最大限活性化されることになる。
【００１９】
濾過装置１２は、逆浸透膜１２ａを用いたクロスフロー方式のものである。具体的には、複数の孔が形成された集水チューブ１２ｂに対してシート状の逆浸透膜１２ａが海苔巻き状に固定された膜エレメントとして耐圧容器１２ｃに収容されている。耐圧容器１２ｃの一端外周部に注水口１２ｄが形成され、他端中心部、外周部にそれぞれ出水口１２ｅ、排水口１２ｆが形成されている。なお注水口１２ｄ、排水口１２ｆは膜エレメントの始端、終端に連通され、出水口１２ｅは集水チューブ１２ｂに連通されている。
【００２０】
濾過装置１２は、高圧ポンプ１５によって注水口１２ｄに水を高圧で供給すると、逆浸透膜１２ａを逆浸透した清浄水が集水チューブ１２ｂに集約されて出水口１２ｅから放出され、逆浸透膜１２ａを逆浸透せずに結果として不純物が濃縮された濃縮水が排水口１２ｆから放出される。こうして不純物が純水相当に除去された清浄水が、水電池１に用いる活性化水である。
【００２１】
前記のような製造設備１０は、紫外線ランプ１１ｃを点灯させながら、循環ポンプ１４、高圧ポンプ１５を適切に運転すれば、活性化水を連続的に製造することが可能である。なお原料とする水は、例えば水道水等の淡水がコスト的に適している。
【００２２】
またこのようにして製造された活性化水は、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低いことを特徴としたものになる。具体的には、活性化水のｐＨは７〜１０、望ましくはｐＨ７．３〜９．７である。また不純物濃度は、基本的に測定限界以下である。例えば水道の塩素含有量は０．４ｍｇ／Ｌ程度であるが、活性化水の塩素含有量は０．００００２ｍｇ／Ｌ以下である。つまり活性化水は、水に由来する成分のみを含むものであって、その製造工程において、無機物、有機物等を添加する必要がないので、安価に提供できる。また人体や環境に対する安全性も高い。
【００２３】
この活性化水が弱アルカリ性を呈するのは、光触媒５による活性化の結果として、純水等に比較して水酸化物イオン（ＯＨ−）が過剰になっているためであると考えられる。このような過剰な水酸化物イオンの作用によって、水電池１に発電作用が生ずるのであると思料する。
【００２４】
水電池１は、前記のように製造された活性化水が容器２に活性された時点で発電作用を開始し、予め充電等をする必要はない。またその発電作用は、同様に製造された活性化水を適宜補給すれば半永久的に持続する。すなわち前記のようにして製造された活性化水が充填された水電池１は、活性化水を定期的に補水することによって、連続的、半永久的に使用することが可能である。これはこの水電池１の大きな特長であり、将来多くの分野で利用できるものになると予測する。
【００２５】
次いで水電池１の発電作用に関する実験結果を簡単に説明する。水電池１の発電容量は容器２の容積や金属電力の表面積に依存すると考えられるが、発明者による実験では次のような結果が得られた。
水電池１として容積３０ｍｌの容器２を用いたとき、直流０．２５ｍＶ、３．０ｍＡの電力を発生した。また容積１５ｍｌの容器２を用いたとき、直流０．２ｍＶ、１．５ｍＡの電力を発生した。これらの実験結果には確実な再現性がある。しかしながら発電作用の原理等は目下研究中である。なお活性化水は時間経過と共に減少していく傾向があり、その減少量は通常の蒸発として予測されるよりも多量であることがわかっている。
【００２６】
更に別の実験によって、活性化水にエタノールを添加した場合、水電池１の発電作用は強化されることも確認されている。すなわち容器２に、活性化水とエタノールとの混合液が蓄えられている水電池１はより高性能になる。
例えば容積３０ｍｌの容器２を用い、かつエタノールを０．１容量％添加したときには、直流０．３５ｍＶ、３．６ｍＡの電力を発生した。またエタノールを１容量％添加したときには、直流０．５５ｍＶ、４．０ｍＡの電力を発生した。また容積１５ｍｌの容器２を用い、かつエタノールを１容量％添加したときには、直流０．２５ｍＶ、１．７ｍＡの電力を発生した。このように活性化水とエタノールとの混合液を用いた水電池１は、活性化水のみを用いた水電池１よりも高性能である。
【００２７】
更に同一容積、同一電極とした水電池１に対して活性化水のみを用いた場合と、活性化水と低級アルコール類との混合液とを用いた場合との比較実験の結果を示す。
図４は、この実験結果を示すものである。水電池１は容積５０ｍｌのものを単独で用いている。この実験の結果からも、活性化水と低級アルコール類との混合液を用いた水電池１は、活性化水のみを用いた水電池１よりも高性能であることが確認できた。
【００２８】
ここで添加されたエタノールは、活性化水の作用によって二酸化炭素及び水に分解されていると考えられる。すなわち陽極での化学反応は次のようなものである。
Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋１２ＯＨ−→２ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋１２ｅ−  …（式１）
一方陰極での化学反応は次のようなものである。
３Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ＋１２ｅ−→１２ＯＨ−  …（式２）
（式１）、（式２）を合わせた全反応は次のようになる。
Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３Ｏ２→２ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ  …（式３）
（式３）はエタノールの一般的な燃焼の反応式と同一である。
なお活性化水に添加して有効なのはエタノールに限定されない。例えばエタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール等の低級アルコールでもよく、低級炭化水素でもよい。
【００２９】
最後に本発明による水電池の他例を説明する。
図５は、図１に示した水電池を複数用いて構成された水電池の他例を示す全体斜視図である。この水電池１Ａは、水電池１を２５個直列接続して構成されている。いずれの水電池１も、容積３０ｍｌの容器２を用い、金属電極３１、３２の一方は銅を主成分とし、他方はアルミニウムを主成分としている。なお複数の水電池１は連設されて単一の装置を構成していてもよい。
この水電池１Ａを用いた実験では、交流４Ｖの発電作用が観察された。この実験結果にも確実な再現性があるが、なぜ交流電圧が発生するのか等の作用、原理等は目下研究中である。交流電圧が生じる現象は非常に興味深いものであって、将来特殊用途等に活用される可能性がある。
【符号の説明】
【００３０】
１            水電池
２            容器
３１、３２    金属電極
４            導体部
５            光触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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