(57)【要約】【課題】  電気伝導性が良好であり、軽量の荷電流動体材料及びその製造方法を提供する。荷電流動体の酸化防止に必要な装置等を無くして装置自体を簡略化し、軽量かつ高効率発電できる磁気流体発電装置を提供する。【解決手段】  導電性の粒子２と液体状の導電性媒質３とを含有することを特徴とする。【選択図】  図１
2005027473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の粒子と液体状の導電性媒質とを含有することを特徴とする荷電流動体材料。
【請求項２】
前記導電性の粒子の体積xと、前記液体状の導電性媒質の体積１−xとの割合は、０.５≦x≦０.９の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の荷電流動体材料。
【請求項３】
前記導電性の粒子は、超微粒子であることを特徴とする請求項１又は２記載の荷電流動体材料。
【請求項４】
前記導電性の粒子は、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ、フラーレン、導電性カーボンブラック及び導電性シリコーンゴムの中から選択されるいずれか１種又は2種以上の組み合わせから成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の荷電流動体材料。
【請求項５】
前記液体状の導電性媒質は、室温付近において液体金属であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の荷電流動体材料。
【請求項６】
前記液体金属は、Na、K、Ga、Hg、Bi、In及びCsの中から選択される１種の元素又は主としてこれらの元素を１種以上含む合金のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の荷電流動体材料。
【請求項７】
導電性の粒子を含む原料を加熱する工程と、加熱工程後に前記導電性の粒子を含む原料と前記液体状の導電性媒質とを混合攪拌する工程と、を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の荷電流動体材料の製造方法。
【請求項８】
導電性の粒子と液体状の導電性媒質とを含有する荷電流動体材料を荷電流動体としたことを特徴とする磁気流体発電装置。
【請求項９】
燃料を燃焼して機械エネルギを取り出す内燃機関と、前記内燃機関に接続され、内燃機関から出力された機械エネルギを伝達する機械エネルギ伝達手段と、前記機械エネルギ伝達手段に接続され、内部に荷電流動体が流動可能に収納された荷電流動体収納容器と、前記荷電流動体収納容器に接続され、流動する前記荷電流動体に対して加える磁場を生成する磁場生成手段と、前記磁場生成手段から生成された磁場の向きと平行方向に配置されると共に、流動する前記荷電流動体の向きと平行方向に対向して配置された正電極及び負電極と、を備えることを特徴とする磁気流体発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強い磁場下を金属並みの導電性を有する荷電流動体の移動により電流を生成する磁気流体発電装置に適用される荷電流動体材料、荷電流動体材料の製造方法及び磁気流体発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＨＤ(Magneto-Hydro-Dynamics、電磁流体力学)発電では、ファラデーの電磁誘導の法則により、電導性流体（プラズマや液体金属）が磁界を横切るときに誘導される起電力とそれによって流れる電流とにより、流体の有するエンタルピーを電力に変換している。
【０００３】
作動流体に液体金属を使用する液体金属ＭＨＤ発電では、電離気体（プラズマ）を使用するものに比べて導電率が高いため、流速が小さくても発電が可能である。例えば、液体金属として、常温において液体状態のNa, K, Hg, Ga等を応用することが考えてられている。実際、内燃機関の機械的出力によって金属液体の流動をおこし、磁場下で磁気流体的に電気を生成する磁気流体発電が提案されている（特許文献１〜特許文献３参照）。
【特許文献１】米国特許５４７３２０５号（第３頁、第１図）
【特許文献２】米国特許５６３７９３５号（第３頁、第１図）
【特許文献３】米国特許５９２３１０４号（第４頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、液体金属であるNa、K等は酸素や水に対する反応性が高いため、希ガス等を使用して液体金属の酸化を防止する必要があった。液体金属を封止することは技術的に困難であるため、大量に液体金属を使用することは難しかった。
【０００５】
また、上述した液体金属の中でもHgやGaは比重が高いため、比重の高い液体金属を流動して発電するためには、液体金属を流動させるエネルギが必要となり、エネルギ損失が大きくなることから、大量に液体金属を使用することは困難であった。また、比重の高い液体金属を発電装置に適用した場合には、発電装置自体が重くなり車両等への搭載が困難であった。
【０００６】
近年、電気伝導性材料として、銅等の金属固体の他にも、金属並みの導電性を有する導電性ポリマーの開発が行われている。導電性ポリマーは、各種元素をドーパントとした高分子材料であり、その特性は、極めて軽量であり、耐久性に富むため、エレクトロニクス方面で各種の応用がなされている。しかし、導電性ポリマーは常温で固体状態であるため、磁気流体発電の作動流体である荷電流動体材料として使用することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第１の発明である荷電流動体材料は、導電性の粒子と液体状の導電性媒質とを含有することを要旨とする。
【０００８】
第２の発明である荷電流動体材料の製造方法は、導電性の粒子を含む原料を加熱する工程と、加熱工程後に前記導電性の粒子を含む原料と前記液体状の導電性媒質とを混合攪拌する工程と、を有することを要旨とする。
【０００９】
第３の発明である磁気流体発電装置は、導電性の粒子と液体状の導電性媒質とを含有する荷電流動体材料を荷電流動体としたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電気伝導性が良好であり、軽量の荷電流動体材料を得ることができる。
【００１１】
また、本発明によれば、電気伝導性が良好であり、軽量の荷電流動体材料を製造することができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、荷電流動体材料の酸化防止に必要な装置等を無くして装置自体を簡略化できるため、軽量かつ高効率発電が可能な磁気流体発電装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の荷電流動体材料、荷電流動体材料の製造方法及び磁気流体発電装置について、図１〜図３を用いて説明する。
【００１４】
＜第１実施形態（図１）＞
本実施形態では、磁気流体発電装置の荷電流動体として使用される材料について説明する。
【００１５】
図１は、荷電流動体材料の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、荷電流動体材料１は、導電性の粒子２に液体状の導電性媒質３を充填している。
【００１６】
[導電性の粒子]
導電性の粒子は、例えば、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ、フラーレン、導電性カーボンブラック又は導電性シリコーンゴムの材料から成る。
【００１７】
導電性ポリマーとしては金属並みの導電性を有することが好ましく、具体的には、約103[S/m]の電気伝導率を有するポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン系導電性ポリマー、ポリパラフェニレンビニレン等が挙げられる。フラーレンとしてはアルカリ金属を内包したフラーレンが挙げられる。カーボンナノチューブは非常に安定した材料であり、銅よりも高い導電性を有する。導電性カーボンブラック又は導電性シリコーンゴムは、耐熱性及び耐久性が極めて優れており、長期に亘る使用に最適な材料である。
【００１８】
導電性の粒子は超微粒子とすることが好ましい。超微粒子とは、粒径が数[nm]〜数十 [nm]の粒子である。例えば、導電性の超微粒子は、導電性の超微粒子と液体状の導電性媒質との相互作用及び超微粒子間の相互作用による超微粒子の分散性を考慮すると、超微粒子の粒子径を２[nm]〜１０[nm]の範囲とすることが好ましい。超微粒子の粒子径を本範囲に規定したのは、粒子径が１０[nm]を超えると、粘性が高くなり荷電流動体材料の電気伝導率が低下する傾向があるからである。また、微粒子あるいは超微粒子は、球状のみならず繊維状も含み、繊維状である場合には、繊維径が２[nm]〜１０[nm]の範囲であることが好ましい。
【００１９】
[液体状の導電性媒質]
液体状の導電性媒質は、磁気流体発電装置の動作する環境における温度に応じて種類を変える必要があるが、特に自動車等の車両に搭載される発電装置を対象とした場合には、室温３０[℃]付近において液体となる低融点金属を使用することが好ましい。具体的な液体金属としては、Na、K、Ga、Hg、Bi、In、Csを各々単独で構成した金属、あるいは、主としてNa、K、Ga、Hg、Bi、In、Csの元素を１種以上含み、必要に応じて他の低融点金属を含む合金が挙げられる。また、Ga（ガリウム）とHg（水銀）の融点は摂氏温度で各々２９．７８[℃]、−３８．８ [℃]であり室温でほぼ液体状態である。Bi（ビスマス）とIn（インジウム）の融点は各々２７４．１[℃]、１５６．６３[℃]であり、室温では液体状態では無いが、これらを含む合金は比較的低温であり、室温付近において液体状態である。また、Bi及びInは、NaやCa等に比べて酸化され難いため、酸素や水から隔離する必要性が少なくなる。
【００２０】
上記導電性の粒子（超微粒子）と、液体状の導電性媒質（液体金属）とを混合して荷電流動体を構成する際、荷電流動体材料が流動した際に発生する摩擦や、超微粒子と液体金属の混合物である液体の粘度を考慮してその混合する割合を選択することが好ましい。超微粒子及び液体金属の各体積の割合は、導電性の粒子の体積をxとし、液体状の導電性媒質の体積を１−xとした場合に、０.５≦x≦０.９の関係とすることが好ましい。体積の割合を本範囲に規定したのは、超微粒子の体積が０．５未満になると液体金属の体積が高くなり、荷電流動体の重量が重くなるからである。より好ましい体積の割合は、０．７≦x≦０．９であり、さらに好ましい体積の割合は０．８≦x≦０．９である。
【００２１】
荷電流動体材料は、上記材料を用いて導電性の粒子を含む原料を加熱し、原料中に含有される水分等を蒸発させた後に、導電性の粒子を含む原料と液体状の導電性媒質とを混合攪拌して製造することができる。
【００２２】
このように導電性ポリマー等の導電性を示す超微粒子に液体金属等の媒質を充填した材料を荷電流動体として使用することにより、高い電気伝導率を維持でき、荷電流動体を軽量化することができる。
【００２３】
また、従来、液体金属等の液体状の媒質を単独で荷電流動体とした場合には、酸化され易く耐久性が低下したが、耐久性を有する導電性ポリマー等の超微粒子を含有したため、荷電流動体自体の耐久性を高めることもできる。
【００２４】
以下、実施例を用いて具体的に説明する。
【００２５】
[実施例１]
本実施例では、導電性を示す超微粒子として導電性ポリマーであるポリパラフェニレンビニレンのコロイドを使用し、液体状の導電性媒質としてGaを使用した。ポリパラフェニレンビニレンのコロイドとGaとの体積の割合は、２:１とした。
【００２６】
ポリパラフェニレンビニレンのコロイドの水溶液を100[℃]で加熱して、水を蒸発して得られた粉末に、温度３０[℃]以上に加熱した液体状態のGa金属に混合攪拌して荷電流動体とした。
【００２７】
[実施例２]
本実施例では、導電性を示す超微粒子として導電性カーボンナノチューブを使用し、液体状の導電性媒質としてNa＋Kを使用した。導電性カーボンナノチューブとNa＋K(67.8[%]Kの割合、融点-12.5[℃])との体積の割合は、３:１とした。
【００２８】
原料である導電性カーボンナノチューブを十分に200[℃]で加熱した後、乾燥した。乾燥後に得られた粉末をNa＋Kに混合して荷電流動体とした。
【００２９】
[実施例３]
本実施例では、導電性を示す超微粒子として導電性カーボンブラックを使用し、液体状の導電性媒質としてHｇを使用した。導電性カーボンブラックとHgとの体積の割合は、１.５:１とした。
【００３０】
導電性カーボンブラックを十分に２００[℃]で加熱して乾燥した。乾燥後に得られた粉末を、Hg (融点-３８．８[℃])に混合して荷電流動体とした。
【００３１】
上記実施例１から実施例３までにより得られた荷電流動体について、電気伝導率を測定した。面積が各１平方センチメートルの電極を１センチの間隔を空けて離隔配置し、２つの電極間に配置した荷電流動体材料の電気抵抗を測定し、その値を換算した上で逆数を算出して、電気伝導率[μS/m]とした。その結果、実施例１から実施例３までの各荷電流動体材料の電気伝導率は、それぞれ3.0×103 [S/m]、2.0×103[S/m]、1.5×103[S/m]であり、電気伝導率が高かった。
【００３２】
＜第２実施形態（図２、図３）＞
本実施形態では、荷電流動体材料を適用した磁気流体発電装置について、図２及び図３を用いて説明する。
【００３３】
図２は、磁気流体発電による発電装置の構成を概略的に示す図である。図２に示すように、磁気流体発電装置４は、燃料を燃焼して機械エネルギを取り出す機関である内燃機関５に、内燃機関５から出力された機械エネルギを伝達し、同期して運動する機械エネルギ伝達手段である２つのピストン６a, ６bが接続され、各ピストン６a,６bの他端部には荷電流動体収納容器７が接続されている。
【００３４】
荷電流動体収納容器７内には荷電流動体８が流動可能に収納され、荷電流動体収納容器７の中央に流動する荷電流動体８に対して加える磁場を生成する磁場生成手段９が配置されている。
【００３５】
図３は、荷電流動体収納容器７及び磁場生成手段９の要部構成について斜視的に示す図である。図３に示すように、図示しない荷電流動体収納容器７の中央に配置された磁場生成手段９により生成した磁場の方向Ｂと平行に正電極１０及び負電極１１とが各々配置され、流動する荷電流動体８を挟む構成としている。
【００３６】
磁場生成手段９は、上向きがS極、下向きがN極とした永久磁石１３が上下に対向して配置され、永久磁石１３を支持すると共に永久磁石１３を被覆した中空形状の筒体１４により構成される。永久磁石１３の材料としては希土類鉄磁石であるNd-Fe-Bを使用し、磁場生成手段９の発生磁場強度を２.０Tとした。
【００３７】
上記構成の磁気流体発電装置４の動作について、以下説明する。
【００３８】
内燃機関５において燃料が爆縮して、２つのピストン６a,６bに運動が起こり、図２に示す上下方向にピストン６a,６bが動作する。各ピストン６a,６bは互いに同期して、それぞれのピストン６a,６bが逆方向に動作する。より詳細には、内燃機関５で燃料が燃焼し、ピストン６aの運動エネルギによって荷電流動体８が方向Ａに向かって押し出される。一方、内燃機関５の吸気過程により、ピストン６bは運動エネルギにより荷電流動体８を引き出す。これにより、荷電流動体８は荷電流動体収納容器７内で流動する。荷電流動体８が流動して、磁場生成手段９から生成した磁場Ｂ内を通過すると、正電極及び負電極の間、すなわち図３に示すＹ軸方向に電流が流れる。荷電流動体の速度v、荷電流動体の電気伝導率s、チャネルの負荷因子K、使用した磁石と鉄により生成される磁場Bに対応して、正電極１０及び負電極１１の間に以下の式（１）により計算される電流が流れる。
【００３９】
J=s×v×B×(1-K)    …式（１）
上記磁気流体発電装置の構成とすることにより、内燃機関のピストンが往復運動する度に正電極１０と負電極１１との間に電流が流れて、発電することができる。
【００４０】
従来、作動流体である液体金属の酸化を防止するために磁気流体発電装置に酸化防止装置を設置する必要があったが、本実施形態によれば、導電性ポリマー等の導電性の粒子を含有した荷電流動体としたため、酸素や水との反応性の高い液体金属等の含有量を低減し又は無くせるため、酸化や水の酸化防止対策用の装置等が不用となり、磁気流体発電装置自体を簡略化することができる。
【００４１】
また、本実施形態の荷電流動体は、導電性の超微粒子を含有したため荷電流動体の粘性を低く抑えることができ、荷電流動体が磁場内を流動した場合にも、荷電流動体と荷電流動体収納容器との間の摩擦を減らして発電効率の低下を防ぐことができる。
【００４２】
また、本実施形態の磁気流体発電装置は、２００℃程度の低温度域で使用できるため、特に、走行時に振動や衝撃が加わる等の過酷な環境下での使用が要求される自動車等の車両用の動力源としても、磁気流体発電装置を搭載することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態によれば、軽量の荷電流動体材料を荷電流動体として用いて磁気流体発電装置を構成したため、磁気流体発電装置自体を軽量化することができる。このため、軽量の磁気流体発電装置を自動車等の車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図る等の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、磁気流体発電装置は、本実施形態に示した構成に限定されるものではなく、磁場中で荷電流動体を流動させて電流を流して発電可能な構成であれば、どのような構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態における、荷電流動体材料の構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の実施形態における、磁気流体発電による発電装置の構成を概略的に示す図。
【図３】本発明の実施形態における、荷電流動体収納容器及び磁場生成手段の要部構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１…荷電流動体材料,２…導電性の粒子, ３…液体状の導電性媒質, ４…磁気流体発電装置, ５…内燃機関, ６a,６b…ピストン, ７…荷電流動体収納容器,８…荷電流動体,９…磁場生成手段,１０…正電極,１１…負電極
【図１】
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【図２】
2005027473.tif 000004
【図３】
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