(57)【要約】      （修正有）【課題】水の状態から直接電離現象を導いて電流を取り出すイオン交換膜を用いた燃料電池を提供する。【解決手段】多孔質のイオン交換膜を介して水を電子と原子核とに電離させ、該電子を効率的に集めて電流を導く方式の燃料電池であり、水を直接カチオン膜に触れさせることで、元素のもつ電磁相互作用より大きな電位を人為的にあたえ、水素イオン（Ｈ＋）を膜が吸引する現象を利用した。淡水または海水、その他各種の水溶液などを資源とする発電方法を提供する。電極の間にカチオン膜をサンドイッチし、原子から遊離させた陽子を膜の外側においた負極へと集め、放電後還流してきた電子と再会させて元の化合物を構成していた元素へと復元するという方式を提供する。発電セルを有する水槽の中に紫外線発光器を備えて日照のない夜間でも、還流してきた電子を励起状態に復元させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
淡水を一次資源とする電子交換膜型燃料電池。
【請求項２】
海水を一次資源とする電子交換膜型燃料電池。
【請求項３】
その他の水溶液を一次資源とする電子交換膜型燃料電池。
【請求項４】
水槽中に紫外線発光器を有する電子交換膜型燃料電池。
【請求項５】
水槽内部に光触媒を有する電子交換膜型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、再生可能な自然資源である水または各種の水溶液を原料とする、循環再生型のカチオン膜を有する陽子交換型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】燃料電池は水素分子の持つ電子を電極へ導くことにより、水素を電離してそこから直接発電するための電源系である。発電セルの内部で電離現象を生み出しているのが、電解膜という基材であった。イオン交換膜と呼ばれるこの電解膜の使い方を確認したところ、水から直接電流をとり出すことができるということが分かった。多孔質のイオン交換膜を反応基材とすることによって、電離現象を導いて電流とすることが可能である事実は実験により確認を済ませている。【０００３】水素燃料電池は、負荷で電荷を放出した後水槽内の電極へと還流してきた電子を、水素の原子核であるプラスイオンの陽子であるプロトンと装置内部で再会させ、そこで水素原子へと復元し空気極で酸素と化合することにより水分子へと戻されている。本発明は水素ガスからではなく、水を直接カチオン型イオン交換膜で電子と原子核とに電離させ、該電子を効率的に集めて電流を導く方式の、環境負荷並びに経済負荷のない発電機である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】燃料電池の資源となるものは、これまで水素でなければならないと信じられてきた。だが固体高分子型の燃料電池の仕組みをみると、イオン化することによって原子核であるバリオンと電子であるレプトンとに分けることができれば、電離した電子を電極へと集めて電流を形成することが可能であるということが分かった。この方式であれば水素という高価な資源でなくても、燃料電池で発電することができる。水素は高圧化するかまたは液化しない限り、分子密度が低くなってエネルギーを備蓄するための効率を引き下げる。そこで、水素分子にする段階を経由せずに、水の状態から直接電離現象を導けば無駄なプロセスが省けるということに着眼した。この発電システムを普及させることにより、京都議定書の遵守とその実現を早めて、二酸化炭素の排出量を削減していくことができるようにした。
【０００５】水素は取り出す方法だけでなく備蓄する方法にも開発余地がまだ多く残されている。高圧化または液化及びその他多くのアイデアが提案され、実用化に向けた開発競争が世界中で行われている。水素資源の輸送方法も決定的な方式が確立されておらず、水素燃料のコストが一向に定まらないという状態が続いている。水素エネルギーの普及如何はコスト対策次第、というのが大方の見方として一致しており、この問題を解決すれば炭素資源から水素資源への切り替えは一気に進むものとみられている。
【０００６】エネルギー問題の解決は地球環境の回復ばかりではなく、経済を再生して国家の繁栄を導くことにも繋がっていく。環境と経済のジレンマは、新しいエネルギーである水素資源のコストを引き下げる事で止揚することができる。だが、水素資源のコストは依然として高止まりしている。そこで水資源として使う方法を探り、環境と経済のジレンマを解決する方法の具体化を検討した。その結果、水素を含有する各種の水資源を用い、燃料電池に直接これを投入する仕組みを成り立せればよいということが判明した。水を一次資源とする低廉な燃料電池を提供し、環境性能の高い発電方式を広く供給していくことにより、温暖化防止対策の実効を早く引き出さなければならない。
【発明の実施形態】
【０００７】構造の概略を説明する。電解膜は一般に市販されている所謂イオン交換膜である。電気的特性の違いにより陽イオン交換膜と陰イオン交換膜という二種類の性質を異にしたものがあるが、本発明ではカチオン膜と呼ばれる陽子交換型の電解質を採用した。二枚の電極▲１▼陽極▲２▼負極の間にカチオン膜をサンドイッチ▲３▼し、電離した電子を膜の外側においた負極側▲２▼へと集め、還流してきた電子と再会させて元の化合物元素を復元するという方式である。
【０００８】カチオン型電解質膜を通過できるのは水素イオンである陽子だけであることから、マイナスの電荷をもつ電子は電解膜の外側に残される。この方法を活用すると、水に含まれる元素のすべてから電子を取り込むことができるため、発電効率を高めることが可能になる。淡水に天然塩を投入すると、発生する電流が増加するという現象のあることから、この事実を確認することができた。発電単位であるセルを並列に繋ぎ、同一の水槽に収めて一つのスタックを形成する。このスタック同士を直列に繋ぐことによって所定の電圧を導き、負荷に対応した電流を供給することを可能にした。本発電システムにはバッファとして機能するキャパシタを採用している。
【発明の詳細な説明】
【０００９】電気的に反転している性質をもつイオン交換膜を介して、導電性のある金属メッシュ（または印刷回路を片面に塗布した電解膜でも可）▲２▼を挟み、陽イオン成分である陽子を選択的に透過する電解膜で電離を誘導する。電子だけを共通の電気回路へと同時に導くことで、有効な電流を発生させることができる。一旦電流としたものをキャパシタまたは二次電池▲４▼へと呼び込み、これらを二次電源としてシステムの中枢とするところに特徴をもつ発電システムができる。それぞれの膜の外側に補強板を兼ねる電極▲３▼が設けられており、そこへ還流してきた電子を呼び込むことで元の原子へと復元させることができる。この発電セル▲５▼を適宜組み合わせて、電力を生み出す発電モデルの基本形としている。水を電離する電解膜を採用することによって、電力の自給自足体制というものが成り立つようにすることができる。
【００１０】イオン交換を行うカチオン膜の外側に、電子を電気回路へと取り込むための銅メッシュまたは導電性インクによる印刷回路を塗布し、陽イオン交換膜（ＰＥＭ）を透過してきた陽子を電離させた上で電子を二次電源であるバッファへと導き、一旦蓄電ユニットへ備蓄したものを負荷で改めて放電するというのが本発明の骨子である。エネルギー供給システムにこの蓄電ユニットというバッファが設けられていないと、負荷変動を柔軟に吸収することができない。
【００１２】イオン交換膜は本来、陽イオンである原子核と陰イオンである電子とを分割するためのものである。イオン交換膜で電離現象を誘導するという着想がこれまでなかったのは、陽イオンと陰イオンが原子の形態を表すだけのものとして理解されていたからである。イオンとは本来電気的性質を示す粒子のすべてに当てはまる。重粒子バリオンでは陽子を、軽粒子レプトンでは電子をそれぞれ意味することばである。イオン化という化学的な認識にとらわれていると、電離という物理的なプロセスが捨象されてしまい、原子の持つ電荷を表すためのものであるという意味が希薄になる。
【００１３】フッ素系の陽イオン交換膜であるナフィオンと呼ばれるものは一般に陽子交換膜ＰＥＭとよばれ、水素分子を電離する機能が評価されたことによって、固体高分子型燃料電池などで幅広く採用され、稼働実績も数多く積んでいる。その機能の実態をみると、陽イオン交換膜であるに過ぎなかった。陰イオン交換膜も同じ原理で電解効果を発揮するものであるため、水素でなくても、物質を電離させることが可能な状態になっている。カチオン膜であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｎｂｒａｎｅ）は、固体高分子型燃料電池で既に多くの実績を積んでいる。
【００１４】イオン交換膜がもつ特性であるイオン導電性能は、多孔質のもつ電位とその内径の大きさとに依存するものである。数オングストロームの大きさのイオンを通過させ、それ以上の大きさを持つ元素や化合物などはこの膜を通過することができない。これは交換膜が多孔質という構造をしていることから、この内径を通過できるイオン粒径のものであれば、電気的に反転している限り、どんなものであっても電離現象を導くことができるということを示すものだった。低分子の有機酸やアミノ酸でもイオン交換膜を通過するという報告がある。この事実に気づいていれば、燃料電池は水素からでなくても発電する機能をもつことが分かっていたであろう。陽イオンと陰イオンとに分離した状態を人為的に誘導できるという事実が視野に入っていたら、その原理を転用して発電機ができるということはひろく認識されていてよい。
【００１５】イオン交換膜の機能が有効であるためには、膜がもつ径を通過できる大きさの粒子でなければならない。その点ではプラスイオンである陽子は、まったく問題なく陰イオン交換膜を通過することができる。電子をはぎ取られた後の原子核粒子が、多孔質の内径より大きければ、電磁的相互作用の相違によらなくても、大きさの制約から膜を通過することはできない。粒子の大きさが多孔質の内径より小さくても、電気的に同じものであれば反発しあって膜を通過することはできない。これは電解膜のもつ電位が、磁気の極性がもつ特性と同じ効果を発揮するからである。
【００１６】膜がもつ電気的特性からみると、それが陽イオン交換膜であるのなら、膜をつくっているベースである組成物質は、マイナスの電位をもった高分子化合物カチオンで作られている。また陰イオン交換膜であるのなら、プラスの電位をもった高分子化合物アニオンで作られているということなのである。この互いに異なる電気的特性が透過させるべきイオンを決定し、排除するべきイオンを膜外へと遠ざけている。この電離現象を利用して電流を導くものが、所謂燃料電池というものだったのである。
【００１７】電子を誘導する側のメッシュまたは膜に直接印刷した電子を誘導するための配線は、膜外へ取り残された電子を集める働きに寄与している。陽イオンである原子核を膜の内側へ透過させる本方式では、この電離現象を誘導することで発電を行っている。電子を効率よく回路へと集めて電流として取り出すことが、銅のメッシュまたは膜上に印刷された導電性塗料に与えられた設計上の役割である。
【００１８】元素の原子核と電子とを電解質膜（イオン交換膜）を介して切り離し、電子のみを集めて電流として蓄電ユニットへと導くことで、発電機としての性能を引き出している。負荷で電荷を解放して水槽の内部へと還流してきた電子は、その中で置き去りにしてきた原子核と再会を果たし、そこで元の元素へと復元されてゆくのである。つまり、循環再生機能をもつ物理化学的な発電装置であるというこの点こそが、既存の固体高分子型燃料電池と大きく異なっているところである。
【００１９】水の粘性と水圧が均等になっていることが、発生電圧を均等化する効果がある。水素燃料電池である固体高分子型燃料電池ＰＥＦＣでは、水素ガスを均一に電解質膜へ当てるために、複雑な回路パターンを設けて差別化を図っている。だが、気体の流体特性が均一となる条件を維持する方法に限界があったため、大型の発電装置となることができなくなっている。
【００２０】本発明は電解質膜が基本的に要求する濡れ性を利用し、液体資源としての水またはその水溶液を資源とすることによって、気体燃料がもつ構造的な限界を排除するものになっている。水素ガスに膨張圧力が備わっていたために、電解効果を高くすることができたのだが、反面該圧力を賦与されていたために、発電効率を引き下げる結果を招いている。固体高分子型燃料電池の発電効率はおよそ３０％程度とされている。これは７０％の水素が発電に寄与することなく大気中へと漏れ出しているということを示すものであった。
【発明の効果】
【００２１】電気エネルギーはこの発電装置を採用することにより、極めて低廉なものとなる。一次資源が水または海水を含むなんらかの水溶液であるところから、どこにでもある水（雨水、地下水、海水など）に電子を多く持つ元素を添加することによって、発電効率を向上させることが可能な状態になっている。
【００２２】既存の燃料電池は純水素または炭化水素を改質して得た水素リッチガスをその資源としている。このため高額な高圧水素の使用を強制されたり、改質装置を増設したりしなければならなかった。水または海水そして人為的に合成された水溶液を一次資源とするこの発電方式では、炭素資源を精製したり、水素資源を抽出したり、炭化水素資源を加工したりするという方法は必要がない。直接水から電気を生み出すことができるからである。多孔質で作られているイオン交換膜を、水和した状態のまま陽子を抜き去って膜を通過させる方式であるため、水素以外の資源からでも電離現象を導くことができるようになっている。
【００２３】資源コストも低廉で且つ循環再利用することができる水を主体としたものになっているため、電気エネルギーのコストを最も低廉なものにする効果を引き出している。環境負荷がないことはいうまでもないのだが、地球の７０％が海水に蔽われているため、資源に不足するという事態を引き起こすことは絶対におきない。この発電モデルは、人類と文明にとっての最終的な福音となるべきものだといえるだろう。
【特許請求の範囲】
【００２４】請求項１については、淡水をそのまま陽子交換膜型燃料電池の一次資源とする発電システムである。水を構成する分子群の原子量が小さなものであるため、付随する電子の量も限られている。だが、淡水を備蓄しておくことにより、災害時でも飲用水を確保することができるというメリットがある。水槽に飲用水が一定量確保されているという点に、災害対応能力をより多くもたせている。
【００２５】請求項２については、海水をそのまま電子交換膜型燃料電池の一次資源とする発電システムである。海水にはいろいろな元素成分が多量に含まれており、これらの元素をイオン交換膜で電離させることが可能である。ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、塩素イオンなどはその代表的なものである。淡水成分の水素と酸素に加えて、これら原子番号の比較的大きな元素は、その原子番号の数だけ電子を多くもっている。これが前項に比べて発電性能を向上させていた理由だったのである。
【００２６】請求項３については、その他の水溶液をそのまま電子交換膜型燃料電池の一次資源とする発電システムである。前項でみてきたごとく、海水は多くの元素を含んでいる水溶液になっている。このことから淡水や海水に人為的に特定の元素を添加することによって、より発電効率を高めることが可能である。すべての請求項が対象とする本発明の一次資源はすべて液体であることから、水槽にイオン交換膜でできた発電セルを沈めることで、所定の電流を導くことができるようになっている。これによりイオン交換膜が必要とする濡れ性を与えることが常時確保され、安定した発電を継続することができるようになっている。
イオン交換膜で電離した原子核と電子は、水槽の中でその後再会するため、もとの原子へと復元されてゆく。このため、循環性能が維持され再利用することが可能な資源として、繰り返し活用することができる発電機になっている。
【００２７】請求項４については、請求項１から３に記載したイオン交換膜型燃料電池システムにおいて、発電セルを有する水槽の中に紫外線発光器を備えたものである。この措置を取ることによって日照のない夜間でも、還流してきた電子を励起状態に復元させてやることが可能になる。
【００２８】請求項５については、請求項４に記載した発電セルを有する水槽において、光触媒の作用で電離現象を促進させるためのものである。水中で紫外線によって電離した電子を、発電セルへと多く取り込むことによって、発電効率を改善する効果を引き出すための補完型の支援措置である。
【００２９】陽子交換膜型燃料電池システムは、太陽光発電システムと併用することで効果を倍増させることが可能である。そのためにはキャパシタやリチウムイオン二次電池などの蓄電システムの関与が不可欠である。この電気エネルギー供給システムは、特願２０００−３１７７５７  「太陽光発電と燃料電池とを利用した独立分散型発電システム」で既に出願がなされている。これらシステムと組み合わせることによって、ランニングコストのかからない低廉な電力で電気エネルギーの自給自足体制を築くことが可能になる。
【００３０】この発電方式は、世界中に広く分布している海水を含む水資源から、直接電流を取り出すためのものである。温暖化の悪化や資源の枯渇が目に見えている現代において、持続再生ができる低廉かつ安全なエネルギーの供給源となるべきものであるといえるだろう。電力コストが最低の水準になれば、途上国でも文明の恩恵を受ける機会は増加する。既存のエネルギーの避けがたい課題である二次生成物の発生もない。環境負荷のない低廉な資源から電力を繰り返し取り出すことができれば、環境を回復させるためのコストはかからなくなる。地球の環境は時ともに回復し、経済も活力を取り戻すことができるようになっていく。
【００３１】水素資源はあらゆるエネルギー産業にとって有効なものであるが、本発明は電気エネルギーの創出にとどまる。このためエネルギーとしての汎用性には欠けるのだが、低価格化という経済効果を実現することができるという点で優れている。このことから、インフラの未整備な途上国などにとっては、極めて有益な自給自足型の電力供給システムとなるであろう。
【００３２】水溶液を一次資源として発電するモデルは、ソニーのバイオ電池が公表されている（未公開特許のようで、出願番号は検索できなかった）が、これはスポーツ飲料に含まれているブドウ糖を酵素で分解することによって、水素をイオン化し微弱な電流を得るためのものである。所謂化学電池に該当するもので、水を排出するのは燃料電池と同じだが、本発明のもつ持続再生能力をもっているという訳ではない。
【００３３】本発明では元素を電離することで電流を得、還流してきた電子と原子核とを再合成することによって、水中で元の元素へと復元する物理的なプロセスを内包するものである。循環再生能力を維持する発電モデルであるが故に、低廉な資源である水とその水溶液などから、永続的に電気エネルギーを生み出すことができるような発電装置になっている。
【図面の簡単な説明】  略
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月15日(2008.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
淡水を一次資源とする陽子交換膜型燃料電池
【請求項２】
海水を一次資源とする陽子交換膜型燃料電池
【請求項３】
その他の水溶液を一次資源とする陽子交換膜型燃料電池
【請求項４】
水槽中に紫外線発光器を有し資源を再生する機能をもつ陽子交換膜型燃料電池
【請求項５】
水槽内部に光触媒を有する陽子交換膜型燃料電池
【請求項６】
淡水を一次資源とする電子交換膜型燃料電池
【請求項７】
海水を一次資源とする電子交換膜型燃料電池
【請求項８】
その他の水溶液を一次資源とする電子交換膜型燃料電池
【請求項９】
水槽中に紫外線発光器を有し資源を再生する機能をもつ電子交換膜型燃料電池
【請求項１０】
水槽内部に光触媒を有する電子交換膜型燃料電池
【請求項１１】
水素ガスを資源としてこれを循環させる方式の陽子交換膜型燃料電池
【請求項１２】
水素ガスを資源としてこれを循環させる方式の電子交換膜型燃料電池
【請求項１３】
水素以外の気体を資源とする陽子交換膜型燃料電池
【請求項１４】
水素以外の気体を資源とする電子交換膜型燃料電池
【請求項１５】
請求項１３記載の燃料電池に紫外線発光器を有する資源再生機能を有する燃料電池
【請求項１６】
請求項１４記載の燃料電池に紫外線発光器を有する資源再生機能を有する燃料電池
【請求項１７】
請求項１５記載の燃料電池に光触媒を有する燃料電池
【請求項１８】
請求項１６記載の燃料電池に光触媒を有する燃料電池
【請求項１９】
請求項１から１８に記載の各燃料電池において、セルごとに炭素電極を有する燃料電池
【請求項２０】
請求項１から１９に記載の各燃料電池において、その外部に二次電源となる蓄電システムを有する燃料電池
【請求項２１】
請求項１から２１に記載の各燃料電池において、太陽光を光ファイバーケーブルによって反応器へと供給する仕組みを有する燃料電池
【請求項２２】
請求項１から２１に記載の各燃料電池において、プラス電位とマイナス電位との相異なるイオン交換膜を併用する燃料電池
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、再生可能な自然資源である水または海水及び各種の水溶液または水素ガス並びにその他の各種ガスを燃料として用い、これら資源を繰り返し再生して発電を行うカチオン膜及びアニオン膜のいずれかまたは両方を有する陽子・電子交換膜型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】固体高分子型燃料電池ＰＥＦＣは、水素分子の持つ電子を電極へ導くことにより、水素を電離してそこから直接発電するための電源系である。発電セルの内部で電離現象を生み出しているのが、電解膜という基材であった。イオン交換膜と呼ばれるこの電解膜の使い方を確認したところ、水から直接電流をとり出すことができるものであるということが分かった。
多孔質のイオン交換膜を反応基材とすることによって、水素分子の電離現象を導いて電流とすることが可能である事実は、市販されている当該製品の実績をみれば明らかである。【０００３】水素分子を資源とする固体高分子型燃料電池は、負荷で電荷を放出した後、スタック内部の電極へと還流してきた電子を、水素の原子核であるプラスイオンの陽子（プロトン）と、装置内部で再結合させて水を発生させる発電モデルである。装置内部で水素原子へと復元されたものを空気極で酸素と化合させることにより、水分子へと復元することで発電した後純水を装置の外部へと排出する。このため、二酸化炭素を生み出さないという特性が評価され、世界中で燃料電池の開発競争が一斉に行われている。
本発明は、水素ガスのみからではなく、水またはその他のガス一般を直接、カチオン型イオン交換膜またはアニオン型イオン交換膜に接触させ、電子と原子核とに電離させることによって電解を行い、そこで発生した電子を集めて電流を導く方式の、環境負荷並びに経済負荷の低い発電機群を包括するものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】燃料電池の資源となるものは、これまで水素でなければならないと信じられてきた。だが固体高分子型の燃料電池の仕組みをみると、イオン化することによって原子核であるバリオンと電子であるレプトンとに分けることができさえすれば、電離した電子を電極へと集めて電流を形成することが可能であった。水素はその９９，７％が中性子をもたない軽水素であるため、陽子交換膜で電離させるモデルが、燃料電池自動車などで既に多数採用されている。
電解膜と元素との間にできる電位差が、電離現象を導くものであるという事実から、イオン交換膜の電位をプラスにかえたアニオン膜であっても、中性子の存在は電離現象を阻害しないことは明らかである。
この電位が生む差を利用する電離方式を援用すれば、水素という高価な資源を用いなくても、燃料電池の機構を残してそのまま発電を行うことができる。
水素は高圧化するかまたは液化させない限り、分子密度が低くなってエネルギーを備蓄するための効率を引き下げる。そのために安全性と備蓄及び輸送などに余分のコストがかかるようになり、低廉な炭素資源を駆逐する効果を未だに発揮することができていない。
そこで、水素分子にする段階を経由せずに、水やその他のガスの状態から直接電離現象を導いてやれば、無駄な精製圧縮プロセスを省くことができるという点に着眼した。この発電システムを普及させることにより、京都議定書の遵守とその実施の実現を早めて、二酸化炭素の排出量全体を大きく削減していく状況をつくりだすことができる。この着眼点が正当なものであるということは、反復実験よりその発電能力の再現性を何度も確認することができている。
【０００５】水素は本質的に二次資源であるという性質もつものであるため、抽出して取り出す工程が絶対的に必要である。取り出した水素分子を備蓄しておくための方法についても、開発すべき余地がまだ多く残されている。高圧化または液化及びその他多くのアイデアが提案され、実用化に向けた開発競争が世界中で現在活発に行われている。
水素資源の輸送方法も決定的な方式が未だ確立されておらず、水素燃料のコストが一向に定まらないという状態がいまなお続いている。水素エネルギーの普及はコスト対策次第、というのが大方の見方として一致しており、この問題を解決すれば炭素資源から水素資源への切り替えだけでなく、その他イオン源となる多くの化合物を資源化することが可能になる。これからの環境対策を実効あるものにして、地球環境の早期改善を進めていかなければならない状況に鑑み、資源を再生して繰り返し再利用することができるようにする必要がある。高価な水素資源を使わなくても、より低廉な物質を効果的に配合した添加剤を用いることにより、本発明に基づく固体高分子型燃料電池で発電させることが可能なイオン源をつくりだせばよい。
【０００６】エネルギー問題の解決は地球環境の回復ばかりではなく、経済を再生して国家の繁栄を導くことにも繋がっていく。環境と経済が陥っていたジレンマを脱して、新しいエネルギーである水素資源のコストを引き下げ、捨てていた汚染物質までをも資源として再利用することができるようになった。現段階でみると水素資源の価格は高止まりした状態を続けており、有害な化石燃料を代替する能力を発揮することがまだできていない。そこで水またはガス一般を資源として使う方法を探り、環境と経済のジレンマを解決する技術の具体化を検討した。
その結果、水素酸化物である各種の水資源、または、その他の化合物群からなるガス資源を用い、燃料電池を構成するセルに直接これを投入する仕組みを成り立たせてやればよいということが判った。水またはガスを一次資源とする低廉な燃料電池を広く世界に提供し、環境性能の高い発電方式をあらゆる市場に供給していくことによって、温暖化防止対策の実効を早めて、気候の変動を速やかに抑制することが、本発明の各項目を製品化することで可能な状態になる。
【発明の実施形態】
【０００７】構造の概略を説明する。電解膜は一般に市販されている所謂イオン交換膜である。電気的特性の違いにより陽イオン交換膜カチオンと陰イオン交換膜アニオンという二種類の性質を異にしたものがある。本発明の理論的根拠を確認するための実験では、カチオン膜と呼ばれる陽子交換型の電解質膜（製品名ナフィオン）を採用した。二枚の電極のうち▲１▼陽極と▲２▼陰極の間にカチオン膜をサンドイッチ▲３▼し、電解膜に水を触れさせてそこで電離した電子を膜の外側においた陽極側▲２▼へと集め、負荷の代わりに置いたキャパシタで電流を発生させた。この回路では還流してきた電子と、交換膜の反対側へ誘導した陽子とを再結合させて、元の化合物である水を復元するという方式を踏襲し、一連の現象とその再現性を反復して確認することに成功した。
【０００８】カチオン型電解質膜を通過できるのは水素イオンである陽子だけであるとされていたことから、マイナスの電荷をもつ電子は電解膜の外側にとり残されることになっている。マイナスとマイナスが反発しあうことによって、電子を膜外へと置き去りにし、これを負荷の代わりにおいたキャパシタに集めて電流と電圧の発生をテスターで確認した。カチオン膜で陽子を吸い取って電極▲２▼に吸着させ、還流してきた電子とそこで再結合させることによって、水を復元するというのがこの発電のメカニズムを証明するため実験の概略である。
この方法を活用すると、海水に含まれる元素から電子を取り込むことができる。このため、発電効率を高めることが水溶液の濃度を調節することで可能であるということが分かった。電解質である多孔質膜の内径を通過できる直径をもつ原子核であれば、電磁相互作用で電離させることができることを海水が電離したことで証明することができた。このとき発電に伴って塩分濃度が低下するという現象が観測されている。
淡水に天然塩を投入すると、発生する電流が増加するという現象のあることから、この事実の再現性を淡水を資源とすることで確認することができた。発電単位であるセルを並列に繋ぎ、一つのスタックを形成する。このスタック同士を直列に繋ぐことによって所定の電圧を導き、負荷に対応した電流を供給することが可能になる。本発電システムにはバッファとして機能させるためのキャパシタを装置外部に採用し、資源を持続再生させながら、負荷変動の影響を受けずに常時定格運転することができるような仕組みをとりいれている。
【発明の詳細な説明】
【０００９】電気的に反転する性質をもつイオン交換膜（陽子交換膜及び電子交換膜である）を介して、導電性のある金属メッシュ（または印刷回路を片面に塗布した電解膜でも可）▲２▼を挟み、陽イオン成分である陽子を選択的に透過させる電解膜で、水または水溶液を用いて電離現象を誘導する。電子だけを共通の電気回路へと同時に導くことで、電流を発生させることができた。一旦電流としたものをキャパシタまたは二次電池▲４▼へと呼び込み、これらを二次電源としてシステムの中枢とするところに特徴をもつ発電システムとなった。それぞれの膜の外側に補強板を兼ねる電極▲２▼および▲３▼が設けられており、そこへ還流してきた電子を呼び込むことで元の原子へと復元させることができる。この発電セル▲５▼を適宜組み合わせて、電力を生み出すための発電モデルの基本形とした。水を電離する電解質膜を採用することによって、電力の自給自足体制というものを成り立たせることが、本発明によって可能となった。
【００１０】イオン交換を行うカチオン膜の外側に、電子を電気回路へと取り込むための銅メッシュまたは導電性インクによる印刷回路を塗布し、陽イオン交換膜（ＰＥＭ）を透過してきた陽子を電離させた上で電子を二次電源であるバッファへと導き、一旦蓄電ユニットへ備蓄したものを負荷で改めて放電する、というのが本発明を実証するために行った根拠とする基本のメカニズムである。エネルギー供給システムにこの蓄電ユニットというバッファが設けられていないと、負荷変動を柔軟に吸収することはできない。直流回路では、バッファの関与がエネルギー供給系の信頼性を高める。
【００１２】イオン交換膜は本来、陽イオンである原子核と陰イオンである電子とを分割するためのものである。イオン交換膜で電離現象を誘導するという着想がこれまでなかったのは、陽イオンと陰イオンとが、原子がもつ電気的に偏った特定のある形態を表すもの、として広く理解されていたからである。イオンとは、本来電気的性質を示す粒子のすべてに当てはまるものである。重粒子バリオンでは陽子を、軽粒子レプトンでは電子をそれぞれ意味し、互いの電気的属性がブラスとマイナスであったことから、原子構造を電弱力と呼ばれる電磁相互作用で成り立たせている。イオン化という化学的にみた側面だけでこれを認識していると、電離という物理的なプロセスが捨象されてしまい、原子の持つ電荷の偏りというその意味が希薄なものになることがある。
【００１３】フッ素系のスルホン酸で作られている陽イオン交換膜であるナフィオンと呼ばれるものは、一般に陽子交換膜ＰＥＭとよばれ、水素分子を電離する機能が評価されたことによって、固体高分子型燃料電池で幅広く採用され、稼働実績も数多く積んでいる電解質膜である。その機能の実態をみると、単なる陽イオン交換膜であるに過ぎなかった。陰イオン交換膜も同じ原理で電解効果を発揮するものであるため、水素でなくても、物質を電離させることが可能な状態になっていた。カチオン膜であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を電解質とする個体高分子型燃料電池では、既に多くの陽子交換膜が安定した実績を積んできている。
【００１４】イオン交換膜がもつ特性であるイオン導電性は、多孔質のもつ電位の強さとその内径の大きさとに依存して成り立っている。数オングストロームの大きさの電気的に反転したイオンを通過させ、それ以上の大きさを持つ元素や化合物などではこの膜を通過することはできない。これは交換膜が多孔質という構造をしていることから、この内径を通過できるイオン粒径のものであれば、電気的にそれが反転しているという条件から、どんなものであっても電離現象を導くことができるということを示している。低分子の有機酸やアミノ酸でもイオン交換膜を通過するという報告がある。この事実に気がついていれば、燃料電池は水素からでなくても発電する機能をもつ、ということが分かっていたであろう。陽イオンと陰イオンとに分離した状態を人為的に誘導できるという事実が視野に入っていたら、その原理を転用して発電機ができるということは早い段階で研究者の多くに広く認識されていてよいことであった。
【００１５】イオン交換膜の機能が有効であるためには、膜がもつ孔の内径を通過できる大きさの粒子でなければならない。その点ではプラスイオンである陽子は、まったく問題なく陰イオン交換膜カチオンを通過することができる。電子をはぎ取られた後の原子核粒子が、多孔質の内径より大きければ、電磁的相互作用の相違によらなくても、大きさの制約から膜を通過することはできない。粒子の大きさが多孔質の内径より小さくても、電気的に同じものであれば反発しあって膜を通過することはできない。これは電解膜のもつ電位が、磁気の極性がもつ特性と同じ効果を粒子に対しても発揮するからである。水素以外の電子各成分である中性子は、その電気的特性である中性という性質をもため、電気的結合に影響されることはおきない。
【００１６】膜がもつ電気的特性からみると、それが陽イオン交換膜であるのなら、膜をつくっているベースである組成物質は、マイナスの電位をもった高分子化合物カチオンで作られている。また陰イオン交換膜であるのなら、プラスの電位をもった高分子化合物アニオンで作られているということなのである。この互いに異なる電気的特性が透過させるべきイオンを決定し、排除するべきイオンを膜外へと遠ざけている。この電離現象を利用して電流を導くものが、本発明であるところの新しい概念をもつ燃料電池である。
【００１７】電子を誘導する側のメッシュまたは膜に直接印刷した電子を誘導するための配線は、膜外へ取り残された電子を集める働きに寄与している。陽イオンである原子核を膜の内側へ透過させる方式では、この電離現象を誘導することで発電が行われている。電子を効率よく回路へと集めて電流として取り出すことが、銅のメッシュまたは膜上に印刷された導電性塗料に与えられた実験を目的とした設計上の役割である。
銅は水に触れて酸化銅緑青を生むため、実際の電極とするには不向きである。しかしながら電気伝導率を考慮して、実験では敢えて銅素材を電極として採用した。
【００１８】元素の原子核と電子とを電解質膜（イオン交換膜）を介して切り離し、電子のみを集めて電流として蓄電ユニットへと導くことで、発電機としての性能を引き出している。負荷で電荷を解放して水槽の内部へと還流してきた電子は、その中で置き去りにしてきた原子核と再結合し、そこで元の資源である元素へと復元されたのち、紫外線で励起されて当初の化合物だった状態へと戻される。このメカニズムを人為的に制御することによって、繰り返し発電することができるモデルを構築することが可能である。つまり、循環再生機能をもつ物理化学的な発電装置というこの点こそが、既存の固体高分子型燃料電池と大きく異なっているところである。
【００１９】水のもつ粘性と水圧が均等にかかっているということが、発生する電力を均等化させるのに効果がある。水素燃料電池である固体高分子型燃料電池ＰＥＦＣでは、水素ガスを均一に電解質膜へ当てるためのセパレータに、複雑な回路パターンを設けて差別化を図っている。だが、気体の流体特性が均一となる条件を維持する方法に限界があったことから、大型の発電装置となることができなくなっている。
【００２０】本発明は電解質膜が基本的に要求する濡れ性を、水を資源として用いることによって付与し、液体資源としての水またはその他の水溶液を資源とし、水素ガスがもつ膨張特性からくる構造的な限界を排除するものである。水素ガス自体に膨張圧力が備わっていたために、電解効果を高くすることができたのだったが、反面該圧力を賦与されていた資源だったために、発電効率を引き下げる結果を招くことになったのである。固体高分子型燃料電池の発電効率はおよそ３０％程度とされている。これは７０％の水素が発電に寄与することなく大気中へと漏れ出しているということを示すものである。大気中の酸素を取り入れて電解膜を湿らせておく必要があったことから、圧力をかけられていた水素資源のスタックからの漏出を促す結果になっていた。
【発明の効果】
【００２１】電気エネルギーはこの発電装置を採用することにより、将来極めて低廉なものとなる。一次資源が水または海水を含むなんらかの水溶液、または資源化されることのなかった捨てられた各種のガスであるということから、どこにでもある水（雨水、地下水、海水など）に電子を多く持つイオン源となる水溶性の元素を調合して添加することによって、或いは大気汚染の原因となっていたガスを低圧の状態で反応器へと誘導することによって、発電効率を向上させていくことが可能な状態になる。大気や海水へ投棄していた汚染物質を資源化することができるという点が、環境問題を解決する手段となり、有効な対策を欠いていた世界の脱温暖化活動に実効あらしめるものとなる。
【００２２】既存の燃料電池は、純水素または炭化水素を改質して得た水素リッチガス、またはメタノールなどをその資源としている。このため高額な高圧水素の使用を強制されたり、改質装置を増設したりしなければならなかった。水または海水または人為的に合成された水溶液及び不要となった各種ガスを一次資源とするこの発電方式は、炭素資源を精製したり、水素資源を抽出したり、炭化水素資源を加工したりするという必要そのものがない。直接水やガスなどから電気を生み出すことができるからである。多孔質で作られているイオン交換膜を、水和した状態のまま陽子だけを抜き去って膜を通過させる方式であるため、水素以外の資源からでも電離現象を導くことができるようになっている。
ガスの場合も同様に、排出されたガスを集めておくことにより、その発生圧力を利用して加圧したものを、適宜電解膜に当てて電離を誘導することで電流を獲得することが可能である。
【００２３】資源コストは当然ながら低廉であり、且つ循環再利用することができるものとなる。水または二次生成したガスを主体としたものになっているため、電気エネルギーのコストを最も低廉なものにする効果を生み出す。環境負荷がないことはいうまでもないのだが、地球の７０％が海水に蔽われているとされているため、資源に不足するという事態を引き起こすことがない優良な新資源となる。また二酸化炭素を資源とする発電モデルなら、温暖化を促進していたガスを捕集して資源とすることが可能となる。この発電モデルは、人類と文明にとっての最終的な福音となるものといえる。
【特許請求の範囲】
【００２４】請求項１については、淡水をそのまま陽子交換膜型燃料電池の一次資源とする発電システムである。水を構成する分子群の原子量が小さなものであるため、付随する電子の量も限られている。だが、淡水を備蓄しておくことにより、災害時でも飲用水を確保することができるというメリットがある。水槽に飲用水が一定量確保されているという点に、災害対応能力をより多くもたせている。
【００２５】請求項２については、海水をそのまま陽子交換膜型燃料電池の一次資源とする発電システムである。海水にはいろいろなイオン源となる化合物成分が多量に含まれており、これらの元素をイオン交換膜で電離させることが可能である。ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、塩素イオン、カルシウムイオンなどはその代表的なものである。淡水成分である水素と酸素に加えて、これら原子番号の比較的大きな元素は、その原子番号の数の分だけ多くの電子をもっている。これが前項記載の発電モデルよりも、発電性能を向上させていた理由であった。
【００２６】請求項３については、その他の水溶液をそのまま陽子交換膜型燃料電池の一次資源とする発電システムである。前項でみてきたごとく、海水は多くの元素を含んだ水溶液になっている。このことから淡水や海水に人為的に特定の水溶性元素を添加することによって、より発電効率を高めることが可能である。すべての請求項が対象とする本発明の一次資源は、おしなべて液体または気体であることから、水槽またはガス雰囲気中にイオン交換膜でできた発電セルをおくことで、所定の電流を導くことができるような仕組みになっている。水槽の場合イオン交換膜が必要とする濡れ性を与えることが常時確保され、安定した発電を継続することができる。ガスの場合、濡れ性を維持するためにゴアテックスまたはこれに類した機能性新素材繊維を半透膜型ダイアフラムとして導入し、繊維を透過してきた水蒸気を電解質高分子膜に当てることにより、凝固反応で液化させて必要な濡れ性を担保する。蒸発させるための熱源は、発電で生じた熱抵抗が生む温水を利用し、低温で安定した温熱環境を維持する。
イオン交換膜で電離した原子核と電子は、水槽またはガス雰囲気中でその後再結合するため、もとの原子へと復元されてゆく。このため、循環性能が維持され、繰り返し再利用することが可能な資源として、反復再利用することができる資源へと戻る。
【００２７】請求項４については、請求項１から３に記載した陽イオン（陽子）交換膜型燃料電池システムにおいて、発電セルを有する水槽または水を循環させる回路の一部に紫外線発光器を備えたものである。この措置を取ることによって日照のない夜間でも、放電後還流してきた電子を励起状態に復元させてやることが可能となる。
【００２８】請求項５については、請求項４に記載した発電セルを有する水槽において、光触媒の作用で電離現象を促進させることを目的としたものである。水中で紫外線によって電離した電子を発電セルへと電気的に導くことによって、発電効率を改善する効果を引き出すための補完型の支援措置である。
【００２９】請求項６については請求項１に記載した燃料電池と同様であるが、電解質がもつ電位が反転したアニオン膜を用いるものである。この方式の最大の特徴は、電子を捕集する電極を電解膜で挟み込むことができるという点である。これを実施することにより、電子交換膜では電離効果を倍増させ、多孔質の内径の制約を完全に排除することができるようになる。即ちあらゆる元素を電離させることが可能になるため、資源選択の制約がなくなるという効果を発揮するものとなる。
【００３０】請求項７については、請求項２に記載した燃料電池と同様だが、電解質膜の電位は電気的に反転したプラス電位の電子交換膜型燃料電池である。その基本的な効果については、当該項記載の内容となんら変わるものではない。
【００３１】請求項８については、請求項３に記載した燃料電池と同様だが、電解質膜の電位が電気的に反転したプラス電位の電子交換膜型燃料電池になっているという点が異なる。その効果については当該項である請求項３に記載した内容となんら変わるものではない。
【００３２】請求項９については、請求項４に記載した如く、請求項１から３に記載した陽イオン交換膜（陽子交換膜）型燃料電池システムに代えて陰イオン交換膜（電子交換膜）型の燃料電池としたものである。発電セルを有する水槽の中に紫外線発光器を備えたものという仕組みの意義に変更はない。この措置を取ることによって日照のない夜間でも、放電後還流してきた電子を励起状態に復元させてやることが可能となる。
【００３３】請求項１０については、請求項５に記載した如く、請求項４に記載した発電セルを有する水槽において、光触媒の作用で電離現象を促進させることを目的としたものである。水中で紫外線によって電離した電子を発電セルへと電気的に導くことによって、発電効率を改善する効果を引き出すための補完型の支援措置である。
【００３４】請求項１１については、請求項１に記載の燃料電池で同じ仕組みのものであるが、その資源とする物質が液体ではなく、水素ガスであるという点に違いがある。既存の燃料電池と異なっている点というのは、漏出した水素資源を取り込んで循環再利用することができるという点にある。従来の固体高分子型燃料電池の発電効率はおよそ３０％とされている。このことは、７０％の水素資源が大気中へ漏出しているか、或いは水になるためのみに使われているということを示している。
この問題を解決するには、反応容器を二重構造にし、内層から逃げ出した水素資源を回収し、その発生圧力を利用して内層容器の下部から逆止弁を経てリアクターへと再度取り込むことができればよい。そのプロセスの任意のどこかで、紫外線を照射することによって電子を励起し、その活性を高めるための仕組みである。発電で消費したエネルギーは、励起することによって元の原子状態へと復元させることができる。
電解膜が要求する濡れ性を維持する方法は、請求項３で言及した方法と同一である。即ちゴアテックスまたはこれに類した機能性新素材繊維をダイアフラムとして導入し、繊維を透過してきた水蒸気を電解膜に当てることにより、凝固反応で液化させて必要な濡れ性を担保する。蒸発させるための熱源は、発電で生じた電気抵抗が生む温熱を利用し、低温であっても安定した温度環境を維持するよう配慮する。
【００３５】請求項１２については、請求項８に記載した燃料電池と同様の機構を備え、イオン源を液体から水素ガスに変えたものである。発電で劣化した水素ガスは、紫外線を当てることによって励起させ、電子がもつべき固有のエネルギーレベルを引き上げてやることによって、繰り返し再利用することを可能にすることができる。この方法とることにより、放電後還流してきた電子を水素イオンである陽子に結合させ、水素原子へと戻してこれを資源として循環再利用することが可能となる。既存の水素を資源とする固体高分子型燃料電池と異なっている点は、資源である水素を循環再生して繰り返し発電に使用するという部分である。この方式をとることによって高価な水素資源を何度も購入する必要をなくし、備蓄する必要そのものを排して、高圧化するというプロセス全体を不要のものとした。
【００３６】請求項１３については、水素ガス以外の各種気体を電離してそこから電流を導くための機構を有するカチオン型陽子交換膜を有する燃料電池である。本項目で採用した電解質膜は、プラスイオンを対象とする陽子交換膜型であるため、発電原理は請求項１と同様のイオン化であり、電解質膜（カチオン膜）で電離させた陽子と中性子とからなる原子核を膜の反対側へと透過させ、そこで電離した電子を電極で捕集して負荷へと供給することを目的としたものである。電解膜に濡れ性を与える仕組みは、請求項３で既に言及したものと同一の方式を採用する。
【００３７】請求項１４については、請求項１３で扱った燃料電池と同じだが、その対象とする電解質膜のもつ電位をマイナスからプラスへと反転させた電子交換膜となっているというところに違いがある。このモデルは、大きさの制約のない電子を多孔質電解膜（アニオン膜）のもつプラス電位を利用して、マイナスイオンである電子を電極へと誘導することを目的とする燃料電池である。
電解質膜を二つ折りにし、その中間に電極を挿入することによって、両方向から電子を電極へと導いて電流とすることができるものとした。集電効率をカチオン型モデルの二倍相当に引き上げることができるという点で、アニオン型電解質膜をもつ燃料電池がカチオン型電解質膜をもつ燃料電池より優れていることを利用したものである。水溶液濃度を二倍にして本請求項の電子捕集率を二倍にすると、四倍の発電効率の向上が引き出せることになる。
【００３８】請求項１５については、液体を資源とする陽子交換膜型および電子交換膜型の燃料電池ではなく、また水素を資源とする上記二系統の燃料電池でもないその他の気体を資源とする燃料電池であって、その内部に紫外線発行器を有する発電モデルである。
この措置をとることによって、燃料電池が発電で消費した水素以外の各種のガスに属していた電子が失ったエネルギーを励起し、再び元の元素へと戻すことができるようになる。即ち資源を循環して再利用することができるようにするためのものであり、これを実施することによって、発電にかかる資源コストを抑制する効果を引き出すことを目的としたものである。
【００３９】請求項１６については、１４及び１５で扱った燃料電池のそれぞれに、紫外線発光器を搭載したものである。その目的は請求項４及び９及び１４に記載したものと同一である。
【００４０】請求項１７については、請求項１３に記載した陽子交換膜型燃料電池に記載したモデルに、光触媒を導入して電離現象を促進する効果を引き出すための措置である。
【００４１】請求項１８については、請求項１６に記載した電子交換膜型燃料電池に記載したモデルに、光触媒を導入して電離現象を促進する効果を引き出すための措置である。
【００４２】請求項１９については、多孔質カーボンからなる素材を電極に用いて、一時的に電荷をそこへ吸収させておくためのものである。この方式を採用することによって、電極そのものにコンデンサとしての能力を付与し、定格の数倍に相当する起電力を要するモーターなどの運転を容易にすることができる。電極のもつ体積を調節することによって、吸収させておく電荷の量を任意に設計することが可能であるため、出力の増幅効果を燃料電池本体に付与することができる。
【００４３】請求項２０については、請求項１９に記載した電力供給のための緩衝効果と同じものを、燃料電池の外部においた蓄電システムを二次電源として用いることにより、出力を安定化させて負荷変動に対応させる仕組みを構築するための機能を備えた燃料電池のグループである。
本発明で扱っている紫外線発行器と光触媒を有する燃料電池などは、持続再生する能力を基本的に備えている。外部に蓄電システムをおくのは、紫外線を供給するための電源としても使うことができ、これによって２４時間電離させて得た電流を燃料電池が生み出せるようにしておくためのものである。
定格運転することによって発電量を安定化させ、負荷には蓄電システムに充電しておいたものの方を先に供給する。蓄電容量が多いシステムにすることによって負荷変動を惹起せずに、負荷の発生しない時間帯を利用して充電を行っていることが可能になる。
【００４４】請求項２１については、紫外線源として太陽光を集光して反応器へ供給することにより、励起現象を増幅する効果をもった燃料電池のグループである。
【００４５】請求項２２については、カチオン膜並びにアニオン膜の双方を併用する燃料電池のグループである。カチオン膜はマイナス電位をもつ電解膜であり、アニオン膜はプラス電位をもつ電解膜である。マイナス電位がプラスの粒子である陽子（水素イオン）を引き付け、プラスの電位がマイナスの粒子である電子を引き付ける。この時膜のもつ電位と同じ粒子は、膜の電位が作用して膜外へと遠ざけられている。これは磁石のＳとＳ、ＮとＮとが互いに反発しあうのと同じ効果の現れである。この方式を採用することによって、電子を捕集して電流とするための効率はほぼ倍増する。電子を集めるための電極の間にスペーサーをおき、その間に存在する各種の化合物群から電離させて得た電子を、それぞれ対抗する電極へと導いて統合する機構を備えた燃料電池である。
【発明にかかわるその他の要件】
【００４６】地表に大量に存在する水資源、とりわけその存在比率の高い海水を主な資源とすることによって、温暖化をもたらす化石燃料を代替する道が開ける。本発明は温室効果ガスである二酸化炭素をも電解質膜でイオン化し、エネルギー資源とすることを可能にするためのものである。
【００４７】その発電原理は本文中に記載されているが、淡水化や水質浄化の部分についてはここで補足しておく必要がある。電離現象でレプトン（電子）とバリオン（陽子、中性子などの原子核）が分離され、遊離した電子を電極へ導いて電流とするプロセスと、エネルギーを放出して還流してきた電子を紫外線で励起することにより、元素への復元を図ることが可能である。励起する以前の段階では、電離した電子はエネルギーを失って、同一の量子的条件をもつものとなっている。
【００４８】量子力学では同じ量子スピン数をもつ電子同士は、同一の電子軌道を共有することが禁止されている。これが海水から淡水ができる経緯をよく説明している。元素が化合物となるためには、共有電子対が成り立つ関係を築かなければならない。それには量子スピン数が互いに打ち消しあうプラス二分の一とマイナス二分の一という関係にある電子同士であることが絶対条件なのである。放電したあとの電子のエネルギーレベルは同じ条件をもつため、パウリの排他律に拘束されて共有結合をとることができない。そこで紫外線による励起で電子を賦活することで、量子的条件を復元してやればもとの分子結合の形態をもつ化合物へと戻ることが可能になる。
【００４９】量子スピン数というのは量子力学で採用した考え方の一つのモデルである。同じ現象を量子化学では磁気モーメントと呼んでいる。言っていることの内容はどちらも同じであるが、前者は左右方向きのスピンをイメージし、後者は極性のおかれている位置から上下方向のスピンをイメージしたものになっている。
その実態を調査すると、要するに電子がもつエネルギーには、強弱の二種類の違いがあるということであるに過ぎない。だが、その相違点をよくみないでいたために、本質となる成分であるエネルギーギャップの存在を見落としていた。電気エネルギーを放出する前の活性の高い電子と、電気エネルギーを放出したあとの劣化した電子とが、反応場に共存しているということなのである。このエネルギー収差にでてきた違いが、本発明の依拠する電気エネルギーのゲインとなっている。
【００５０】水素を資源とするこれまでの燃料電池は、３０％相当の電気エネルギーを得るために、残りの７０％相当の資源を有効利用できないものにしなければならなかった。水素分子Ｈ２が膨張圧力を帯びたものになっていたために、大気中の酸素を取り込む際に圧力を受けていた水素分子が、装置外部へと逃げ出していたのである。
酸素を取り込む必要があったのは、電解質膜が濡れ性を要求するものであったからである。固体高分子型燃料電池の課題は、電解効率を犠牲にしてでも、電解膜に与える濡れ性を維持する必要があったという点にある。
【００５１】陽子交換膜型燃料電池システムは、太陽光発電システムと併用することでその環境効果を倍増させることが可能である。そのためにはキャパシタやリチウムイオン二次電池などの蓄電システムの関与が不可欠となる。この電気エネルギー供給システムは、特願２０００−３１７７５７  「太陽光発電と燃料電池とを利用した独立分散型発電システム」で既に出願がなされている。これらシステムと組み合わせることによって、ランニングコストのかからない低廉な電力で電気エネルギーの自給自足体制を築くことが可能になる。
【００５２】本発明による各種の発電方式は、世界中に広く分布している海水を含む水資源などから、直接電流を取り出すためのものである。温暖化の悪化や資源の枯渇が目に見えている現代において、持続再生ができる低廉かつ安全なエネルギーの供給源となるべきものであるといえる。電力コストが最低の水準になれば、途上国でも文明の恩恵を受ける機会が増加する。既存のエネルギーの避けがたい課題である有害な二次生成物の発生もおきない。
【００５３】環境負荷のない低廉な資源から電力を繰り返し取り出すことができれば、環境を回復させるためのコストはかからなくなる。資源コストが減って発電効率が向上すれば、その経済効果は計り知れないものとなる。しかも環境回復能力をもつことから、現在の地球がおかれている環境全般は時ともに徐々に回復を早め、同時に経済成長の方も活力を取り戻して、プラス方向のスパイラルで伸びていくことが可能になる。
【００５４】水素資源はあらゆるエネルギー産業にとって有効なものではあるが、本発明では電気エネルギーだけでなく、水素エンジンへの応用展開の可能性を示唆するにとどめる。このためエネルギーとしての汎用性という意味では電気エネルギーという条件に限定し、この制約の中で有効な電気エネルギーの創出を目的とした。エネルギー資源の低価格化、という経済効果を実現することができるという点で、本発明は優れた効果を持つ発電システムになっている。このことから、インフラの未整備な途上国などにとっては、極めて有益な自給自足型の電力供給システムの基本を提供するものとなる。
【００５５】水溶液を一次資源として発電するモデルは、ソニーのバイオ電池が公表されている（未公開特許のようで、出願番号は検索できなかった）が、これはスポーツ飲料に含まれているブドウ糖を酵素で分解することによって、水素をイオン化し電流を得るためのものである。所謂化学電池に該当するもので、水を排出するのは燃料電池と同じだが、本発明のもつ持続再生能力をもっているという訳ではない。物理反応と化学反応とは、本質的に同じものではなく、切り口の異なった断面を観察するに等しいものである。
【００５６】本発明では元素を電離することで電流を得、還流してきた電子と原子核とを再合成することによって、水中または気体雰囲気中で元の元素へと復元する物理的なプロセスを前提とする。循環再生能力を維持する発電モデルであるが故に、低廉な資源である水とその水溶液、または不要となった各種の排ガスなどから、永続的に電気エネルギーを生み出すことができるような発電装置をつくるための基本原理を提出するものである。
【００５ｘ】
【図面の簡単な説明】略