空気電池式反応装置。
【課題】電源を必要としない電気化学反応により、単に水酸化マグネシウムが生成し、電流が流れると共に水素ガスが発生することは知られていたが、効率よく継続して、水酸化マグネシウムを製造する手段と、前記水酸化マグネシウムを製造すると共に効率よく継続して発電する手段または水素ガスを製造する手段は開示されていなかった。従って、効率よく継続して水酸化マグネシウムを製造し、水酸化マグネシウムの製造単価を低減し、エネルギー資源を有効活用する装置を提供する。
【解決手段】マグネシウム、アルミニウム等をアノード１とし、アノードよりも電気化学的に貴電位の金属または炭素質材をカソード２とした電極対３と、電極接続導電手段と、溶存酸素供給手段と、pH5以上の電解水とで空気電池を構成することで、効率よく継続して水酸化金属を製造する装置。
【解決手段】マグネシウム、アルミニウム等をアノード１とし、アノードよりも電気化学的に貴電位の金属または炭素質材をカソード２とした電極対３と、電極接続導電手段と、溶存酸素供給手段と、pH5以上の電解水とで空気電池を構成することで、効率よく継続して水酸化金属を製造する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リン除去装置、水酸化金属製造装置、発電装置および水素ガス製造のカソード及びアノード電極を有する空気電池式反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一次電池によりリンを除去するする方法が、燃料電池用電極分野においては金属を含有する活性炭の製造方法が、リチュームイオン電池用負極あるいはキャパシタ用電極分野において、木タールを原料とする炭素電極及び製造方法が開示されている。
又、化学反応による水素ガス製造分野において、水素ガス活性化処理されたアルミニウム微粒子と水分子を反応させて水素ガスを発生させる方法が開示されている。
【０００３】
従来、空気電池式のリン除去装置や発電装置のカソード電極では銅板、鉄板又は炭素板等に端子及び電線をボルト及びナットを用いて、又、アノード電極では、マグネシウム板又はマグネシウム合金板、アルミニウム板又はアルミニウム合金板、及び鉄板又は鉄合金板等に端子及び電線をボルト及びナットを用いて接続していた。したがって、固有抵抗の大きな鉄等をカソードとするときは、電圧降下が大きくなる欠点があった。そして、水酸化金属製造装置や水素ガス製造装置の知見はなかった。
【０００４】
さらに、電極の内部抵抗を低減する手段、触媒を担持した電極、電解水に触媒イオンを添加した空気電池式反応装置によって、金属水酸化物の生成収量を多くし、又はリン除去率を大きくする知見は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2004-066223
【特許文献２】特開2007-21427
【特許文献３】特開200４-217507
【特許文献４】特開2006-236942
【特許文献５】特開2006-45004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の電源を必要としない電気化学反応によるリンの除去、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムまたは水酸化亜鉛等の製造、水素ガスの製造および発電に関しては、空気電池の内部抵抗が大きいために電圧降下が大きく、閉回路端子電圧と回路電流が小さくなり、その結果、電気化学反応の低下、リン除去効率の低下、水酸化金属の生産速度の低下、水素ガスの生産速度の低下及び発電電力量の低下等の問題があった。冬季等の水温が低下する時期には、電気化学反応速度が低下すると、アノードにおける発熱を伴う酸化反応が低下すると、80℃程度までは水温が高い程、電気化学反応速度を大きくする発熱エネルギーを利用出来なくなるので、益々電気化学反応速度が小さくなる。
【０００７】
従って、本発明においては、空気電池の内部抵抗を小さくすることを課題とする。
【０００８】
又、白金等の高価な触媒に代えて、安価で触媒活性の高い電極触媒材料を担持したカソード電極を配設した空気電池式反応装置とすることを課題とする。
【０００９】
又、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に触媒物質又は触媒イオンを添加することを課題とする。
【００１０】
又、リン除去、水酸化金属の製造、水素ガスの製造および発電等の単価を低減し、除去量又は製造量を多くすることを課題とする。
【００１１】
そして又、簡単に、しかも純度の高い水酸化金属を製造することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するため、以下に記載されるような技術構成とする。
即ち、空気電池式反応手段のカソードに該カソードよりも電気抵抗が小さい集電手段で内部抵抗低減手段とする。
【００１３】
又、単位カソードに２箇所以上の集電手段を配設して内部抵抗低減手段とする。
【００１４】
電気的接続手法として、従来においては、接触接続手法が多用されているが、該接触接続手法では、接触抵抗が大きいために、空気電池の内部抵抗が大きくなる問題があるが、電極と導電体の異種金属接続に、超音波溶接、レーザー溶接、ロウ付け加工、圧接、溶融金属容射等により接合面に金属間結合層が生成して接合抵抗は接触抵抗と比較すると極端に小さくなる。
【００１５】
又、金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極とする。
【００１６】
又、木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを酸素量制限雰囲気熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極とする。
【００１７】
天然有機物としては、金属を含有するタンパク質、中でも鉄タンパク質、銅タンパク質が好ましい。鉄タンパク質としては、カタラーゼ、ペルオキシターゼ、ヒドロゲナーゼ、オキシゲナーゼ、シトクロム、ヘモグロビン、ミオグロビン、レグヘモグロビン、ヘモペキシン等のヘムタンパク質とルブレドキシン、フェレドキシン、ニトロゲナーゼ、亜硫酸レダクターゼ等の鉄−硫黄タンパク質を含む非ヘム鉄タンパク質が挙げられる。銅タンパク質としては、ビリルビン・オキシターゼ、ラカーゼ、チロシナーゼ等が挙げられる。これらの金属を含む天然有機物、特に上記タンパク質は、単独又は二種以上を混合して使用出来る。又、上記タンパク質以外に、これらのタンパク質を含む血液、血粉、屠殺動物の廃棄物等も使用出来る。
【００１８】
又、熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭に添着したものを空気電池式反応装置用のカソード電極とする。
【００１９】
又、アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形して空気電池式反応装置用のアノード電極とする。
【００２０】
又、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に食塩水、海水等を添加すると電圧と電流が増加して電気化学反応速度が大きくなることを見出した。
【００２１】
又、自然エネルギーである、太陽熱温水器の温水又は熱媒で空気電池式反応装置の電解水を加熱する。
【００２２】
又、空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するために、カソード電極に炭素電極を使用し、アノード電極に純マグネシウム、純アルミニウム等の純金属を使用し、電解水には純度の高い塩化ナトリウムを使用した電解水とする。
【００２３】
又、空気電池式反応装置において、カーボンペーパ又はカーボン繊維をカソード電極とし、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布して、空気中の酸素を補給する手段とする。
【００２４】
又、空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極とする。
【００２５】
そして又、空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段とする。
【００２６】
本発明の課題解決手段による作用は次のようである。即ち、炭素鋼をカソードとした場合は固有抵抗が銅の約12倍にもなり、内部抵抗が極めて大きくなる。ところが、抵抗は固有抵抗と導電体の長さに比例し断面積に反比例するので、内部抵抗低減手段として炭素鋼の電流路の長さを極力小さくすると共に電流路の断面積を大きくすれば、空気電池の内部抵抗を小さくする作用を奏する。
【００２７】
又、カソードと集電体との接続部には大きな接続抵抗が現出して、電圧降下により出力が低下する。そこで、単一カソードにおける接続箇所を二箇所以上の複数とすることにより、一箇所当りの電流密度が小さくなり、内部抵抗による電圧降下が減少して、出力が上昇する作用を奏する。
【００２８】
又、金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、金属を含有した活性炭の触媒作用により、酸素還元反応に対して、高活性を示す。
【００２９】
又、木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを、酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、金属を含有した活性炭の触媒作用により、酸素還元反応に対して、高活性を示す。
【００３０】
又、熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭又はオガ炭に添着したものを空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、さらに酸素還元反応に対して、高活性を示す。
【００３１】
又、アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形して一次電池式反応装置用のアノード電極とすることにより、アルミニウムと電解水との接触面積が飛躍的に多くなるが、該接触面積の飛躍的な増大により、電気化学反応によるアルミニウムの酸化反応が容易となり、電気化学的水素ガス生成速度が増加すると共に、活性アルミニウムが水と反応して水素ガスを生成するする作用も同時に生起する。
【００３２】
又、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に食塩水、海水等を添加すると電圧と電流が増加するが、化学反応生成物には、ナトリウム及び塩素を構成素とする物質は生成しないことより、ナトリウム又は塩素が導電性向上又は触媒として作用しているものと考えられる。
【００３３】
又、自然エネルギーである、太陽熱温水器の温水又は熱媒で空気電池式反応装置の電解水を加熱すると、特に冬季等における低水温の海水又は廃水等の電解水の電気化学反応速度が大きくなる作用を奏する。
【００３４】
又、空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するためには、電極、特にアノード電極に製造目的とする金属水酸化物の金属に不純物が合金化されている割合が多いほど、酸化反応により溶出する不純物の量がそれだけ多い割合となり、生成した金属水酸化物の純度が低下する。したがって、電気化学的反応系に不純物を配設しないことで、純度の高い金属水酸化物が生成する。
【００３５】
又、空気電池式反応装置において、カーボンペーパ、カーボン繊維、カーボン成型体又は活性炭成型体をカソード電極とし、イオン流通性セパレータを介在してアノード電極面と対峙し、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布すると、アノード電極と対峙した面では電解液とのイオン流通が容易であり、アノード電極と対峙しない面では適度な親水性と撥水性を持つため、カソード電極へ酸素を補給する。
【００３６】
又、空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極とすると、触媒担持活性炭の方は酸素還元触媒として働く。
【００３７】
そして又、空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段とすると、単位セルの電流が小さいことにより空気電池式反応装置全体の電圧降下を低減出来、又、直列接続手段の固有抵抗が小さい素材と、大きな断面積及び小さな長さの電気良導体にすることにより、空気電池式反応装置全体の電圧を大きくする作用を有する
【発明の効果】
【００３８】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３９】
空気電池式反応手段のカソードに該カソードよりも電気抵抗が小さい集電手段で内部抵抗低減手段とすることで、閉回路電圧と回路電流が増加するので、リン除去効率が上昇し、また、水酸化金属および水素ガスの生産量が増加すると共に発電量が増加する効果を奏する。
【００４０】
又、単位カソードに二箇所以上の集電手段を配設して内部抵抗低減手段とすることで、上記と同様の効果を奏すると共に、一箇所当りの電流密度が減少するために、全体の電圧降下が減少する効果を奏する。
【００４１】
又、金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して一次電池式反応装置用のカソード電極とすることにより、高価な白金担持カーボンブラック等を用いた従来の電極と同程度の活性を有するカソード電極とすることが出来るので、安価で高性能な電極とすることが出来る。
【００４２】
又、木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを、酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、木材等のバイオマス資源から木炭等を製造する際に副生成物として生成する木質タール及び金属を含有する天然有機物である屠殺動物の廃棄物等を有効活用出来ると共に、安価で高性能な電極とすることが出来る。
【００４３】
又、熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭又はオガ炭に添着したものを空気電池式反応装置用のカソード電極とすることにより、さらに高性能な電極とすることが出来る。
【００４４】
又、アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形して一次電池式反応装置用アノード電極とすることにより、アルミニウムと電解水との接触面積が飛躍的に多くなるため、電気化学反応によるアルミニウムの酸化反応が容易になり、電気化学反応による水素ガス生成速度が増大するだけでなく、活性アルミニウムが水と反応して水素ガスを生成するする作用も同時に生起するので、水素ガス生成速度が飛躍的に増大する。従って、アルミニウム又はアルミニウム合金屑の有効活用が出来る。
【００４５】
又、空気電池式反応装置用のカソード電極の内部抵抗が低減すること又は金属の触媒作用により、酸素還元反応に対して、高活性を示す空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、リン除去効率、水酸化金属生産効率、発電効率及び水素ガス生産効率を同時に達成出来るので、それぞれ単独に達成する場合に比較して、はるかに処理又は生産費用を低減又は削減する効果を奏する。
【００４６】
又、自然エネルギーである、太陽熱温水器の温水又は熱媒で空気電池式反応装置の電解水を加熱すると、電気化学反応速度が大きくなると、水酸化金属の生産速度、リン除去量、発電量及び水素ガス生産量が増大する効果を奏する。
【００４７】
又、空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するためには、電極、特にアノード電極に製造目的とする金属水酸化物の金属に不純物が合金化されている割合が少ないほど、純度の高い金属水酸化を製造できる効果がある。
【００４８】
そして又、空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段とすると、空気電池式反応装置による発電電力を大きくする効果がある。
又、空気電池式反応装置において、カーボンペーパ、カーボン繊維、カーボン成型体又は活性炭成型体をカソード電極とし、イオン流通性セパレータを介在してアノード電極面と対峙し、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布すると、アノード電極と対峙した面では電解液とのイオン流通が容易であり、アノード電極と対峙しない面では適度な親水性と撥水性を持つため、カソード電極へ酸素を補給するため、酸素還元反応が長時間に亘り持続する効果がある。
【００４９】
そして又、空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極とすると、触媒担持活性炭の方は酸素還元触媒として働き、酸素還元反応が長時間に亘り持続する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は空気電池式水酸化マグネシウム製造装置の説明図である。（実施例１）
【図２】図２はカソード電極の説明図である。（実施例２）
【図３】図３はカソード電極の説明図である。（実施例３）
【図４】図４は図３におけるA-A矢視図である。
【図５】図５はカソード電極の説明図である。（実施例４）
【図６】図６はカソード電極の説明図である。（実施例５）
【図７】図７は図６におけるB-B矢視図
【図８】図８はカソード電極の説明図である。（実施例６）
【図９】図９はカソード電極の説明図である。（実施例７）
【図１０】図１０は図９におけるC-C矢視図
【図１１】図１１はカソード電極の説明図である。（実施例８）
【図１２】図１２は図１１におけるD-D矢視図
【図１３】図１３はアノード電極の説明図である。（実施例９）
【図１４】図１４は図１３におけるE-E矢視図
【図１５】図１５は空気電池式水酸化マグネシウム製造装置と発電及び水素ガス製造装置を統合した説明図である。（実施例１０）
【図１６】図１６は空気電池式リン除去及び水酸化マグネシウム製造装置の説明図である。（実施例１１）
【図１７】図１７はカソード電極に白金触媒を配設した説明図である。（実施例１２）
【図１８】図１８はカーボンペーパ製カソード電極の一面に撥水剤を塗布した説明図である。（実施例１３）
【図１９】図１９はカソード電極の説明図である。（実施例１４）
【図２０】図２０は図１９におけるF-F矢視図
【図２１】図２１は複数セルを直列接続構造にした説明図である。（実施例１５）
【図２２】図２２は図２１におけるG-G矢視図
【発明を実施するための形態】
【００５１】
空気電池によって、水酸化マグネシウム製造、リン除去、水素ガス製造及び発電を効率よく実現した。
【実施例１】
【００５２】
図１は、マグネシウム製のアノード電極１と、マグネシウムよりも電気化学的に貴なる鉄製のカソード電極２とで電極対3とし、前記アノード電極１とカソード電極２を絶縁電線4で電気的に接続すると共に絶縁性のメッシュ5で絶縁した５組の前記電極対3を海水6に浸漬して収納槽7に収納して空気電池8としている。さらに散気装置9で空気を供給して前記海水6を曝気すると共に攪拌して空気電池式水酸化マグネシウム製造装置10を構成している。そして、前記電極対3は電極支持ガイド11で支持されている。尚、曝気及び攪拌手段としては、本実施例では前記散気装置９で空気を供給して前記海水６を曝気すると共に攪拌しているが、該海水等６の電解水が、自然曝気で酸素を供給出来るだけの水表面積を有すると共に水素ガスの湧昇と電気化学反応熱による対流・攪拌現象で電気化学反応が実用的に十分である場合には前記散気装置９は必要としない。そして、前記カソード電極２としては、本実施例では鉄製としているが、銅製、炭素質材、銀、金白金及び鉛等のマグネシウムよりも電気化学的に貴なるものであれば排除しないが、経済性及び人体に無害性を考慮して決定すべきである。
【実施例２】
【００５３】
図２の実施例は、銅板1２を二枚の鉄板１３A、１３Bで両側から挟んだ構造のクラッド材１４をカソード電極２としたものであり、前記銅板1２が集電体として、二枚の前記鉄板１３A、１３Ｂがカソード電極として機能する。そして、前記銅板1２の上方端部1２aに端子１5を電気的に固着接続している。又、前記鉄板１３A、１３Bの側方端部１３A-b、１３B-b及び下方端部１３A-c、１３B-cに前記銅板1２の側方端部1２b及び下方端部1２cが露出している部分には耐水性接着剤１６を塗布している。尚、図２では、前記銅板1２としたが、該銅板1２の代替としてはアルミ板、銅箔、アルミニウム箔、溶融金属溶射層又は真空成膜法による金属層とすることも出来る。即ち、全ての導電性金属が対象である。又、レーザー溶接、超音波溶接又は抵抗溶接により加工する方法も適用出来る。
【実施例３】
【００５４】
図３及び図４の実施例は、図２の二枚の鉄板１３A、１３Bの側方及び下方の三周端よりも狭い銅板1２を集電体としたものである。
【実施例４】
【００５５】
図５の実施例は図３及び図４の銅板１２の代替として前記銅板1２の中央部分を切り取った井桁状としている。
【実施例５】
【００５６】
図６及び図７の実施例は、単一のカソード電極２において、三枚の銅板1２A、1２B、1２Cを二枚の鉄板１３A、１３Bで両側から挟んだ構造のクラッド材１４をカソード電極２としたものであり、前記三枚の銅板1２A、1２B、1２Cが集電体として、二枚の鉄板１３A、１３Ｂがカソードとして機能する。そして、前記三枚の銅板1２A、1２B、1２Cのそれぞれの上方端部1２A-a、1２B-a、1２C-aに端子１5A、１5B、１5Cを電気的に固着接続している。
【実施例６】
【００５７】
図８の実施例は、図６及び図７における三枚の銅板1２A、1２B、1２Cの代替として格子状の銅板1２としている。本実施例では格子状としているが、如何なる形状としても良い。
【実施例７】
【００５８】
図９及び図１０の実施例は、金属を含有する天然有機物であるヘモグロビンを不活性のアルゴンガス中で毎分5℃の昇温速度で900℃まで加熱後、900℃で２時間熱処理を行って徐冷して生成した活性炭を微粉砕して得られた活性炭粉１００重量部に対して導電助剤として５０重量部のカーボンブラックを混合し、さらにバインダーとしてテトラフルオロエチレン５０重量部を混合後、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極２としている。尚、該空気電池式反応装置用のカソード電極２を圧縮成型するに際して端子１5A、１5B、１5Cの一部１5A-a、１5B-b、１5C-cを前記空気電池式反応装置用のカソード電極２の内部に埋設して一体成型している。
【実施例８】
【００５９】
図１１及び図１２の実施例は、木質タールを精製して得られた精製タールを８００Paの減圧雰囲気下で、毎分２℃の昇温速度で１８０℃まで加熱後、１８０℃で３０分間加熱して得られた粉抹タールピッチに、鉄等の金属を含有する天然有機物であるヘモグロビンを含浸及び付着したものを不活性のアルゴンガス中で毎分5℃の昇温速度で８00℃まで加熱後、８00℃で２時間熱処理を行って徐冷して生成した活性炭を微粉砕して得られた活性炭粉１００重量部に対して導電助剤として５０重量部のカーボンブラックを混合し、さらにバインダーとしてテトラフルオラエチレン５０重量部を混合後、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極２としている。尚、該空気電池式反応装置用のカソード電極２を圧縮成型するに際して端子１5A、１5B、１5Cの一部１5A-a、１5B-a、１5C-aを前記空気電池式反応装置用のカソード電極２の内部に埋設して一体成型している。
【実施例９】
【００６０】
図１３及び図１４の実施例は、アルミニウム合金切削屑を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子と導電性カーボンブラック及びバインダーのテトラフルオロエチレンを混合後、圧縮成形して空気電池式反応装置用のアノード電極１としている。尚、該空気電池式反応装置用のアノード電極１を圧縮成型するに際して端子1５A、1５B、1５Cの一部1５A-a、1５B-b、1５C-cを前記空気電池式反応装置用のアノード電極１の内部に埋設して一体成型している。
【実施例１０】
【００６１】
図１５の実施例は、図１３及び図１４記載のアノード電極１と図９及び図１０記載のカソード電極２の間に絶縁性のメッシュ５を介在させた電極対３の複数組を海水６に浸漬して、収納槽７に配設した空気電池群１７としていて、さらに散気装置9を内設して海水6を曝気している曝気槽１８とを、循環ポンプ１９を配設している循環管２０Aと循環管２０Bとで連通接続すると共に太陽熱温水器２１で温められた温水をヒーター２２に通水して、収納槽７の海水を加熱して、空気電池式水酸化マグネシウム製造装置１０を構成している。そして、無蓋の前記収納槽7の上方に近接して配設されている水素ガス捕集風洞口２３に水素ガス捕集管２４を連通接続している。該水素ガス捕集管２４の途中には、前記水素ガス捕集風洞口２３内に内設された水素ガス濃度センサ２５で開閉制御している電磁弁２６、圧縮機２７、圧力センサー２８で水素充填終了圧を検知して制御されている電磁弁２９及び接続アダプタ３０を水素ガス吸蔵ボンベ３１に連通接続して構成した水素ガス製造装置３２としている。又、前記空気電池群１７で発電した電力と太陽電池群３３で発電した電力を統合して利用するために、接続盤３４、バッテリー３５、充放電コントローラ３６、パワーコンディショナー３７、分電盤３８及び商用電源に順次、絶縁電線4で電気的に接続して受電設備３９を構成している。
【実施例１１】
【００６２】
図１６の実施例は、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物を少なくとも含有する有機性電解質廃水を好気性生物処理する接触酸化反応槽４０の処理水を夾雑物除去槽４１及び嫌気濾消床槽４２を経て前記接触酸化反応槽４０へエアーリフトポンプ４３で循環している循環配管４４の途中に配設した空気電池式リン除去装置４５には、図示してないアルミニウム製のアノード電極１と図９及び図１０記載のカソード電極２の間に絶縁性のメッシュ５を介在させた電極対３の複数組を、散気装置９で曝気攪拌している前記空気電池式リン除去装置４５に配設して、前記複数組のアノード電極１及びカソード電極２をそれぞれ並列接続した並列接続アノード群４６および並列接続カソード群４７で構成した空気電池群４８と、又、図示してないマグネシウム製のアノード電極１と図１２及び図１３記載のカソード電極２の間に絶縁性のメッシュ5を介在させて電極対3とした複数組を、散気装置９で曝気攪拌している海水６に浸漬して収納槽７に配設して空気電池式水酸化マグネシウム製造装置１０とした３台の空気電池群４９を直列接続している。そして、１台の空気電池式リン除去装置４５の前記空気電池群４８と、３台の空気電池式水酸化マグネシウム製造装置１０の前記空気電池群４９を絶縁電線4で直列接続している。そして、前記空気電池式リン除去装置４５の流入側に流入水の0.４wt％の塩化ナトリウムに相当する海水を海水貯槽５０から注入混合している。
【実施例１２】
【００６３】
図１７の実施例は、カソード電極３に近接して、図示してないイオン透過性の紙で電気的に絶縁した、白金をメッキしたメッシュ状触媒５１を配設している。イオン透過性の紙で電気的に絶縁しているが、電気絶縁性素材の腐食布又はメッシュで代替しても良い。
【実施例１３】
【００６４】
図１８の実施例は、空気電池式８において、アノード電極１と対峙しないカーボンペーパ製のカソード電極２の一面に撥水剤として、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）５２を塗布して、空気中の酸素を補給する手段としている。カーボンペーパの代替として、カーボンクロス又はカーボン板の片面にポリテトラフルオロエチレン（PTFE）５２を塗布しても良い。
【実施例１４】
【００６５】
図１９、２０の実施例は、空気電池８において、金属含有活性炭とカーボン及びポリテトラフルオロエチレン樹脂を十分に混合したものを、ニッケルメッシュ５３に塗布したものを120℃−20時間で乾燥したものをカソード電極２としている。
【実施例１５】
【００６６】
図２１、２２の実施例は、五つの単位セルを直列接続した空気電池８において、任意の単位セルの小面積化したカソード電極２と絶縁セパレータ５４で区画した隣接する第二セルの小面積化したアノード電極１を断面積が大きく延長距離が短い銅板５５で直列接続構造にして内部抵抗を低減している。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
空気電池の内部抵抗を低減し、触媒作用により酸素還元電極の酸化還元反応に対して高活性となり、又、酸化電極の酸化反応を高めることにより、廃水のリン除去効率、水酸化金属の生産性及び水素ガス生産性及び発電量が増大するので、空気電池方式全体として処理コスト又は生産コストが低減する。従って、下水及び工場廃水のリン除去性能を高めたリン除去装置として、又、脱ハロゲン系難燃添加剤、排煙脱硫剤、廃水の中和剤、胃腸の殺菌剤、便秘薬、肥料、及び赤潮原因微生物用の殺菌剤及び海底土壌改良剤等として、旺盛な需要がある水酸化マグネシウムの製造装置として、又、空気電池方式であるので、発電し水素ガスを発生するので、発電装置及び水素ガス製造装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１ アノード電極
２ カソード電極
３ 電極対
４ 絶縁電線
５ メッシュ
６ 海水
７ 収納槽
８ 空気電池
９ 散気装置
１０ 空気電池式水酸化マグネシウム製造装置
１１ 電極支持ガイド
１２、１２A、１２B、１２C 銅板
１３A、１３B 鉄板
１４ クラッド材
１２a、１２A-a、１２B-a、１２C-a 上方端部
１５、１５A、１５B、１５C 端子
１３A-b、１３B-b、１２b 側方端部
１３A-c、１３B-c、１２c 下方端部
１６ 耐水性接着剤
１5A-a、１5B-a、１5C-a、10A-a、10B-a、10C-a 一部
１７、４８、４９ 空気電池群
１８ 曝気槽
１９ 循環ポンプ
２０A、２０B、４２ 循環管
２１ 太陽熱温水器
２２ ヒーター
２３ 水素ガス捕集風洞口
２４ 水素ガス捕集管
２５ 水素ガス濃度センサー
２６、２９ 電磁弁
２７ 圧縮機
２８ 圧力センサー
３０ 接続アダプタ
３１ 水素ガス吸蔵ボンベ
３２ 水素ガス製造装置
３３ 太陽電池群
３４ 接続盤
３５ バッテリー
３６ 充放電コントローラ
３７ パワーコンディショナー
３８ 分電盤
３９ 受電設備
４０ 接触酸化反応槽
４１ 夾雑物除去槽
４２ 嫌気濾床槽
４３ エアーリフトポンプ
４４ 循環管
４５ 空気電池式リン除去装置
４６ 並列接続アノード群
４７ 並列接続カソード群
５０ 海水貯槽
５１ メッシュ状触媒
５２ ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）
５３ ニッケルメッシュ
５４ 絶縁セパレータ
５５ 銅板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リン除去装置、水酸化金属製造装置、発電装置および水素ガス製造のカソード及びアノード電極を有する空気電池式反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一次電池によりリンを除去するする方法が、燃料電池用電極分野においては金属を含有する活性炭の製造方法が、リチュームイオン電池用負極あるいはキャパシタ用電極分野において、木タールを原料とする炭素電極及び製造方法が開示されている。
又、化学反応による水素ガス製造分野において、水素ガス活性化処理されたアルミニウム微粒子と水分子を反応させて水素ガスを発生させる方法が開示されている。
【０００３】
従来、空気電池式のリン除去装置や発電装置のカソード電極では銅板、鉄板又は炭素板等に端子及び電線をボルト及びナットを用いて、又、アノード電極では、マグネシウム板又はマグネシウム合金板、アルミニウム板又はアルミニウム合金板、及び鉄板又は鉄合金板等に端子及び電線をボルト及びナットを用いて接続していた。したがって、固有抵抗の大きな鉄等をカソードとするときは、電圧降下が大きくなる欠点があった。そして、水酸化金属製造装置や水素ガス製造装置の知見はなかった。
【０００４】
さらに、電極の内部抵抗を低減する手段、触媒を担持した電極、電解水に触媒イオンを添加した空気電池式反応装置によって、金属水酸化物の生成収量を多くし、又はリン除去率を大きくする知見は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2004-066223
【特許文献２】特開2007-21427
【特許文献３】特開200４-217507
【特許文献４】特開2006-236942
【特許文献５】特開2006-45004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の電源を必要としない電気化学反応によるリンの除去、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムまたは水酸化亜鉛等の製造、水素ガスの製造および発電に関しては、空気電池の内部抵抗が大きいために電圧降下が大きく、閉回路端子電圧と回路電流が小さくなり、その結果、電気化学反応の低下、リン除去効率の低下、水酸化金属の生産速度の低下、水素ガスの生産速度の低下及び発電電力量の低下等の問題があった。冬季等の水温が低下する時期には、電気化学反応速度が低下すると、アノードにおける発熱を伴う酸化反応が低下すると、80℃程度までは水温が高い程、電気化学反応速度を大きくする発熱エネルギーを利用出来なくなるので、益々電気化学反応速度が小さくなる。
【０００７】
従って、本発明においては、空気電池の内部抵抗を小さくすることを課題とする。
【０００８】
又、白金等の高価な触媒に代えて、安価で触媒活性の高い電極触媒材料を担持したカソード電極を配設した空気電池式反応装置とすることを課題とする。
【０００９】
又、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に触媒物質又は触媒イオンを添加することを課題とする。
【００１０】
又、リン除去、水酸化金属の製造、水素ガスの製造および発電等の単価を低減し、除去量又は製造量を多くすることを課題とする。
【００１１】
そして又、簡単に、しかも純度の高い水酸化金属を製造することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するため、以下に記載されるような技術構成とする。
即ち、空気電池式反応手段のカソードに該カソードよりも電気抵抗が小さい集電手段で内部抵抗低減手段とする。
【００１３】
又、単位カソードに２箇所以上の集電手段を配設して内部抵抗低減手段とする。
【００１４】
電気的接続手法として、従来においては、接触接続手法が多用されているが、該接触接続手法では、接触抵抗が大きいために、空気電池の内部抵抗が大きくなる問題があるが、電極と導電体の異種金属接続に、超音波溶接、レーザー溶接、ロウ付け加工、圧接、溶融金属容射等により接合面に金属間結合層が生成して接合抵抗は接触抵抗と比較すると極端に小さくなる。
【００１５】
又、金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極とする。
【００１６】
又、木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを酸素量制限雰囲気熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極とする。
【００１７】
天然有機物としては、金属を含有するタンパク質、中でも鉄タンパク質、銅タンパク質が好ましい。鉄タンパク質としては、カタラーゼ、ペルオキシターゼ、ヒドロゲナーゼ、オキシゲナーゼ、シトクロム、ヘモグロビン、ミオグロビン、レグヘモグロビン、ヘモペキシン等のヘムタンパク質とルブレドキシン、フェレドキシン、ニトロゲナーゼ、亜硫酸レダクターゼ等の鉄−硫黄タンパク質を含む非ヘム鉄タンパク質が挙げられる。銅タンパク質としては、ビリルビン・オキシターゼ、ラカーゼ、チロシナーゼ等が挙げられる。これらの金属を含む天然有機物、特に上記タンパク質は、単独又は二種以上を混合して使用出来る。又、上記タンパク質以外に、これらのタンパク質を含む血液、血粉、屠殺動物の廃棄物等も使用出来る。
【００１８】
又、熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭に添着したものを空気電池式反応装置用のカソード電極とする。
【００１９】
又、アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形して空気電池式反応装置用のアノード電極とする。
【００２０】
又、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に食塩水、海水等を添加すると電圧と電流が増加して電気化学反応速度が大きくなることを見出した。
【００２１】
又、自然エネルギーである、太陽熱温水器の温水又は熱媒で空気電池式反応装置の電解水を加熱する。
【００２２】
又、空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するために、カソード電極に炭素電極を使用し、アノード電極に純マグネシウム、純アルミニウム等の純金属を使用し、電解水には純度の高い塩化ナトリウムを使用した電解水とする。
【００２３】
又、空気電池式反応装置において、カーボンペーパ又はカーボン繊維をカソード電極とし、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布して、空気中の酸素を補給する手段とする。
【００２４】
又、空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極とする。
【００２５】
そして又、空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段とする。
【００２６】
本発明の課題解決手段による作用は次のようである。即ち、炭素鋼をカソードとした場合は固有抵抗が銅の約12倍にもなり、内部抵抗が極めて大きくなる。ところが、抵抗は固有抵抗と導電体の長さに比例し断面積に反比例するので、内部抵抗低減手段として炭素鋼の電流路の長さを極力小さくすると共に電流路の断面積を大きくすれば、空気電池の内部抵抗を小さくする作用を奏する。
【００２７】
又、カソードと集電体との接続部には大きな接続抵抗が現出して、電圧降下により出力が低下する。そこで、単一カソードにおける接続箇所を二箇所以上の複数とすることにより、一箇所当りの電流密度が小さくなり、内部抵抗による電圧降下が減少して、出力が上昇する作用を奏する。
【００２８】
又、金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、金属を含有した活性炭の触媒作用により、酸素還元反応に対して、高活性を示す。
【００２９】
又、木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを、酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、金属を含有した活性炭の触媒作用により、酸素還元反応に対して、高活性を示す。
【００３０】
又、熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭又はオガ炭に添着したものを空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、さらに酸素還元反応に対して、高活性を示す。
【００３１】
又、アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形して一次電池式反応装置用のアノード電極とすることにより、アルミニウムと電解水との接触面積が飛躍的に多くなるが、該接触面積の飛躍的な増大により、電気化学反応によるアルミニウムの酸化反応が容易となり、電気化学的水素ガス生成速度が増加すると共に、活性アルミニウムが水と反応して水素ガスを生成するする作用も同時に生起する。
【００３２】
又、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に食塩水、海水等を添加すると電圧と電流が増加するが、化学反応生成物には、ナトリウム及び塩素を構成素とする物質は生成しないことより、ナトリウム又は塩素が導電性向上又は触媒として作用しているものと考えられる。
【００３３】
又、自然エネルギーである、太陽熱温水器の温水又は熱媒で空気電池式反応装置の電解水を加熱すると、特に冬季等における低水温の海水又は廃水等の電解水の電気化学反応速度が大きくなる作用を奏する。
【００３４】
又、空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するためには、電極、特にアノード電極に製造目的とする金属水酸化物の金属に不純物が合金化されている割合が多いほど、酸化反応により溶出する不純物の量がそれだけ多い割合となり、生成した金属水酸化物の純度が低下する。したがって、電気化学的反応系に不純物を配設しないことで、純度の高い金属水酸化物が生成する。
【００３５】
又、空気電池式反応装置において、カーボンペーパ、カーボン繊維、カーボン成型体又は活性炭成型体をカソード電極とし、イオン流通性セパレータを介在してアノード電極面と対峙し、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布すると、アノード電極と対峙した面では電解液とのイオン流通が容易であり、アノード電極と対峙しない面では適度な親水性と撥水性を持つため、カソード電極へ酸素を補給する。
【００３６】
又、空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極とすると、触媒担持活性炭の方は酸素還元触媒として働く。
【００３７】
そして又、空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段とすると、単位セルの電流が小さいことにより空気電池式反応装置全体の電圧降下を低減出来、又、直列接続手段の固有抵抗が小さい素材と、大きな断面積及び小さな長さの電気良導体にすることにより、空気電池式反応装置全体の電圧を大きくする作用を有する
【発明の効果】
【００３８】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３９】
空気電池式反応手段のカソードに該カソードよりも電気抵抗が小さい集電手段で内部抵抗低減手段とすることで、閉回路電圧と回路電流が増加するので、リン除去効率が上昇し、また、水酸化金属および水素ガスの生産量が増加すると共に発電量が増加する効果を奏する。
【００４０】
又、単位カソードに二箇所以上の集電手段を配設して内部抵抗低減手段とすることで、上記と同様の効果を奏すると共に、一箇所当りの電流密度が減少するために、全体の電圧降下が減少する効果を奏する。
【００４１】
又、金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して一次電池式反応装置用のカソード電極とすることにより、高価な白金担持カーボンブラック等を用いた従来の電極と同程度の活性を有するカソード電極とすることが出来るので、安価で高性能な電極とすることが出来る。
【００４２】
又、木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを、酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型して空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、木材等のバイオマス資源から木炭等を製造する際に副生成物として生成する木質タール及び金属を含有する天然有機物である屠殺動物の廃棄物等を有効活用出来ると共に、安価で高性能な電極とすることが出来る。
【００４３】
又、熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭又はオガ炭に添着したものを空気電池式反応装置用のカソード電極とすることにより、さらに高性能な電極とすることが出来る。
【００４４】
又、アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形して一次電池式反応装置用アノード電極とすることにより、アルミニウムと電解水との接触面積が飛躍的に多くなるため、電気化学反応によるアルミニウムの酸化反応が容易になり、電気化学反応による水素ガス生成速度が増大するだけでなく、活性アルミニウムが水と反応して水素ガスを生成するする作用も同時に生起するので、水素ガス生成速度が飛躍的に増大する。従って、アルミニウム又はアルミニウム合金屑の有効活用が出来る。
【００４５】
又、空気電池式反応装置用のカソード電極の内部抵抗が低減すること又は金属の触媒作用により、酸素還元反応に対して、高活性を示す空気電池式反応装置用カソード電極とすることにより、リン除去効率、水酸化金属生産効率、発電効率及び水素ガス生産効率を同時に達成出来るので、それぞれ単独に達成する場合に比較して、はるかに処理又は生産費用を低減又は削減する効果を奏する。
【００４６】
又、自然エネルギーである、太陽熱温水器の温水又は熱媒で空気電池式反応装置の電解水を加熱すると、電気化学反応速度が大きくなると、水酸化金属の生産速度、リン除去量、発電量及び水素ガス生産量が増大する効果を奏する。
【００４７】
又、空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するためには、電極、特にアノード電極に製造目的とする金属水酸化物の金属に不純物が合金化されている割合が少ないほど、純度の高い金属水酸化を製造できる効果がある。
【００４８】
そして又、空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段とすると、空気電池式反応装置による発電電力を大きくする効果がある。
又、空気電池式反応装置において、カーボンペーパ、カーボン繊維、カーボン成型体又は活性炭成型体をカソード電極とし、イオン流通性セパレータを介在してアノード電極面と対峙し、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布すると、アノード電極と対峙した面では電解液とのイオン流通が容易であり、アノード電極と対峙しない面では適度な親水性と撥水性を持つため、カソード電極へ酸素を補給するため、酸素還元反応が長時間に亘り持続する効果がある。
【００４９】
そして又、空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極とすると、触媒担持活性炭の方は酸素還元触媒として働き、酸素還元反応が長時間に亘り持続する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は空気電池式水酸化マグネシウム製造装置の説明図である。（実施例１）
【図２】図２はカソード電極の説明図である。（実施例２）
【図３】図３はカソード電極の説明図である。（実施例３）
【図４】図４は図３におけるA-A矢視図である。
【図５】図５はカソード電極の説明図である。（実施例４）
【図６】図６はカソード電極の説明図である。（実施例５）
【図７】図７は図６におけるB-B矢視図
【図８】図８はカソード電極の説明図である。（実施例６）
【図９】図９はカソード電極の説明図である。（実施例７）
【図１０】図１０は図９におけるC-C矢視図
【図１１】図１１はカソード電極の説明図である。（実施例８）
【図１２】図１２は図１１におけるD-D矢視図
【図１３】図１３はアノード電極の説明図である。（実施例９）
【図１４】図１４は図１３におけるE-E矢視図
【図１５】図１５は空気電池式水酸化マグネシウム製造装置と発電及び水素ガス製造装置を統合した説明図である。（実施例１０）
【図１６】図１６は空気電池式リン除去及び水酸化マグネシウム製造装置の説明図である。（実施例１１）
【図１７】図１７はカソード電極に白金触媒を配設した説明図である。（実施例１２）
【図１８】図１８はカーボンペーパ製カソード電極の一面に撥水剤を塗布した説明図である。（実施例１３）
【図１９】図１９はカソード電極の説明図である。（実施例１４）
【図２０】図２０は図１９におけるF-F矢視図
【図２１】図２１は複数セルを直列接続構造にした説明図である。（実施例１５）
【図２２】図２２は図２１におけるG-G矢視図
【発明を実施するための形態】
【００５１】
空気電池によって、水酸化マグネシウム製造、リン除去、水素ガス製造及び発電を効率よく実現した。
【実施例１】
【００５２】
図１は、マグネシウム製のアノード電極１と、マグネシウムよりも電気化学的に貴なる鉄製のカソード電極２とで電極対3とし、前記アノード電極１とカソード電極２を絶縁電線4で電気的に接続すると共に絶縁性のメッシュ5で絶縁した５組の前記電極対3を海水6に浸漬して収納槽7に収納して空気電池8としている。さらに散気装置9で空気を供給して前記海水6を曝気すると共に攪拌して空気電池式水酸化マグネシウム製造装置10を構成している。そして、前記電極対3は電極支持ガイド11で支持されている。尚、曝気及び攪拌手段としては、本実施例では前記散気装置９で空気を供給して前記海水６を曝気すると共に攪拌しているが、該海水等６の電解水が、自然曝気で酸素を供給出来るだけの水表面積を有すると共に水素ガスの湧昇と電気化学反応熱による対流・攪拌現象で電気化学反応が実用的に十分である場合には前記散気装置９は必要としない。そして、前記カソード電極２としては、本実施例では鉄製としているが、銅製、炭素質材、銀、金白金及び鉛等のマグネシウムよりも電気化学的に貴なるものであれば排除しないが、経済性及び人体に無害性を考慮して決定すべきである。
【実施例２】
【００５３】
図２の実施例は、銅板1２を二枚の鉄板１３A、１３Bで両側から挟んだ構造のクラッド材１４をカソード電極２としたものであり、前記銅板1２が集電体として、二枚の前記鉄板１３A、１３Ｂがカソード電極として機能する。そして、前記銅板1２の上方端部1２aに端子１5を電気的に固着接続している。又、前記鉄板１３A、１３Bの側方端部１３A-b、１３B-b及び下方端部１３A-c、１３B-cに前記銅板1２の側方端部1２b及び下方端部1２cが露出している部分には耐水性接着剤１６を塗布している。尚、図２では、前記銅板1２としたが、該銅板1２の代替としてはアルミ板、銅箔、アルミニウム箔、溶融金属溶射層又は真空成膜法による金属層とすることも出来る。即ち、全ての導電性金属が対象である。又、レーザー溶接、超音波溶接又は抵抗溶接により加工する方法も適用出来る。
【実施例３】
【００５４】
図３及び図４の実施例は、図２の二枚の鉄板１３A、１３Bの側方及び下方の三周端よりも狭い銅板1２を集電体としたものである。
【実施例４】
【００５５】
図５の実施例は図３及び図４の銅板１２の代替として前記銅板1２の中央部分を切り取った井桁状としている。
【実施例５】
【００５６】
図６及び図７の実施例は、単一のカソード電極２において、三枚の銅板1２A、1２B、1２Cを二枚の鉄板１３A、１３Bで両側から挟んだ構造のクラッド材１４をカソード電極２としたものであり、前記三枚の銅板1２A、1２B、1２Cが集電体として、二枚の鉄板１３A、１３Ｂがカソードとして機能する。そして、前記三枚の銅板1２A、1２B、1２Cのそれぞれの上方端部1２A-a、1２B-a、1２C-aに端子１5A、１5B、１5Cを電気的に固着接続している。
【実施例６】
【００５７】
図８の実施例は、図６及び図７における三枚の銅板1２A、1２B、1２Cの代替として格子状の銅板1２としている。本実施例では格子状としているが、如何なる形状としても良い。
【実施例７】
【００５８】
図９及び図１０の実施例は、金属を含有する天然有機物であるヘモグロビンを不活性のアルゴンガス中で毎分5℃の昇温速度で900℃まで加熱後、900℃で２時間熱処理を行って徐冷して生成した活性炭を微粉砕して得られた活性炭粉１００重量部に対して導電助剤として５０重量部のカーボンブラックを混合し、さらにバインダーとしてテトラフルオロエチレン５０重量部を混合後、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極２としている。尚、該空気電池式反応装置用のカソード電極２を圧縮成型するに際して端子１5A、１5B、１5Cの一部１5A-a、１5B-b、１5C-cを前記空気電池式反応装置用のカソード電極２の内部に埋設して一体成型している。
【実施例８】
【００５９】
図１１及び図１２の実施例は、木質タールを精製して得られた精製タールを８００Paの減圧雰囲気下で、毎分２℃の昇温速度で１８０℃まで加熱後、１８０℃で３０分間加熱して得られた粉抹タールピッチに、鉄等の金属を含有する天然有機物であるヘモグロビンを含浸及び付着したものを不活性のアルゴンガス中で毎分5℃の昇温速度で８00℃まで加熱後、８00℃で２時間熱処理を行って徐冷して生成した活性炭を微粉砕して得られた活性炭粉１００重量部に対して導電助剤として５０重量部のカーボンブラックを混合し、さらにバインダーとしてテトラフルオラエチレン５０重量部を混合後、圧縮成型して空気電池式反応装置用のカソード電極２としている。尚、該空気電池式反応装置用のカソード電極２を圧縮成型するに際して端子１5A、１5B、１5Cの一部１5A-a、１5B-a、１5C-aを前記空気電池式反応装置用のカソード電極２の内部に埋設して一体成型している。
【実施例９】
【００６０】
図１３及び図１４の実施例は、アルミニウム合金切削屑を粉砕して得られたアルミニウム合金微粒子と導電性カーボンブラック及びバインダーのテトラフルオロエチレンを混合後、圧縮成形して空気電池式反応装置用のアノード電極１としている。尚、該空気電池式反応装置用のアノード電極１を圧縮成型するに際して端子1５A、1５B、1５Cの一部1５A-a、1５B-b、1５C-cを前記空気電池式反応装置用のアノード電極１の内部に埋設して一体成型している。
【実施例１０】
【００６１】
図１５の実施例は、図１３及び図１４記載のアノード電極１と図９及び図１０記載のカソード電極２の間に絶縁性のメッシュ５を介在させた電極対３の複数組を海水６に浸漬して、収納槽７に配設した空気電池群１７としていて、さらに散気装置9を内設して海水6を曝気している曝気槽１８とを、循環ポンプ１９を配設している循環管２０Aと循環管２０Bとで連通接続すると共に太陽熱温水器２１で温められた温水をヒーター２２に通水して、収納槽７の海水を加熱して、空気電池式水酸化マグネシウム製造装置１０を構成している。そして、無蓋の前記収納槽7の上方に近接して配設されている水素ガス捕集風洞口２３に水素ガス捕集管２４を連通接続している。該水素ガス捕集管２４の途中には、前記水素ガス捕集風洞口２３内に内設された水素ガス濃度センサ２５で開閉制御している電磁弁２６、圧縮機２７、圧力センサー２８で水素充填終了圧を検知して制御されている電磁弁２９及び接続アダプタ３０を水素ガス吸蔵ボンベ３１に連通接続して構成した水素ガス製造装置３２としている。又、前記空気電池群１７で発電した電力と太陽電池群３３で発電した電力を統合して利用するために、接続盤３４、バッテリー３５、充放電コントローラ３６、パワーコンディショナー３７、分電盤３８及び商用電源に順次、絶縁電線4で電気的に接続して受電設備３９を構成している。
【実施例１１】
【００６２】
図１６の実施例は、リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物を少なくとも含有する有機性電解質廃水を好気性生物処理する接触酸化反応槽４０の処理水を夾雑物除去槽４１及び嫌気濾消床槽４２を経て前記接触酸化反応槽４０へエアーリフトポンプ４３で循環している循環配管４４の途中に配設した空気電池式リン除去装置４５には、図示してないアルミニウム製のアノード電極１と図９及び図１０記載のカソード電極２の間に絶縁性のメッシュ５を介在させた電極対３の複数組を、散気装置９で曝気攪拌している前記空気電池式リン除去装置４５に配設して、前記複数組のアノード電極１及びカソード電極２をそれぞれ並列接続した並列接続アノード群４６および並列接続カソード群４７で構成した空気電池群４８と、又、図示してないマグネシウム製のアノード電極１と図１２及び図１３記載のカソード電極２の間に絶縁性のメッシュ5を介在させて電極対3とした複数組を、散気装置９で曝気攪拌している海水６に浸漬して収納槽７に配設して空気電池式水酸化マグネシウム製造装置１０とした３台の空気電池群４９を直列接続している。そして、１台の空気電池式リン除去装置４５の前記空気電池群４８と、３台の空気電池式水酸化マグネシウム製造装置１０の前記空気電池群４９を絶縁電線4で直列接続している。そして、前記空気電池式リン除去装置４５の流入側に流入水の0.４wt％の塩化ナトリウムに相当する海水を海水貯槽５０から注入混合している。
【実施例１２】
【００６３】
図１７の実施例は、カソード電極３に近接して、図示してないイオン透過性の紙で電気的に絶縁した、白金をメッキしたメッシュ状触媒５１を配設している。イオン透過性の紙で電気的に絶縁しているが、電気絶縁性素材の腐食布又はメッシュで代替しても良い。
【実施例１３】
【００６４】
図１８の実施例は、空気電池式８において、アノード電極１と対峙しないカーボンペーパ製のカソード電極２の一面に撥水剤として、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）５２を塗布して、空気中の酸素を補給する手段としている。カーボンペーパの代替として、カーボンクロス又はカーボン板の片面にポリテトラフルオロエチレン（PTFE）５２を塗布しても良い。
【実施例１４】
【００６５】
図１９、２０の実施例は、空気電池８において、金属含有活性炭とカーボン及びポリテトラフルオロエチレン樹脂を十分に混合したものを、ニッケルメッシュ５３に塗布したものを120℃−20時間で乾燥したものをカソード電極２としている。
【実施例１５】
【００６６】
図２１、２２の実施例は、五つの単位セルを直列接続した空気電池８において、任意の単位セルの小面積化したカソード電極２と絶縁セパレータ５４で区画した隣接する第二セルの小面積化したアノード電極１を断面積が大きく延長距離が短い銅板５５で直列接続構造にして内部抵抗を低減している。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
空気電池の内部抵抗を低減し、触媒作用により酸素還元電極の酸化還元反応に対して高活性となり、又、酸化電極の酸化反応を高めることにより、廃水のリン除去効率、水酸化金属の生産性及び水素ガス生産性及び発電量が増大するので、空気電池方式全体として処理コスト又は生産コストが低減する。従って、下水及び工場廃水のリン除去性能を高めたリン除去装置として、又、脱ハロゲン系難燃添加剤、排煙脱硫剤、廃水の中和剤、胃腸の殺菌剤、便秘薬、肥料、及び赤潮原因微生物用の殺菌剤及び海底土壌改良剤等として、旺盛な需要がある水酸化マグネシウムの製造装置として、又、空気電池方式であるので、発電し水素ガスを発生するので、発電装置及び水素ガス製造装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１ アノード電極
２ カソード電極
３ 電極対
４ 絶縁電線
５ メッシュ
６ 海水
７ 収納槽
８ 空気電池
９ 散気装置
１０ 空気電池式水酸化マグネシウム製造装置
１１ 電極支持ガイド
１２、１２A、１２B、１２C 銅板
１３A、１３B 鉄板
１４ クラッド材
１２a、１２A-a、１２B-a、１２C-a 上方端部
１５、１５A、１５B、１５C 端子
１３A-b、１３B-b、１２b 側方端部
１３A-c、１３B-c、１２c 下方端部
１６ 耐水性接着剤
１5A-a、１5B-a、１5C-a、10A-a、10B-a、10C-a 一部
１７、４８、４９ 空気電池群
１８ 曝気槽
１９ 循環ポンプ
２０A、２０B、４２ 循環管
２１ 太陽熱温水器
２２ ヒーター
２３ 水素ガス捕集風洞口
２４ 水素ガス捕集管
２５ 水素ガス濃度センサー
２６、２９ 電磁弁
２７ 圧縮機
２８ 圧力センサー
３０ 接続アダプタ
３１ 水素ガス吸蔵ボンベ
３２ 水素ガス製造装置
３３ 太陽電池群
３４ 接続盤
３５ バッテリー
３６ 充放電コントローラ
３７ パワーコンディショナー
３８ 分電盤
３９ 受電設備
４０ 接触酸化反応槽
４１ 夾雑物除去槽
４２ 嫌気濾床槽
４３ エアーリフトポンプ
４４ 循環管
４５ 空気電池式リン除去装置
４６ 並列接続アノード群
４７ 並列接続カソード群
５０ 海水貯槽
５１ メッシュ状触媒
５２ ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）
５３ ニッケルメッシュ
５４ 絶縁セパレータ
５５ 銅板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気電池式反応手段のカソードに該カソードよりも電気抵抗が小さい集電手段で内部抵抗を低減したカソード電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項２】
単位電極に２箇所以上の集電手段を配設して内部抵抗を低減手段とした電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項３】
金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型したカソード電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項４】
木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを酸素量制限雰囲気熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型したカソード電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項５】
熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭に添着したカソード電極を配設したことを特徴とする請求項３又は４記載の空気電池式反応装置。
【請求項６】
アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム又はアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形したものをアノード電極としたことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項７】
リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に触媒物質又は触媒イオンを添加してリン除去することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の空気電池式反応装置。
【請求項８】
空気電池式反応装置の電解水を太陽熱温水器の温水又は熱媒で加熱することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の空気電池式反応装置。
【請求項９】
空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するために、カソード電極に白金又は炭素電極を使用し、アノード電極に純金属を使用し、電解水には純度の高い塩化ナトリウムを使用した電解水とすることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は８記載の空気電池式反応装置。
【請求項１０】
空気電池式反応装置において、触媒を電極に担持するか又は電極に近接して触媒を配設することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の空気電池式反応装置。
【請求項１１】
空気電池式反応装置において、カーボンペーパ、カーボン繊維、カーボン成型体又は活性炭成型体をカソード電極とし、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布したことを特徴とする請求項７、又は８記載の空気電池式反応装置。
【請求項１２】
空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極としたことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項１３】
空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段をとしたことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項１】
空気電池式反応手段のカソードに該カソードよりも電気抵抗が小さい集電手段で内部抵抗を低減したカソード電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項２】
単位電極に２箇所以上の集電手段を配設して内部抵抗を低減手段とした電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項３】
金属を含有する天然有機物を酸素制限雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気または蒸し焼き雰囲気のいずれかを選択した雰囲気で熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型したカソード電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項４】
木質タールの精製手段により生成した精製タールを熱処理して生成したタールピッチを微粉砕してタールピッチ粉抹に金属を含有する天然有機物を混合したものを酸素量制限雰囲気熱処理して生成した活性炭と導電助剤及びバインダー等を混合後において、圧縮成型したカソード電極を配設したことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項５】
熱処理後、さらに含フッ素有機酸及び/又はその塩を活性炭に添着したカソード電極を配設したことを特徴とする請求項３又は４記載の空気電池式反応装置。
【請求項６】
アルミニウム又はアルミニウム合金材を粉砕して得られたアルミニウム又はアルミニウム合金微粒子の結晶内部にマイクロクラック及び/又はナノクラックを発生させる手段で処理したものを導電材及びバインダー等を混合後、圧縮成形したものをアノード電極としたことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項７】
リン酸イオン、リン酸体リン又はリン化合物含有の有機性電解質廃水に触媒物質又は触媒イオンを添加してリン除去することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の空気電池式反応装置。
【請求項８】
空気電池式反応装置の電解水を太陽熱温水器の温水又は熱媒で加熱することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の空気電池式反応装置。
【請求項９】
空気電池式反応装置で純度の高い金属水酸化物を製造するために、カソード電極に白金又は炭素電極を使用し、アノード電極に純金属を使用し、電解水には純度の高い塩化ナトリウムを使用した電解水とすることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は８記載の空気電池式反応装置。
【請求項１０】
空気電池式反応装置において、触媒を電極に担持するか又は電極に近接して触媒を配設することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の空気電池式反応装置。
【請求項１１】
空気電池式反応装置において、カーボンペーパ、カーボン繊維、カーボン成型体又は活性炭成型体をカソード電極とし、アノード電極と対峙しない面に撥水剤を塗布したことを特徴とする請求項７、又は８記載の空気電池式反応装置。
【請求項１２】
空気電池式反応装置において、触媒担持活性炭又は触媒無担持活性炭と集電体でカソード電極としたことを特徴とする空気電池式反応装置。
【請求項１３】
空気電池式反応装置において、小面積電極化によって電流を低減することによる電圧降下低減手段と、複数セルを導電体で直列接続するに際して電圧降下を低減する直列接続手段をとしたことを特徴とする空気電池式反応装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１０−１５９４８０（Ｐ２０１０−１５９４８０Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５９１９６（Ｐ２００９−５９１９６）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（３０６０３７８６１）ブルーアクア・インダストリー株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（３０６０３７８６１）ブルーアクア・インダストリー株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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