焼却灰有

都市 都市 都市

都市ごみ ごみ ごみ ごみ焼却灰 焼却灰 焼却灰 焼却灰を を を利用 を 利用 利用 利用した した した した空気電池 空気電池 空気電池 空気電池の の の の開発 開発 開発 開発に に に関 に 関 関する 関 する する する基礎的研究 基礎的研究 基礎的研究 基礎的研究

九州大学大学院 学 ○岩永 信太郎

F 落合 英俊

九州大学大学院 正 大嶺 聖 学 小林 陽介

1.

...研究背景研究背景研究背景および研究背景およびおよび目的および目的目的 目的

空気電池は酸素と金属(Al、

Mg

など)の電気化学反応によりエネルギーが発生するもので、もともと鉄道の踏み 切り警報装置などに使われており、最近では補聴器やポケットベルなどにも使用されている。温度変化に強く、

容量が大きいことなどの特徴があり、空気電池は活性炭やアルミホイルを用いても比較的簡単に作製することが できるが、電流・電圧が急激に減少するため、市販の電池と比べると性能はかなり低い。本研究では廃棄物の有 効利用の観点から空気電池に都市ごみ焼却灰を利用した場合の可能性について基礎的実験を行い、その有用性を 明らかにする。

2.

...空気電池空気電池空気電池について空気電池についてについて について

空気電池には空気亜鉛電池、空気アルミニウム電池、空気マグネシウム電池など様々な種類があるが、ここで は空気アルミニウム電池について紹介する。まず、図

1

に空気アルミニウム電池の構造を示す。これより、空気 アルミニウム電池とは空気中の酸素が電子を受け取ることのでき

る物質を正極活物質、アルミニウムが 電子を出すことのできる負 極活物質、食塩水を電解液とするもので、以下に反応式を示す。

負極：

Al

→

Al

³⁺ ＋

3e

^-

正極：

O

2 ＋

2H

2

O

+

4e

^- → 4

OH

^-

反応式：4

Al

+ 3

O

2 + 6

H

2

O

→ 4

Al

(

OH

)₃

負極の反応を効率良く進めるためには、塩化物イオンを含む電解液を使うことが有効である。また、正極での 反応は電解液と酸素が触れることによって起こるので、酸素を吸着し多少親水性のある活性炭を正極に使うこと で有効である¹⁾。本研究では空気アルミニウム電池に焼却灰を利用することを試みる。

3.焼却灰

焼却灰焼却灰を焼却灰をを用を用用いた用いたいたいた空気電池空気電池空気電池の空気電池のの起電力の起電力起電力起電力ととと内部抵抗と内部抵抗内部抵抗内部抵抗

焼却灰を空気アルミニウム電池に利用するにあたって、まずは焼 却灰を負極側に用いた時の内部抵抗と起電力の関係を明らかにする ために、表１に示す条件で実験を行った。

3.1

実験概要実験概要実験概要実験概要 図

2

に実験装置を示す。正極：銅網、負極：アルミホ イルはともに

100mm

×

100mm

とし、焼却灰および活性炭はそれぞれ

8g

使用し、実験中はセパレータ(ろ紙)でそれぞれの溶媒を吸い上げ るようにした。また、電極間の接触の関係により、32kg の重りを載 せることで一定の圧力を保ち実験を行った。測定に関しては、豆電球 (2.5V、

0.3A)を付けて一定時間おきにデジタルテスターを用いて電流

と電圧の測定を行った。また、この時通電初期と 2h 後に抵抗が異な る豆電球(

2.5V

、

0.3A

と

6.3V

、

0.15A

)、モーターの

3

つを取り付け、

電流と電圧の測定を行った。

3.2

実験結果実験結果実験結果実験結果およびおよびおよびおよび考察考察考察考察 図

3

から図

4

に電流と電圧の関係(通電初期および

2h)を示す。ここでは電池の起電力と

内部抵抗を調べるために異なる

3

つの抵抗をつなぎ、そのときの電流と電圧から内部抵抗を求めた。グラフのＶ 軸切点をＥ、直線の傾きを－ｒとすると直線は

V

＝

E

－

rI

と表すことができる。ここで、

E

は電池の起電力、ｒは 電池の内部抵抗を示す。

0h

の場合、起電力を比較すると浸出水＋焼却灰＞食塩水＋焼却灰＞食塩水である。次に、

内部抵抗は浸出水＋焼却灰＞食塩水＋焼却灰＞食塩水であることが分かる。これは様々な重金属が焼却灰には含 まれているため、その影響で内部抵抗が高いと考えられる。この結果、電流が通りにくい状態となり起電力が低 い状態になったと考えられる。次に、

2h

後では

0h

と比較して食塩水の起電力が最も低くなったことが確認できる。

アルミホイル

セパレータ(ろ紙) 電解水(食塩水) 銅網

アルミニウムが電子を出す

活性炭は酸素が電子を受け取る場 e^－

e^－

負荷

負極 正極

活性炭 アルミホイル

セパレータ(ろ紙) 電解水(食塩水) 銅網

アルミニウムが電子を出す

活性炭は酸素が電子を受け取る場 e^－

e^－

負荷

負極 正極

活性炭 活性炭

図 図図

図

1

空気空気空気アルミニウム空気アルミニウムアルミニウムアルミニウム電池電池電池電池のののの構造構造構造構造

アルミホイル

セパレータ(ろ紙) 食塩水or焼却灰浸出水

e^－

e^－

負荷

負極 正極 銅網

焼却灰 有or無

活性炭

アルミホイル

セパレータ(ろ紙) 食塩水or焼却灰浸出水

e^－ e^－

e^－

負荷

負極 正極 銅網

焼却灰 有or無

活性炭 活性炭

図 図図

図

2

実験装置実験装置実験装置実験装置 表

表表

表１１１ １ 実験条件実験条件実験条件実験条件 負極負極負極

負極 溶媒溶媒溶媒溶媒

Case1

焼却灰焼却灰焼却灰焼却灰＋＋＋＋アルミニウムアルミニウムアルミニウム 浸出水アルミニウム 浸出水浸出水浸出水((((ｐｐｐｐH12.4))))

Case2

アルミアルミアルミアルミににににウムウムウムウム 飽和食塩水飽和食塩水飽和食塩水飽和食塩水

Case3

焼却灰焼却灰焼却灰焼却灰＋＋＋＋アルミニウムアルミニウムアルミニウムアルミニウム 飽和食塩水飽和食塩水飽和食塩水飽和食塩水

土木学会西部支部研究発表会 (2008.3)

III-068

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これは負極側のアルミホイルが電池反応によ り消費され、内部抵抗が上がったことが要因 であると考えられる。内部抵抗についてはそ れぞれ時間の経過により高くなっているが、

抵抗の大小に変化はみられなかった。次に、

図

5

に豆電球(

2.5V

、

0.3A

)の電流の経時変化 を示す。これより、焼却灰を用いることで食 塩水のみに比べて電流の消費を抑制できるこ とが確認できた。これは負極側で焼却灰に含 まれる重金属などの影響により、アルミの消 費を抑えたと考えられる。また、食塩水＋焼 却灰では浸出水＋焼却灰に比べて電流値が上 がっている。次に、図

6

に電圧の経時変化を 示す。食塩水の場合、初期から急激に電圧値 が低下しているのに対し、浸出水＋焼却灰お よび食塩水＋焼却灰の場合では初期の電圧値 は低いが電圧の低下は緩やかである。

4.電気

電気電気容量電気容量容量容量のののの検討検討検討検討

焼却灰を負極側に用いた時の内部抵抗と起 電力について検討を行ってきたがここでは、

焼却灰の電気量の持続性を明らかにするため に外部抵抗を付けずにテスターを取り付けた 状態で実験を行った。

4.1

実験概要実験概要実験概要実験概要

3.1

と同じ要領で、表

1

の実験条件に従って 実験を行った。測定に関しては、デジタルテ スターを用いて一定時間おきに電流と電圧の 測定を行った。

4.2

実験結果実験結果実験結果実験結果およびおよびおよびおよび考察考察考察考察 ここでは、電池に

蓄えられる電気容量(ｍ

A

・

h

)を求めることでトータル電気容量の比較を行う。図

7

に電流の経時変化を示す。実 験結果より、食塩水＋焼却灰、食塩水の場合では急激に電流値が低下しているのに対し、浸出水＋焼却灰の場合 では初期の電流値は低いが緩やかな挙動を示している。これより、焼却灰を用いることで電流の持続性が上がる ことが確認できた。トータル電気容量をみると、浸出水＋焼却灰の場合は電解水として食塩水のみを用いた場合 に比べて約

1.3

倍の電気量を示している。ただし、高い電流を流すためには焼却灰の内部抵抗を低下させる改善策 を検討する必要がある。また、電圧に関しても電圧値の挙動は電流と同様な結果が得られた。

5.まとめ

まとめまとめ まとめ

今回、焼却灰を利用した空気電池の開発を行うために、焼却灰を用いた場合の起電力と内部抵抗、トータル電 気容量について基礎的実験を行った。その結果、以下の知見が得られた。

①焼却灰を用いると内部抵抗が高くなるが、アルミだけの場合と比べて電流と電圧が安定する。

②焼却灰に食塩水を用いることで起電力を上げることができる。

③焼却灰を用いることで電気容量を向上させることができる。

今後は、焼却灰を用いた空気電池の性能改善について実験的に検討を行っていく予定である。

【参考文献】小林：空気マグネシウム電池の作製と活用, http://www.toray.co.jp/tsf/rika/pdf/rik_008.pdf

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

電球　2.5V 0.3A 電球　6.3V 0.15A モーター

電流 電流 電流 電流((((mA) ) ) ) 電圧電圧電圧電圧((((V))) )

食塩水

食塩水＋焼却灰 浸出水＋焼却灰

内部抵抗(Ω) 浸出水＋焼却灰 5.8Ω 食塩水 2.6Ω 食塩水＋焼却灰 3.5Ω

図

3

電流と電圧の関係(

0h )

0 50 100 150 200

0 20 40 60 80 100 120

食塩水 浸出水+焼却灰 食塩水+焼却灰

電流電流電流電流((((mA))))

時間 時間 時間 時間((((min))))

豆電球 2.5V 0.3A

図

5 電流の経時変化

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 20 40 60 80 100 120

食塩水 浸出水+焼却灰 食塩水+焼却灰

電圧電圧電圧電圧((((V))))

時間時間時間 時間((((min))))

豆電球 2.5V 0.3A

図

6 電圧の経時変化

0 50 100 150 200 250 300 350 400 00

00 0.2 0.2 0.2 0.2 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0.6 0.6 0.6 0.8 0.8 0.8 0.8 11 11

豆電球　2.5V 0.3A 豆電球　6.3V 0.15A モーター

電流 電流 電流 電流((((mA))))

電圧電圧電圧電圧((((V))))

食塩水 食塩水＋焼却灰

浸出水＋焼却灰

内部抵抗(Ω) 浸出水＋焼却灰6.5Ω 食塩水 3.3Ω 食塩水＋焼却灰4.5Ω

図

4 電流と電圧の関係(2h)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

食塩水 浸出水＋焼却灰 食塩水＋焼却灰

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

電圧電圧電圧電圧((((V))))

時間 時間時間 時間(min) 図

8 電圧の経時変化 0

50 100 150 200 250 300 350

食塩水 浸出水＋焼却灰　 食塩水＋焼却灰

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

電流電流電流電流((((mA))))

時間 時間 時間 時間(min)

トータル電気容量(mA・h）

浸出水＋焼却灰　422(mA・h) 食塩水　　　　　325(mA・h) 食塩水＋焼却灰　408(mA・h)

図

7

電流の経時変化

土木学会西部支部研究発表会 (2008.3)

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