彦根藩二代当主である井伊直孝公をお寺の門前で手招き雷雨から救
ったと伝えられる"招き猫"と、井伊軍団のシンボルとも言える赤備
え。（戦国時代の軍団編成の一種で、あらゆる武具を朱塗りにした
部隊編のこと）の兜（かぶと）を合体させて生まれたキャラクタ。
続・オールバイオマスシステム完結論 ④
技術事業開発主要課題はスリークォータ可視化できた。今夏は①過
酸化水素製造法と燃料電池製造方法に関する最新特許技術をピック
アップする。
１．特願2021-142108 アバランシェ増幅機能を有する電池 クロス
テクノロジーラボ株式会社
【概要】
アバランシェ増幅とは、強い電界をもつ半導体の受光部に光が入る
と、半導体原子への光子の衝突によって発生する電子が加速され、
他の半導体原子と衝突し、更に複数の電子を喚起し、このなだれの
ような連鎖によって、移動電子が爆発的に増える現象をいう。この
効果により、大きな電流変化を引き起こす。かかる現象は半導体又
は絶縁体において、起こる特異な現象である。
しかしながら、ｐ型半導体とｎ型半導体とが空乏層を介して対向し
ている場合にその空乏層に電子が流れ込むと、起きるアバランシェ
増幅現象でもある。したがって、過酸化水素等の双極子を形成する
化合物を含む電解液中では一対の電池電極を接近させてその電極間に
双極子電気二重層を形成すると、短絡せず、発電機能を有するセパ
レータレス電池を形成する（特願2021-073490号）が、カソード電極
側からアノード電極側に局部的に双極子を介して接触する構成にす
ると、マイクロキャパシタ（注：本明細書では少なくとも１双極子
のナノ領域の間隔で対向するカソードからアノードへの電極間に介
在する双極子層が形成するキャパシタに一定以上の電荷が蓄積され
るとトンネル現象により電子が流れ出す現象が生ずるキャパシタを
いう）が形成され、ホトダイオードにおけるアバランシェ増幅に似
た現象が起こると考えられる。すなわち、一対の電池電極間に双極
子を介して１又は複数のマイクロキャパシタが形成されると、この
マイクロキャパシタには、周囲のカソード電極から電子が流れ込ん
で蓄電される。このカソード領域から三角形の突起電極を介してカ
ソード電極がアノード電極に接近していると、トンネル現象により
アノード電極の局部に電子が流れ始め、電極の他の原子に衝突して
喚起すると、前記アバランシェ増幅を起こすと考えられる。近年、
過酸化水素燃料電池は、水素燃料電池と違って、水溶液を用いる１
コンパートメント構造は、燃料の供給が容易で、しかもカソードと
アノード室を区画する膜のない動作ができるため、有望なエネルギ
ー変換プラットフォームとして期待されている。そこで、本発明は
過酸化水素を用いる燃料電池において、アバランシェ増幅効果を採
用して起電力の増大が図れる構造を提供すべく、鋭意研究を重ねた。
しかしながら、過酸化水素は燃料と酸化剤の両方として機能する高
エネルギー密度液体であるので、ほとんどの金属電極はＨ2Ｏ２の
Ｈ２Ｏ とＯ２への不均化反応を触媒する。その結果、過酸化物燃料
電池における著しい損失機構を示すので、金属をカソード電極とす
る過酸化水素燃料電池は存在し得ないとされた。そのため、カソー
ド電極として伝導性ポリマーであるポリ(3,4-エチレンジオキシチ
オフェン（PEDOT）を用いる一方、アノード電極としてニッケルメッ
シュを使用して、不均化反応による損失を発生させることのないよ
うに工夫し、0.20～0.30 mW cmの電力密度で0.5～0.6Vの範囲のオー
プン回路電位を示す過酸化水素燃料電池が発表されている（非特許
文献１Chemical Communications，2018, Vol.54, Pages 11873-11876）。
他方、カソード材料としてヘキサシアノ鉄酸銅（ＣｕＨＣＦ）を使用
し、アノード材料としてＮｉグリッドを使用する過酸化水素燃料電
池も発表されている（非特許文献：ournal of HydrogenEnergy, ELSEVI
ER, Vol.45, Issue 47, 25 September 2020, Pages 25708-25718）。
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の場合、起電力が１Ｖ前後で金属空気電池に比して低い
という問題もあり、アバランシェ増幅機能の導入は望まれるものの、
従来の過酸化水素燃料電池のカソード電極であるポリ(3,4-エチレン
ジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）やヘキサシアノ鉄酸銅（ＣｕＨ
ＣＦ）にアバランシェ増幅機能を持たせることは困難である。 本
発明者は銅又はその合金が過酸化水素燃料電池のカソード電極とし
て有効であることを見出している。そこで、カソード電極が銅又は
その合金からなる金属であることを利用して鋭意研究の結果、過酸
化水素燃料電池において、カソード電極面から突出する電極部を形
成し、アノード電極の局部に双極子を介して近接させると、周囲の
カソード電極から双極子電気二重層に蓄電されるが、カソード電極
がアノード電極に極めて接近していると、トンネル現象によりアノ
ード電極の局部に電子が流れ始め、アノード電極の他の原子に衝突
して喚起すると、電子の発生が雪崩的に増加し、発電量が増えるこ
とを見出した。本発明はこれを利用してアバランシェ増幅機能を有
する燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
燃料電池の発電量をアバランシェ増幅機能により増大させる電池を
提供するものであって、電極面に双極子電気二重層を形成する双極
子能率の高い化合物を含む水溶性電解液と、銅、チタン、及び鉄か
らなる遷移金属製カソード電極と、カソード電極より卑なる金属で
あるマグネシウム、アルミニウム、亜鉛又はその合金からなるアノ
ード電極とを備え、前記カソード電極はその電極面からアノード電
極の対極面に対し突出する複数のスペーサとその先端とアノード電
極面とがその間に少なくとも１個の双極子が介在する間隔で対向し、
双極子電気二重層を挟持して、マイクロキャパシタを形成してなる、
ことを特徴とするカソードからの電子を蓄電しては所定の電荷が溜
まるまで蓄電し、トンネル効果によりアノード局部に集中して流れ
ることを特徴とする、アバランシェ増幅機能を有する電池にある。 
図１．アバランシェ増幅機能を発揮するマイクロキャパシタ部の概
念図
【発明の効果】
本発明によれば、電池（図１）を構成するカソード電極とアノード
電極との間に双極子電気二重層からなるマイクロキャパシタ（図２）
を有する。そのため、一旦所定量以上の荷電が蓄電されるとマイク
ロキャパシタからアノード電極へトンネル効果により電子が流れ、
それがアノード電極の周囲の原子に衝突し、更に複数の電子を喚起
し、このなだれのような連鎖によって、移動電子が爆発的に増える
ことになる。
図４．多数のマイクロキャパシタを形成した電池の概念図
複数の電極突起は、アノード電極との間に複数のマイクロキャパシ
タを形成し、集電して一定の電荷が溜まると、トンネル現象により
放電を繰り返すマイクロキャパシタを構成して点在し、等価な回路
構成の概念図は図４のように示され、図５に示す起電力変化を起こ
す。
図５．マイクロキャパシタをマグネシウム空気電池に適用した場合
の発電状態を示すグラフで
カソード電極面から突出する鋭角三角形状の突起電極の先端とアノ
ード電極表面との間に挟持される少なくとも１個の双極子、例えば
過酸化水素分子のような双極子能率を有する分子で形成される双極
子電気二重層であるマイクロキャパシタが好ましい。過酸化水素の
双極子能率を参考にすると、２．０e.s.u.×１０-１５以上の双極子
能率を有する化合物が好ましい（非特許文献；水渡英二著：物理化
学の進歩（1936）,10（3）：154～165頁）
【発明の概要】
本発明によれば、電池（図１）を構成するカソード電極とアノード
電極との間に双極子電気二重層からなるマイクロキャパシタ（図２
）を有する。そのため、一旦所定量以上の荷電が蓄電されるとマイ
クロキャパシタからアノード電極へトンネル効果により電子が流れ、
それがアノード電極の周囲の原子に衝突し、更に複数の電子を喚起
し、このなだれのような連鎖によって、移動電子が爆発的に増える
ことになる。複数の電極突起は、アノード電極との間に複数のマイ
クロキャパシタを形成し、集電して一定の電荷が溜まると、トンネ
ル現象により放電を繰り返すマイクロキャパシタを構成して点在し
、等価な回路構成の概念図は図４のように示され、図５に示す起電
力変化を起こす。カソード電極面から突出する鋭角三角形状の突起
電極の先端とアノード電極表面との間に挟持される少なくとも１個
の双極子、例えば過酸化水素分子のような双極子能率を有する分子
で形成される双極子電気二重層であるマイクロキャパシタが好まし
い。過酸化水素の双極子能率を参考にすると、２．０e.s.u.×１０
-１５以上の双極子能率を有する化合物が好ましい（非特許文献：水
渡英二著：物理化学の進歩（1936）, 10（3）：154～165頁）。
【要約】
下図２のごとく、水溶性電解液が双極子能率の高い過酸化水素を含
み、双極子電気二重層を金属銅又はその合金からなるカソード電極
と、カソード電極より電極電位が卑である、電極電位差を形成する
金属又はその合金からなるアノード電極との間に、カソード電極か
らアノード電極に電子がトンネル現象で流れる構造を形成するマイ
クロキャパシタを有し、アバランシェ増幅に似た電流増幅現象を引
き起こす燃料電池で、アバランシェ増幅機能を有する燃料電池の提
供。
図２．発明のアバランシェ増幅機能を適用する燃料電池の概念図
【発明を実施するための形態】
本発明は、燃料電池の発電量をアバランシェ増幅機能により増大さ
せるものであって、本発明は双極子電気二重層でアバランシェ増幅
効果を達成するものであるから、電極面に双極子電気二重層を形成
する双極子能率の高い化合物を含む水溶性電解液を備える。双極子
二重層を形成する化合物としては典型的には各種電解液、過酸化水
素水溶液であるが、その双極子能率からすると、２．０e.s.u.×１０
-15以上の双極子能率を有する化合物、過酸化水素が好
ましい（非特許文献３）。カソード電極としては銅又はその合金だ
けでなく、チタン、及び鉄からなる遷移金属及びその合金が有効で
ある。アノード電極としては、カソード電極より卑なる金属である
マグネシウム、アルミニウム、亜鉛又はその合金からなるアノード
電極が好ましい。前記カソード電極はその電極面からアノード電極
の対極面に対し突出する複数のスペーサとその先端とアノード電極
面とがその間に少なくとも１個の双極子が介在する間隔で対向し、
双極子電気二重層を挟持して、マイクロキャパシタを形成してなる。
これにより、カソードからの電子を蓄電しては所定の電荷が溜まる
まで蓄電し、トンネル効果によりアノード局部に集中して流れるこ
とを特徴とする、アバランシェ増幅機能を有する。本発明では、図
２に示すように、Ｍｇアノード電極板とＣｕカソード電極板とを、
過酸化水素を含むアルカリ性電解液に浸漬して対向配置してなる。
そして、図３（Ａ）に示すように、銅電極１０はその一部を三角形
に切り欠いて電極面に対し直角に立ち上げ、高さ５～１５ｍｍの鋭
角三角形の突起電極１１を形成し、その先端をマグネシウム電極面
に柔らかく接するように、対向させる。少なくとも１分子の双極子
が介在する間隔が好ましい。突起電極は１５０ｍｍから２００ｍｍ
の間隔で形成し、周囲のカソード電極領域から電子が流れ込むよう
にするのがよい。
本発明における起電力はアノード電極／過酸化水素を含むアルカリ
性電解液／カソード電極の構成における起電力であって、その金属
空気電池の反応は次の通りである。 アノード側の酸化反応を２Ｍｇ
→２Ｍｇ２＋ + ４ｅ-と、 他方、カソード側の還元反応をＯ２＋Ｈ２
Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- となる。
本発明では、金属空気電池のカソード側の還元反応を促進するため
に、電解液に過酸化水素を添加し、アノード側負極に比べてカソー
ド側正極のイオン化進行速度が劣る原因を改善した。
すなわち、金属銅は
Ｃu＋Ｈ２Ｏ２→Ｃu２＋＋ＯＨ＋ＯＨ-及び Ｃu＋ＯＨ→Ｃu２＋＋ＯＨ-
と一部過酸化水素に溶けるが、
Ｃu２+＋２ＨＯ２- →Ｃｕ＋２ＨＯ２と、ＨＯ2基がHaber u. Willstatter
連鎖によって過酸化水素の分解を促進するからであると思われる（
(非特許文献３）。 しかも、本発明によると、カソード電極の表面
に形成される電気二重層は過酸化水素を含み、その双極子（ダイポ
ール）機能により形成される。そのため、対極のアノード電極はカ
ソード電極と接触しても短絡せず、対向するアノード電極とカソー
ド電極の接触を一定間隔で点状に配置される突起等で形成すると、
点状突起の先端に電気二重層キャパシタ構造を有することになり
（図１）、電極表面にマイクロコンデンサとして多数点在し（図
３）、電池起電力を集電してはトンネル効果により流れ、アバラン
シェ増幅を繰り返す（図５）ので、マクロコンデンサ機能を有しな
い同一電極構成の場合に比して２倍以上の発電能力を発揮すること
になる。 本発明においては、前記水溶性電解液に過酸化水素の一
部又は全部を過炭酸ナトリウムにより供給するのが好ましい。具体
的には、０．５から２．０モルのアルカリ金属又はアルカリ土類金
属ハロゲン化塩、特に塩化ナトリウムを含む中性又はアルカリ性水
溶液に対し数％から十数％の過酸化水素水(体積％)又は過炭酸ナト
リウム(重量％)を添加するのが好ましい。 アノード電極がマグネ
シウム又はその合金からなり、（－）Ｍg/ＮａＣｌ+Ｈ２Ｏ２/Ｃｕ
（＋）の電池構成をとることにより、銅カソード電極との間に過酸
化水素又はそれが分解したヒドロキシラジカルを分解するに必要な
分解電圧を与える。マグネシウム合金電極としてＭＡＺ６１又はＭ
ＡＺ３１のマグネシウム/アルミ/亜鉛の合金電極が使用できる。
前記アノード電極とカソード電極とを交互にスペーサを介して一定
の間隔をもって対向配置し、アノード電極とカソード電極との接触
部に過酸化水素を含む水溶性電解液により電気二重層キャパシタを
形成するが、前記スペーサがカソード電極と同じ金属銅又は銅合金
からなり、対極表面に一定間隔を隔てる点状突起を有する（図２）
のが好ましい。マイクロキャパシタは２．０e.s.u.×１０-１５以上
の双極子能率を有する双極子、例えば過酸化水素の１分子のｎｍオ
ーダーの間隔をもってカソード電極とアノード電極を対向させるこ
とにより、構成できる。カソード電極からアノード電極局部にトン
ネル電流が集中して流れるように、カソード電極面から三角形状の
電極を突出させる。複数のカソード電極を対向させる場合は、各カ
ソード電極の突起電極の本数、配置位置を変え、アノード電極と接
近する場所を変えるのがよい。アノード電極はカソード電極からの
電子の衝突により溶解し、周囲原子に連鎖して衝突し、電子の発生
を喚起するので、カソード電極の突起が近接する部分は大きな貫通
孔（２．０ｍｍ～５．００ｍｍ）が形成され、電極全体には小さな
貫通するホール（０．５ｍｍ～１．０ｍｍ）が多数形成され、海綿
状となる。
【実施例】
図３に示す銅電極を使用して図４に示す概念の複数のマイクロキャ
パシタがある電池を構成した。容量３０００ｍｌの上方開放型直方
体プラスチック容器を用いる。 図３では、１ｍｍ厚み、縦横１００
×１００ｍｍの銅カソード電極板１０に上下左右に１５０ｍｍない
し２００ｍｍ間隔で多数の三角形の５０ｍｍの高さの突起１１を切
り立て（図３Ａ）、図３Ｂに示すように、両端は銅板１０は突起
１１を内向きに、真ん中は背中合わせに張り合わせた銅電極１０で
２ｍｍ厚み、縦横１００×１００ｍｍのマグネシウムアノード電極
板２０を挟み込んで組み合わせる。この組み合わせ電極を使うと図
１に示すように、銅カソード電極の表面にマイクロコンデンサを形
成することができる。 他方、図６Ａに示す、１ｍｍ厚み、縦横１
００×１００ｍｍの銅カソード電極板１０に銅電極板をＴ字形に切
り出し、端部を折り曲げて形成したスペーサＳを取り付ける。この
カソード電極板でスペーサＳを介して２ｍｍ厚みの縦横１００×
１００ｍｍのＭｇアノード電極板２０の両側を挟みつける。３枚の
銅カソード電極板１０で、２枚のＭｇアノード電極板２０はスペ
ーサＳを介して交互に挟みつけると、図６Ｂに示す上部端面図の
状態となる。この組み合わせ電極を使うと図１に示すマイクロコ
ンデンサを形成しない。 【００１８】 プラスチック容器にはお
よそ１５００ｍｌの純水に塩化ナトリウム０．５モル／l以上、好
ましくは１．５モル／l以上２モル／lの電解液を調整し、これに
過炭酸ナトリウム５０～１００ｇと３０％過酸化水素水５０ｍｌ
を加える。電池反応は一定時間過ぎると、過酸化水素が消費され、
電球が減少するので、２～３時間ごとに１０ｍｌの３０％過酸化水
素水を添加する。 本件実施例においては、図３ＡおよびＢの電極
構成と図６ＡおよびＢの電極構成の性能を比較してマイクロキャパ
シタを銅カソード電極表面に形成する場合としない場合の性能比較
を行った。電極構成以外は同じ条件としたので、アルカリ電解水に
おける過酸化水素燃料電池反応に、マグネシウム空気電池反応が伴
うものである点は同じである。したがって、以下の反応式に基づき、
過酸化水素がＨ２Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ-２Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ-に分解す
る一方、カソード電極側でＨ２Ｏ２+２ＯＨ-→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ
-の酸化反応を起こすだけでなく、アルカリ性電解液での金属酸化
反応がＭｇ→Ｍｇ２＋＋２ｅ-となり、カソード側での酸素を還元し
てイオン化する反応がＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ-４ＯＨ-と典型的な金属
空気電池反応が起こる。但し、過酸化水素燃料電池及び金属空気電
池反応では酸素ガスは発生すると理解できるが、上記構成では酸素
ガスだけでなく、水素ガスも発生する。ということは、非特許文献
３（水渡英二著、物理化学の進歩（１９３６）、１０（３）：１
５４～１６５頁）に示唆されるように、銅カソード電極表面で触媒
機能が働き、過酸化水素の分解又はヒドロキシイオンの分解が起こ
り、発電反応に繋がっていると思われる。
２Ｈ２Ｏ２→４・ＯＨ→Ｈ２＋Ｏ２＋４e- ４ＯＨ-→Ｈ２＋Ｏ２＋４e-
以上の実験結果を考察すると、マイクロキャパシタを作る構成にも
よるが、図３に示すマイクロキャパシタを有する燃料電池は図６に
示すマイクロキャパシタを有しないものに比して２倍以上の電流値
の増加を見ることがわかった。マイクロキャパシタに伴う集電放電
効果が電池の発電量に大きな影響を与えることがわかる。そのため、
本発明の構成は１コンパートメント構造の過酸化水素燃料電池とし
て新規で有用な構成を提供することができるので、画期的である。
● 今夜の寸評：先端技術で世界一をめざし、世界に貢献。 
奈良・五條市にある全国でも珍しい“柿の専門”。古くから柿の名
産地である西吉野地区で、干し柿など伝統的なお菓子を守りながら、
新しい価値ある商品を次々と作り出している名店。夏に人気の「柿
こーり」は、冷凍で届くものを半解凍して“プルしゃり”食感を楽
しむ甘味。渋柿を独自の製法で完熟させた柿のシャーベットを吉野
本葛のくず餅で包んだだけ、とシンプルな製法ながら、シャーベッ
ト状の柿が口の中で溶け出すときの濃密な甘さに目を開かれる。解
凍時間によってさまざまな食感になるので、お好みの加減を探して
みて。透明感ある見た目も美しく、夏のギフトにも喜ばれている。