CN112786872A

CN112786872A - 镁燃料体及镁空气电池

Info

Publication number: CN112786872A
Application number: CN201911079267.3A
Authority: CN
Inventors: 矢部孝; 桶本杏子
Original assignee: United Co Mgr Energy
Current assignee: United Co Mgr Energy
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: CN112786872B

Abstract

在以空气中的氧为正极活性物质且以镁为负极活性物质的镁空气电池中，提供一种抑制了因形成于负极的氧化膜被导致的电流降低的镁燃料体、以及具备该镁燃料体的镁空气电池。镁燃料体(100)具备：镁板(101)，其在两个部位具备切痕(102)；以及导通板(103)，将导通板(103)插入到切痕(102)而弯折，并使弯折得到的山部与切痕(102)的内侧牢固地压接。

Description

镁燃料体及镁空气电池

技术领域

本发明涉及镁燃料体和镁空气电池。

背景技术

对以空气中的氧作为正极活性物质并且以镁作为负极活性物质的镁空气电池而言，随着反应进行，电和离子均无法通过的氢氧化镁的膜被形成于镁的表面，逐渐变得难以从负极提取大电流。在专利文献1中记载的镁空气电池中，使镁附着于导电性的膜上而设置成卷状，并使该卷状膜旋转而与位于其附近的正极共同作用，使未反应部分依次地反应并连续进行发电。

另外，如专利文献2，通过在反应减弱时更换薄板状的燃料也可获得同样的效果。专利文献2通过将薄板状的燃料设置于折叠成波纹状的隔离件内，从而可以相对于电极连续地导入和抽出燃料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利5598883号

专利文献2：日本专利5891569号

发明内容

技术问题

在专利文献1和专利文献2这样的机构中，需要从更换的燃料的表面有效地抽出电力。由于在镁的表面会短时间内形成氧化膜被，因此难以通过点接触有效地抽出电力。另外，如果燃料的制造工序变得复杂，则会导致燃料价格高昂，并且产量降低。

本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供通过简单的结构而抑制了因形成于负极的氧化膜被导致的电流降低的镁燃料体、以及具备该镁燃料体的镁空气电池。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的第一观点的镁燃料体的特征在于，具备：金属镁的薄板，其具备多个切痕；以及导通板，其通过与外部电极的接触而提取电力；使上述切痕的内侧与弯折上述导通板时形成的山部接触，并且使上述导通板插入到上述镁薄板的上述切痕。

本发明的第二观点的镁空气电池的特征在于，具备：本发明的第一观点的镁燃料体；阴极；电解液；电解液保持材料，其由能够含浸上述电解液的材料形成；以及电解液槽，其储存上述电解液，被上述电解液保持材料包裹的上述镁燃料体被插入到两片上述阴极之间，上述阴极不浸泡于上述电解液而上述电解液保持材料浸泡于上述电解液，通过该电解液保持材料含浸上述电解液从而开始电池反应。

另外，上述镁空气电池的上述镁燃料体可以以相对于上述电解液的液面倾斜的方式倾斜地设置。

上述镁空气电池可以具备连接端子，上述连接端子具备：沟槽，其支撑两片上述阴极；以及圆管部，其连接与外部电连接的导线。

本发明的镁空气电池的特征在于，具备多个上述镁空气电池，将各个上述镁空气电池串联连接，上述阴极不浸泡于上述电解液而上述电解液保持部和上述镁燃料体浸泡于上述电解液，串联连接的多个上述镁空气电池共用一个上述电解液槽。

另外，上述镁空气电池可以具备框状或梁状的间隔部，上述间隔部设置于上述阴极附近并在接近的上述阴极彼此之间形成间隙而获取电池反应所需的空气。

本发明的一种电池的特征在于，具备上述镁空气电池、以及收纳上述镁空气电池的容器，上述容器在上述电解液保持材料的附近的内壁具备膜，上述膜具有透气性且具有水无法通过的性质，并且上述容器在上述电解液保持材料的附近的外壁具备获取空气的透气孔。

技术效果

根据本发明，能够提供通过简单的结构而抑制了因形成于负极的氧化膜被导致的电流降低的镁燃料体、以及具备该镁燃料体的镁空气电池。

附图说明

图1是示出镁燃料体100的大致构成的侧视图。

图2是示出从上方观察镁燃料体100而得的大致构成的俯视图。

图3是示出镁空气电池200的大致构成的侧截面图。

图4是示出连接端子205的一例的立体图(a)和侧视图(b)。

图5是示出镁空气电池200的大致构成的立体图。

图6是记录了三个燃料体的形态(示例1、示例2、示例3)的电流[A]和电容量[Wh]的变化的实验结果。

图7是示出镁空气电池300的大致构成的立体图(a)和侧截面图(b)。

图8是示出从上方观察镁空气电池300而得的大致构成的俯视图。

图9是示出容器303的大致构成的立体图。

图10是容器303的壁面的一部分的侧截面图。

图11是示出本发明的镁空气电池的一部分的侧截面图。

图12是示出实施方式3的镁燃料体100的构成的立体示意图。

图13是实施方式3的镁燃料体100的截面图。

图14是实施方式3的镁燃料体100的截面图。

符号说明

100 镁燃料体

101 镁薄板

102 切痕

103 导通板

200，300 镁空气电池

201 电解液保持材料

202 阴极

203 电解液

204 电解液槽

205 连接端子

205a圆管部

205b 沟槽

301 间隔部

302 导线

303 容器

304 膜

305 透气孔

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

(实施方式1)

图1的(a)、(b)是示出本发明的第一观点的镁燃料体的大致构成的侧视图。镁燃料体100由镁薄板101和导通板103构成，并作为镁空气电池的燃料发挥功能。

如图1的(a)所示，镁薄板101是具备切痕102的金属镁的薄板。切痕102在图1中为两处，但也可以具备多个切痕102。对此将在后面描述。

导通板103由具有导电性的材料形成，具有板状的形状，通过与外部电极接触而提取电力。导通板103由例如铜板等形成。如图1的(a)所示，导通板103插入到切痕102并且按照切痕102弯折，如图1的(b)所示，镁薄板101与导通板103以在切痕102的内侧紧密接触的方式压接。此时，导通板103从上方或者从左右两方可靠地施加压力而使镁薄板101的切痕102的内侧与导通板103的弯折部位紧密无缝隙地接触，由此即使是来自外部的接触电极也几乎没有因氧化膜被造成的电阻地进行导通。从上方对其进行观察而得的俯视图是图2。

如此，镁燃料体100通过将导通板103插入到切痕102，进行牢固地压接，即使将外部电极与该导通板103接触，在接触电极也几乎没有因氧化膜被造成的电阻地进行导通。

接着，对将镁燃料体100用作燃料的镁空气电池200进行说明。

镁空气电池200具备电解液保持材料201、阴极202、电解液203、电解液槽204和连接端子205，并将镁燃料体100作为燃料而产生电动势。

图3是示出镁空气电池200的大致构成的侧截面图(其中，省略了连接端子205)。电解液保持材料201由保持液体的吸水性高的材质形成。电解液保持材料201以浸湿的方式保持电解液203。与此同时，通过在内部保持电池反应后形成的反应产物(例如氢氧化镁等)，从而保护阴极202。作为形成电解液保持材料201的材料，例如为毛毡、无纺布、碳毡、凝胶等，但不限于此。电解液保持材料201以使导通板103露出的方式包裹镁燃料体100。

电解液203是能够使镁燃料体100与阴极202之间进行离子交换的电解液。电解液203例如是氢氧化钠水溶液，但不限于此。

阴极202由具有导电性的材料形成，且向镁空气电池200的正极活性物质即空气中的氧提供电子。作为形成阴极202的材料，考虑有例如碳、金属、锰化合物、以及组合这些而成的材料，但不限于此。为了促进使氧还原的反应，优选表面积大且易于吸附氧。阴极202以从两侧夹住镁燃料体100的方式配置。

电解液槽204在内部保持电解液203，并具有向电解液保持材料201供给电解液的槽状的形状。电解液的供给通过电解液保持材料201的吸水性而自动进行。在电解液槽204内部，电解液203被保持于电解液保持材料201的下方。

接着，对连接端子205进行说明。连接端子205由具有导电性的材料形成，连接并支撑两片阴极202，进行与外部的电连接。作为连接端子205的形状的一例，考虑有如图4的立体图(a)和侧视图(b)的形状。图4的连接端子205在上部具备圆管部205a，在下部具备两个沟槽205b。在圆管部205a中置入导线并且从周围进行压接固定，导线与外部电连接。在与外部的连接中使用导线是为了确保柔性，对此将在后面描述。在下部的沟槽205b夹着阴极202，对此也进行压接固定。作为形成连接端子205的材料，考虑有锡等柔软且导电性高的金属等。

接着，参照图5，对将镁燃料体100用作镁空气电池200的燃料的方法进行说明。图5是将构成镁空气电池200的要素局部分解而示出的立体图。

将被电解液保持材料201以残留导通板103的方式包裹的镁燃料体100插入到被连接端子205支撑的两片阴极202之间。电解液保持材料201和镁燃料体100浸泡于设置在下方的电解液槽204内的电解液203。另一方面，阴极202不与电解液203接触。电解液保持材料201含浸电解液203，且通过毛细现象缓慢地自动且连续地供给电解液。此时，电解液保持材料201作为隔离件发挥功能，并通过利用含浸的电解液203来进行离子交换，从而发生以空气中的氧作为正极活性物质并以镁燃料体100中所含的镁作为负极活性物质的氧化还原反应来产生电动势。通过被压接于连接端子205的导线和与镁燃料体100所具备的导通板103连接的电极来提取电力。由于镁燃料体100具有相对于镁空气电池200能够易于装卸的结构，因此能够在不引起由形成于负极的氧化膜被造成的电流降低的情况下进行燃料的更换。

在此，通过实验结果来表示本实施方式的镁燃料体100的效果。图6示出了对在三个燃料体的形态(示例1、示例2、示例3)下设定为1[V]的恒定电压时的相对于经过时间[分钟]的电流[A]的变化以及电容量[Wh]进行记录而得的实验结果，向右方下降的曲线均示出电流值，向右方上升的曲线均示出电容量。

示例1是直接从外部使电极与不具备切痕的镁薄板101接触而提取电力的形态的燃料体。示例2是通过在镁薄板开孔而利用螺栓拧紧导线从而提取电力的形态的燃料体。示例3是实施方式1的镁燃料体100。

将他们的结果进行总结成为表1。在表1中示出了示例1～示例3的各个示例在开始实验10分钟后的电流[A]以及两个小时后达到的电容量[Wh]。将表示本发明的实验结果的示例3与其他示例相比较，示出了高电流值和高电容量。在示例1的情况下，也存在每次实验结果都发生变动，几乎无法提取电流的情况，但是在表1示出了其中最优异的结果。示例2的情况下虽然通过螺栓将导线牢固地拧紧，但利用螺栓的固定却无法容易地装卸。应予说明，本实验中使用了反应面积为25cm²且厚度为1mm的镁，因此该部分镁的重量为4.35g。在示例3的情况下，实现了电流密度为0.18[A/cm²]且电容量为1.38[Wh/g]。

示例1～示例3的电流值和电容量【表1】

示例	电流值[A]	电容量[Wh]
			1	2	3
2	3.5	4.7
			3	4.5	6

如上，能够提供通过简单的结构而抑制了因形成于负极的氧化膜被导致的电流降低的镁燃料体、以及具备该镁燃料体的镁空气电池。

(实施方式2)

实施方式2连接多个实施方式1的镁空气电池200。

在连接多个镁空气电池时进行并联连接或串联连接，但实施方式2的镁空气电池是串联连接的。大多情况下一个电池的输出电压为1[V]左右，电流有时也达到数十[A]。在这样的情况下，如果并联连接十个电池，则成为数百[A]、1[V]的输出，将其连接的部分的电阻仅允许为远小于数百分之一欧的电阻，因此，难以通过接触来获取电力。通过进行串联连接，以十个电池计为10[V]，如果为数十[A]，则为数分之一欧，能够缓和接触电阻的条件。

将实施方式2的镁空气电池300的大致构成示于图7的立体图(a)和侧截面图(b)(其中，由于在后面详细说明连接端子205，因此将其省略)。各构成要素与实施方式1相同，省略其详细的说明。镁空气电池300排列地配置多个镁空气电池200。此时，由于电池反应需要空气，因此各镁空气电池200具备在阴极202的空气侧形成间隙的间隔部301。

间隔部301具有具备一定程度厚度的框状或梁状的形状，即使将阴极202彼此接近地设置，也能够确保获取电池反应所需要的空气的空间。通过实验可知，作为利用间隔部301得到的间隙的宽度，在数安培程度的情况下为2～3mm足矣。图7所示的间隔部301示出了在各处均设置矩形空间的框状的形状，但仅是一例，不限于此。

如图7的(b)所示，具备串联连接的多个镁空气电池200共有的一个电解液槽204。然而，考虑到电解液203为导电性，如果在电解液203中相邻的电池彼此接触则会引起漏电，无法实现串联连接。与实施方式1同样地，镁空气电池300的电解液203不与阴极202接触，仅使电解液保持材料201浸湿。本发明的发明人通过实验发现，仅电解液保持材料201和被其包裹的镁燃料体100浸泡于同一电解液203也不会发生漏电。由此，能够设置为即使将多个燃料串联连接也无需将其分别电屏蔽的结构而仅配置一个共用的电解液槽的简单的结构。

此时，利用连接端子205进行的串联连接考虑为图8所示的连接。图8是示出串联连接多个镁空气电池并从上方观察时的大致构成的俯视图。分别用导线302将连接端子205与相邻配置的镁空气电池200的导通板103连接而进行串联连接。配置于两端的镁空气电池的连接端子205和导通板103与外部连接而提取电力。通过使用导线，能够采用将电池彼此紧密连接的配置并且能够使整体紧凑。

另外，通过使镁空气电池300收容于如图9的立体示意图所示的容器303而使用，能够防止配置于电池的下部的电解液203漏液。

容器303具有带盖的箱形状。由于电池反应需要空气，因此容器303内的电解液保持材料的附近需要具备具有透气性且水无法通过的结构。容器303中的电解液保持材料201附近的壁面的截面图示于图10。容器303在电解液保持材料201附近的内壁具备膜304，膜304由具有透气性且水无法通过的材料形成，另外，容器303在电解液保持材料201附近的外壁具备获取空气的透气孔305。膜304考虑为例如氟化碳树脂等材料。透气孔305是输送或吸引对因电池反应而产生的热进行冷却的空气的成为空气通道的孔。在图9中将开设有多个小孔的机构示为透气孔305，但形状仅是一例，不限于此。镁的电池反应为放热性，每1g镁燃料放热约20[kJ]。在因该热而导致电解液蒸发的情况下，由于水的蒸发潜热为2.4[kJ/g]，因此如果将该放热用于水的蒸发，则每1g镁蒸发8g水。如此，需要非常多的水。进一步来说，由于电解液通常为盐水，因此即使是10％浓度的盐水，也会因蒸发而析出0.8g的盐。为了防止这种情况，需要通过空气冷却来进行冷却。通过具备该透气孔304，能够从外部对在密集地连接多个电池时产生的热进行空气冷却。空气冷却可考虑利用例如风扇等而使风通过孔输送来进行。

为了考虑空气冷却所需的装置所必须的性能，利用具体的数字来进行说明。若将电池反应放出的热假定为20[kJ/g]，则如果按100g计用两个小时产生2000kJ，则为1000[kJ/h]。在将12片1mm厚的镁板串联连接而成为100g的情况下，若将镁的密度设为1.74[g/cm³]，则由于每1片具有48cm²的面积，因此0.18[A/cm²]时电池的输出以0.18[A/cm²]×48[cm²]×12[V]计相当于约103[W]。另一方面，空气具有1[kJ/kg/K]的比热，密度为约1[kg/m³]，因此如果设想50度的温差，则具有50[kJ/m³]的冷却能力。在此，如果将空气流量设为X[m³/h]，则：

50X[kJ/h]＝1000[kJ/h]…(1)

即，为了排放1000[kJ/h]的热，需要X＝20[m³/h]。由于市售的小型风扇为8cm×8cm开口程度，因此具有32CFM(Cubic Feet per min：立方英尺每分钟)＝55[m³/h]的能力，消耗电力为12[V]×0.1[A]＝1.2W程度，因此足以用于这样的系统。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。

在实施方式1中对镁燃料体100的切痕102为两个进行了说明，但是通过具备多个切痕102，即使增大镁薄板101的尺寸，也能够减小由镁薄板101本身所具有的电阻导致的电流值降低的影响。

另外，图11是从侧面观察在本发明的镁空气电池中由镁燃料体100和阴极202构成的一部分而得的截面图。在实施方式1、实施方式2中，对镁燃料体100垂直于电解液槽204设置进行了说明，但也可以使镁燃料体100和阴极202水平或相对于电解液203的液面倾斜。图11的(a)示出了垂直地设置镁燃料体100和阴极202的情况，图11(b)示出了倾斜地设置镁燃料体100和阴极202的倾斜情况。在图11的(a)中，利用毛细现象将水向上吸，但由于重力向下作用，因此在某个时间内水达到的高度受到限制。该高度在实际应用的电池中为5-6cm。因此，由于能够使用的反应面积受到高度的限制，因此不可避免地横向变长。通过将镁燃料体100和阴极202设置为水平或相对于电解液203的液面倾斜，从而即使(参照图11的(b))保持原有的利用毛细现象使水上吸的高度，水被向上吸的距离也变长，能够增大镁燃料体100中的反应面积。这一情况通过实验可知如果设为例如与水平成30度的角度，则即使高度方向为6cm，反应部分的长度也为12cm，可获得两倍的输出。

(实施方式3)

图12是示出实施方式3的镁燃料体100的构成的立体示意图。与实施方式1同样地，镁燃料体100由镁薄板101和导通板103构成，并作为镁空气电池的燃料而发挥功能。如图12的箭头所示，导通板103被插入到镁薄板101所具备的切痕102中。

如图12所示，镁薄板101是具备穿孔状的切痕102的金属镁的薄板。切痕102是贯穿镁薄板101的穿孔，在图2中为圆形，但其形状不限。

导通板103由具有导电性的材料形成，并具有柱形状。该柱形状的内部可以为中空或管状。

导通板103以插入到切痕102内的状态而被压缩使用。图13、图14是示出该情形的镁燃料体100的截面图，示出插入了导通板103的状态(图13)、以及压缩后(图14)。此时，切痕102的内壁与导通板103因导通板103的柱形状被压缩且扩张从而牢固地无缝隙地紧贴。本实施方式的镁燃料体100通过该紧贴状态而在几乎没有因氧化膜被造成的电阻的情况下进行导通。

本实施方式的镁燃料体100能够通过与实施方式1、实施方式2所示的方法相同的方法来用作镁空气电池的燃料。由于重复因此省略对其描述。

使用实施方式3的镁燃料体100而对电流[A]、以及两小时后达到的电容量[Wh]进行检查而得的实验结果与上述的实施方式1的镁燃料体100的实验结果即表1相同。

Claims

1.一种镁燃料体，其特征在于，具备：

金属镁的薄板，其具备多个切痕；以及

导通板，其通过与外部电极的接触而提取电力；

使所述切痕的内侧与弯折所述导通板时形成的山部接触，并且使所述导通板插入到所述镁薄板的所述切痕。

2.一种镁空气电池，其特征在于，具备：

权利要求1所述的镁燃料体；

电解液保持材料，其由能够含浸液体的材料形成；

阴极，从所述电解液保持材料的两侧面夹住所述电解液保持材料；

电解液槽，其设置于所述镁燃料体的下方；以及

电解液，其储存于所述电解液槽内，

被所述电解液保持材料包裹的所述镁燃料体被插入到两片所述阴极之间，

所述阴极不浸泡于所述电解液而所述电解液保持材料浸泡于所述电解液，通过该电解液保持材料含浸所述电解液从而开始电池反应。

3.根据权利要求2所述的镁空气电池，其特征在于，所述镁燃料体以相对于所述电解液的液面倾斜的方式倾斜地设置。

4.根据权利要求2或3所述的镁空气电池，其特征在于，所述镁空气电池具备连接端子，所述连接端子具备：

沟槽，其支撑两片所述阴极；以及

圆管部，其连接与外部电连接的导线。

5.一种镁空气电池，其特征在于，具备多个权利要求2～4中任一项所述的镁空气电池，

将各个所述镁空气电池串联连接，

所述阴极不浸泡于所述电解液而所述电解液保持部和所述镁燃料体浸泡于所述电解液，

串联连接的多个所述镁空气电池共用一个所述电解液槽。

6.根据权利要求5所述的镁空气电池，其特征在于，具备框状或梁状的间隔部，所述间隔部设置于所述阴极附近并在接近的所述阴极彼此之间形成间隙而获取电池反应所需的空气。

7.一种电池，其特征在于，具备权利要求2～6中任一项所述的镁空气电池、以及收纳所述镁空气电池的容器，

所述容器在所述电解液保持材料的附近的内壁具备膜，所述膜具有透气性且具有水无法通过的性质，并且所述容器在所述电解液保持材料的附近的外壁具备获取空气的透气孔。