JP2002516474A - 酸素濃縮器及びその供給を制御する制御手段を含む酸素陰極を有する金属／酸素バッテリー或いは燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、一般的に、高圧の可成り高純度の酸素を亜鉛／酸素バッテリーに供給する酸素濃縮器の使用に関する。酸素は制御された状態で供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 ［技術分野］ 本発明は、一般的に、高圧の可成り高純度の酸素を亜鉛／酸素バッテリーに供
給する酸素濃縮器の使用に関する。酸素は制御された状態で供給される。

【０００２】 ［発明の背景］ 金属／空気バッテリーは多数の電気化学電池を利用する。各電池は、透気性の
陰極、金属製の陽極、水溶性の電解質からなる。それらは、電気化学反応の反応
物として、重い物質より寧ろ空気中の酸素を使用するので、金属−空気バッテリ
ーは比較的高いエネルギー密度を有する。亜鉛／空気電池の放電の間、周囲の空
気からの酸素が陰極で水酸化イオンに変換され、亜鉛が陽極で水酸化イオンと反
応して酸化され、電子が解放されてエネルギーを発生させる。

【０００３】 亜鉛／酸素バッテリーの問題点の一つは、酸素のバッテリーへの供給を開閉制
御することにある。バッテリーに負荷がかかっていないときには酸素を遮断する
必要があり、使用中には酸素流量を負荷に合わせなければならない。二つ目の問
題点はバッテリー内部の水分を制御することにある。そして、三つ目の問題点は
、全ての亜鉛を効率よく酸化させるために、バッテリー内部の陰極領域に亘って
酸素を拡散させることにある。

【０００４】 これらの問題点に対する一つの解決策は、バッテリーに加圧空気を供給するこ
とである。このシステムの困難な点は、酸素を供給するために大量の空気をバッ
テリーに流通させた場合に、バッテリー内部の湿度と温度とを管理することにあ
る。

【０００５】 そこで、本発明の目的は、可成り高い純度の高圧酸素を亜鉛／酸素バッテリ
ーへ制御しながら供給するために、酸素濃縮器を使用することにより、空気流の
問題点を解決することである。

【０００６】 ［発明の概要］ 本発明は、金属／空気バッテリーにおける酸素供給の問題点を解決しうる、よ
り良い解決策を提供するものである。酸素が制御可能で、且つ制御された状態で
供給される亜鉛／酸素バッテリーに酸素濃縮器を組み合わせることが開示される
。

【０００７】 ［発明の詳細な説明］ 金属／酸素バッテリーは、金属／酸素電池の放電中に酸化されて電気エネルギ
ーを発生させうる金属から作られる陽極を有する。そのような金属は、鉛、亜鉛
、リチウム、鉄、カドミウム、アルミニウム及びマグネシウムを含む。亜鉛は、
容易に利用できること、エネルギー密度、安全性、及び比較的安価であるため、
通常は好ましい。また、電解質が設けられ、一般的には、グループＩ金属水酸化
物の水溶性電解溶液が使用される。例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム
、水酸化カリウム、水酸化セシウム等である。

【０００８】 金属／空気バッテリーは透気性陰極を有する。

【０００９】 本発明は、反応物として、空気の代わりに酸素濃縮器を利用する。空気は約２
０％の酸素を含有するだけであるので、陰極に必要な酸素を供給するためには、
より多くの空気流が必要となる。酸素を透気性陰極に集中させることにより、バ
ッテリーの設計が簡単になる。

【００１０】 バッテリー或いは走行車両を通過する空気流により駆動されるロータリーコ
ンプレッサ１が、加圧空気を生成するために使用される。また、フィードバック
ループにより制御されるバリアブル（可変）コンプレッサを使用することもでき
る。またオプションとして、加湿器３により、空気を水上に通過させて該空気を
湿らせることができる。この加湿器３は、酸素濃縮器５の前方或いは後方に配置
することができるが、酸素濃縮器５の後方に配置するのが好ましい。圧縮空気は
、酸素を９５％より大きな百分率で通過させるモルキュラーシーブ（分子篩）や
膜を含む酸素濃縮器５を通過し、窒素は排出される。濃縮された二酸化物は、少
量の二酸化炭素、窒素及び水分を含み、「高純度の酸素」と呼ばれる。

【００１１】 好ましい酸素濃縮器は、ゼオライトの分子篩或いは吸収材を使用する。また、
アルゴンを吸収する活性炭素の分子篩をゼオライトと組み合わせて使用すること
もできる。酸素濃縮器を出る酸素流中の二酸化炭素を、酸化カルシウム、水酸化
リチウム等の吸収材の小さなカートリッジ７により吸収することもできる。酸素
は、カートリッジを出るにつれて、或いは濃縮装置の前で、加湿９されることが
できる。非常に乾燥した気候では、蓄水器（ウオターリザーバ）１１が用いられ
る。バッテリー内の水センサ１９により制御される加湿器の弁１３は、バッテリ
ー１５に入る水量を制御するために用いることができる。酸素流量弁１７はバッ
テリーに入る酸素量を制御するために用いられる。

【００１２】 バッテリーへの酸素流量はバッテリー２３の負荷と一致するように制御される
。また、加圧酸素流は、酸素電極全体に亘って酸素の完全な混合或いは拡散を保
証する。

【００１３】 このバッテリーは窒素及び水分を空気中に解放する圧力解放弁を含む。窒素は
、回生パージ流或いは２つのゼオライトベッドを使用してゼオライトから脱着さ
れる。２段階のサイクルでは、１つのベッド或いは対のベッド（１つのゼオライ
トと１つの炭素）が、それらのベッドを加圧して酸素流を生成するフィード（供
給）ガスとして、高圧空気を受容する。同様に、他方のベッドの高圧ガスが低圧
側へ排出される。そして、このような再加圧により、サイクルの高圧相の間に以
前に吸着された窒素とアルゴンは脱着される（１９８９年発行の米国特許４，８
８０，４４３号参照）。

【００１４】 電気車両用の大きなバッテリーでは、酸素濃縮器を使用することが好ましいが
、より小さなバッテリーを作るために、より小さな酸素濃縮器を使用することも
できる。

【００１５】 電池へ供給される酸素量を制御するため、空気管理システムの酸素流入口は、
負荷状態に基づいて、最初に所定位置に設定される。

【００１６】 酸素流が陰極の全面で反応することを確保するため、酸素の通路に組み入れら
れた複数のバッフル２１によって、酸素流の方向を変化させてもよい。酸素流の
方向を変えるために使用されたバッフルは、陰極の表面を横切って該表面の略全
ての点を覆う蛇行路を形成する。陰極は、入口と、出口と、及び酸素が入口から
出口へ流れる曲がりくねった通路を形成する複数のバッフルとを備えることが好
ましい。

【００１７】 再充電可能な金属酸素バッテリーにより発生される水素と酸素ガスの再結合を
触媒するため、酸素流の通路に、触媒要素を配置することができる。

【００１８】 このような同様の酸素濃縮器技術を、陽極として水素を使用する燃料電池に応
用することができる。酸素濃縮器は、これらの燃料電池に対して、より効率的な
酸素源を提供する。空気中の一酸化酸素は燃料電池の効力を減少させうる。酸素
源を浄化するために酸素濃縮器を使用することにより、空気中の一酸化酸素や他
の不純物によるこのような干渉を防止、或いは制限することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バッテリーにおける酸素濃縮器の線図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ (71)出願人 ＯＮＥ ＰＲＯＣＴＥＲ ＆ ＧＡＮＢＬ Ｅ ＰＬＡＺＡ，ＣＩＮＣＩＮＮＡＴＩ， ＯＨＩＯ，ＵＮＩＴＥＤ ＳＴＡＴＥＳ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ (72)発明者 カムデン，ジェイムズ バーガー アメリカ合衆国オハイオ州、ウエスト、チ ェスター、チャーター、カップ、レーン 7339 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BC06 KK51 KK56 MM04 5H032 AA02 AS03 BB06 CC22 CC23

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素陰極、金属陽極及び電解質を有する金属／酸素電池であ
   って、酸素を濃縮して前記陰極へ高純度の酸素を供給するための手段と、前記陰
   極に入る酸素を制御するための手段と、を備え、前記陰極に入る酸素を制御する
   ための手段は、作動中に前記金属／酸素電池から負荷により引き出された出力電
   流を計測するように接続された電流モニタ回路と、前記引き出された電流に応答
   して、前記手段を開放して前記酸素濃縮器からの酸素の流入を所定時間の間許容
   するための酸素制御回路と、を備えることを特徴とする金属／酸素電池。
2. 【請求項２】 前記酸素濃縮器はゼオライト分子篩を含むことを特徴とする
   請求項１記載の電池。
3. 【請求項３】 前記酸素濃縮器は２つのゼオライトベッドを備え、それらの
   ゼオライトベッドの一方はその内部の圧力を低下させることにより回生されるこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の電池。
4. 【請求項４】 前記酸素濃縮器は吸収性炭素ベッドを含むことを特徴とする
   請求項１乃至３の何れかに記載の電池。
5. 【請求項５】 前記金属陽極は亜鉛であることを特徴とする請求項１乃至４
   の何れかに記載の電池。
6. 【請求項６】 前記電解質は、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化
   カリウム、及び水酸化セシウムから選択されることを特徴とする請求項１乃至５
   の何れかに記載の電池。
7. 【請求項７】 酸素陰極、水素陽極及び電解質を有する燃料電池であって、
   酸素を前記陰極へ導入するための手段を備え、前記手段は、作動中に前記金属／
   酸素電池から負荷により引き出された出力電流を計測するように接続された電流
   モニタ回路と、前記引き出された電流に応答して、前記手段を開放して前記酸素
   濃縮器からの酸素の流入を所定時間の間許容するための酸素制御回路と、を備え
   ることを特徴とする燃料電池。
8. 【請求項８】 前記酸素濃縮器はゼオライト分子篩を含むことを特徴とする
   請求項７記載の燃料電池。
9. 【請求項９】 前記酸素濃縮器は２つのゼオライトベッドを備え、それらの
   ゼオライトベッドの一方はその内部の圧力を低下させることにより回生されるこ
   とを特徴とする請求項７又は８記載の燃料電池。
10. 【請求項１０】 前記酸素濃縮器は吸収性炭素ベッドを含むことを特徴とす
    る請求項７乃至９の何れかに記載の燃料電池。