JP2007508672A - アノードがアルミニウムおよび亜鉛を含んでなるアルカリ燃料電池ならびにこのようなアノードの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの電解質（１）がアノード（２）をその上に置いたアルカリ燃料電池に関する。アノード（２）は第一薄層（３）および第二薄層（４）からなる層の積重ねを含んでなり、該第二薄層は電解質（１）と第一薄層（３）との間に配置されている。第一薄層（３）はアルミニウムまたはアルミニウム合金製であり、一方第二薄層（４）は亜鉛または亜鉛合金製である。更に、アルカリ燃料電池のアノード（２）は、好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金の第一薄層（３）で形成された基板上に、電解質（１）と接触するように、第二薄層（４）を付着させるために、物理的蒸着を用いて製造される。

Description

発明の背景

本発明は、アルミニウムおよび亜鉛を各々含有した少なくとも第一および第二薄層を含んでなるアノードが上に配置された、少なくとも１つの電解質を含んでなるアルカリ燃料電池に関する。
本発明は、このようなアルカリ燃料電池のアノードの製造方法にも関する。

技術水準

アルカリ燃料電池は通常一次、即ち再充電不可能な、電池であり、それらは携帯電子機器で通常用いられている。それらは：
‐下記反応による金属アノードの酸化反応：
Ｍ → Ｍ^ｎ＋ ＋ ｎｅ⁻
‐および、下記反応による、アルカリ環境下、空気の酸素の還元反応：
１／２Ｏ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻
のシートである。そのため、このタイプの電池の駆動バランスは以下である：
２Ｍ ＋ ｎ／２Ｏ_２ ＋ ｎＨ_２Ｏ ⇔ ２Ｍ（ＯＨ）_ｎ
上記においてＭはアノードの金属を表わし、ｎは金属Ｍの酸化度を表わしている。

しかしながら、アノードに用いられている金属に応じて、腐蝕が燃料電池の駆動を制限することがある。そのため、アルミニウムアノードは、非常に多く腐蝕を受けやすいことからほとんど用いられていない。水性環境下でアルミニウムの高い電気陰性ポテンシャルは、水素への水の分解とアルミニウムの自然溶解を実際に誘導する。更に、アルミニウムの自然不動態化層はアルカリ環境下で不安定である。

ＷＯ‐Ａ‐９６０７７６５は、０．０００５〜１％のアルミニウム、０．０００１〜２％のビスマス、インジウムおよびガリウムから選択される少なくとも１種の元素、マグネシウム、ストロンチウム、バリウムおよび希土類金属から選択される少なくとも１種の元素を含有した亜鉛粉末を含んでなるアルカリ電池について記載している。該元素はアノードの腐蝕を抑制するためにある。しかしながら、該粉末に含まれるアルミニウムは電解質と接触しており、そのため腐蝕を受けることがある。

アノードの腐蝕を抑制するために、アノードを腐蝕から防げる薄層をアノードと電解質との間に配置することも知られている。保護層は電池の駆動には通常関与しないため、電気化学反応に対するシールドを形成することがある。そこで、電池を十分に駆動させるために、電池の駆動時に活性な元素を保護層へ加えることで、保護層が孔質にされる。

ＪＰ４，１０４，４６４では、陰極は亜鉛または亜鉛合金からなり、０．１〜１５重量％のアルミニウムを含有したガリウム合金で被覆されている。電池が駆動しているときは、ガリウム合金中に低率で含有されたアルミニウムが溶解し、ガリウムコーティングに小孔を形成して、亜鉛電極を駆動させうる。しかしながら、このような電池はアルミニウムアノードを含んでなる電池より低い効率を有し、しかもガリウム保護層は比較的コスト高である。実際には、アルミニウムアノードの場合に理論的質量エネルギーは８０５０Ｗｈ／ｋｇであり、一方亜鉛アノードの場合では２３６０Ｗｈ／ｋｇである。

米国特許ＵＳ‐Ａ‐５，３１６，６３２は、電解質水溶液に浸漬されたアルミニウム電極の溶解および抑止を選択的かつ周期的に制御することにより、電気化学セルの効率を向上させるための方法について記載している。電気化学セルが不活性であるときには、不動態化層が鉛、ニッケルまたは亜鉛の沈殿によりアルミニウム電極上に付着される。次いでセルの駆動のために、不動態化層が電気化学的に除去されて、スズ、インジウム、ガリウムまたは銅の沈殿により得られる活性化層の付着を電極の表面で行う。セルの駆動時期の最後に、新たな不動態化層の付着を行うために活性化層が除去される。このような方法では電気化学セルが駆動していないときにアルミニウム電極を腐蝕から保護しうるが、この方法は不動態化および活性化層の沈殿による付着および電気化学的除去に関する多数の工程を必要とするため、それは実施が難しいと判明している。

発明の目的

先行技術の欠点を克服した、更に詳しくは、電池が高い効率を有するよう確保しながら、アノードが腐蝕から一時的に保護される、アルカリ燃料電池を提供することが、本発明の目的である。

本発明によると、第一薄層がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、第二薄層が第一薄層と電解質との間に置かれるという事実により、この目的が達成されている。

本発明の発展によると、第二薄層は亜鉛または亜鉛合金からなる。

本発明の一特徴によると、アノードは第一および第二薄層の繰返しからなる。

実施しやすく安価であるこのような燃料電池のアノードを製造するための方法を提供することが、本発明の他の目的である。

本発明によると、該方法が、アルミニウムまたはアルミニウム合金製の第一薄層で形成された基板上に、電解質と接触するように設計され、かつ亜鉛を含んでなる、少なくとも１つの第二薄層を、物理的蒸着で付着させることからなる、という事実により、この目的が達成されている。

具体的態様の説明

図１で示された第一態様によると、アルカリ燃料電池は少なくとも１つの電解質１を含んでなり、その上にアノード２が配置されている。アノード２は第一薄層３および第二薄層４の積重ねからなり、該第二薄層は電解質１と第一薄層３との間に配置されている。第一薄層３はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、一方第二薄層４は亜鉛または亜鉛合金からなる。

アルミニウム合金とは少なくとも７５重量％のアルミニウムを含んでなる合金を意味し、亜鉛合金とは少なくとも７５重量％の亜鉛を含んでなる合金を意味する。

第一および第二薄層は好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍの厚さを有し、第二薄層は好ましくは第一薄層の場合より小さな厚みを有している。

亜鉛溶解速度がアルミニウムの場合より遅く、亜鉛または亜鉛合金の第二薄層を電解質とアルミニウムまたはアルミニウム合金の第一薄層との間に配置していることから、高い駆動効率を保ちながら、一時的に腐蝕から第一層を保護しうるのである。第二薄層が犠牲層の役割を果たしているため、それも実際上酸化され、したがって第一薄層を腐蝕から一時的に保護しながら、その溶解により、アルカリ燃料電池の駆動に関与している。こうして、アルカリ燃料電池が駆動しているとき、第二薄層の亜鉛は次の反応Ｚｎ＋１／２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ⇔Ｚｎ（ＯＨ）_２に従い次第に溶解して小孔を形成し、それが電流を発生させているのである。亜鉛の溶解は、後者が全部消失するまで続くかもしれない。次いで、第一薄層のアルミニウムが次の反応２Ａｌ＋３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ⇔２Ａｌ（ＯＨ）_３に従い消費される。

アルミニウムまたはアルミニウム合金製の第一薄層３で形成された基板上に、電解質１と接触するように、第二薄層４を物理的蒸着で付着させることにより、アルカリ燃料電池のアノード２が好ましくは得られる。

このような燃料電池は、アノードの形態を燃料電池の既定消費特性に合わせられる、という利点を発揮する。そこで、第一および第二薄層の厚さを変えることにより、燃料電池の持続時間が調整されうる。例えば、電池の非使用時に消費される亜鉛層が０．８ｍＡ／ｃｍ^２の腐蝕電流に曝されるとすれば、この層が１００μｍの厚さを有する場合、電池の持続時間は７２時間であり、一方厚さ１０ｎｍの亜鉛層の場合には持続時間が２６秒間である。

代替態様において、アノード２は、図２で表わされているように、各々アルミニウムまたはアルミニウム合金製および亜鉛または亜鉛合金製の、第一および第二薄層３および４の繰返しにより形成され、第二薄層４は必ず電解質１と接触している。この場合に、アルミニウムまたはアルミニウム合金基板上に既に付着された第二薄層４上に、第一および第二薄層３および４の繰返しを物理的蒸着で付着させることにより、アノードが好ましくは得られる。更に、第一薄層３の厚さおよび／または第二薄層４の厚さは異なってもよい。

このように、図２において、アノードは２つの第一薄層および２つの第二薄層の繰返しにより形成された４つの薄層の連続積重ねからなる。こうして、亜鉛または亜鉛合金第二薄層４ａが電解質１とアルミニウムまたはアルミニウム合金第一薄層３ａとの間に配置されている。第二薄層４ａと同タイプで、好ましくはそれより厚い、追加の第二薄層４ｂが、第一薄層３ａと、該第一薄層３ａと同タイプで、好ましくはそれより厚い、追加の第一薄層３ｂとの間に配置されている。加えて、各第二薄層４ａまたは４ｂの厚さは、好ましくは対応第一薄層３ａまたは３ｂの厚さより小さい。

このような代替態様によれば、より複雑な消費特性を得られる。こうして、アノードが第一および第二層の繰返しを含んでなる、例えばデータを送れるように毎時ハイパワーを要する電池の場合、亜鉛製の第二層は１時間の電力消費分を供給するように選択され、アルミニウム製の第一層はデータ伝送に必要な電力を供給する。そのため、２４時間駆動する電池は、好ましくは２４の第一層と２４の第二層の繰返しを含んでなる。同様に、１週間の駆動型は、異なる厚さの層を用いて、１時間または１日の使用期間で検討することができる。

他の利点および特徴は、単に非制限例として挙げられ、添付図面で表された、本発明の具体的態様の以下の記載からより明らかになるであろう。
断面で、本発明による燃料電池の第一態様を表わしている。 断面で、本発明による燃料電池の代替態様を表わしている。

Claims (7)

1. 各々がアルミニウムおよび亜鉛を含有した、少なくとも第一および第二薄層（３、４）を含んでなるアノード（２）が上に配置された、少なくとも１つの電解質（１）を含んでなるアルカリ燃料電池であって、
   第一薄層（３）がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、第二薄層（４）が第一薄層（３）と電解質（１）との間に配置されていることを特徴とする、電池。
2. 第二薄層（４）が亜鉛からなる、請求項１に記載の燃料電池。
3. 第二薄層（４）が亜鉛合金からなる、請求項１に記載の燃料電池。
4. 各薄層（３、４）の厚さが１０ｎｍ〜１００μｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. アノード（２）が第一および第二薄層（３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂ）の繰返しからなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. アルミニウムまたはアルミニウム合金製の第一薄層（３）で形成された基板上に、電解質（１）と接触するように設計され、かつ亜鉛を含んでなる、少なくとも１つの第二薄層（４）を、物理的蒸着で付着させることからなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載されたアルカリ燃料電池のアノードの製造方法。
7. 第一および第二薄層（３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂ）の繰返しが、物理的蒸着により、第二薄層（４ｂ）上に付着される、請求項６に記載の製造方法。

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