JP2015015213A - 空気電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】交換部品を増やすことなく負極体の取り出しを容易且つ確実に行うことが可能な空気電池を提供する。【解決手段】空気極と、負極と、空気極及び負極の間に介在する電解質と、これらを収容する外装体及び負極蓋と、を有する空気電池であって、負極は、電解質に接触する負極体を有し、負極蓋は外装体に取り外し可能に装着され、負極蓋に連結された負極集電体が、負極体に接続され、負極体、又は、該負極体を収容し且つ該負極体に接触する負極収容集電体と負極集電体とが着脱自在に連結されている、空気電池とする。【選択図】図1

Description

本発明は、空気電池に関する。
正極活物質として酸素を利用する空気電池は、エネルギー密度が高い等の多くの利点を有している。空気電池としては、例えば、鉄空気電池や亜鉛空気電池等の金属空気電池が知られている。金属空気電池は、一般に、導電性材料(例えば炭素材料)及びバインダーを含む空気極と、負極活物質(金属や合金等)を含む負極と、空気極及び負極の間に介在する電解質と、を備えている。液状の電解質(電解液)が用いられる場合、電解液は、絶縁性の多孔質体であるセパレータに含浸された状態で、空気極と負極との間に配置される。
このような空気電池に関する技術として、例えば特許文献1には、金属空気電池の外観となる筐体部から、負極となる金属部を取り出し可能である金属空気電池が開示されている。また、特許文献2には、多孔性の亜鉛板が該亜鉛板を収容する本体部から脱着可能である亜鉛空気電池が開示されている。
特開2004−362869号公報 特開2004−362868号公報
特許文献1には、その一端に把持部16が設けられている金属部10に負極端子14が電気的に接続されている旨、記載されている。特許文献1では、金属部10と負極端子14との具体的な接続形態については説明されていないが、金属部10と負極端子14とが溶接され、且つ、把持部16が金属部10と一体形成されている場合には、金属部10を交換する際に把持部16や負極端子14まで交換する必要がある。そのため、特許文献1には交換部品が増大する虞があった。このような問題は、特許文献1及び特許文献2を単に組み合わせても、解決することは困難であった。
そこで本発明は、交換部品を増やすことなく負極体の取り出しを容易且つ確実に行うことが可能な空気電池を提供することを課題とする。
本発明者は、鋭意検討の結果、外装体に取り外し可能に装着された負極蓋と負極集電体とを連結し、さらに、負極体又は該負極体を収容する負極収容集電体と負極集電体とを着脱自在に機械的に連結することにより、外装体から負極蓋を取り外すことで負極体も外装体から取り出すことが可能になることを知見した。このような形態とすることにより、例えば、外装体から取り出された負極集電体と負極体又は負極収容集電体との連結を解除することで、負極体のみを容易に交換することが可能になる。また、負極体又は該負極体を収容する負極収容集電体と負極集電体とを着脱自在に機械的に連結することにより、空気電池の使用時には負極体と負極集電体との電気的接続を確保することができる。本発明は、当該知見に基づいて完成させた。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、空気極と、負極と、空気極及び負極の間に介在する電解質と、これらを収容する外装体及び負極蓋と、を有する空気電池であって、負極は、電解質に接触する負極体を有し、負極蓋は外装体に取り外し可能に装着され、負極蓋に連結された負極集電体が負極体に接続され、負極体、又は、該負極体を収容し且つ該負極体に接触する負極収容集電体と負極集電体とが着脱自在に連結されている、空気電池である。
ここに、本発明において「負極収容集電体」とは、負極体を収容する収容体としての機能を有するとともに、集電体としての機能も有する部材をいう。本発明における負極収容集電体は、イオンが通過可能な孔を有しており、空気極で生じたイオンが負極収容集電体に収容された負極体へと達して負極体の表面で電気化学反応が生じる。
このような形態にすることにより、外装体から負極蓋を取り外すと、該負極蓋に連結された負極集電体と共に、負極体も、外装体から取り出される。例えば、反応が進んだ負極体のみを交換したい場合には、負極体又は該負極体を収容した負極収容集電体と負極集電体との連結を解除することにより、負極体のみを容易に交換することができる。したがって、かかる形態にすることにより、交換部品を増やすことなく負極体の取り出しを容易且つ確実に行うことが可能な空気電池を提供することができる。
また、上記本発明において、負極集電体の少なくとも表面は、Ni、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含む金属であることが好ましい。このような形態にすることにより、負極集電体と電解質との反応を抑制することができるので、上記効果に加えて、外装体からの電解質の漏出を抑制することができる。
また、上記本発明において、負極収容集電体の少なくとも表面は、Ni、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含む金属であることが好ましい。このような形態にすることにより、負極収容集電体と電解質との反応を抑制することができるので、上記効果に加えて空気電池の性能を向上させやすくなる。
本発明によれば、交換部品を増やすことなく負極体の取り出しを容易且つ確実に行うことが可能な空気電池を提供することができる。
本発明の一実施形態にかかる空気電池10を説明する図である。 負極蓋2を外装体1から取り外したときの様子を説明する図である。 空気電池10の構成要素を交換する作業の様子を説明する概念図である。 負極体5の交換作業の様子を説明する図である。 本発明の他の実施形態にかかる空気電池10xを説明する図である。 負極集電体11と負極収容集電体12との連結形態を説明する図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。
図1は、本発明の一実施形態にかかる空気電池10を説明する図である。空気電池10は、中空筒形の外装体1と、外装体1の一端側に配置された負極蓋2と、を有している。外装体1の内側には、中空筒形の正極(空気極)3と、該正極3の内側に配置された、一端(負極蓋2が配置されている側とは反対側)が閉じた筒状のセパレータ4と、セパレータ4の内側に配置された柱状の負極体5と、これらに接触する電解液6と、が収容されている。正極3は、金属体3a、及び、該金属体3aと外装体1との間に配置された撥水空気透過膜3bを有し、金属体3aの表面には、酸素ガス還元能を有する触媒(不図示)が保持されている。金属体3aは、外装体1の下端側に配置されている正極集電体7に接触しており、正極集電体7の端面は、外装体1の外側へと導かれている。負極体5は、負極蓋2側の端部が雄ネジ形状に加工されており、負極体5側の端部が雌ネジ形状に加工されている負極集電体8に、着脱自在に機械的に連結されている。負極集電体8は負極蓋2に固定されており、負極体5に接触していない側の負極集電体8の端面は、外装体1の外側へと導かれている。負極蓋2と外装体1との間や負極蓋2と負極集電体8との間には、ガスケット9が配置されており、このような構成とすることにより、電解液6の漏洩が防止されている。
負極蓋2の外表面の一部には凹凸が形成されており、負極蓋2を外装体1に取り付けたときに負極蓋2の凹凸と接触する外装体1の内表面にも、負極蓋2の凹凸に対応する凸凹が形成されている。このように構成された負極蓋2は、外装体1に取り外し可能に装着されている。負極蓋2を外装体1に取り付けるときには、ネジを締めるように、負極蓋2を一方向へ回転させれば良い。これに対し、負極蓋2を外装体1から取り外す時には、負極蓋2を取り付けるときとは反対の方向へと回転させれば良い。
図2は、負極蓋2を外装体1から取り外したときの様子を説明する図である。上述のように、負極蓋2には負極集電体8が固定されており、この負極集電体8と負極体5とが着脱自在に機械的に連結されている。それゆえ、負極蓋2を外装体1から取り外すと、負極集電体8を介して負極蓋2に連結された負極体5も外装体1から引き抜かれる。ここで、空気電池10は、酸素を正極活物質として利用する一方、負極体5を負極活物質として利用する。空気電池10が、使用開始時から状態が変化した空気電池の構成要素を交換する形式の空気電池である場合、空気電池10に一定以上の性能を発現させるためには、負極体5を交換することが好ましい。空気電池10では、負極蓋2を外装体1から取り外すことにより、負極体5も外装体1から取り出すことができ、さらに、負極体5と負極集電体8とが着脱自在に連結されている。そのため、外装体1から取り出された負極体5を負極集電体8から取り外すことにより、負極体5のみを容易に交換することができる。
空気電池のメカニカルチャージ(反応開始時の状態から変化した負極や電解質等を交換すること。以下において同じ。)について、以下に説明する。図3は、空気電池10のメカニカルチャージを説明する概念図である。図3では、負極体5、5’、空気電池10、10’、及び、空気電池モジュール100、100’を簡略化して示している。図1乃至図3を適宜参照しつつ、空気電池10の負極体5を交換するメカニカルチャージについて、以下に概説する。なお、以下の説明では、負極体5と交換される負極体を「負極体5’」と表記する。
空気電池10に対してメカニカルチャージを行う際には、例えば、図3に示したように、複数の空気電池セルを有する空気電池モジュール100を解体することにより、メカニカルチャージを行うべき空気電池セル(空気電池10)を取り出す。続いて、空気電池10の負極体5を取り出す。次に、再生処理場Xで負極体5に再生処理を施すことにより再生された負極体5’にした後、又は、消耗していない負極体5’を別途用意した後、負極体5’を外装体1に収容する。このようにしてメカニカルチャージが完了したら、メカニカルチャージがなされた空気電池10’を用いて空気電池モジュール100’を組み立てる。例えば以上の工程を経ることにより、空気電池10に対するメカニカルチャージを行うことができる。
図4は、空気電池10のメカニカルチャージの様子を更に具体的に説明する図である。図を見やすくするため、図4では、負極体及び負極集電体にのみ符号を付し、その他の符号の記載を省略する。図4に示したように、空気電池10に対してメカニカルチャージを行う際には、負極蓋2を外装体1から取り外すことにより、外装体1から負極体5を取り出す。次に、負極体5を負極集電体8から取り外し、引き続き、新たな負極体5’を負極集電体8に取り付ける。このようにして、新たな負極体5’を負極集電体8に取り付けることにより、新たな負極体5’は負極集電体8を介して負極蓋2に連結される。そのため、新たな負極体5’が外装体1の中に収容されるように負極蓋2を外装体1へと取り付けることにより、空気電池10のメカニカルチャージを完了することができる。
このように、空気電池10によれば、メカニカルチャージを容易に行うことができる。さらに、負極集電体8と負極体5とが着脱自在に連結されているので、空気電池10の作動時には負極集電体8と負極体5との接触を確保することができ、メカニカルチャージの際には負極集電体8や負極蓋2を交換することなく、負極体5のみを交換することができる。これに対し、負極蓋と負極体とが連結されていない従来の空気電池では、外装体から電解液を取り除いてから負極体を交換したり、電解液が充填されている外装体の中に治具を入れて負極体を交換したりする必要があるため、メカニカルチャージの作業効率が低い等の問題があった。このほか、負極蓋と負極体とが連結されていたとしても、これらが着脱不可能な形態で連結されていると、交換したい負極体のみならず、負極集電体等の他の部材も交換する必要が生じるため、メカニカルチャージで交換する部品が増大しやすい等の問題があった。空気電池10では、負極体5を外装体1から容易に取り出すことができ、且つ、負極体5のみを交換することができるので、従来技術の上記問題点を解消することが可能になる。さらに、本発明では、負極蓋2に連結された負極集電体8と着脱自在に連結するための構造を有していれば、負極体5の形状は特に限定されない。そのため、本発明によれば、負極体5の形状の自由度を向上させることも可能になる。
本発明に関する上記説明では、端部が雄ネジ形状に加工された負極体5と、端部が雌ネジ形状に加工された負極集電体8とが着脱自在に連結されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の空気電池は、例えば、端部が雌ネジ形状に加工された負極体5xと、端部が雄ネジ形状に加工された負極集電体8xとが着脱自在に連結されている形態とすることも可能である。このような負極体5x及び負極集電体8xを有するほかは空気電池10と同様に構成される空気電池10xを、図5に示す。
また、本発明に関する上記説明では、負極蓋に固定(連結)された負極集電体と負極体とが着脱自在に連結されている形態の空気電池を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の空気電池は、負極蓋に連結された負極集電体と負極体とが直接連結されず、負極体を収容し且つ負極体に接触している負極収容集電体と、負極蓋に連結された負極集電体とが着脱自在に連結される形態にすることも可能である。このような形態であっても、外装体から負極蓋を取り外すことにより、負極集電体に着脱自在に連結された負極収容集電体も外装体から取り出すことができ、負極収容集電体に収容されている負極体も外装体から取り出すことができる。そのため、このような形態であっても、負極蓋に連結された負極集電体と負極体とが、着脱自在に直接連結されている場合と同様の効果を奏することができる。負極収容集電体と負極集電体とを着脱可能に連結する場合、その連結形態は特に限定されない。負極体と負極集電体とを着脱可能に連結する場合と同様の形態(例えばネジ式)で連結しても良く、他の形態で連結しても良い。負極収容集電体と負極集電体とを着脱可能に連結する際の他の形態としては、例えば、図6に示すようなフック式等を例示することができる。
図6は、フック式で着脱自在に連結される負極集電体11及び負極収容集電体12を説明する図である。図6では、負極集電体11及び負極収容集電体12のみを示しており、負極収容集電体12に備えられている、イオンが通過可能な孔の記載を省略している。負極集電体11及び負極収容集電体12を本発明の空気電池に用いる場合、負極集電体11の周囲には負極蓋が配置され、負極収容集電体12には板状等の任意の形態の負極体が収容される。
図6に示したように、負極収容集電体12の形状は円筒形状であり、負極体を配置可能な底面と該底面の周りを囲む側面を有している。負極収容集電体12の側面には、その内側へと突き出た凸片12aが複数設けられ、負極集電体11は、凸片12aを収容する受け部11a、及び、該受け部11aへと連なる凹部11bを複数有している。負極集電体11の外径は負極収容集電体12の内径よりも小さい。
負極集電体11と負極収容集電体12とを連結する場合には、凸片12aを凹部11bへと配置した後、例えば、負極集電体11を時計回りに回転させる。このようにすることで、凸片12aを凹部11bから受け部11aへと入り込ませることができ、その結果、負極集電体11と負極収容集電体12とを連結することができる。これに対し、負極集電体11と負極収容集電体12との連結を解除する場合には、例えば、負極集電体11を反時計回りに回転させれば良い。
フック式の連結形態に関する上記説明では、負極集電体の外径が負極収容集電体の内径よりも小さい形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明では、負極集電体の内径を負極収容集電体の外径より大きくしても良く、この場合には、例えば、負極集電体の内周面に凹部及び受け部を設け、負極収容集電体の側面からその外側へと突き出た凸片を設ける等の形態にすることにより、負極集電体と負極収容集電体とを着脱自在に連結することが可能になる。
また、本発明に関する上記説明では、外装体1と負極蓋2との接触箇所に設けられた凹凸を介して、負極蓋2が外装体1に取り外し可能に装着されている形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されない。本発明では、負極蓋が外装体に繰返し取り外し可能な形態で装着されていれば良く、外装体及び負極蓋の接触箇所に凹凸を有していなくても良い。
また、本発明に関する上記説明では、略円柱形状の空気電池を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の空気電池は、四角柱形状等の他の形状とすることも可能である。
また、本発明に関する上記説明では、負極体から外側へ向かって同心円状に、負極体、セパレータ、及び、正極が配置されている空気電池を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の空気電池は、平坦な膜状(シート状)のセパレータの一方の側に負極体が配置され、当該セパレータの他方の側(負極体が配置されない側)に正極が配置される形態とすることも可能である。
本発明において、外装体1は、電解液6に対して安定な、公知の物質によって構成することができる。そのような物質としては、Ni、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属層(被覆膜)が表面に形成された部材や、Ni、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属のほか、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、及び、アクリル樹脂等に代表される樹脂等を例示することができる。なお、外装体1の側面は、必要に応じて、外装体1の周囲に存在している空気を外装体1の内側へと導く孔を有している。
また、負極蓋2は、電解液6に対して安定な、公知の絶縁性材料によって構成することができる。そのような絶縁性材料としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、及び、アクリル樹脂等に代表される樹脂等を例示することができる。
また、金属体3aは、空気電池の正極における、触媒の支持体として使用可能な公知の形態とすることができる。金属体3aは、電解液6に対して安定な公知の金属によって構成することができる。具体的には、例えばNi、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属層(被覆膜)が表面に形成されている金属のほか、その全体がNi、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属からなる金属材料によって、金属体3aを構成することができる。金属体3aの形態は、例えば、金属メッシュ、穴開け加工された金属箔、又は、発泡金属体等の公知の形態にすることができる。
また、撥水空気透過膜3bは、電解液6が漏出せず、且つ、外装体1の周囲に存在している空気が金属体3aへと到達するように空気を通過させ得る公知の物質を適宜用いることができる。そのような物質としては、多孔性のフッ素樹脂シート(多孔性ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート等)のほか、金属体3a側の表面に撥水処理を施した多孔性のセルロース等を例示することができる。
また、金属体3aに保持される触媒は、空気電池に使用可能な、酸素還元能を有する公知の触媒を適宜用いることができる。そのような触媒としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等を例示することができ、カーボンの表面に触媒を担持させた形態であることが好ましい。カーボンの表面に担持させる触媒としては、例えば、Ni、Pd、及び、Pt等の白金族;Co、Mn又はFe等の遷移金属を含むペロブスカイト型酸化物;Ru、Ir又はPd等の貴金属酸化物を含む無機化合物;ポルフィリン骨格又はフタロシアニン骨格を有する金属配位有機化合物;二酸化マンガン(MnO)及び酸化セリウム(CeO)等の無機セラミックス;これらの材料を混合した複合材料等を挙げることができる。
また、触媒を金属体3aに配置する際には、公知の結着剤を適宜用いることができる。そのような結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)等を例示することができる。
また、セパレータ4は、アルカリ電池で使用可能な公知のセパレータを適宜用いることができる。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース等の多孔膜や、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
また、負極体5は、空気電池の負極として使用可能な公知の金属を適宜用いることができる。負極体5は、Fe、Zn、Pb、Sn、Cd、Mg、Caからなる群より選択された少なくとも1以上を含んでいることが好ましく、特に、Fe又はZnを含んでいることが好ましい。負極体にFe又はZnを含有させる場合、負極体の全質量に対するFe又はZnの質量の割合をx[wt%]とするとき、10<x≦100とすることが好ましく、30<x≦100とすることがさらに好ましく、50<x≦100とすることが特に好ましい。
また、電解液6は、水系電解液であっても良く、非水系電解液であっても良いが、水系電解液を用いることが好ましい。水系電解液は、電解質塩及び水を含有する。電解質塩は、水に対して溶解性を有し、所望のイオン伝導性を発現する公知の電解質塩を適宜用いることができ、中でも、少なくとも1種以上のアルカリ金属やアルカリ土類金属が電解質塩に含まれることが好ましい。そのような電解質塩としては、LiOH、KOH、NaOH、RbOH、CsOH、Ca(OH)、及び、Sr(OH)等を例示することができる。
また、電解液6は、アルカリ性であることが好ましい。電解液6のpHは7以上であることが好ましく、12以上であることがさらに好ましい。
また、正極集電体7及び負極集電体8、8’は、空気電池の集電体として使用可能な、電解液6に安定な公知の導電性材料を適宜用いることができる。そのような導電性材料であれば特に限定されないが、例えばNi、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属層(被覆膜)が表面に形成されている導電性材料や、その全体がNi、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属からなる金属材料等で集電体を形成することが好ましい。このような導電性材料や金属材料を用いることにより、集電体と電解液6との反応を防止することが可能になるので、電解液6の漏洩を防止しやすい形態にすることが可能になる。
また、ガスケット9は、電解液6に安定であり、且つ、空気電池で使用可能な公知のガスケットを適宜用いることができる。
また、負極収容集電体12は、空気電池の集電体として使用可能な、電解液に安定な公知の導電性材料を適宜用いることができる。そのような導電性材料であれば特に限定されないが、例えばNi、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属層(被覆膜)が表面に形成されている導電性材料や、その全体がNi、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含有する金属からなる金属材料等で負極収容集電体12を形成することが好ましい。このような導電性材料や金属材料を用いることにより、負極収容集電体12と電解液6との反応を防止することが可能になるので、負極収容集電体12の機能を維持しやすい形態にすることが可能になる。
本発明において、負極収容集電体12は、イオンが通過可能な孔を有し、負極体を収容可能であり、収容された負極体と接触し、且つ、負極体と負極集電体とを電気的に接続する機能を有していれば、その形態は特に限定されない。負極収容集電体は、例えば、金属メッシュによって形成することができるほか、筒状に形成した金属体に複数の孔を開けたものを負極収容集電体として用いることができる。なお、負極収容集電体を用いる場合、負極収容集電体の底面は、負極蓋とは反対側に配置する。
1…外装体
2…負極蓋
3…正極(空気極)
3a…金属体
3b…撥水空気透過膜
4…セパレータ
5、5’、5x…負極体
6…電解液(電解質)
7…正極集電体
8、8x…負極集電体
9…ガスケット
10、10’、10x…空気電池
11…負極集電体
11a…受け部
11b…凹部
12…負極収容集電体
12a…凸片
100、100’…空気電池モジュール

Claims (3)

  1. 空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間に介在する電解質と、これらを収容する外装体及び負極蓋と、を有する空気電池であって、
    前記負極は、前記電解質に接触する負極体を有し、
    前記負極蓋は、前記外装体に取り外し可能に装着され、
    前記負極蓋に連結された負極集電体が、前記負極体に接続され、
    前記負極体、又は、該負極体を収容し且つ該負極体に接触する負極収容集電体と、前記負極集電体とが、着脱自在に連結されている、空気電池。
  2. 前記負極集電体の少なくとも表面は、Ni、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含む金属である、請求項1に記載の空気電池。
  3. 前記負極収容集電体の少なくとも表面は、Ni、Cr、及び、Alからなる群より選択された少なくとも1以上を含む金属である、請求項1又は2に記載の空気電池。
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