JP2015185513A - 金属燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気抵抗の増加や、金属負極の脱落を抑制することができる金属燃料電池を提供する。【解決手段】 電池容器内に、電解液が収容される。空気極が、電池容器内の電解液に接触し、正極端子に電気的に接続される。金属負極が、電池容器内の電解液に浸漬され、負極端子に電気的に接続される。金属負極の、電流の流れる方向と交差する断面が、電解液に浸漬される部分において、先端から、負極端子に電気的に接続された箇所に向かって大きくなっている。【選択図】 図１

Description

本発明は、酸素を正極活物質として利用する金属燃料電池に関する。

リチウムイオン電池に代わる次世代高容量電池として、マグネシウム燃料電池が注目されている。下記の特許文献１に開示されたマグネシウム燃料電池においては、金属負極として、アルミニウムとカルシウムとを含むマグネシウム合金が用いられる。これにより、負極材の自己放電を防止できる。

特開２０１２−２３４７９９号公報

マグネシウム燃料電池等の金属燃料電池の金属負極における反応は、金属負極の表面で均一に進むとは限らない。金属負極で反応が進むと、金属が電解液中に溶解し、金属負極中の電流路の断面積が小さくなる。反応が相対的に速く進んだ箇所において、電流路の断面積が相対的に小さくなると、その箇所の電気抵抗が増大する。金属負極を支持している箇所の近傍で反応が進み、電流路の断面積が小さくなりすぎると、金属負極の一部分が電解液中に脱落してしまう場合もある。

本発明の目的は、電気抵抗の増加や、金属負極の脱落を抑制することができる金属燃料電池を提供することである。

本発明の一観点によると、
電解液を収容する電池容器と、
正極端子及び負極端子と、
前記電池容器内の前記電解液に接触し、前記正極端子に電気的に接続された空気極と、
前記電池容器内の前記電解液に浸漬され、前記負極端子に電気的に接続された金属負極と
を有し、
前記金属負極の、電流の流れる方向と交差する断面が、前記電解液に浸漬される部分において、先端から、前記負極端子に電気的に接続された箇所に向かって大きくなっている金属燃料電池が提供される。

金属負極は、電流の流れる方向と交差する断面が、電解液に浸漬される部分において、先端から負極端子に電気的に接続された箇所に向かって大きくなっているため、金属負極の溶解速度にばらつきがあったとしても、電気抵抗の増大を抑制することができる。さらに、金属負極の一部分が電解液中に脱落してしまうことを、抑制することができる。

図１Ａは、実施例による金属燃料電池の断面図であり、図１Ｂは、金属負極の斜視図である。 図２は、放電が進んだ状態の金属燃料電池の断面図である。 図３Ａ、図３Ｃ〜図３Ｄは、比較例による金属燃料電池の断面図であり、図３Ｂは、比較例による金属燃料電池に用いられる金属負極の斜視図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、他の実施例による金属燃料電池の金属負極の斜視図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、図４Ｂに示した金属負極を用いた金属燃料電池の、放電前の初期状態における断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、図４Ｂに示した金属負極を用いた金属燃料電池の、反応が進んだ状態における断面図である。

図１Ａに、実施例による金属燃料電池の断面図を示す。電池容器１０の側面に開口部１１が設けられている。開口部１１が、空気極（カソード）１２で塞がれており、空気極１２は電池容器１０の外部に露出している。電池容器１０内に電解液１４が収容されており、空気極１２は、電解液１４に接触する。電解液１４に、金属負極（アノード）１３が浸漬されている。電池容器１０の上方の開口部が蓋１５で塞がれている。支持部材１６が、金属負極１３を蓋に１５に支持している。

支持部材１６は金属等の導電性材料で形成されており、金属負極１３を支持するとともに、電流経路としても機能する。負極端子１８が支持部材１６に接続される。正極端子１７が空気極１２に接続される。

金属負極１３には、例えばマグネシウムを５０重量％以上含むマグネシウム合金が用いられる。使用されるマグネシウム合金として、マグネシウム（Ｍｇ）−アルミニウム（Ａｌ）合金、マグネシウム−アルミニウム−カルシウム（Ｃａ）合金、マグネシウム−マンガン（Ｍｎ）合金、マグネシウム−亜鉛（Ｚｎ）合金、マグネシウム−アルミニウム−亜鉛合金、マグネシウム−亜鉛−ジルコニウム（Ｚｒ）合金等が挙げられる。金属負極１３として、マグネシウム合金以外に、アルミニウム、鉄、亜鉛等を用いてもよい。

空気極１２には、導体層、絶縁性多孔質層、及び網状支持層を含む積層体が用いられる。網状支持層が最も外側に配置され、導体層が最も内側に配置される。導体層は、例えば発泡ニッケルからなる集電体に導電材料スラリーを塗布した後、乾燥及び焼成することにより形成される。一例として、導電材料スラリーの導電材料として、ケッチェンブラックが用いられ、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンが用いられる。絶縁性多孔質層は、酸素を透過させ、水分を透過させない。網状支持体は、絶縁性多孔質層及び導体層を支持する。電解液１４には、例えば塩化ナトリウム水溶液（食塩水）が用いられる。なお、電解液１４として、水酸化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、過炭酸ナトリウム水溶液等を用いてもよい。

金属負極１３で、下記の主反応が生じる。
Ｍｇ→Ｍｇ^２＋＋２ｅ⁻
さらに、下記の副反応が生じる。
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２
空気極１２で、下記の反応が生じる。
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４（ＯＨ）⁻
金属負極１３の主反応で発生する電子が、負極端子１８と正極端子１７とに接続される外部回路を流れて、空気極１２で消費される。これにより、外部回路に電流が流れる。

図１Ｂに、金属負極１３の斜視図を示す。金属負極１３は棒状の形状を有し、上方の端面にねじ穴２２が形成されている。支持部材１６（図１Ａ）にボルトが用いられており、このボルトがねじ穴２２に挿入されて締め付けられることにより、金属負極１３が蓋１５
（図１Ａ）に支持される。金属負極１３の、電解液１４（図１Ａ）に浸漬される部分（以下、浸漬部分２１という。）において、電流の流れる方向（金属負極１３の長さ方向）と交差する断面が、先端（下端）から、負極端子１８に接続された箇所（上端）に向って大きくなっている。より具体的には、金属負極１３の浸漬部分２１が、下端から上端に向って太くなっている円錐または円錐台の外形を有する。電解液１４から露出している部分（以下、露出部分２０という。）の外形は、例えば円柱である。なお、露出部分２０の外形を角柱とし、浸漬部分２１の外形を角錐または角錐台にしてもよい。

図２に、放電が進んだ状態の金属燃料電池の断面図を示す。正極端子１７と負極端子１８との間に、電気負荷２５が接続されている。金属負極１３で酸化反応が生じ、マグネシウムイオンが電解液１４中に溶解する。これにより、金属負極１３が細くなる。反応生成物２６が、電池容器１０の底に沈殿する。

図３Ａに、比較例による金属燃料電池の断面図を示し、図３Ｂに、比較例による金属燃料電池に用いられている金属負極の斜視図を示す。比較例においては、図３Ａ及び図３Ｂに示したように、金属負極１３が円柱状であり、電流の流れる方向（長さ方向）に垂直な断面の面積が、長さ方向に関して一定である。金属負極１３の酸化反応が進むと、図３Ｃに示したように、金属負極１３が細くなる。金属負極１３は、長さ方向に関して一様に細くなるわけではない。図３Ｄに示したように、金属負極１３の上端近傍が、他の部分に比べて、より細くなると、細くなった部分よりも下方の部分１３ａが、支持部材１６から脱落してしまう。支持部材１６から脱落した部分１３ａからは、電流を取り出すことができない。このため、金属負極１３の一部分が脱落すると、金属燃料電池から、当初想定されていた電気量を取り出すことができない。

金属負極１３の一部分の脱落まで至らない場合でも、金属負極１３の、著しく細くなった部分の電気抵抗が増大する。金属負極１３内において、電子は、先端（下端）から上方に向かって移動するため、著しく細くなった部分よりも先端側の部分で発生した電子が、この細くなった部分を通過する。このため、金属燃料電池の内部抵抗が高くなってしまう。

図１Ａ〜図２に示した実施例では、図２に示したように、金属負極１３の浸漬部分２１が、下方から上方に向って太くなっている。このため、金属負極１３の長さ方向に関して不均一に反応が進んだとしても、上端に近い部分が、下端に近い部分より細くなってしまう状態が発生し難い。従って、内部抵抗の増大や、金属負極１３の一部分の脱落が発生し難い。

図４Ａ〜図６Ｂを参照して、他の実施例による金属燃料電池について説明する。以下、図１Ａ〜図２に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図４Ａ及び図４Ｂに、金属燃料電池の金属負極１３の斜視図を示す。図４Ａ及び図４Ｂに示した金属負極１３は、平板状の外形を有する。電解液１４（図１）に浸漬される浸漬部分２１が、先端（下端）から、負極端子１８（図１Ａ）に電気的に接続される箇所に向かって厚くなっている。電解液１４から露出する露出部分２０の厚さは、ほぼ一定である。露出部分２０に、ボルトを通すための貫通孔２３が形成されている。

図４Ａに示した例では、浸漬部分２１の一方の側面が、露出部分２０の対応する側面と同一平面を構成している。浸漬部分２１の他方の側面は、露出部分２０の対応する側面に対して傾斜している。図４Ｂに示した例では、浸漬部分２１の両側の側面が、共に、露出部分２０の対応する側面に対して傾斜している。

図５Ａに、図４Ｂに示した金属負極１３を用いた金属燃料電池の、放電前の初期状態における断面図を示す。図５Ｂに、図５Ａの一点鎖線５Ｂ−５Ｂにおける断面図を示す。図５Ｂの一点鎖線５Ａ−５Ａにおける断面図が、図５Ａに相当する。金属負極１３の露出部分２０が、ボルト１９により支持部材１６に固定されている。

図６Ａに、図４Ｂに示した金属負極１３を用いた金属燃料電池の、反応が進んだ状態における断面図を示す。図６Ｂに、図６Ａの一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおける断面図を示す。図６Ａに示したように、電解液１４に浸漬された浸漬部分２１が薄くなるとともに、図６Ｂに示したように、浸漬部分２１の幅も狭くなる。

図４Ａ〜図６Ｂに示した実施例においても、図１Ａ〜図２に示した実施例と同様に、金属負極１３の、電流の流れる方向と交差する断面が、浸漬部分２１において、先端から、負極端子１８（図１Ａ）に電気的に接続された箇所（上端）に向かって大きくなっている。このため、金属燃料電池の内部抵抗の増大や、金属負極１３の一部分の脱落が発生し難い。

上記実施例による金属燃料電池は、無線通信基地局のバックアップ電源や、非常用電源として利用することが可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 電池容器
１１ 開口部
１２ 空気極
１３ 金属負極
１３ａ 脱落した部分
１４ 電解液
１５ 蓋
１６ 支持部材
１７ 正極端子
１８ 負極端子
１９ ボルト
２０ 露出部分
２１ 浸漬部分
２２ ねじ穴
２３ 貫通孔
２５ 電気負荷
２６ 反応生成物

Claims (4)

1. 電解液を収容する電池容器と、
   正極端子及び負極端子と、
   前記電池容器内の前記電解液に接触し、前記正極端子に電気的に接続された空気極と、
   前記電池容器内の前記電解液に浸漬され、前記負極端子に電気的に接続された金属負極と
   を有し、
   前記金属負極の、電流の流れる方向と交差する断面が、前記電解液に浸漬される部分において、先端から、前記負極端子に電気的に接続された箇所に向かって大きくなっている金属燃料電池。
2. 前記金属負極は、アルミニウム及びカルシウムを含むマグネシウム合金またはマグネシウムで形成されている請求項１に記載の金属燃料電池。
3. 前記金属負極は棒状であり、前記電解液に浸漬される部分において、前記先端から前記負極端子に電気的に接続された箇所に向かって太くなっている請求項１または２に記載の金属燃料電池。
4. 前記金属負極は板状であり、前記電解液に浸漬される部分において、前記先端から前記負極端子に電気的に接続された箇所に向かって厚くなっている請求項１または２に記載の金属燃料電池。

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