JP2015518637A - 金属空気電池及び電気化学発電方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、交互に接続される複数の素子で構成され、電解液を利用して電気化学発電を行う金属空気電池を提供する。容量及び重量の比率を顕著に改善するために、電解液に耐えられる材料で製造される孔付きのパイプ（２）によって、第１の内部素子（１）が構成され、前記パイプ（２）には、電解液（４）のためのキャビティ（３）が構成され、前記パイプ（２）の外側を囲むように第１の電極（６）であるコレクタ（５）が配置され、前記コレクタ（５）の外側に隔膜（７）が密着するように貼り合わせられ、前記隔膜（７）の外側に、第２の電極（９）である空気極（８）が被覆されている。

Description

本発明は、交互に接続される複数のパイプ状素子で構成され、電解液を利用して電気化学発電を行う金属空気電池に関する。更に、前記金属空気電池を適用して、電解液による電気化学発電を行う方法に関している。

ＤＥ１０２００９０３５３１４ Ｂ４は、液状電解質を含む酸化還元のフロ−型金属空気電池、及び前記酸化還元のフロー型金属空気電池を用いて電気エネルギーを発生する方法を開示している。前記電池は、２つのパイプ状素子と、前記２つのパイプ状素子間に構成されフロー状態の電解質ためのキャビティと、前記パイプ状素子に設けられる２つの電極と、を備える。

通常、発電するための金属空気単電池は平面膜である。逆に、上記の酸化還元のフロー型電池のパイプには、円筒状の面が用いられるが、それは物質の伝送に便利を持たせ、機械構造の簡単化が図られるからである。したがって、電気効率及び重量の方面で、平面の単電池又は電池に比べて利点がある。特に、単電池を小型化する場合に利点がある。この場合、重量より容量のほうがもっと有利である。

本発明は、交互に接続される複数のパイプ状素子で構成される金属空気電池、及び前記金属空気電池を適用する方法を実現することを目的とする。前記電池及び前記方法は、容量と重量の比率を顕著に改善することができる。

上記課題を解決するために、本発明の一つの形態によれば、交互的に接続される複数の素子を備え、電解液を利用して電気化学発電を行う金属空気電池であって、電解液に耐えられる材料で製造される孔付きのパイプによって構成される第１の内部素子と、前記パイプに構成された電解液のためのキャビティと、前記パイプの外側を囲むように配置された第１の電極であるコレクタと、前記コレクタの外側に密着するように貼り合わせられた隔膜と、前記隔膜の外側に被覆された第２の電極である空気極と、を備える金属空気電池を提供する。

本発明のもう一つの形態によれば、前記金属空気電池を適用し、電解液を利用して電気化学発電を行う方法であって、中央の内部パイプに電解液を噴射して、電解液を、孔付きのパイプの壁上の開口を介して内部パイプ外の乾いた金属粉末に分布させ、金属格子に付着された金属粉末を湿らせる方法を提供している。

本発明は、電気化学発電に用いられ、パイプで形成される複合構造システムに関わる。前記システムは、反応性金属を利用して充電することができる。空気における酸素は、アルカリ電解液を介して金属を酸化させ、金属空気単電池又は金属空気電池において電気化学方法によって電流を発生することができる。空気からの酸素は、還元されるため、アルカリ雰囲気で空気からの酸素で形成されたＯＨ⁻イオンは、多層の空気極から遷移し、多孔の隔膜を通過してから、電解液、例えば水酸化カリウム溶液を経てコレクタ付きの金属電極に達する。空気極は、複数の積層システムで構成されるが、例えばＴｅｆｌｏｎ（登録商標）から製造される疎水外層は、非常に大きい内部表面積を有する導電炭素層と、導電金属格子又は金属メッシュからなるコレクタ層と、を有する。次は、多孔のイオン透過性隔膜であるが、前記隔膜は、空気側とメタル側とを電気的に遮断する。金属側には、極めて細い金属粉末又は極めて細い金属粉塵の形式で存在する酸化可能な金属、又は、酸化可能な金属化合物例えばホウ化物が設置される。ここで、技術用語の「酸化可能」は、特に「冷燃焼」の過程を指す。酸化可能な金属又は金属化合物として、特に、亜鉛、リチウム及び硼素、又は、ホウ化チタン及びホウ化バナジウムが用いられる。金属電極は、コレクタを有する。前記コレクタは、反応器又は電池の両極を形成する。全体の複合構造は、電解液に浸潤される。空気極の疎水外層は、非常に薄くなっている。即ち、略０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さが好ましく、０．０８ｍｍの厚さが特に好ましい。隔膜は、孔付きのパイプが好ましく、電解液を透過させる複数の小さい孔が配置されている。ここで、孔の直径は０．１ｃｍ〜０．９ｃｍの範囲が好ましく、０．５ｃｍが特に好ましい。

本発明による内部に構成されたキャビティを有する孔付きのパイプ及び隔膜の組み合わせは、物質の伝送に更に有利であり、機械構造の簡単化を図ることができる。これによれば、電気効率及び重量の方面で、平面の電池及び公知されているパイプ状電池に比べて利点がある。特に、電池を小型化する時に利点がある。このような場合に、重量より容量のほうがもっと有利である。

本発明による前記金属空気電池は、機能的には、多孔の隔膜によって隔離された円筒状の空気極及び金属電極で構成され、イオン電流は、電解液、特に、アルカリ電解液例えば水酸化カリウム溶液を介して、両極間を流している。その効果は、イオンフローを決定する構成部材及び構造によって決められる。電力は、金属電極及び空気極に積み重ねられる。ここで、電池を充電するために、電解液を、炭素又は重合体で構成される、電解液に耐えられる孔付きの内部パイプに、噴射又はチューブによってポンピングさせる。前記パイプは、電解液のためのキャビティを構成し、任意の時間点での充電可能性を確保する。前記パイプは、ワイヤ又は金属格子で構成されるコレクタに囲まれる。水又は他の適する流体を用いて、金属粉末又は金属粉塵を格子上に塗布させる。金属粉塵を取り囲んで隔膜に同心的に貼り合わせ、その外側に空気極が覆われる。前記複合構造を密着するように押し付ける。

本発明に対して特に重要なことは、電解液の進入及び導入である。電解液が、内部のキャビティに充填され、孔付きの内部パイプの壁上の開口を介して、酸化のために用意された金属粉末又は金属粉塵を湿らせ、前記金属粉末又は金属粉塵は、中央の内部パイプの周辺に堆積される。これにより、非常に短い経路で非常に効率的に反応させることができる。特に、中央の内部パイプの外側に乾いた金属粉末又は金属粉塵の形式で導入された金属層が、本発明による利点をもたらす。このため、必要がある場合に電解液を充填するまで、電池を任意の長い時間放置することができる。これによれば、自放電を最小に低減することができる。

本発明のもう一つの形態によれば、内部パイプは、炭素又は重合体で構成されている。第１の電極のコレクタは、金属格子で形成され、流体、特に水を利用して、金属粉末又は金属粉塵を前記格子に塗布させる。

本発明のもう一つの形態によれば、中央の孔付きのパイプの円筒面は、螺旋状に巻かれた導電可能なワイヤが配置され、当該ワイヤは銅又は金で構成されている。ここで、中央の孔付きのパイプの円筒面は、銅又は他の導電金属箔より形成されたメッシュ（特に、エッチングプロセスによって作成される）で構成される。前記メッシュは、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度の厚さを有する。

最後に、パイプ、コレクタ、隔膜、及び空気極が、同心的に交互に配置されて密着するように押し付けられることで、複合構造が構成される。

電解液を、中央の内部パイプに噴射し、孔付きのパイプの壁上の開口を介して、前記パイプ外の乾いた金属粉末に分布させることにより、金属粉末又は金属粉塵に対する濡れを完成する。金属粉末を直接且つ完全に湿らせるように、孔付きのパイプ上の孔又は開口の数及び大きさを設定する。

中央の内部パイプの円筒面には、中央の孔付きのパイプの周りに螺旋状に巻かれた、導電可能なワイヤが配置され、前記ワイヤは、銅又は金で構成されている。前記ワイヤに代えて、銅又は他の導電金属からなる箔をエッチングして得たメッシュを用いて、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍの厚さの円筒面を形成することもできる。

水又は他の適する流体と組み合わせ、コレクタに塗布されることで、金属電極の金属粉末の堆積を完成する。

紙のように薄い多孔隔膜の設置は、中央のパイプである内部パイプと、コレクタと金属粉末とによって構成されるコア部分を巻回することで完成される。

最後に、平面の空気極が、中央のパイプと、コレクタと、金属粉末又は金属粉塵と、隔膜とで構成されるパイプに巻かれ、それを接着剤によって封止して、各層を密着するように貼り合わせるように、巻き合わせたものを、弾性線材、好ましくはＫｅｖｌａｒ（登録商標）又はポリエチレンからなる弾性線材で巻回する。

本発明の金属空気電池の一つの実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
金属空気電池の横断面図を示す。 図１に示す金属空気電池の一部の軸方向の断面図を示す。

前記金属空気電池は、交互に接続される複数の素子で構成され、電解液４を利用して電気化学発電を行うものである。ここで、第１の内部素子１は、電解液に耐えられる材料からなる孔付きのパイプ２で構成される。直径が０．１ｃｍ〜０．９ｃｍの孔又は開口１０を設置することが好ましい。直径が０．５ｃｍであることがより好ましい。パイプ２には、電解液４を流すためのキャビティ３が構成されている。パイプ２の外側を囲むように、コレクタ５が付けられた第１の電極６である金属電極６が配置されている。金属電極６又はコレクタ５の外側に、隔膜７が密着するように貼り合わせており、隔膜７の外側に、第２の電極９である空気極８が被覆されている。

紙のように薄い隔膜７は、中央パイプである内部パイプ２と、コレクタ５と、金属粉末又は金属粉塵とで構成されるコア部分を包むように設置されている。

パイプ２は、炭素又は重合体で形成される。第１の電極６として用いられるコレクタ５は、金属格子で形成され、流体、特に水を用いて、金属粉末又は金属粉塵を前記格子に塗布する。

中央の孔付きのパイプ２の円筒面１１は、螺旋状に巻かれた導電可能なワイヤから構成されており、当該ワイヤは、銅又は金で構成されている。

中央の孔付きのパイプ２の円筒面１１は、メッシュから構成されるが、当該メッシュは、銅又は他の導電金属箔で製造され、特にエッチングプロセスによって製造される。前記メッシュの厚さは０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度である。

パイプ２、コレクタ５、隔膜７、及び空気極８が、同心的に密着するように押し付けられることで、複合構造を形成している。

空気極８は、複数の積層システムで構成されている。疎水外層は、例えばＴｅｆｌｏｎ（登録商標）で製造され、非常に大きい内部表面積を有する導電炭素層と、導電金属格子又は金属メッシュからなるコレクタ層とを含む。前記疎水外層は、吸水しないもので、０．０１ｍｍ〜０．２０ｍｍ範囲内の厚さを有することが好ましく、０．０８ｍｍの厚さが特に好ましい。前記空気極を、通常の燃料電池の空気極として用いても良い。層構造において、多孔のイオン透過性の隔膜７は内に向けて接続されている。当該隔膜７は、空気側と金属側を電気的に遮断する。ここで、酸化可能な金属粉末は、極めて細い金属粉末であるが、これは、金属側、及び金属電極６又はコレクタ５に対して必要な条件である。酸化可能な金属化合物、例えば金属ホウ化物や硼素を、金属粉末又は金属粉塵の代わりに用いることもできる。金属電極に用いられる電極材料として、亜鉛、ホウ化チタン、ホウ化バナジウム、リチウム及び硼素が特に好ましい。コレクタは、反応器又は電池の両極を形成する。全体の複合構造を電解液４に浸潤させる。コレクタ又は隔膜に用いられる材料として、希少な金属を使用し、特に貴金属が好ましい。これによって、希望しない酸化過程に対する耐性を高め、電池の寿命を全体的に高めることができる。

Claims (10)

1. 交互に接続される複数の素子で構成され、電解液を利用して電気化学発電を行う金属空気電池であって、
   ａ）電解液に耐えられる材料で形成される孔付きのパイプ（２）によって、第１の内部素子（１）が構成され、
   ｂ）前記パイプ（２）には、電解液（４）のためのキャビティ（３）が構成され、
   ｃ）前記パイプ（２）の外側を囲むように、金属電極（６）又は第１の電極（６）であるコレクタ（５）が配置され、
   ｄ）前記コレクタ（５）の外側には、隔膜（７）が密着するように貼り合わせられ、
   ｅ）前記隔膜（７）の外側は、第２の電極（９）である空気極（８）で被覆されている
   ことを特徴とする金属空気電池。
2. 前記パイプ（２）は、炭素又は重合体で製造されることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池。
3. 第１の電極（６）として用いられるコレクタ（５）は金属格子で構成され、流体、特に、水を利用して、金属粉末が前記金属格子に塗布されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属空気電池。
4. 中央の孔付きのパイプ（２）の円筒面（１１）には、螺旋状に巻かれた導電可能なワイヤが配置されており、前記ワイヤは、銅又は金で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属空気電池。
5. 中央の孔付きのパイプ（２）の円筒面（１１）には、メッシュで構成され、当該メッシュは、銅又は他の導電材料の箔により製造され、特に、エッチングプロセスによって製造されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属空気電池。
6. 前記メッシュの厚さが０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の金属空気電池。
7. パイプ（２）、コレクタ（５）、隔膜（７）、及び空気極（８）が、同心的に交互に配置されて密着するように押し付けられることで、複合構造を形成していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属空気電池。
8. 請求項１〜７のいずれか１項又は複数項に記載の金属空気電池を適用し、電解液を利用して電気化学発電を行う方法であって、
   中央の内部パイプに電解液を噴射し、前記電解液を、孔付きのパイプの壁上の開口を通じて内部パイプ外の乾いた金属粉末に分布させて、金属格子に付着された金属粉末を湿らせることを含む方法。
9. 前記金属粉末を直接且つ完全に湿らせるように、前記開口の数及び大きさを設定することを含む請求項８に記載の方法。
10. 金属電極の金属粉末を、水又は他の適する流体によって濡らさせて塗布することで、コレクタに堆積させることを含む請求項８又は９に記載の方法。

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