JP2016071990A - 非常用金属空気電池構造 - Google Patents

Abstract

【課題】非常時において電源が確保されていなくても電解液を確実に容器内に注入して発電することができる非常用金属空気電池構造を提供する。
【解決手段】電解液２を柔軟バッグ１１に充填して容器１より上方に支持したため、非常時には電解液２を重力により容器１内に供給することができる。手動開閉バルブ１４の操作も手動のため、電源を必要とせず電源が確保されてない非常時においても、確実に利用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は非常用金属空気電池構造に関するものである。

従来より金属負極と空気正極を組み合わせた金属空気電池が知られている。金属負極はマグネシウム等の金属板で、容器に保持された電解液内に浸漬される。空気正極は容器に組み込まれ、内面は電解液に接し外面は大気に接する。空気正極を通して酸素を電解液内に取り込むことができる。金属負極は電子を放出して金属イオンとなり電解液中に溶出する。空気正極ではその電子を受け取り起電力が発生する（例えば、特許文献１参照）。

この金属空気電池は一次電池のため、非常用電源としての利用が期待されている。すなわち電解液を容器とは別個に保管し、非常時に利用する場合にその電解液を容器内に注入して利用する。

特開２０１２−１３４１６０号公報

しかしながら、このような関連技術にあっては、非常用電源としての利用が期待されているものの、電解液が容器と別に保管されているため、実際に使用する際に電解液が容器の近くにあるとは限らない。また非常時において電解液を容器内へ確実に注入できるとも限らない。更に非常時に電源が確保されているかどうか分からないため、電動ポンプ等による電解液の自動注入も信頼性がない。

本発明は、このような関連技術に着目してなされたものであり、非常時において電源が確保されていなくても電解液を確実に容器内に注入して発電することができる非常用金属空気電池構造を提供することを目的としている。

本発明の第１の特徴によれば、金属負極と空気正極とを電解液を保持した容器に組み合わせ、金属負極と空気正極との間に電解液を存在させて起電力を得る非常用金属空気電池構造であって、前記容器の上方に電解液を充填した柔軟バッグを支持し、柔軟バッグと容器とを手動開閉バルブを有する連結パイプにて接続し、手動開閉バルブの開成時に柔軟バッグ内の電解液を容器内に供給可能である。

本発明の第２の特徴によれば、金属負極を下に空気正極を上にした状態で両極をそれぞれ水平状態で絶縁性を有するホルダに固定し、該ホルダを使用時に金属負極は電解液中に浸漬し且つ空気正極は下面のみ電解液に接する状態で容器に組み合わせた。

本発明の第３の特徴によれば、使用時に容器内の電解液を一定量ずつ排出する定量排出手段と、容器内の電解液の表面レベルを非常時に一定高さに保つ表面レベル維持手段とを設けた。

本発明の第４の特徴によれば、金属負極に不溶性溶解物を落下させる開口が形成される。

本発明の第１の特徴によれば、電解液を柔軟バッグに充填して容器より上方に支持したため、非常時に手動開閉バルブを開くと、柔軟バッグ内の電解液は重力により連結パイプを通過して確実に容器内に供給される。電解液は柔軟バッグ内に充填されているため長年保管しても蒸発したり変質したりすることがない。柔軟バッグが連結パイプで容器と接続されているため電解液は常に容器の近くにある。電解液は重力により連結パイプ内を流れ、手動開閉バルブの操作も手動のため電源を必要とせず、電源が確保されてない非常時においても、確実に利用することができる。

本発明の第２の特徴によれば、使用時に金属負極は電解液内に十分浸漬し、空気正極は水平状態で下面のみ電解液の表面に接した状態となるため、空気正極の上面から酸素を取り込むことができ、発電能力を十分に発揮することができる。空気正極は下面が電解液の表面に接しているだけなので、水圧が加わることがなく電解液が空気正極の内部又は容器外へ漏れ出すおそれがない。

本発明の第３の特徴によれば、定量排出手段により容器内の電解液を一定量ずつ排出するため、柔軟バッグ内の電解液を長時間かけて容器内の汚れた電解液と交換することができる。表面レベル維持手段により容器内の電解液の表面レベルを一定高さに保つことができるため、水平に保持された空気正極の下面のみに電解液が接した状態が維持される。また一定量ずつ容器内の電解液と入れ替わるため、容器内における電解液の劣化が抑制され、長時間の発電が可能となる。

本発明の第４の特徴によれば、金属負極に開口が形成されているため、水平に保持された金属負極の上面から発生する不溶性溶解物を開口を通して落下させることができる。不溶性溶解物を金属負極から排除することができるため、金属負極の機能を維持することができると共に不溶性溶解物の回収が容易である。

非常用金属空気電池構造を示す概略図。 金属空気電池を示す概略図。 空気正極及び金属負極が固定されたホルダを示す断面図。 空気正極と空気正極とホルダを示す分解斜視図。 定量排出手段を示す断面図。 定量排出手段の開成時を示す断面図。 図５中矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿う断面図。

図１〜図７は本発明の好適な実施形態を示す図である。

容器１は非常時には電解液２で満たされるが、通常時は空の状態である。容器１はロート形状をしており、下方には排出筒３が形成されている。容器１の下方には密閉室４が形成されている。密閉室４の下端にはバルブ付きの排出口５が形成されている。排出筒３の下端は密閉室４の底面に当たらない高さに設定されている。

密閉室４の側面には排気パイプ６が形成されている。排気パイプ６は途中から下向きに曲折され、その下端は上部開放のボトル７内に挿入されている。排気パイプ６の曲折部には調整バルブ８が設けられている。ボトル７の内部には所定の粘性を有する合成油９が注入されている。この合成油９入りのボトル７と、排気パイプ６、密閉室４により定量排出手段１０が構成される。

容器１の上方には柔軟バッグ１１が図示せぬフレームにより所定高さに支持されている。柔軟バッグ１１は合成樹脂製で内部に電解液２が充填されている。電解液２は塩化ナトリウム水溶液等が好適である。濃度は海水程度から飽和まで使用可能であるが５〜１５重量％が好適である。ｐＨは７〜１１に調整されている。電解液２は柔軟バッグ１１内に充填されているため、長期期間保管しても蒸発したり変質したりすることはない。

柔軟バッグ１１の下部には連結パイプ１２と開閉自在な注入パイプ１３が設けられている。この注入パイプ１３は柔軟バッグ１１内へ電解液２を注入する際に使用される。

連結パイプ１２の下端は容器１の上部側面に接続されている。すなわち連結パイプ１２を介して柔軟バッグ１１の下部と容器１の上部とを連結する電解液２の主流路が形成される。柔軟バッグ１１が容器１より上に位置づけられるため、モータ等の動力がなくても重力にしたがって電解液２が主流路を容器１に向かって流れることができる。

さらに、連結パイプ１２の途中（主流路）には手動開閉バルブ１４と表面レベル維持手段１５が設けられている。表面レベル維持手段１５は、回転自在なＬ型クランク１６と、その一端に取付けられ容器１内における電解液２の表面レベル位置を規定するフロート部１７と、他端に取付けられ連結パイプ１２を遮断自在なボール部１８を備えている。フロート部１７に発生する浮力がクランク１６の支点のまわりのトルクとしてボール部１８に伝達される。

ボール部１８は連結パイプ１２の折返部に形成された連結パイプ１２の２つの端末開口ａ、ｂをキャップ１９と一体形成されたシリコンゴム製の弾性膜２０を介して閉塞することができる。すなわち、弾性膜２０は端末開口ａ、ｂから離反する方向に弾性変形する特性を有し、ボール部１８でこの弾性膜２０を押した場合のみ端末開口ａ、ｂを閉塞して、連結パイプ１２（主流路）を遮断することができる。フロート部１７が容器１内において設定された電解液２の正規なレベル位置にある時に連結パイプ１２を遮断し、正規のレベル位置より低い時に連結パイプ１２を開通させる。したがって、レベル位置に応じて電源がない状態でも主流路の遮断と開通を制御することができる。

正規のレベル位置は容器１内に設置される空気正極２１の下面の位置により規定される。空気正極２１は金属負極２２と一緒に樹脂製のホルダ２３に保持される。空気正極２１はホルダ２３の上部に固定され、金属負極２２はホルダ２３の底面に溶着された樹脂製の網体２４の上に載置されている。

金属負極２２はマグネシウム合金で、マグネシウム金属にアルミニウムやカルシウム等の成分が合金化されている。金属負極２２には斜め角度を有するスリット状の開口２５が複数形成されている。

空気正極２１と金属負極２２を保持したホルダ２３は、容器１の上部に図示せぬ支持手段により設置される。そして設置された空気正極２１の下面の位置がフロート部１７により規定される正規のレベル位置となる。

次に非常時における使用状態を説明する。まず手動開閉バルブ１４を手動により開く。すると連結パイプ１２が開通状態となり、柔軟バッグ１１内の電解液２が容器１内に注入される。電解液２の注入は重力により行われるもので、電動ポンプ等は不要である。電解液２の注入に伴って、柔軟バッグ１１は徐々にしぼんだ状態となる。

容器１内に注入された電解液２は最初は容器１から排出筒３を介して密閉室４内に流入する。密閉室４内に電解液２が流入することにより、密閉室４内の空気が圧迫され排気パイプ６より押し出される。排気パイプ６の下端は合成油９内に位置するため、排気の際に一定の抵抗を受ける。そのため容器１内に電解液２が溜まり始める。

そして容器１内で上昇する電解液２の表面が金属負極２２を越して正規のレベル位置まで達した際に、電解液２が空気正極２１の下面に接して発電が始まる。

正規のレベル位置よりも電解液２の表面が上昇しようとすると、フロート部１７が押し上げられ、ボール部１８が弾性膜２０を押して連結パイプ１２の２つの端末開口ａ、ｂを閉塞するため、電解液２の流入がストップする。

電解液２の流入をストップしても、容器１内の電解液２は自重により密閉室４側へ落下し、密閉室４の空気を合成油９の一定の抵抗を受けながら排出するため、電解液２は一定量ずつ密閉室４の残りのスペースへ満たされていく。

電解液２が一定量ずつ容器１から密閉室４側へ排出されることで、電解液２の表面のレベルは下がろうとするとが、そうすると今度はフロート部１７が下がって、連結パイプ１２の２つの端末開口ａ、ｂが開放され、電解液２の流入が始まる。

以上のようなバランスにより、柔軟バッグ１１内の電解液２は一定量ずつ容器１内へ注入されると同時に容器１内の表面は正規レベルに維持される。

空気正極２１は電解液２の表面と接しているだけなので、大きな水圧が加わることがなく電解液２が空気正極２１の内部に漏れ出すおそれがない。

空気正極２１の上面は空気に接しており、上面から酸素を取り込むことができる。従って電解液２中の金属負極２２の表面からはマグネシウムイオンが溶出して電子を電解液２中に放出し、その電子を空気正極２１から取り込んだ酸素で受け取ることができるため起電力が発生する。

電解液２のｐＨは７〜１１に調整され、７以上のアルカリであることにより金属負極２２から水素が発生しづらく、１１以下であることにより金属負極２２の表面に不動態被膜が発生しづらい。またカルシウムの合金化によっても金属負極２２の表面に不動態被膜が形成されるのを抑制することができる。

溶出したマグネシウムイオンは不溶性溶解物（水酸化マグネシウム）となって密閉室４の底部に沈殿する。金属負極２２の上面側からも不溶性溶解物が発生するが、その不溶性溶解物はスリット状の開口２５を通って落下する。このように金属負極２２を水平に設置したとしても、不溶性溶解物が金属負極２２の上部に堆積することはない。そのため不溶性溶解物を金属負極２２から排除することができ、金属負極２２の機能を維持することができると共に、最終的に不溶性溶解物の回収が容易となる。

柔軟バッグ１１内の電解液２は容器１を一回満たした後に、前述のように一定量ずつ容器１内の使用済みの電解液２と入れ替わるため、容器１内における電解液２の劣化が抑制され、長時間の発電が可能となる。

以上説明したように、この実施形態によれば、電解液２を柔軟バッグ１１に充填して容器１より上方に支持したため、非常時に手動開閉バルブ１４を開くと、柔軟バッグ１１内の電解液２は重力により連結パイプ１２を通過して確実に容器１内に供給される。電解液２は柔軟バッグ１１内に充填されているため長年保管しても蒸発したり変質したりすることがない。柔軟バッグ１１が連結パイプ１２で容器１と接続されているため電解液２は常に容器の近くにある。電解液２は重力により連結パイプ１２内を流れ、手動開閉バルブ１４の操作も手動のため、電源を必要とせず電源が確保されてない非常時においても、確実に利用することができる。

尚、本実施形態においては、金属負極２２や空気正極２１を水平に設置する構造を例にしたが、柔軟バッグ１１を用いて重力により電解液２を容器内に供給することは、金属負極を容器内に垂直配置し、空気正極を容器の側面に垂直状態で組み込んだ既存の金属空気電池にも適用できる。

１ 容器
２ 電解液
４ 密閉室
１０ 定量排出手段
１１ 柔軟バッグ
１２ 連結パイプ
１４ 手動開閉バルブ
１５ 表面レベル維持手段
２１ 空気正極
２２ 金属負極
２３ ホルダ
２５ 開口

Claims (4)

1. 金属負極と空気正極とを電解液を保持した容器に組み合わせ、金属負極と空気正極との間に電解液を存在させて起電力を得る非常用金属空気電池構造であって、
   前記容器の上方に電解液を充填した柔軟バッグを支持し、柔軟バッグと容器とを手動開閉バルブを有する連結パイプにて接続し、手動開閉バルブの開成時に柔軟バッグ内の電解液を容器内に供給可能としたことを特徴とする非常用金属空気電池構造。
2. 金属負極を下に空気正極を上にした状態で両極をそれぞれ水平状態で絶縁性を有するホルダに固定し、該ホルダを使用時に金属負極は電解液中に浸漬し且つ空気正極は下面のみ電解液に接する状態で容器に組み合わせたことを特徴とする非常用金属空気電池構造。
3. 使用時に容器内の電解液を一定量ずつ排出する定量排出手段と、容器内の電解液の表面レベルを非常時に一定高さに保つ表面レベル維持手段とを設けたことを特徴とする請求項２記載の非常用金属空気電池構造。
4. 金属負極に不溶性溶解物を落下させる開口が形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の非常用金属空気電池構造。

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