JP2017033880A - 循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、マグネシウム空気電池を用いた非常用電源となる発電機の提供を課題としており、特に消費電力の大きい機器を３日程度作動させることができる非常電源の提供を課題とするものである。【解決手段】少なくとも電化性を有するカーボンからなる正極板と、少なくともマグネシウムを主成分とする負極板とを有するセル内に塩水を入れると共に、このセルを複数乃至多数連結し、各セル間において塩水を循環させる循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機である。【選択図】 図４

Description

本発明は、マグネシウム空気電池を用いた発電機に関する。

マグネシウム空気電池は、正極活性物質として酸素と負極活性物質としてマグネシウムを用いて、電解液として食塩水を用いて発電を行うものであり、このマグネシウム空気電池は自然エネルギーを用いる電池であり電源として着目されている。

例えば特開２０１５-４６３１２号や２０１２-１５０１３号、特開２０１５-４６３６８号、特開２０１４-１９２１５７号が存在する。

特開２０１５-４６３１２号 ２０１２-１５０１３号 特開２０１５-４６３６８号 特開２０１４-１９２１５７号

マグネシウム空気電池は、負極の金属マグネシウムのイオン化反応と正極における水の酸化反応の化学的ポテンシャルの差を利用して電流を取り出す仕組みの電池である。
負極と正極それぞれの酸化還元反応の際に生じるマグネシウムイオンと水酸化物イオンが結合して電池内に大量の難溶性副産物が生成する。

電池内の難溶性反応生成物は電極での酸化還元反応の均一性を損なうと共に、マグネシウム消費効率の低下をもたらす。
１ボルト、５アンペアを超えない程度の小規模の電池で一日程度発電を行う場合は上記の課題は実用上の壁にはならないが、それを超える電圧、電流、時間を行おうとする場合、電池の大規模化に伴い、上記課題が実用上の大きな壁になる。
そのため、従来のマグネシウム空気電池の用途は限定的であった。

本発明は、例えば自動販売機のような消費全力の大きな危機を３日程度作動させることができる非常用電源としてマグネシウム空気電池を利用した発電機を実現するための構造を提供するものである。

係るために請求項１記載の発明は、少なくとも電化性を有するカーボンからなる正極板と、少なくともマグネシウムを主成分とする負極板とを有するセル内に塩水を入れると共に、このセルを複数乃至多数連結し、各セル間において塩水を循環させる循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機により前記課題を解決できる。

又、請求項２記載の発明はセルの正極板が負極板の両面に配する循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機であり、係る発明を用いてもよい。
或いは請求項３記載の発明は正極板がシート状の電化性を有するカーボンからなる正極板であって、空気透過性を有する循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機であり、係る発明でもよい。

又、請求項４記載の発明は、複数又は多数のセルの連結に際して、一のセルの隣に他のセルを配置し、それぞれのセル同士の正極板が向き合う状態に連結すると共に、該正極板は二酸化マンガンを含む電化性を有するカーボンである循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機を用いてもよい。

又、請求項５に係る発明は塩水の循環に際して循環塩水中に酸素を注入する循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機からなり、係る発明でもよい。

本件発明により、安定的に発電できる発電機の提供ができ、少なくとも１.２Ｖ、１０Ａの電流を３日程度得ることができるマグネシウム空気電池を用いた発電機を得られるものである。
従って例えば非常用電源として自動販売機を含む多種の機器に用いることのできる発電機を提供できることとなる。

本発明の循環式マグネシウム発電機の一例を示す図。 本発明の循環式マグネシウム発電機の一例を示す図であり、この発電機を上部より視認した状態の一例を示す図。 本発明の循環式マグネシウム発電機のセルの一例を示す図。 本発明の循環式マグネシウム発電機のセルを分解した状態の一例を示す図。 電流の負荷開始前後の電圧の変化を示す図。 電子負荷装置による負荷電流の変化と電圧出力との関係を時間軸で示した図。 電圧データロガーで記録した１０Ａ負荷時の電圧変化を示した図。

図１は、本発明のマグネシウム電池を用いた循環式マグネシウム発電機の一例を示す図であり、正極板５２を両側に配してその中央に負極板５１を配し、この負極板５１を中央に有する正極板５２間の間に塩水を注入しておき、セル５を構成する。
このセル５同士を連結して、タンク１から各セル５内に塩水をパイプを通してポンプ２によって循環させているものであり、コントロールボックス３にて制御して作動させるものである。
従って各セル５内に塩水が流入し、さらに、セル５内で塩水が循環することとなる。
それぞれのセル５は、負極材５１としてマグネシウム電極を有しており、例えばマグネシウムとアルミニウム、ケイ素、鉄、マンガンのＡＬ合金マグネシウムからなる負極板５１を用いる。
もとより、この構成は一例であり、主としてマグネシウムを負極材として用いるものであればよい。

この負極材に対して正極材である正極板５２は、カーボン、二酸化マンガン、フッ素、トルエン、触媒からなる正極板５２を用いる。
この場合特に微粒子化した電化性のあるカーボンを用いるものである。

微粒子化したカーボンをもって作成したシートは、海水を外に漏らさず、かつ、空気をセル内に取り込み、速やかに酸化還元反応がおこることを可能とするものである。
さらに、カーボンに二酸化マンガン、フッ素、触媒等からなる正極板５２を用いることによって撥水性と通気性と反応性を向上させることを可能とする。

触媒は、遷移元素を原則とする添加材である。
例えばバナジウム、金、銅、クロム、亜鉛、鉄、コバルト、ルテニウム、ニッケル、モリブデンが該当する。
従って少なくともこの中の一以上を触媒として用いるものである。
少なくとも、電化性のあるカーボンと触媒とを含み、二酸化マンガン、フッ素、トルエン等の必要に応じて有する正極板５２を用いるものであれば足りる。

更に、これらを用いて形成したセル５内には塩水が循環して発電を行うものである。 例えば計１２個のセル５を一つずつ連結し、これらのセル５を塩水循環用のパイプで連結して塩水を各セル５内に循環させるものである。
この様に一つの循環システムとして一ユニットを構成し、更にこのユニットを複数又は多数のユニットを連設して一つの発電機を形成するものである。

これ等の各セル５の電極はそれぞれ直列に連設して必要な容量の電流を供給するものである。
この場合例えばセル５下部にタンク１を有し、セル５上部から塩水をポンプ２で注入し、更に下部のタンク１から循環した塩水をタンク１内に戻して各セル５内を塩水が循環するシステムを用いるものであってもよい。

図２は、計１２個のセル５を連結してユニットを形成して、これを１１個おき、コントロールボックス３と繋いだ発電機の一例を示す図であり、この発電機を上部より視認した状態の一例を示す図である。
本図に示すように１１のユニットの各１２個のセル５を直列に連設して発電を行う発電機である。

係る構成をとることにより高アンペア出力を得られることとなり、長時間の発電を可能とするものである。 尚、各セル５同士は横方向に間隔をあけて設置されており、各セル５同士の間は空気層を有する。
この場合に隣り合うセル５同士はお互いに正極板５２のカーボンシートが向かい合う形となり、その間に空気層が介在すると共にカバー５３に多数有する孔によって、直接各々の正極板５２のカーボンシートが空気層に触れるものとなる。

例えばカーボン電極における反応は次の通りである。

左辺のＯ2の分圧を上げれば左から右への反応が進む。
電極面積を大きくして、この反応を促進させると酸素分圧が低下し、電極電位がカソーディックな方向に進んでしまうために、電圧が低下する。

本発明ではＯ２分圧の低下を防ぐために、カーボン電極である正極板５２は、二酸化マンガンを添加し、下記の化学反応、即ち過酸化水素イオンを水酸化イオンと分子酸素に変換させやすくなる。
従って正極板５２に二酸化マンガンを含む電化性を有するカーボンを用いることにより分子酸素の発生を促せる。

更に二酸化マンガンの触媒作用により過酸化水素イオンが水酸化イオンと分子酸素に変換させるように配合した正極板５２同士を前記のように空気層を介して両側に向かい合わせで配置することで、正極側空気層の酸素分圧の低下を抑え、電圧低下防止の効果を期せるものとなる。
以上のように少なくとも電化性を有するカーボンと触媒からなる正極板５２と、少なくともマグネシウムからなる負極板５１とを有するセル５内に塩水を入れ、このセル５を複数乃至多数連結し、各セル５間において塩水を循環させるものであってよい。

図３は、セル５の一例を示す図である。
ケース５０内にＡＬ合金マグネシウムからなる負極板５１と、この両面方向にカーボンシート状の正極板５２を有し、更にその両側にカバー５３を有する。
カバー５３には多数の孔を有している。

正極板５２は、ケース５０によって位置決めされて、セル５の両側に位置しており、カバーによってペフを介して挟まれている。
この様に正極板５２は、負極板５１の両側方向でそれぞれケース５０とカバー５３とによって定置されているものであり、カバー５３の孔によって外側方向は直接カーボンシートの正極板５２が露出した状態で設置されているものである。

従ってこのセル５の両側は、正極板５２のカーボンシートが外側の空気層と接するものとなる。
従ってセル５の正極板５２は、負極板５１の両面に配して設置されるもので、更に、負極板５１にはマイナスの負極集電板５１０を有しており、正極板５２にはプラスの正極集電板５２０を有している。

この様なセル５内を塩水が循環して、負極板５１と正極板５２のそれぞれに満遍なく塩水が接するものとなる。
このセル５内は塩水が注入されて、更に塩水をポンプ２等により循環させることでセル５内を電解液として塩水が循環し、この塩水と負極板５１とにより発電するものである。

尚、正極板５２がシート状の電化性を有するカーボンと触媒からなる正極板５２であって、空気透過性を有するものであると、多数のセルを連設した場合にセル同士はそれぞれカーボンシート状の正極板５２が向き合うものとなり、それぞれのカーボンシートが空気透過性を有することにより塩水内に酸素を吸入できることとなる。
従って酸素を付加できることにより大電流の発生と電圧低下の防止が図れるものとなる。

図４は、セル５の分解図を示す。
本図に示すようにセル５は、ＡＬ合金マグネシウムよりなる負極板５１とその両側方向に位置している電位性カーボンを主とする正極板５２を有しているものであり、正極板５２には正極集電板５２０を有している。

又負極板５１には負極集電板５１０を有しており、電解液中で発生した電流をここに通すものである。
このＡＬ合金マグネシウムの負極板５１は、ケース５０内に収納されており、ケースの両外側には電位性カーボンを主とする正極板５２が、ペフ５４を介してカバー５３により定置されている。
尚、カバー５３は螺子５３０によってきっちりと装着しているものである。

このカバー５３には本セル５の外側の空気層と接しており、このカバー５３の内側は電位性カーボンを主とする正極板５２のカーボンシートが設置されており、ケース５０とこの正極板５２によって区画されたセル５内を塩水が循環しているものである。
従って、更にこの様に構成したセル５内の塩水は各セル５同士を連設しているポンプ等によって循環させるものである。

この様な構成をとることによって１．２Ｖのまま１０Ａの電流を少なくとも７２時間得られるものとなる。
又セル５を多数直列に連設することにより容量を大きくすることができ、従来のように携帯電話等の充電用等の極めて限られた用途等に限ることなく他のより電流を必要する充電用に用いることができるものである。

特に少なくとも７２時間発電できるものであり、非常用の電源のみならず多様な用途に用いることのできる発電機に用いることができるものである。
尚、本発明の構成は、電位性カーボンを主とする正極板５２をセル５の両側に配するものであることから、容積あたりの正極面積を大きく取ることができるものである。

更に塩水を電解液として用いるものであるが、まずはこれを循環させることにより大電流の発生を促せるものであると共に、例えばこの循環塩水中に酸素を注入することにより効率的に反応させるものであってもよい。
酸素の塩水への注入は従前の各種構成をもって注入するものであればよい。

正極は、電化性を有するカーボンと二酸化マンガンとフッ素とトルエンと触媒からなる正極板５２を用いるものであって、正極板が溶液に接している有効面積として１２２８平方センチメートルを有する。
負極はマグネシウム電極で、マグネシウムとアルミニウム、ケイ素、鉄、マンガンのＡＬ合金マグネシウムからなる負極板５１を用いる。

この負極板５１は、厚さは６．５ミリメートルで溶液中の体積が約３９０立方センチメートルであり、溶液はＮａＣｌ水溶液１０ｗｔ％であり、又セル容積は、約１８８０立方センチメートルとなる。
更に推定塩水量約１４００ミリリットルであって、沈殿槽（タンク）は、底面５.５センチメートル×４４センチメートル、高さ１７センチメートルで、セル排出受け側から３４センチメートルの高さに高さ１４センチメートルの仕切りを有する。

更に測定装置として電子負荷装置として菊水製ＰＬＺ１６４Ｗを用い、電圧データロガーとして日本シンテック製ＮＳＬ-Ｖ１２を用いた。
まず、セル内に直接給水し、定電流負荷１０Ａを加え１０秒毎の電圧を記録し、寿命を観察した。
電解液である溶液は、４５分おきに３０分間循環させた。 その結果、次の電流の負荷開始前後の電圧の変化を観測し、その変化を図５に示す。

図５に示すように予めセル内に塩水を注入し、マグネシウム板である負極板５１を挿入したところ、安定的に２．０９Ｖの負荷電圧を測定し、０秒の１０Ａ負荷開始と共に正常の１.２Ｖ程度の値を示した。
次に図６に電子負荷装置による負荷電流と電圧出力との関係を時間軸で示す。

本図に示す通り、約７０時間を超えたあたりで電子負荷装置による１０Ａ負荷がかけられなくなった。
特に、７４．８時間で急激な電圧低下がみられた。 尚、７８時間でセル内部に沈殿物が蓄積し、詰まったため循環システムを停止している。
１０Ａ負荷は８４時間可能であった。

図７は、電圧データロガーで記録した１０Ａ負荷時の電圧変化を示した図である。
電圧負荷装置では接続線の抵抗による電圧低下が生じるためこちらの方がより正確な電圧を示すものと考えられる。

１ タンク
２ ポンプ
３ コントロールボックス
５ セル
５１ 負極板
５１０ 負極集電板
５２ 正極板
５２０ 正極集電板
５３ カバー
５３０ 螺子

Claims (5)

1. 少なくとも電化性を有するカーボンからなる正極板５２と、
   少なくともマグネシウムを主成分とする負極板５１とを有するセル５内に塩水を入れると共に、このセル５を複数乃至多数連結し、各セル５間において塩水を循環させることを特徴とする循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機。
2. セル５の正極板５２は、負極板５１の両面に配するものであることを特徴とする請求項１記載の循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機。
3. 正極板５２がシート状の電化性を有するカーボンからなる正極板５２であって、空気透過性を有するものであることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機。
4. 複数又は多数のセル５の連結に際して、一のセルの隣に他のセルを配置し、それぞれのセル同士の正極板が向き合う状態に連結すると共に、該正極板は二酸化マンガンを含む電化性を有するカーボンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機。
5. 塩水の循環に際して循環塩水中に酸素を注入するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の循環式マグネシウム空気電池を用いた発電機。

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