JP2017097977A - 電極カートリッジ及び金属空気電池、微生物燃料電池並びにアルカリ水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気層に液体が溜まることを抑制することができるようにすること。【解決手段】正極カートリッジ（１０）は、電解液に浸漬された状態で電流を流すために用いられる。電極カートリッジは、内部に空気層（３５）を形成するセンターフレーム（２２）と、センターフレームに保持されて空気層と電解液とを隔て、且つ、空気層の酸素と水とを用いて水酸化物イオンを生成する隔離部材（２５）と、空気層内に浸入した電解液を空気層の外部に排出する排出部（４１）とを備えている。排出部は、空気層と保持体の外部とを連通する第１通路（４３）及び第２通路（４４）と、センターフレームの外部で第２通路に接続されるシリコンチューブ（４５）と、シリコンチューブを介して空気層内の電解液を外部に吸い出す吸引ポンプ（４６）とを備えている。【選択図】図５

Description

本発明は、空気層の空気を活物質として電流を得ることができる電極カートリッジ及び金属空気電池、微生物燃料電池並びにアルカリ水生成装置に関する。

金属空気電池は、負極材にマグネシウムや、アルミニウム、亜鉛を利用し、正極材に空気（酸素）を利用しており、それらを電解液に浸したときの電極電位差によって電流を得るものである（特許文献１参照）。また、微生物燃料電池は、負極材に微生物を保持した導電材料（カーボンクロス等）、正極材に空気（酸素）を利用し、有機物を含んだ汚水などに浸したときの生物酸化反応によって電流を得るものである。

金属空気電池及び微生物燃料電池を用いて大きな電流を得る場合には、負極と正極を多数個交互に平行して配列する構造が採用される。このため、負極及び正極をカートリッジとして製作し、それらを容器内に貯留された電解液に浸漬させて利用するのが一般的である。

金属空気電池及び微生物燃料電池における正極カートリッジの構造は、活性炭に金属からなる集電体を接触させて電子を供給し、且つ、活性炭を空気と接触させて酸素を供給する必要がある。そこで、正極カートリッジでは、例えば、空気層を形成する空洞を内部に備えたセンターフレームの両面に銅パンチング板、活性炭を順に重ね、それらをサイドフレームで押さえて固定する構造が考えられる。この構造では、センターフレームに内外を通じる空気の通路を形成し、この通路にポンプ等で空気を送り込むことで、空気層を通じて活性炭に酸素が常に供給される。ここで、活性炭にあっては、バインダーで固めてシート状にした活性炭シートとして用いられることが多い。

特開２０１３−２１４５０４号公報

しかしながら、上記活性炭シートは疎水性を通常発揮しないものであり、正極カートリッジを浸漬させた電解液が活性炭の粒子の隙間から浸透して空気層へ漏出する、という問題がある。このため、正極カートリッジでは、空気層に溜まった電解液が占める領域分、活性炭シートでの空気層との接触面積が小さくなり、活性炭シートへの酸素の供給が妨げられて電流の発生量が減少する、という問題がある。また、センターフレームの下部に空気の通路を形成した場合には、空気層に溜まった電解液で通路が閉塞されてしまう。この結果、外部から空気層に供給した空気が十分に排出されなくなって空気層の圧力が高まり、活性炭シートが破損する、という問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、空気層に液体が溜まることを抑制することができる電極カートリッジ及び金属空気電池、微生物燃料電池並びにアルカリ水生成装置を提供することを目的とする。

本発明の電極カートリッジは、内部に空気層を形成する保持体と、当該保持体に保持されて前記空気層と電解液とを隔てると共に、前記空気層の酸素と水とを用いて水酸化物イオンを生成するための隔離部材と、前記空気層内に浸入した液体を前記空気層の外部に排出する排出部とを備え、前記排出部は、前記保持体に形成された通路を備え、当該通路は前記空気層と前記保持体の外部とを連通していること特徴とする。

この構成によれば、空気層内に電解液等の液体が浸入しても、その液体を排出部の通路を通じて外部に排出することができ、空気層に液体が溜まることを回避することができる。これにより、液体の存在によって空気層と隔離部材との接触面積が小さくなって電流の発生量が減少することを防ぐことができる。また、溜まった液体によって空気の通路が塞がれることを防止することができ、空気層が高圧となって隔離部材が損傷することを回避することができる。

本発明の金属空気電池は、上記電極カートリッジを含む正極と、活物質として金属を含む負極と、前記正極及び前記負極が接触又は浸漬される電解液とを備えていることを特徴とする。

本発明の微生物燃料電池は、上記電極カートリッジを含む正極と、微生物を保持した導電材料を含む負極と、前記正極及び前記負極が接触又は浸漬される電解液とを備えていることを特徴とする。

本発明のアルカリ水生成装置は、上記電極カートリッジを含む正極と、活物質として金属を含む負極とを備え、前記正極及び前記負極が接触又は浸漬されたアルカリ水の水酸化物イオンを前記正極で生成することを特徴とする。

本発明によれば、空気層内に浸入した電解液等の液体を排出部によって排出できるので、空気層に液体が溜まることを抑制することができる。

実施の形態に係る金属空気電池を示す概略構成図である。 正極カートリッジの概略正面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 図４のＣ−Ｃ線断面図である。 変形例に係る正極カートリッジの図５と同様の断面図である。 他の変形例に係る正極カートリッジの図５と同様の断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。

図１は、実施の形態に係る金属空気電池を示す概略構成図である。図１に示すように、金属空気電池１は、複数の正極カートリッジ（電極カートリッジ）１０と、複数の負極カートリッジ１１とを備え、正極及び負極をカートリッジ構造として構成されている。正極カートリッジ１０と負極カートリッジ１１とは交互に平行して配置され、隣接するカートリッジ１０、１１の間には、それらを所定間隔に維持するためのスペーサ１２が設けられている。また、正極カートリッジ１０及び負極カートリッジ１１は、図中二点鎖線で示した有底角型の容器１５内に配置され、容器１５の内部には電解液（不図示）が貯留されている。従って、各カートリッジ１０、１１は、電解液に浸漬されている。電解液は、特に限定されるものでなく、電気伝導性を有する水溶液、例えばナトリウム、カリウム等の陽イオンを含む水溶液、食塩水又は海水を原料として使用することができる。

正極カートリッジ１０は、電極活物質として空気（酸素）を用いるものであり、その構造については後述する。負極カートリッジ１１は、電極活物質として卑金属等の金属を用い、好ましくは、マグネシウムや、アルミニウム、亜鉛等を用いる。金属空気電池１では、各カートリッジ１０、１１を電解液に浸たすことで、下記の化学反応と電極電位差によって電流を得ることができる。なお、下記の化学反応では負極カートリッジ１１の電極活物質にマグネシウムを用いたものとする。

負極：Ｍｇ → Ｍｇ^２＋＋２ｅ⁻
正極：（１／２）Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻
全体：Ｍｇ＋Ｈ_２Ｏ＋（１／２）Ｏ_２ → Ｍｇ（ＯＨ）_２

正極カートリッジ１０及び負極カートリッジ１１は、それぞれ導線１６を介して外部負荷１７に接続され、得られた電流が外部負荷１７に流れて電力供給を行えるようになっている。

続いて、正極カートリッジ１０の構造について図２から図５を参照して説明する。図２は、正極カートリッジの概略正面図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図、図４は、図２のＢ−Ｂ線断面図、図５は、図４のＣ−Ｃ線断面図である。

正極カートリッジ１０は、図３及び図４に示すように、２体のサイドフレーム２１と、これらサイドフレーム２１間に配置された保持体としてのセンターフレーム２２とを備えている。サイドフレーム２１及びセンターフレーム２２は絶縁体とされ、例えばアクリル等が用いられる。また、正極カートリッジ１０は、センターフレーム２２の両面に順に重ねて設けられた集電体２４及び隔離部材２５を備え、各隔離部材２５の外側にサイドフレーム２１が設けられる。従って、集電体２４及び隔離部材２５は、センターフレーム２２とサイドフレーム２１とによって挟み込まれて保持される。

サイドフレーム２１は、図２に示すように、方形状に形成される外枠部２７と、外枠部２７の内部を左右方向に仕切る複数（本実施の形態では３体）の仕切部２８とを備え、内部に複数の開口部２９を形成している。正極カートリッジ１０を電解液に浸漬したときに、電解液が開口部２９を通じて隔離部材２５に接触される。

センターフレーム２２は、図５に示すように、サイドフレーム２１（図２参照）と同様の外観形状となり、外枠部３１及び仕切部３２を備えて、内部に複数の開口部３３を形成している。開口部３３は、図３及び図４に示すように、センターフレーム２２の両面側から集電体２４及び隔離部材２５によって閉塞された状態となる。従って、開口部３３の内部には空気層３５が形成される。

図５に戻り、センターフレーム２２の一方の上部コーナー部（図５中左上側）には、空気供給路３７が形成されている。そして、図５中左から１番目及び３番目の仕切部３２の下部と、２番目の仕切部３２の上部とには、空気流路３８が形成され、かかる空気流路３８によって、それらを挟む空気層３５が連通した状態となる。また、センターフレーム２２の他方の上部コーナー部（図５中右上側）には、空気排出路３９が形成されている。従って、空気供給路３７、各空気流路３８及び空気排出路３９は、上下に互い違いに位置するように形成されている。これにより、空気供給路３７に空気を送出するポンプ（不図示）を接続し、空気排出路３９に空気を吸引するポンプ（不図示）を接続することで、一点鎖線で図示するように空気がジグザグ方向に流れ、全ての空気層３５に万遍なく空気が流れるようになる。

ここで、本実施の形態の正極カートリッジ１０においては、空気層３５内に浸入した液体を空気層３５の外部に排出する排出部４１を備えている。排出部４１は、図５中左右方向で中央の仕切部３２に形成された第１通路４３と、外枠部３１の下部領域に形成された第２通路４４とを備えている。第１通路４３は、空気流路３８より相当小さい断面寸法に設定され、空気が流れにくくなっている。第１通路４３は、上記中央の仕切部３２の下端部に形成されて当該仕切部３２を挟む空気層３５それぞれに連通している。また、空気層３５の下部における開口部３３の形成面が底部３３ａとされ、第１通路４３の下端は、隣接する底部３３ａと同一高さ又は低くなるように形成されている。

第２通路４４は、第１通路４３の延出方向中間部における下端に連通しており、この連通位置が上流端とされる。第２通路４４は、上流端より下方に延びてから屈曲し、横方向に延出して外枠部３１の側端を下流端としてセンターフレーム２２の外部に開口している。従って、センターフレーム２２の外部と空気層３５とが第１通路４３及び第２通路４４によって連通し、底部３３ａに溜まった液体が第１通路４３から第２通路４４を流れて空気層３５の外部に排出し得るようになる。

また、排出部４１は、第２通路４４の下流端に接続されたシリコンチューブ（管状部材）４５と、シリコンチューブ４５の経路に設けられる吸引ポンプ（吸引部）４６とを備えている。吸引ポンプ４６は、各通路４３、４４及びシリコンチューブ４５を介して空気層３５内の液体をセンターフレーム２２の外部に吸い出し可能に設けられる。

ここで、各開口部３３の底部３３ａは、第１通路４３に向かうに従って下方に傾斜する方向に向けられている。これにより、第１通路４３の左右に隣接する底部３３ａに溜まった液体は、第１通路４３内に自然流下するようになる。また、図５の最も左側及び右側の開口部３３の底部３３ａは、隣接するする空気流路３８に向かっても下方に傾斜している。従って、それら底部３３ａに溜まった液体は、空気流路３８と隣の開口部３３の底部３３ａとを通過するよう流れてから第１通路４３に向かって自然流下する。よって、上記のように傾斜した各底部３３ａも排出部４１の一部として構成することができる。

図２及び図５に示すように、サイドフレーム２１における各開口部２９の形状と、センターフレーム２２における各開口部３３の形状とは同一に形成される。これにより、各フレーム２１、２２の製作に用いる部材の共通化を図ることができ、各フレーム２１、２２による集電体２４及び隔離部材２５の挟み込みの確実化を図ることができる。また、図３に示すように、センターフレーム２２の下部とサイドフレーム２１の下部との間には溝が形成され、かかる溝に集電体２４及び隔離部材２５の各下端側がはめ込まれて固定される。更に、図４に示すように、センターフレーム２２の左右両側部とサイドフレーム２１の左右両側部との間にも溝が形成され、かかる溝に集電体２４及び隔離部材２５の各左右両端側がはめ込まれて固定される。

集電体２４は、パンチング加工された支持体、多孔質支持体、網目状支持体、繊維、不織布等の構造を備え、集電体２４として用いられる材質であれば特に限定されずに適用することができる。具体的には、銅パンチング板とすることが好ましい。集電体２４の上部にはタブ状の突部２４ａが形成され、この突部２４ａに導線１６（図１参照）が接続される。

隔離部材２５は、シート状に形成され、正極カートリッジ１０を電解液に浸漬したときに電解液に接触しつつ電解液と空気層３５とを隔てるように設けられる。隔離部材２５は、集電体２４によって定形性が維持され、集電体２４の全面に形成される孔を通じて空気層３５内の空気に接触する。隔離部材２５は、導電性の多孔性担体と多孔性担体に担持された触媒とから構成され、面接触する集電体２４から電子が供給されると共に触媒と協動し、空気層３５の酸素と水とを用いて水酸化物イオンを生成する。多孔性担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。具体的には、隔離部材２５としては、ポリテトラフルオロエチレンなどのバインダーで活性炭を固めてシート状にした活性炭シートが例示できる。

以上の構成において、正極カートリッジ１０及び負極カートリッジ１１（図１参照）を電解液に浸漬し、図５に示すように各空気層３５に空気を供給すると、上述した化学反応によって電流が発生し電解液には水酸化物イオンが生成される。ここで、隔離部材２５となる活性炭シートは疎水性をもたず、活性炭の粒子の隙間から僅かながら電解液が浸透し、意図していないものの空気層３５へ浸入する場合がある。この場合、空気層３５に浸入した電解液は、各開口部３３の底部３３ａに流れ落ち、底部３３ａの傾斜によって第１通路４３に向かって自然流下する。第１通路４３に流れ込んだ電解液は、吸引ポンプ４６の吸引力を受けて空気層３５から吸い出され、第２通路４４及びシリコンチューブ４５を通じてセンターフレーム２２の外部に排出される。

このような実施の形態によれば、空気層３５に電解液が漏出しても正極カートリッジ１０の外部へ排出できるので、空気層３５に電解液が溜まることを抑制することができる。これにより、溜まった電解液分、空気層３５と隔離部材２５との接触面積が縮小されることを回避でき、隔離部材２５への酸素の供給が妨げられて電流の発生量が減少することを防止することができる。また、空気層３５に電解液が溜まって空気通路３８を塞ぐこともなくなり、各空気層３５での空気の流通を正常に保つことができる。これにより、空気層３５に空気を供給するものの排出されずに圧力が高まることを防止でき、隔離部材２５に意図しない応力が生じたり損傷が発生したりすることを防ぐことができる。

また、センターフレーム２２における開口部３３の底部３３ａを上述のように傾斜させたので、複数の開口部３３に漏出した電解液を第１通路４３に集めて効率良く排出することができる。

更に、シリコンチューブ４５を介して吸引ポンプ４６で漏出した電解液を排出するので、正極カートリッジ１０を電解液に浸した状態において空気層３５内に浸入した電解液を外部に確実に排出することができる。

［実施例］
実施例として、上記実施の形態に係る正極カートリッジ１０のサイズを、幅４２０ｍｍ、高さ６３０ｍｍ、厚さ２０ｍｍとし、各通路４３、４４の内径φ４．２ｍｍとしたものを作製した。空気層３５に１０Ｌ／ｍｉｎでエアフローし、吸引ポンプ４６では１０ｍＬ／ｍｉｎで常に定量移送を行った。電解液が空気層３５に漏れていないときは、吸引ポンプ４６は空気層３５内の空気を１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で正極カートリッジ１０の外部へ排出するが、これは、上記エアフローに対して僅かな流量なので無視できる量である。電解液が隔離部材２５等を通して空気層３５に漏れているとき、漏れ量は３〜４ｍＬ／ｍｉｎとなり、漏れた電解液が空気層３５の下部（開口部３３の底部３３ａ）に溜まると、各通路４３、４４及びシリコンチューブ４５を通じて吸引ポンプ４６により全量が正極カートリッジ１０の外部へ排出された。

本発明は上記実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態で説明した数値、寸法、材質、方向については特に制限はない。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

例えば、センターフレーム２２の構成は、図６及び図７に示す構成に代替することができる。図６は、変形例に係る正極カートリッジの図５と同様の断面図である。図６のセンターフレーム２２では、各開口部３３の底部３３ａが略同一面となる傾斜面に沿って形成され、かかる傾斜面は図６中右下方向に傾斜している。また、第２通路４４の上流端は、第１通路４３に連通せずに図６で最も右側の開口部３３における右下コーナー部に連通している。従って、各開口部３３の底部３３ａに流れ落ちた電解液は、空気流路３８や第１通路４３を通過して右下方向に流れ落ち、第２通路４４を通じて空気層３５の外部に排出される。本変形例では、第２通路４４の長さを短くでき、加工の負担軽減を図ることができる。

図７は、他の変形例に係る正極カートリッジの図５と同様の断面図である。図７のセンターフレーム２２では、各開口部３３の底部３３ａにおける図中右端側から副通路５１が下方向に延出している。そして、各副通路５１の下端に連通する主通路５２が形成され、主通路５２は外枠部３１の側端を下流端としてセンターフレーム２２の外部でシリコンチューブ４５に接続されている。また、各開口部３３は同一形状に形成され、それらの底部３３ａは副通路５１側つまり右側に向かうに従って下方に傾斜している。従って、各開口部３３の底部３３ａに流れ落ちた電解液は、副通路５１に流れ込んでから主通路５２を通じて空気層３５の外部に排出される。本変形例では、開口部３３の底部３３ａに流れ落ちた電解液を他の開口部３３に流入させずに各通路５１、５２を介して排出することができる。

また、上記実施の形態では、正極カートリッジ１０を電解液に浸漬した場合を説明したが、電解液を含浸したセパレータに隔離部材２５が接触する構成としてもよい。

また、センターフレーム２２とした保持体の形状は、仕切部３２の形成数を増減したり形成位置や向きを変更したりする等、空気層３５を形成し得る限りにおいて種々の変更が可能である。

また、各通路４３、４４、５１、５２は、空気層３５とセンターフレーム２２の外部とを連通するために形成される限りにおいて、形成位置等を変更してもよい。例えば、センターフレーム２２の外部に開口する下流端をセンターフレーム２２の下面としてもよい。

また、排出部４１は、電解液以外の液体が空気層３５に意図せず浸入した場合も、その液体をセンターフレーム２２の外部に排出することができる。

また、上記実施の形態の負極の構成及び電解液を変更し、微生物燃料電池として利用してもよい。微生物燃料電池では、負極が微生物を保持したカーボンクロス等の導電材料を含んで構成される。微生物燃料電池は、電解液として有機物を含んだ汚水などに正極及び負極を浸漬することで、下記の生物酸化反応によって電流を得る。
負極：微生物＋有機物 → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋ｎＣＯ_２
正極：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ
全体：微生物＋有機物＋Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ＋ｎＣＯ_２

また、上記実施の形態の金属空気電池１の構造をアルカリ水生成装置として利用することができる。この場合、正極カートリッジ１０において水酸化物イオンが生成されるため、電解液は水酸化物イオンを含むアルカリ水となり、このアルカリ水を容器１５から取り出すことで生成したアルカリ水を外部に供給することができる。このアルカリ水生成装置には、外部に供給するアルカリ水に応じて、容器内に所定のｐＨとなる液体が導入される。

本発明は、空気層の空気（酸素）を活物質として用いる電極カートリッジに利用でき、例えば、各種の電池構造や、アルカリ度を調整したアルカリ水の生成装置に利用することができる。

１ 金属空気電池
１０ 正極カートリッジ（電極カートリッジ、正極）
１１ 負極カートリッジ（負極）
２２ センターフレーム（保持体）
２５ 隔離部材
３３ａ 底部
４１ 排出部
４３ 第１通路（通路）
４４ 第２通路（通路）
４５ シリコンチューブ（管状部材）
４６ 吸引ポンプ（吸引部）
５１ 副通路（通路）
５２ 主通路（通路）

Claims (6)

1. 内部に空気層を形成する保持体と、当該保持体に保持されて前記空気層と電解液とを隔てると共に、前記空気層の酸素と水とを用いて水酸化物イオンを生成するための隔離部材と、前記空気層内に浸入した液体を前記空気層の外部に排出する排出部とを備え、
   前記排出部は、前記保持体に形成された通路を備え、当該通路は前記空気層と前記保持体の外部とを連通していること特徴とする電極カートリッジ。
2. 前記保持体は、前記空気層の下部に底部を備え、当該底部は前記通路に向かうに従って下方に傾斜していること特徴とする請求項１に記載の電極カートリッジ。
3. 前記排出部は、前記保持体の外部で前記通路に接続される管状部材と、当該管状部材を介して前記空気層内の液体を前記保持体の外部に吸い出す吸引部とを更に備えていること特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極カートリッジ。
4. 前記請求項１ないし請求項３の何れかに記載の電極カートリッジを含む正極と、活物質として金属を含む負極と、前記正極及び前記負極が接触又は浸漬される電解液とを備えていることを特徴とする金属空気電池。
5. 前記請求項１ないし請求項３の何れかに記載の電極カートリッジを含む正極と、微生物を保持した導電材料を含む負極と、前記正極及び前記負極が接触又は浸漬される電解液とを備えていることを特徴とする微生物燃料電池。
6. 前記請求項１ないし請求項３の何れかに記載の電極カートリッジを含む正極と、活物質として金属を含む負極とを備え、前記正極及び前記負極が接触又は浸漬されたアルカリ水の水酸化物イオンを前記正極で生成することを特徴とするアルカリ水生成装置。

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