JP2017152319A - 上下にタンクを設けたタンク一体型金属空気電池 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の注液型金属空気電池に比べて、放電生成物による放電阻害及び符号４の電解液の減少による放電性能低下を抑制し、電池寿命及び符号３の金属極（−極）の電力変換効率を向上させた金属空気電池を提供することを目的とする。【解決手段】符号１の筐体に符号２の空気極（＋極）を備え、内部に対向して符号３の金属極（−極）が設置され、符号４の電解液を注入して使用する金属空気電池において、前記符号１の筐体の上部もしくは下部、又は上下部両方に符号４の電解液と放電により発生する生成物を蓄積する符号１の筐体と一体型のタンクを備える金属空気電池。【選択図】なし

Description

本発明は符号２の空気極（＋極）と符号３の金属極（−極）を有し電解質に液体を使用する金属空気電池に関するものである。

金属空気電池はその高いエネルギー密度及び符号４の電解液と電極を別々に保管することで長期保存が可能になることから非常用電源として注目されている。

現在使用されている代表的な金属空気電池として亜鉛空気電池がある。亜鉛（−極）、符号２の空気極（＋極）が動作する電解質として塩水を使用した場合、理想的には以下のような反応が生じ動作していると考えられている。（非特許文献１）
またアルミニウム金属電池では上記化２が以下のような反応になると考えられる。
この他の金属も同様に反応し水素電解液を使用した金属空気電池全体では、符号３の金属極（−極）が消費され金属イオンへ変化、符号４の電解液中の水分が空気中の酸素と反応し水酸化物イオンとなり、金属イオンと水酸化物イオンの反応により、金属水酸化物もしくは酸化物が電池内に生成される。

非水系電解質を用いた場合は符号２の空気極（＋極）では水酸化物イオンではなく酸化物イオンを作り、金属酸化物を生成する。

したがって水系非水系問わず、符号３の金属極（−極）が大きく長時間放電した場合、電解液の溶解能力を超えた酸化物及び析出物が生じ、符号１の筐体の変形や、電解液の内部抵抗の増加を引き起こし発電が停止する。
加えて符号２の空気極（＋極）は空気中の酸素を取り入れ電解液側に移動させる機能を持った多孔体が使用されるため、電解液中から液体が吸い上げられ符号４の電解液の減少が生じる場合がある。

さらに放電の際は金属空気電池内の化学反応及び内部抵抗による温度上昇があるため、符号４の電解液の蒸発が加速される。

また水系金属空気電池においては化１に示すように放電過程で水自体が消費される。

電解液の液面低下は符号２の空気極（＋極）及び符号３の金属極（−極）に接した電池反応可能面積を狭めるため電池の性能低下を引き起こす。

上記の理由により金属空気電池内部の電解液の品質と液量管理は電池の出力及び寿命性能に大きな影響を与える。
単純に水系金属空気電池の電池容量を増やそうとした場合、符号３の金属極（−極）の金属量及び電解液の量を増やす必要がある。しかし符号２の空気極（＋極）と符号３の金属極（−極）の電極間距離が広がると電池の内部抵抗が飛躍的に増大し出力及び変換効率に悪影響を与えるため、金属空気電池の大出力、長寿命の両立は困難であった。

この問題を解決するため、電解液や符号３の金属極（−極）をバッチ式に交換していく方法や電解液の循環機構を持った金属空気電池は以前から知られている。（特許文献１）

特開平６−１７６７７６

電池ハンドブック、株式会社オーム社、平成２２年、ｐ２０２

電解液の交換や複雑な機構を持たせた金属空気電池は信頼性、保守性の面で大きな問題を抱えている。

本発明はこのような従来の問題を解決しようとするものであり、非常に単純な構造で、なおかつ稼働中の手間を一切かけることなく、金属空気電池の電解質の品質を長時間安定させ大出力、長寿命を両立させるものである。

本発明は上記の目的を達成するため、符号２の空気極（＋極）の設置された符号１の筐体に符号３の金属極（−極）が対面するように挿入された単純な構造の金属空気電池に対し、符号１の筐体の内部空間と連続した形で符号ａの上部タンク、符号ｃの下部タンクを備えるものである。符号２の空気極（＋極）は符号３の金属極（−極）に対し片面のみ、または両面いずれでもよい。

上記の解決手段による作用は次のとおりである。すなわち符号ｃの下部タンクは析出してくる金属化合物が沈殿して入れ替わるように電解液を金属空気電池部分に供給する機能を有する。符号ａの上部タンクは電解液の消費及び蒸発等の液面の低下減少、または酸化物及び析出物による電解液体積の増大を受け止めることで金属空気電池部分の液面低下を生じさせず、符号１の筐体の変形を防ぐ機能を有する。

上述したようにタンク設置により無動力で金属空気電池内部の電解質の状態を保ち、大出力、長寿命の金属空気電池を提供できる。

金属空気電池の一例を示す符号２の空気極（＋極）片面タイプ 符号２の空気極（＋極）一例を示す符号の２空気極（＋極）両面タイプ 金属空気電池の符号の２の空気極（＋極）片面タイプの一例を示す断面図、符号ａの上部タンク符号ｃの下部タンクなし符号４の電解液の量は２リットル。 金属空気電池の符号の２の空気極（＋極）両面タイプの一例を示す断面図符号ａの上部タンク符号ｃの下部タンクなし（実施例１） 図３の符号２の空気極（＋極）の片面タイプの一例を示す断面図で符号ａの上部タンクは電解液の量は０．６リットル。符号ｃの下部タンクは電解液の量は１リットルのタンクがそれぞれ付属している符号４の電解液の量は３．６リットル。 図４の符号２の空気極（＋極）の両面タイプの一例を示す断面図で符号ａの上部タンク電解液の量は０．６リットル、符号ｃの下部タンク電解液の量は３．６リットル付き（実施例２） 金属空気電池の符号２の空気極（＋極）の片面タイプの一例を示す断面図で符号ａの上部タンク電解液の量は０．６リットル、符号ｃの下部タンク電解液の量は１．４リットル付き符号４の電解液の量は４リットル 金属空気電池の符号２の空気極（＋極）の両面タイプの一例を示す断面図で符号ａの上部タンク電解液の量は０．６リットル、符号ｃの下部タンク電解液の量は１．４リットル付き（実施例３） 実施例１の放電電圧変化 実施例２の放電電圧変化 実施例３の放電電圧変化

以下、本発明の実施の形態を図１、図２に基づいて説明する。
図においては、符号１は筐体であり、符号４の電解液及び符号３の金属極（−極）の電池反応部を外気から遮断する機能及び符号２の空気極（＋極）を保持する役目を持つ。符号３の金属極（−極）は電解液内部に符号２の空気極（＋極）と対面する形で設置される必要がある。また符号３の金属極（−極）は電解質外部に突き出た上部を符号１の筐体の表面に露出させている。この基本構造を守る限り空気電池の形状は図１の形にとらわれない。符号１の筐体は上記符号２の空気極（＋極）、符号３の金属極（−極）が対面し符号４の電解液が満たされている符号ｂの発電槽と、内部で接続されている符号ａの上部タンク、符号ｃの下部タンクで構成されている。符号ｃは下部タンクであるため当然符号４の電解液で満たされているが、符号ａの上部タンクは符号４の電解液が金属空気電池の放電による体積変動を吸収するため十分な空間が用意されなければならない。
副反応による気体発生からの内圧上昇を回避するため外気に向けて通気する部分がなくてはならない。
電解液は導電性を持ちイオン透過性があれば塩水に限らない。

以下に実施例を示す。

図１に示す試験電池を組み立てた。
試験電池の構成
空気極（＋極） カーボンブラック＋電解マンガン＋ＰＴＦＥ＋金属メッシュ
金属極（−極） マグネシウム合金
電解液 １０ｗｔ％食塩水
符号２の空気極（＋極）はカーボンブラックと電解マンガンを粉砕混合したものにＰＴＦＥ及び有機溶媒を混合し、シート状に加工したものを金属メッシュに圧着したものである。
符号３の金属極（−極）は市販のマグネシウム合金を加工して使用した。
図４、図６、図８は図１、図２の実施例の模式図である。図４は表１の実施例１であり符号４の電解液の量は２リットル、符号ｂの発電槽のみで構成された金属空気電池である。実施例２で図６は図４の符号ｂの発電槽に、容量１リットルの符号ｃの下部タンクと符号ａの上部タンクが取り付けられ、３．６リットルの符号４の電解液が入っている。
実施例３で図８は図４の符号ｂの発電槽に、容量１．４リットルの符号ｃの下部タンクと符号ａの上部タンクが取り付けられ、４．０リットルの符号４の電解液が入っている。
符号３の金属極（−極）の重量は１２００ｇ、符号２の空気極（＋極）に対する電池として有効な面積は約１５００ｃｍ２として、負荷電流を電子負荷装置 菊水電子工業株式会社 ＰＬＺ１６４Ｗ型にて１０Ａを放電させ、電池出力が０．８Ｖを下回った時点で終了とした結果を条件とともに表１に示した。
表１の結果から本発明のタンク一体型金属空気電池は、タンク無しと比べタンク容量が大きいほど持続時間が伸びていることがわかる。
図９、図１０、図１１はそれぞれ符号ａの上部タンク、符号ｃの下部タンク部の大きさによる放電電圧の経時変化を表している、横軸に放電時間、縦軸に電池電圧変化をプロットしたものである。

符号４の電解液を投入しなければ発電も劣化しないのでメンテナンスフリーの災害用電池や孤島などの電力供給源が可能となる。

１ 筐体
２ 空気極（＋極）
３ 金属極（−極）
４ 電解液
５ 電解液の液面
ａ 上部タンク
ｂ 発電槽
ｃ 下部タンク

Claims (3)

1. 注液型金属空気電池において、発電反応及び副反応の結果発生する酸化物及び析出物を、発電反応が生じて符号２の空気極（＋極）と符号３の金属極（−極）の間を落下させ、電極間の符号４の電解液の品質を安定させ電池出力の変動を抑制する、金属空気電池、符号ｃの下部タンクを備えるタンク一体型金属空気電池。
2. 注液型金属空気電池において符号５の電解液の液面が電池反応による低下、酸化物及び析出物と符号４の電解液の反応による上昇及び低下、また蒸発による低下を引き起こし、電池反応部の実効面積低下による出力減少と符号４の電解液と酸化物及び析出物の電池外部へ漏出が生じることを防ぐ金属空気電池上部に発電に伴う蒸発分のタンクを備えるタンク一体型金属空気電池。
3. 注液型金属空気電池において上記の金属空気電池と一体化した符号ａの上部タンク、符号ｃの下部タンクに酸化物蓄積用タンクを備えることで大出力、長寿命を両立した金属空気電池。