JP2018092789A - 金属空気電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の金属空気電池は発電不要時には電解液中に浸かった部分を抜き出して発電を停止し金属極（−）３の消耗を防ぐことができる手段を持った金属空気電池である。【解決手段】本発明の金属空気電池は、少なくとも１つの発電槽１と少なくとも1つの電極の昇降手段４を備え、電解液８をためる電解槽１とその中に入っている金属極（−）３があり、金属極（−）３は電解液８中に浸漬しており電池反応で発電をしている。しかしながら電解液８に浸漬している金属極（−）３は発電しなくても腐食して金属を消耗させている。金属極（−）３と電解液８を分離し発電の停止で金属極（−）３の無駄な消耗を防ぐ構造を持つことを特徴とする金属空気電池。【選択図】図１

Description

本発明は空気極（＋極）と金属極（−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および電解液と金属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。
金属極（−）に金属種Mを使用し、電解液の溶媒として水を使用した場合以下のような反応が生じ電池として動作する。

水を使用した金属空気電池全体では、金属極（−）が消費され金属イオンへ変化、電解液中の水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する。

また水中に浸漬された活性な金属は、金属表面で局部電池を構成し水素発生とともに腐食反応を生じることが知られている。
溶解した金属イオンは水分子、水酸化物イオン、溶存酸素等と反応し水酸化物、酸化物を生成する。金属種によってはこれらが金属極表面で被膜となり電池反応を阻害し性能低下を引き起こす。

また腐食反応による金属消費は電池全体でみると自己放電による容量低下そのものである。
一般的に電池は常に一定の電力が必要なわけではなく必要時に継続して使用した後、しばらく放置するなど断続的に使用されるものである。

従来の一次金属空気電池は電解液を注入し発電させた場合、腐食反応を停止することはできないため最後まで使い切るしかなかった。電池容量すべてが必要でない場合、多くのエネルギーが無駄に消費されてしまう。結果として長時間断続的にエネルギーが必要になる場合、電池そのものの電気容量ではなく自己放電まで含めた寿命で考慮せねばならず不便である。

特開２０１５−２１０９１０ 特開２０１６−１７０９６５ 特開２０１３−２４３１０８

これらを解決する手段として、電解液と金属極（−）を切り離すことがあり、いくつかの手段が発表されている。例として電解液の退避部分を用意した発電槽を回転させるもの。（特許文献1）また発電槽と直結した上下移動可能なタンクにより電解液を出し入れするもの。
そのほか目的は異なるが電解液を任意に取り出し可能な構造を持つものがいくつか公開されている。

しかしこれらの手段はいずれも電解液を移動させるものである。金属空気電池は、先に示した化学反応式で発電と腐食を行い、電解液はその反応物で粘度や流動性を著しく変化させるため、電池容量の放電が中盤以降に達すると電解液を流動させることは大変困難になる。そのためある時間稼働したら上記反応物を排出し電解液の交換も行えるようにした。
本発明はそれらの事情を鑑みてなされたものであり、金属空気電池の放電・待機状態を切り替え限りなく電池容量を放電に使い切ることを目的としている。

上記した課題を解決するため、本発明は、電解液を蓄えた発電槽１に空気極（＋）２を備え金属極（−）３が挿入された構造を持ち、発電槽１と金属極（−）３のいずれかが上下移動や反応物の排出ができる仕組みを備え、金属極（−）３が上方にある時は待機状態となり、金属極（−）３が発電槽１内部にある時は発電状態となることを特徴とする。

本発明によって発電反応の停止や再起動ができる金属空気電池を制作することが可能である。

本発明の実施形態１に係る金属空気電池システムの示した図である。 本発明の実施形態１の金属空気電池システムが発電している状態を模式的に示した図である。 本発明の実施形態１の金属空気電池システムが待機している状態を模式的に示した図である。 本発明の実施形態２に係る金属空気電池システムの示した図である。 本発明の実施形態２の金属空気電池システムが発電している状態を模式的に示した図である。 本発明の実施形態２の金属空気電池システムが待機している状態を模式的に示した図である。

図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態１の金属空気電池である。
この金属空気電池は発電槽１と発電槽壁面に空気極（＋）２を備え、発電槽上部に電解液の注入口７が設けられている。発電槽１はベース６に設置されており、ベース６には金属極（−）３および金属極昇降手段４を支えるための外部枠５を固定してある。昇降手段４は金属極（−）３と外部枠５を接続しており、金属極（−）３の高さを発電槽内部の電解液８に接していない高い状態と、金属極（−）３が電解液８内部に浸漬された低い状態に調節する能力を持つ。昇降手段４はスライド機構、ねじ機構、クリップ等の機構を選ばず移動および固定が可能であればよい。人力、電動、内燃機関等必要な動力が得られれば動力源も問わない。図中の発電槽１および空気極（＋）２で構成される金属空気電池は箱状の形状であるが、電解液８を注入でき、金属極（−）３が挿入できるのであれば形状を問わない。また金属極（−）３は図中では板状であるが丸棒、角棒、櫛形板、パンチ板、パイプ型など必要に応じた形状が選択できる。
排水手段９は反応物の混じった電解液を排水し電解液の交換を可能にしている。

図２は本発明の実施形態１の発電状態の構造を模式的に示した図である。昇降手段４によって下降した金属極（−）３が電解液８中に空気極（＋）２と向かい合う位置に設置されている。電池反応に影響がなければ昇降手段４が電解液８中に入っても良い。昇降手段４および金属極（−）３は外部枠５によりしっかり固定され、空気極（＋）２に触れて短絡を生じないようになっていなければならない。

図３は本発明の実施形態１の待機状態の構造を模式的に示した図である。昇降手段４によって上昇した金属極（−）３の底面が発電槽１より上部に固定されている。図中では発電槽1の上部まで引き上げられているが、実際は電解液８に触れない高さであれば十分である。

図４は本発明の実施形態２の金属空気電池である。
この金属空気電池は発電槽１と発電槽壁面に空気極（＋）２を備え、発電槽上部に電解液の注入口７が設けられている。発電槽は昇降手段４に設置されており、昇降手段４はベース６に設置されている。ベース６には金属極（−）３を支えるための外部枠５を固定してある。昇降手段４は発電槽１とベース６を接続しており、金属極（−）３の高さを発電槽内部の電解液８に接していない高い状態と、金属極（−）３が電解液８内部に浸漬された低い状態に調節する能力を持つ。昇降手段４はスライド機構、ねじ機構、クリップ等の機構を選ばず移動および固定が可能であればよい。人力、電動、内燃機関等必要な動力が得られれば動力源も問わない。図中の発電槽１および空気極（＋）２で構成される金属空気電池は箱状の形状であるが、電解液８を注入でき、金属極（−）３が挿入できるのであれば形状を問わない。また金属極（−）３は図中では板状であるが丸棒、角棒、櫛形板、パンチ板、パイプ型など必要に応じた形状が選択できる。

図５は本発明の実施形態２の発電状態の構造を模式的に示した図である。昇降手段４によって上昇した発電槽１により金属極（−）３が電解液８中に空気極（＋）２と向かい合う位置に設置されている。昇降手段４および金属極（−）３は外部枠５とベース６によりしっかり固定され、空気極（＋）２に触れて短絡を生じないようになっていなければならない。

図６は本発明の実施形態２の待機状態の構造を模式的に示した図である。昇降手段４によって下降した発電槽１により金属極（−）３の底面が発電槽１より上部に固定されている。図中では発電槽１外部まで引き上げられているが、実際は電解液８に触れない高さであれば十分である。
模式的に示した図であるが発電容量を増すため直列や並列接続は他の電池同様可能である。

1.発電槽
２.空気極（＋）
３.金属極（−）
４.昇降手段
５.外部枠
６.ベース
７.注入口
８.電解液
９.排水手段

Claims (3)

1. 発電槽内の電解液中に空気極（＋）と金属極（−）を有する金属空気電池において、どちらかの極を電解液から引上げたり引下げたりして少なくとも片方極を電解液から隔離し発電を停止させたり再度浸漬することにより発電が再開可能であり金属極（−）の無駄な消耗を防ぐ構造を持つことを特徴とする金属空気電池。
2. 発電槽内の電解液中に空気極（＋）と金属極（−）を有する金属空気電池において、外部に金属極（−）のみを電解液から外部に引き上げ発電を中断する機構を有し金属極（−）の無駄な消耗を防ぐ構造を持つことを特徴とする金属空気電池。
3. 発電槽内の電解液中に空気極（＋）と金属極（−）を有する金属空気電池において、発電によって生成される生成物を除去するために下部に外部に排出できる機能を有し排出手段で排出後、再度電解液を注入すれば再起動可能で金属極（−）の無駄な消耗を防ぐ構造を持つことを特徴とする金属金属空気電池。