JP2020503658A - 金属空気燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
a)水素ガス(及び微量の塩素ガス)の放出、及び、
b)アノード劣化からの廃棄物(例えば金属水酸化物)
が挙げられる。
(a)アノードと、
(b)位置決め可能な空気カソードと、
(c)電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するようにアノードと空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
(d)吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ空気カソードが吸収材料層と接触したままとなるようにするべく適合される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
吸収材料層は、電解質を保持することによってアノードとカソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池を提供する。
本明細書中において別段に規定されなければ、以下の用語は、以下の一般的な意味を有すると理解される。
アルミニウム:2.5−3.5
銅:最大0.05
鉄:最大0.005
マグネシウム:バランス
マンガン:0.2分
ニッケル:最大0.005
シリコン:最大0.1
亜鉛:0.6−1.4
・ウィッキング性及び電解質保持能力;
・液体電解質の吸収及び/又はアノード廃棄物の保持に起因する体積の増大に対応するように拡張する能力;
・固形廃棄物を捕捉する及び/又は保持するために固形粒子を封入する能力;
・「イオン架橋」として機能する能力、及び/又は、
・ガスの交換又は拡散を可能にする能力(すなわち、電池の動作中の酸素ガス拡散プロセス及びガス副生成物の放出のため)。
・金属空気燃料電池は、吸収材料を電解質に浸すことによって要求に応じて簡単且つ都合よく活性化及び再活性化され得るとともに、使用間で乾燥できるようにすることにより非活性化され得る。これは、金属空気燃料電池に、構成要素が消費されない「休止」モード、及び、電池の性能出力の顕著な又は著しい損失を伴わずに長い保管寿命における関連する可能性をもたらす。
・電解質用の新規な吸上げ及び保持システムを提供することによって、かさばる水槽を回避し、電解質をより少なく必要とする構成を可能にし、それによって、例えば転倒による電解質漏れの可能性を排除しながら電池の重量を減らす直立位置からの燃料電池。
・開放型ハウジングユニット内に金属空気燃料電池を設けることによって、本発明は、ガス圧上昇及び電解質の効果的なシールなどの密閉型金属空気燃料電池システムに存在する欠点を克服できる一方で、酸素取り入れ及び副生成物の排出も改善できる。
・構成要素の便利な交換及びリサイクル。アノード、吸収材料層、及び、空気カソードは、環境に優しい機械的に再充電可能な装置を提供するために簡単且つ便利に交換及び再利用され得る、及び/又は、
・電解質用の新規なウィッキング・保持システムは、暴走する発熱反応を防ぐための熱制御の向上を可能にし得る。金属空気燃料電池は、アノードとカソードとの間に発熱酸化還元反応を生じさせることによって機能する。伝統的な金属空気燃料電池では、これにより、暴走する発熱反応の可能性がもたらされ、この発熱反応では、電池内の圧力及び熱が危険なレベルまで上昇する場合がある。本発明の吸収材料層は、電池内の温度が上昇するにつれて電解質の蒸発及び排出を改善できるようにする。これは、蒸発により利用可能な電解質を減少させることによって暴走する反応を制御し、それによって反応を遅くすることができる。電池内のいかなる酸化還元反応も電解質が完全に蒸発すると完全に停止し得る。
表:単3電池のエネルギー蓄積(2016年12月19日にアクセスされたウェブサイトhttp://www.allaboutbatteries.com/Energy−tables.htmlから再現された表)。
本発明に係る金属空気燃料電池の性能を試験するために、本発明に従って構成されたプロトタイプ電池を用いて一連の実験が行なわれた。実験1では、プロトタイプ電池を単独で試験した。実験2及び3では、実質的に図1A、図3A及び図4Aに従って構成された伝統的なMgO2燃料電池に対してプロトタイプ電池を試験した。
全ての試験において同一のアノード材料及びカソード材料が使用された。
以下の組成を有する押出マグネシウムAZ31 Bロッド(アノード)は、約(典型的には)純度96%のマグネシウムのマグネシウムアノード組成をもたらす。
アルミニウム:2.5−3.5
銅:最大0.05
鉄:最大0.005
マグネシウム:バランス
マンガン:0.2分
ニッケル:最大0.005
シリコン:最大0.1
亜鉛:0.6−1.4
層状テフロン材、カーボン、及び、ニッケルメッキワイヤから成る十分な疎水性を有する空気カソード
従来のMgO2電池は、マグネシウムアノードが5%食塩水溶液電解質の容器内に収容されて、空気カソードが容器壁構造の一部を形成するように一般的に理解されている構成であった。
プロトタイプ電池は、45グラムのマグネシウムアノードと、層状テフロン材料、カーボン及びニッケルメッキワイヤから成る空気カソードとから成っていた。アノードが吸収材料(綿状の織布材料を巻いてマット状の物質に織り込んだもの)に封入された。空気カソードが吸収材料の周囲に巻き付けられて拡張を可能にするべく弾性Oリングで固定された。
電子測定は、気候制御された環境で保管された周知の電圧及びアンペア数測定精度(一般的には1%以内)の携帯型マルチメーターを使用して行なわれた。測定を開始する前に機器がウォームアップできるようにされた。
実験は、電池1、電池2、及び、電池3とラベル付けされた3つの同一に構成されたプロトタイプ電池を用いて行なわれた。目標は、(一定の電気負荷下で)1.2ボルトを超えて250時間(製品で要求されている実行時間)にわたって少なくとも250ミリアンペアを生成することであった。
結果が以下の表1及び図9で与えられる。
表1:約750時間にわたる本発明の実施形態に係る電池1、2、3の耐久性試験結果(ミリアンペア)。
電池1:440mA
電池2:360mA
電池3:350mA
電池1:280mA
電池2:490mA
電池3:580mA
電池1:180mA
電池2:340mA
電池3:280mA
カソードの寿命及び性能を試験するために、同一に構成されたプロトタイプ電池(プロトタイプ電池1及びプロトタイプ電池2としてラベル付けされている)及び同一に構成された伝統的なMgO2電池(伝統的電池1及び伝統的電池2としてラベル付けされている)を用いて比較実験が行なわれた。
結果が以下の表2及び図10で与えられる。
表2:約500動作時間にわたる伝統的なMgO2電池と本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池との比較出力(ミリアンペア)。
本願の電池に組み込まれる廃棄物管理システムの利点及び有効性を特徴付けるために一連の実験及び試験が行なわれた。
結果が以下の表3及び図11で与えられる。
表3:約500時間にわたる本発明の一実施形態に係る電池1、2、3の性能試験結果(ミリアンペア)。
・吸収材料層内に経時的に捕捉されるアノード廃棄物は、反応を促進するためのより良好な導電性経路又はイオン経路をもたらす;
・廃棄物の蓄積中に電池が拡張するにつれて、より多くの電解質が吸収材料によって吸着されて反応に利用可能になる;
・反応が起こっている電池の表面積が増大され、それにより、反応を増大させることができる、及び/又は
・空気カソードの細孔が水酸化マグネシウムの沈殿物から保護され、それにより、酸素ガス拡散が大きく損なわれることがない。
・空気カソード内で見出される細孔を廃棄微粒子による閉塞から保護し、その結果、空気カソードを横切る重要な酸素ガス拡散を可能にする;
・さもなければ空気カソードを劣化させる廃棄沈殿物を効果的に防止し、塩の侵入又は腐食(例えば、「塩クリープ」に起因する塩の移動、すなわち、塩の侵入及び/又は腐食をもたらす塩の結晶の移動)により、カソード並びに接点、配線及び/又は電子機器などの他の電池構成要素の寿命も潜在的に改善される;
・蓄積された廃棄物を除去するための電池の定期的な内部洗浄を不要にする、及び/又は、
・廃棄沈殿物が吸収材料内に集まる又は捕捉されるにつれて電池の性能を実際に高めることができる。
と考えられた。
(a)アノードと、
(b)位置決め可能な空気カソードと、
(c)電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するようにアノードと空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
(d)吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ空気カソードが吸収材料層と接触したままとなるようにするべく空気カソードを位置決めするように適合される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
吸収材料層は、電解質を保持することによってアノードとカソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池を提供する。
Claims (19)
- (a)アノードと、
(b)位置決め可能な空気カソードと、
(c)電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するように前記アノードと前記空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
(d)前記吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ前記空気カソードが前記吸収材料層と接触したままとなるようにするべく構成される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
前記吸収材料層は、前記電解質を保持することによって前記アノードと前記カソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池。 - 前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードは、前記空気カソードが前記吸収材料層を実質的に取り囲むとともに前記吸収材料層が前記アノードを実質的に取り囲むように同軸に配置される請求項1に記載の金属空気燃料電池。
- 前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードが積層配置を成して設けられる請求項1に記載の金属空気燃料電池。
- 前記弾性空気カソード位置決め手段が前記電池の断面周長にわたって位置される請求項1から3のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記弾性空気カソード位置決め手段は、前記空気カソード内に組み込まれる又は前記空気カソードとは別個に設けられるとともに、Oリング、変形可能な高分子材料、弾性(又はゴム)バンド、又は、拡張可能なメッシュから選択される請求項1から4のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記金属空気燃料電池が開放型ハウジングユニット内に収容される請求項1から5のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層が電解質を保持できるようにすることによって使用のために活性化又は再活性化される請求項1から6のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記吸収材料層が水分を保持するときに電解質を形成するために前記吸収材料層にイオンが予め含浸される請求項1から7のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記吸収材料層は、イオンが予め含浸された第1の吸収材料副層と、イオンが予め含浸されていない第2の吸収材料副層とを備える請求項1から8のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記金属空気燃料電池は、電解質を保持するように金属空気燃料電池を液体中に浸漬することによって使用のために活性化又は再活性化される請求項1から9のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記吸収材料層は、保持される電解質又は水の吸着又は消耗時及び/又はアノード廃棄物の捕捉時に体積を変化させる請求項1から10のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記吸収材料層が織布又は不織布の繊維材料或いはそれらの組み合わせを備える請求項1から11のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記吸収材料層が繊維状セルロース、竹繊維、又は、それらの組み合わせを備える請求項1から12のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記アノードがマグネシウム合金を備える請求項1から13のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記空気カソードがシート層を備える請求項1から14のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記空気カソードは、疎水性で通気性を有するとともに層状テフロン材料を備える請求項1から15のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層と前記空気カソードとの間に位置されて前記吸収材料層を支持して収容する及び/又は吸収材料層中に捕捉されるアノード廃棄沈殿物から前記カソードを更に分離して保護する紙セパレータ層を更に備える請求項1から16のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 使用時に製品又は装置の動作に電力を供給するために用いる直流電源をもたらす請求項1から17のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
- 前記製品又は装置は、トーチ(懐中電灯、マグライト、ペンライトを含む)、ライト及び照明製品又は装置(グローブライト、LEDライト、ストロボライト、及び、クリスマスライトを含む)、安全性又は一時的な照明用途(道路工事を含む)、ランタン(キャンプ用ランタン及びちょうちんを含む)、組み合わせ製品(懐中電灯としての動作とランタンとしての動作との間で変換可能な懐中電灯−ランタン組み合わせを含む)、家庭用製品(電動歯ブラシ及びシェーバーを含む)緊急ビーコン(EPIRB及び指向性ファインダーを含む)、ラジオ(アナログ及びデジタル)、通信機器(ラジオ、CBラジオ、及び、小型オーディオ機器を含む)、玩具(すなわち、バッテリ給電式)、充電式製品用の電源バンク及びUSBデバイス用の充電ドック(携帯電話、i−pod、i−padを含む小型電子製品)から成るグループから選択される請求項18に記載の金属空気燃料電池。
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