JP5353430B2 - Air battery system - Google Patents
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Description
本発明は空気電池システムに関する。 The present invention relates to an air battery system.
空気電池は、酸素を正極活物質とする電池であり、放電時には空気を外部から取り込んで用いる。そのため、正極及び負極の活物質を電池内に有する他の電池に比べ、電池容器内に占める負極活物質の割合を大きくすることが可能になる。したがって、原理的に放電できる電気容量が大きく、小型化や軽量化が容易という特徴を有している。また、正極活物質として用いる酸素の酸化力は強力であるため、電池起電力が比較的高い。さらに、酸素は資源的な制約がなくクリーンな材料であるという特徴も有するため、空気電池は環境負荷が小さい。このように、空気電池は多くの利点を有しており、携帯機器用電池、電気自動車用電池、ハイブリッド車用電池、燃料電池自動車用電池などへの利用が期待されている。 The air battery is a battery using oxygen as a positive electrode active material, and takes in air from the outside during discharge. Therefore, it is possible to increase the proportion of the negative electrode active material in the battery container as compared with other batteries having positive and negative electrode active materials in the battery. Therefore, in principle, the electric capacity that can be discharged is large, and it is easy to reduce the size and weight. Further, since the oxidizing power of oxygen used as the positive electrode active material is strong, the battery electromotive force is relatively high. Furthermore, since oxygen has a feature that it is a clean material without resource restrictions, the air battery has a small environmental load. As described above, the air battery has many advantages and is expected to be used for a battery for a portable device, a battery for an electric car, a battery for a hybrid car, a battery for a fuel cell car, and the like.
空気電池は、上記のように正極に酸素を取り込むことにより電池反応を生じさせる。すなわち、正極と酸素含有ガスとが接触していると、例えば、空気電池停止時においても自己放電が生じる虞がある。また、開放系の空気電池においては、空気電池停止時においても常に外部から水分が取り込まれる虞があり、特に非水系電解液を用いた空気電池において、吸湿による電池寿命の低下が懸念される。 The air battery causes a battery reaction by incorporating oxygen into the positive electrode as described above. That is, if the positive electrode is in contact with the oxygen-containing gas, for example, there is a possibility that self-discharge may occur even when the air battery is stopped. Further, in an open air battery, there is a possibility that moisture is always taken in from the outside even when the air battery is stopped, and in particular, in an air battery using a non-aqueous electrolyte, there is a concern that the battery life may be reduced due to moisture absorption.
かかる問題を解決するため、特許文献1に記載されたような、電池不使用時には正極を空気の流れから隔離し、電池使用中にのみ空気の流れに触れさせるように、筐体にバルブを設けた空気電池が提案されている。 In order to solve such a problem, as described in Patent Document 1, a valve is provided on the casing so that the positive electrode is isolated from the air flow when the battery is not used, and the air flow is touched only when the battery is used. Air batteries have been proposed.
特許文献1に記載された空気電池によれば、電池停止時に、筐体のバルブを閉じて空気や水との反応を防ぎ、自己放電や吸湿を抑制することができると考えられる。しかしながら、バルブ閉鎖後、筐体内に残存している酸素の反応を抑えることができず、自己放電が生じて電池寿命が低下する虞がある。また、電池始動時に多量の電流を必要とする場合(例えば、車載用とした場合)、特許文献1に記載された空気電池にあっては、電池始動時に筐体内の酸素分圧が低下しているため、十分な電流が得られないという問題もある。 According to the air battery described in Patent Document 1, it is considered that when the battery is stopped, the valve of the housing is closed to prevent reaction with air and water, and self-discharge and moisture absorption can be suppressed. However, after the valve is closed, the reaction of oxygen remaining in the housing cannot be suppressed, and self-discharge occurs, which may reduce the battery life. In addition, when a large amount of current is required at the time of starting the battery (for example, in the case of in-vehicle use), in the air battery described in Patent Document 1, the oxygen partial pressure in the housing is reduced at the time of starting the battery. Therefore, there is a problem that a sufficient current cannot be obtained.
また、本発明者は、電解液を用いた空気電池について、充放電時の空気電池内の反応機構について研究を進めた結果、用いる電解液の種類によって、電池充放電時に当該電解液の分解が生じ、二酸化炭素が発生し、これにより電池内の酸素分圧が低下して電池の出力が低下する場合があることを知見した。これを防ぐには、電池内の気体状態を適切に制御することが考えられる。 In addition, as a result of researches on the reaction mechanism in the air battery at the time of charge / discharge of the air battery using the electrolyte, the present inventor can decompose the electrolyte at the time of battery charge / discharge depending on the type of the electrolyte used. It has been found that carbon dioxide is generated, which may lower the oxygen partial pressure in the battery and lower the battery output. In order to prevent this, it is conceivable to appropriately control the gas state in the battery.
以上のことから、従来の空気電池においては、筐体内の気体の制御に関し改善の余地があった。 From the above, the conventional air battery has room for improvement regarding the control of the gas in the housing.
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、筐体内の気体の制御を適切に行うことができる空気電池システムを提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the above, and makes it a subject to provide the air battery system which can perform control of the gas in a housing | casing appropriately.
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、筐体、及び筐体内に収容される発電部を備え、筐体には、開閉操作が可能な気体供給部と、開閉操作が可能な気体排出部と、筐体内の圧力を調整する圧力調整部とが設けられる、空気電池システムである。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is,
The present invention includes a housing and a power generation unit housed in the housing. The housing includes a gas supply unit that can be opened and closed, a gas discharge unit that can be opened and closed, and a pressure in the housing. The air battery system is provided with a pressure adjusting unit.
本発明において、「発電部」とは、空気電池の発電部をいい、正極、電解質層、及び負極をこの順に有してなる部分をいう。「気体供給部」は、筐体外部から筐体内部へと気体を送り込むことが可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。「気体排出部」は、筐体内部から筐体外部へと気体を排出することが可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。「圧力調整部」は、電池の使用状態に応じて筐体内の圧力を制御・調整可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。 In the present invention, the “power generation section” refers to a power generation section of an air battery, and refers to a portion having a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode in this order. The form of the “gas supply unit” is not particularly limited as long as gas can be sent from the outside of the housing to the inside of the housing. The form of the “gas discharge part” is not particularly limited as long as it can discharge gas from the inside of the housing to the outside of the housing. The form of the “pressure adjusting unit” is not particularly limited as long as the pressure in the housing can be controlled and adjusted according to the use state of the battery.
本発明において、電池始動時に、気体供給部と気体排出部とが閉じられ、圧力調整部により筐体内が加圧される形態とすることが好ましい。電池始動時に、筐体内が加圧されることで、例えば、筐体内の酸素分圧を上昇させることができるので、正極における放電反応を促進することができ、電池始動時においても十分な電流を得ることができる。 In the present invention, it is preferable that the gas supply unit and the gas discharge unit are closed when the battery is started, and the inside of the housing is pressurized by the pressure adjustment unit. By pressurizing the inside of the housing at the time of starting the battery, for example, it is possible to increase the oxygen partial pressure inside the housing, so that the discharge reaction at the positive electrode can be promoted, and a sufficient current can be obtained even at the time of starting the battery. Can be obtained.
特に、電池始動時の筐体内の加圧と同時に、当該筐体内に酸素含有ガスが供給されることが好ましい。これにより、筺体内の酸素分圧をさらに上昇させることができるので、正極における放電反応をより促進することができる。 In particular, it is preferable that the oxygen-containing gas is supplied into the casing simultaneously with pressurization in the casing at the time of starting the battery. Thereby, since the oxygen partial pressure in a housing can be raised further, the discharge reaction in a positive electrode can be promoted more.
一方、本発明において、電池始動時に、気体供給部が閉じられ、気体排出部が開放され、且つ、筐体内に、圧力調整部を介して圧力が高められた酸素含有ガスが供給される形態としてもよい。これにより、電池始動時に、酸素分圧が上昇された酸素含有ガスが供給されるので、正極における放電反応を促進することができる。 On the other hand, in the present invention, when the battery is started, the gas supply unit is closed, the gas discharge unit is opened, and the oxygen-containing gas whose pressure is increased is supplied into the housing through the pressure adjustment unit. Also good. Thereby, since the oxygen-containing gas with an increased oxygen partial pressure is supplied at the time of starting the battery, the discharge reaction at the positive electrode can be promoted.
また、本発明において、電池停止時に、気体供給部と気体排出部とが閉じられ、圧力調整部により筐体内が減圧される形態とすることが好ましい。電池停止時に、筐体内が減圧されることで、例えば、筐体内の酸素分圧や水分圧、その他残存ガスの分圧を低下させることができるので、電池停止時における自己放電や吸湿、劣化等を抑制することができ、電池寿命の低下を抑えることができる。 In the present invention, it is preferable that the gas supply unit and the gas discharge unit are closed when the battery is stopped, and the inside of the housing is decompressed by the pressure adjustment unit. When the battery is stopped, the inside of the housing is depressurized, for example, the oxygen partial pressure, moisture pressure, and other residual gas partial pressure in the housing can be reduced, so self-discharge, moisture absorption, deterioration, etc. when the battery is stopped Can be suppressed, and a decrease in battery life can be suppressed.
本発明は、筐体に、開閉可能な気体供給部及び気体排出部が備えられ、且つ、筐体内の圧力を調整する圧力調整部が備えられるので、当該気体供給部、気体排出部、及び圧力調整部の動作を適切に制御することで、筐体内の気体の制御を適切に行うことができる。これにより、例えば、電池停止中の自己放電が抑えられ、電池始動時において十分な出力が得られ、さらに、電池寿命の低下を抑えることができる。 In the present invention, the casing is provided with a gas supply section and a gas discharge section that can be opened and closed, and a pressure adjustment section that adjusts the pressure in the casing. Therefore, the gas supply section, the gas discharge section, and the pressure By appropriately controlling the operation of the adjusting unit, it is possible to appropriately control the gas in the housing. Thereby, for example, self-discharge while the battery is stopped can be suppressed, a sufficient output can be obtained at the time of battery start, and further a decrease in battery life can be suppressed.
以下本発明にかかる空気電池システムを、筐体内に、正極、負極、及び当該正極と負極との間に介在する電解質層を有する発電部を備えたリチウム空気電池に適用した場合を中心に説明する。但し、本発明は、筐体内の酸素制御を目的として、他の空気電池(亜鉛系空気電池、アルミニウム系空気電池、ナトリウム系空気電池等)にも適用することができる。 Hereinafter, the case where the air battery system according to the present invention is applied to a lithium air battery provided with a power generation unit having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode in a housing will be mainly described. . However, the present invention can also be applied to other air batteries (zinc-based air battery, aluminum-based air battery, sodium-based air battery, etc.) for the purpose of controlling oxygen in the casing.
1.空気電池システム100
図1は、空気電池システムが始動してしばらく経ち、放電反応が安定した状態(例えば、車載時においては、キーオン状態からモータ等が始動後、通常の運転状態に移った段階の状態。以下「通常運転状態」という。)にある空気電池システム100を概略的に示す図である。図1に示すように、空気電池システム100は、筐体50内に、正極10と、負極20と、正極10及び負極20の間に介在する電解質層30とを有する発電部40を備えている。また、筐体50内の上部には空間51が設けられており、ここに酸素含有ガスが供給されることにより、正極に酸素が取り込まれて電池反応に供される。一方、筐体50の外部には気体供給部60が設けられており、当該気体供給部60の供給管61が筐体50外部から空間51へと挿入されている。供給管61には開閉弁62が備えられており、当該開閉弁62の開閉を制御することで、空間51へと気体を供給可能とされている。また、筐体50外部の気体供給部60側と対向する側には、気体排出部70が設けられており、当該気体排出部70の排出管71が筐体50の空間51から筐体50外部へと伸びている。排出管71には開閉弁72が備えられており、当該開閉弁72の開閉を制御することで、空間51から気体を排出可能とされている。さらに、筐体50外部には圧力調整部80が設けられており、当該圧力調整部80から筐体50内の空間51に管81が挿入されている。当該管81には開閉弁82が設けられており、当該開閉弁82の開閉を制御するとともに圧力調整部80の動作を制御することで、筐体50の圧力を調整可能とされている。尚、開閉弁62、72、82の開閉や、圧力調整部80の動作については、筐体50の外部に設けられた制御部90により、電池の使用状態に応じて適宜制御され得る形態とされている。以下、空気電池システム100について、構成ごとに説明する。
1.
FIG. 1 shows a state where the air battery system has been started for a while and the discharge reaction has been stabilized (for example, in a vehicle, a state where the motor or the like has started from a key-on state and shifted to a normal operation state. 1 is a diagram schematically showing an
(正極10)
正極10は、導電性材料、触媒、及び、これらを結着させる結着材を含有している。また、正極10には、正極10の内部又は外面に当接して、正極10の集電を行う正極集電体が設けられる。
(Positive electrode 10)
The
正極10に含有される導電性材料は、空気電池システム100の使用時における環境に耐えることができ、且つ、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。正極10に含有される導電性材料としては、カーボンブラックやメソポーラスカーボン等の炭素材料等を例示することができる。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極10における導電性材料の含有量は、10質量%以上とすることが好ましい。また、充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極10における導電性材料の含有量は、99質量%以下とすることが好ましい。
The conductive material contained in the
正極10に含有される触媒としては、コバルトフタロシアニン及び二酸化マンガン等を例示することができる。充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極10における触媒の含有量は、1質量%以上とすることが好ましい。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極10における触媒の含有量は、90質量%以下とすることが好ましい。
Examples of the catalyst contained in the
正極10に含有される結着材としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を例示することができる。正極10における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば10質量%以下とすることが好ましく、1質量%以上5質量%以下とすることがより好ましい。
Examples of the binder contained in the
正極集電体は、導電性を有する材料からなるものであれば特に限定されずに用いることができる。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、及び、カーボン等からなる箔、メッシュ、グリッド等を用いることができる。また、正極集電体が筐体50内の空間51から正極10へと酸素を導く通り道としても機能し得る形態としてもよい。すなわち、後述する酸素層11を正極集電体11としてもよい。
The positive electrode current collector can be used without particular limitation as long as it is made of a conductive material. For example, a foil, mesh, grid, or the like made of stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, carbon, or the like can be used. In addition, the positive electrode current collector may function as a path that guides oxygen from the
正極10は、例えば、カーボンブラック、触媒、及び、結着材からなる塗料を、正極集電体の表面に、ドクターブレード法にて塗布する等の方法により作製することができる。このほか、カーボンブラック及び触媒を含む混合粉末を熱圧着する等の方法により作製することもできる。
The
<酸素層11>
酸素層11は、空間51内に存在する酸素ガスを、正極10へと導く機能を担う。酸素層11は、空気極10へと導かれる空気の通り道であり、例えば、空気極10の内部又は外面に当接して、空気極10の集電を行う空気極集電体に備えられる孔が、酸素層11として機能する。
<
The
<負極20>
負極20は、負極活物質として機能するアルカリ金属を含有している。また、負極20には、負極20の内部又は外面に当接して、負極20の集電を行う負極集電体(不図示)が設けられる。
<
The
負極20に含有され得るアルカリ金属の単体としては、Li、Na、K等を例示することができる。また、負極20に含有され得るアルカリ金属の化合物としては、Li合金等を例示することができる。空気電池システム100がリチウム空気二次電池の場合、高容量化を図りやすい空気電池システム100を提供する等の観点からは、Liが含有されることが好ましい。
Examples of the alkali metal that can be contained in the
負極20は少なくとも負極活物質を含有していれば良く、さらに、導電性を向上させる導電性材料やアルカリ金属等を固定化させる結着材を含有していても良い。反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、負極20における導電性材料の含有量は10質量%以下とすることが好ましい。また、負極20における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば10質量%以下とすることが好ましく、1質量%以上5質量%以下とすることがより好ましい。負極20に含有され得る導電性材料及び結着材の種類、使用量等は、正極10の場合と同様にすることができる。
The
負極20には、内部又は外面に当接して負極集電体が設けられる。負極集電体は、負極20の集電を行う機能を担う。空気電池システム100において、負極集電体の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではない。負極集電体の材料としては、銅、ステンレス鋼、及び、ニッケル等を例示することができる。また、負極集電体の形状としては、箔状、板状、及び、メッシュ(グリッド)状等を例示することができる。空気電池システム100において、負極20は、例えば正極10と同様の方法により作製することができる。
The
<電解質層30>
電解質層30には、正極10及び負極20の間でイオン(アルカリ金属のイオン)の伝導を担う電解質(液体又は固体)が収容される。特に電解液を用いることが好ましい。
<
The
電解質層30に液体の電解質(電解液)が用いられる場合、電解液の形態は、金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水系電解液、又は非水電解液を挙げることができる。電解質層30に用いられる電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気電池とした場合、非水電解液を用いることが好ましい。当該非水電解液は、リチウム塩及び有機溶媒を含有する。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6等の無機リチウム塩のほか、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiC(CF3SO2)3等の有機リチウム塩等を例示することができる。また、有機溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランや、その他フッ素系の溶媒及びこれらの混合物等を例示することができる。また、電池内部への水の混入を抑える観点からは、疎水性の溶媒を用いることが好ましい。非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.2mol/L以上3mol/L以下とする。なお、本発明の空気電池システムにおいては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いることもできる。
When a liquid electrolyte (electrolytic solution) is used for the
また、電解質層30に電解液が用いられる場合、電解質層30は、セパレータやゲルポリマーに上記電解液が保持される形態とすることが好ましい。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。また、ゲルポリマーとしては、アクリレート系高分子化合物や、ポリエチレンオキサイド等のエーテル系高分子化合物及びこれらを含む架橋体や、ポリメタクリレート等のメタクリレート高分子化合物や、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンの共重合体等のフッ素系高分子化合物等を用いることができる。ゲルポリマーの形態は粒子状等、電解液が保持可能な形態であれば特に限定されるものではない。電解質層30の作製については、特に限定されるものではないが、適切に成形されたセパレータや、ゲルポリマー充填層に、上記電解液を含ませ、セパレータやゲルポリマーに電解液を保持させることにより、所定形状の電解質層30が作製される。
Moreover, when electrolyte solution is used for the
<発電部40>
空気電池システム100においては、正極10、電解質層30、及び負極20をこの順に積層されてなる積層体を発電部40とすることができる。正極10、電解質層30、及び負極20を積層する方法については、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。
<
In the
<筐体50>
筐体50には発電部40が収容され、且つ、筐体50内の上部には空間51が設けられている。空間51は発電部40の正極10側に存在している。空気電池システム100において、筐体50の形状は特に限定されるものではない。筐体50の構成材料は、用いる電解質に対して安定である等、空気電池の筐体に使用可能な材料を適宜用いることができる。筐体50の側面には、後述する気体供給部60の供給管61を接続可能な接続部(例えば孔)が設けられている。また、筐体50の、供給管61を接続可能な接続部が設けられた側面と対向する側面には、後述する気体排出部70の排出管71を接続可能な接続部(例えば孔)が設けられている。さらに、筐体50の上面には、後述する圧力調整部80から伸びる管81を接続可能な接続部(例えば孔)が設けられている。
<
The
<気体供給部60>
気体供給部60は、筐体50の側面に接続された供給管61と、当該供給管61に設けられた開閉弁62とを有してなり、開閉弁62の開閉動作が制御されることで、外部から筐体50内の空間51へと気体を供給可能とする部分である。供給管61及び開閉弁62の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管及び公知の電磁弁等を用いることができる。供給管61に流通させる気体は酸素含有ガスであり、空気や乾燥空気、圧力が1.01×105Paで酸素濃度が99.99%の酸素ガス等とすることができる。供給管61には他にフィルタ(不図示)が備えられて、酸素含有ガスから水分を除去可能な形態とされていてもよい。また、ポンプ(不図示)が備えられて、酸素含有ガスを効率的に供給することが可能な形態とされていてもよい。
<
The
<気体排出部70>
気体排出部70は、筐体50の側面のうち気体供給部60が備えられる側面と対向する側面に接続された排出管71と、当該排出管71に設けられた開閉弁72とを有してなり、開閉弁72の開閉動作が制御されることで、筐体50内の空間51から筐体50外部へと気体を排出可能とする部分である。排出管71及び開閉弁72の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管及び公知の電磁弁等を用いることができる。排出管71により排出される気体は、電池反応に供されなかった残存ガスである。排出管71には、ポンプ(不図示)が備えられて、残存ガスを効率的に排出することが可能な形態とされていてもよい。
<
The
<圧力調整部80>
圧力調整部80は、筐体50外部に備えられ、電池の使用状態に応じて、筐体50内(特に、空間51)の圧力を調整する部分である。圧力調整部80の形態については、筐体50内の圧力を制御可能であれば特に限定されるものではなく、公知のコンプレッサやポンプ、及びこれらを組み合わせた装置等を用いることができる。特に、圧力調整部80は、0.10×105Pa(0.1atm)以上3.0×105Pa(3atm)以下、好ましくは、0.5×105Pa(0.5atm)以上2.0×105Pa(2atm)以下の範囲で、筐体50内(空間51)の圧力を調整・制御できる形態が好ましい。また、当該圧力調整部80からは、空間51に向かって管81が伸びており、当該管81には開閉弁82が備えられている。管81及び開閉弁82の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管及び公知の電磁弁等を用いることができる。
<
The
<制御部90>
制御部90は、電池の使用状態に応じて信号を発し、開閉弁62、72、82の開閉動作や、圧力調整部80の動作を制御する部分である。制御部90としては公知の制御装置を用いることができる。
<Control unit 90>
The control unit 90 is a part that emits a signal according to the usage state of the battery and controls the opening / closing operation of the on-off
2.空気電池システム100の動作
空気電池システム100は、上記のような構成を有しており、電池の使用状態に応じて、空間51内の気体の流れを制御し、且つ、筐体50内の圧力を調整可能とされている。すなわち、空気電池システム100によれば、筐体内の気体制御を適切に行うことができる。以下、電池使用状態に応じた空気電池システム100の動作について説明する。
2. Operation of
<通常運転状態>
図1に示すように、空気電池システム100は、通常運転状態において、気体供給部60の開閉弁62が開放された状態にあり、外部から空間51へと酸素含有ガスが常に供給されている状態にある。一方、電池反応に供されなかった残存ガスについては、気体排出部70を介して外部へと排出されている。また、圧力調整部80に接続された管81については、開閉弁82が閉じられ、圧力調整部80と空間51とは流体連通状態にはない。すなわち、空気電池システム100の通常運転状態においては、空間51において、気体供給部60から気体排出部70に向かうガス流れが存在し、且つ、空間51の圧力については、外部から供給される酸素含有ガスと略同等とされている。また、正極10の空間51側表面には常に酸素層11が形成されており、ここから酸素が取り込まれることで安定的に電池反応が行われている。これにより、例えば、車両に搭載されたモータ等に電気エネルギーが安定的に供給され、車両の動作・停止がスムーズに行われる。
<Normal operation state>
As shown in FIG. 1, the
<通常運転状態〜電池停止状態>
次に、通常運転状態から電池停止状態に至るまでの空気電池システム100の動作について説明する。図2は、通常運転状態から電池停止状態に至るまでの空気電池システム100の動作の流れを説明するための図である。図2(a)は、図1と同様、通常運転状態にある空気電池システム100を概略的に示している。また、図2(b)は、電池の運転が停止されて、筐体50内の圧力が調整されている状態にある空気電池システム100を概略的に示している。さらに、図2(c)は、電池の運転停止後、筐体50内の圧力が調整されることにより筐体50内の状態(空間51内の気体の状態)が変化した後の空気電池システム100を概略的に示している。尚、図2においては、図面が煩雑となるのを避けるため、制御部90については省略して示している。
<Normal operation state to battery stop state>
Next, the operation of the
図2(b)に示されるように、通常運転状態にあった空気電池システム100の運転が停止されると、制御部90から信号が発せられ、開放状態にあった開閉弁62、72が閉鎖される一方、閉鎖状態にあった開閉弁82が開放される。空気電池システム100を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のキーオフをきっかけとして空気電池システム100の停止が行われるように、公知の感知手段等から制御部90に信号が発せられる形態とすればよい。さらに、制御部90からの信号により、開閉弁82が開放された後、圧力調整部80(ポンプ)が動作し、筐体50内(特に空間51)が減圧される。この場合、筐体50内の圧力が0.5×105Pa(0.5atm)〜0.7×105Pa(0.7atm)程度になるまで減圧されることが好ましい。
As shown in FIG. 2B, when the operation of the
図2(c)に示されるように、筐体50内が減圧され、所定の圧力になったと判断されると、制御部90から信号が発せられて、開閉弁82が閉鎖され、空間51が低圧のまま、筐体50が密閉される。この場合、筐体50内の圧力が、例えば、圧力センサ(不図示)等により感知され、当該圧力センサの感知信号に基づいて、制御部90から開閉弁82を閉鎖する信号を発すればよい。電池停止状態にある空気電池システム100においては、空間51に残存していた酸素層11の酸素分圧が低下されているため、正極10の電池反応が抑制される。従って、空気電池システム100によれば、通常運転状態から電池停止状態において、筐体50内の気体制御(特に酸素制御)を適切に行うことができ、電池停止状態における自己放電を抑えることができる。また、筐体50内に残存していた水分等についても分圧が低下されているので、電池停止状態における発電部40の吸湿を抑制することもでき、電池寿命の低下を抑えることができる。
As shown in FIG. 2C, when it is determined that the inside of the
<電池停止状態〜通常運転状態>
一方、電池停止状態において減圧された空気電池システム100においては、筐体50内の酸素分圧が低下されており、このような低酸素分圧のまま電池を始動しても、正極10において十分な電池反応が生じず、電池始動時に必要な電流が得られないものと考えられる。また、通常運転状態における電池の充放電反応によって、電解液が分解し、筐体50内に二酸化炭素等が発生していた場合、筐体50内の酸素分圧がさらに低下しているものと考えられ、電池始動時の出力低下が懸念される。特に、空気電池システム100を車載用電源として用いる場合、電池始動時(例えば、モータの運転開始時)においては、通常運転状態よりも多量の電流が必要となると考えられ、正極10における電池反応をさらに促進することが好ましい。このような要件を満たすべく、空気電池システム100は、電池停止状態から通常運転状態に至るまでにおいて、下記のように動作する。
<Battery stopped to normal operation>
On the other hand, in the
図3は、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの空気電池システム100の動作の流れを説明するための図である。図3(a)は、図2(c)と同様、電池停止状態にある空気電池システム100を概略的に示している。また、図3(b)は、電池が始動されて、筐体50内の圧力が調整されている状態にある空気電池システム100を概略的に示している。さらに、図3(c)は、電池の始動後、筐体50内の圧力が調整されることにより筐体50内の状態(空間51内の気体の状態)を変化させて十分な出力を得たのち、通常運転状態に移行した状態にある空気電池システム100を概略的に示している。尚、図3においても、図2と同様、図面が煩雑となるのを避けるため、制御部90については省略して示している。
FIG. 3 is a diagram for explaining an operation flow of the
図3(b)に示されるように、電池停止状態にあった空気電池システム100の始動時には、制御部90から信号が発せられ、閉鎖状態にあった開閉弁82が開放される。空気電池システム100を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のキーオンをきっかけとして空気電池システム100が始動されるように、公知の感知手段等から制御部90に信号が発せられ、当該信号に基づいて制御部90から信号が発せられる形態とすればよい。さらに、制御部90からの信号により、開閉弁82が開放された後、圧力調整部80(コンプレッサ)が動作し、筐体50内が加圧される。この場合、筐体50内の圧力が1.2×105Pa(1.2atm)〜2.0×105Pa(2.0atm)程度になるまで加圧されることが好ましい。これによって、筐体50内の酸素分圧を通常運転状態時よりも高めることができ、正極10の表面に酸素分圧が高められた酸素層12が形成され、正極10の電池反応が促進されて、十分な出力を得ることができる。また、圧力調整部80に接続された管81を介して、筐体50内を加圧すると同時に、外部から酸素含有ガス、好ましくは酸素濃度99.99%の酸素ガスを供給することが好ましい。このようにすれば、筐体50内の酸素分圧をさらに上昇させることができ、電池始動時に、より大きな出力を得ることができる。
As shown in FIG. 3B, when the
図3(c)に示されるように、筐体50内が加圧され、所定の圧力になり、電池始動時に十分な出力を得たのち、通常運転状態へ移行してもよいと判断されると、制御部90から信号が発せられて、開閉弁82が閉鎖され、開閉弁62、72が開放され、図1や図2(a)で説明したような通常運転状態となる。例えば、空気電池システム100を車載用電源として用いた場合、車両の運転状態やモータが必要とする電流量等に基づいて、電池始動時の加圧状態から通常運転状態に移るよう制御部90に信号が発せられ、当該信号に基づいて制御部90から開閉弁62、72を開放する信号を発すればよい。
As shown in FIG. 3 (c), the inside of the
このように、空気電池システム100によれば、電池停止時から通常運転状態に至るまでの間に筐体50内の圧力が調整されて、適切に気体制御が行われることで、正極10の電池反応が適切に制御されるので、車載用電源等、電池始動時に通常よりも多くの電流を要する場合であっても不足なく十分な出力を得ることができる。
As described above, according to the
また、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの間に、空気電池システム100を下記のように動作させてもよい。図4は、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの空気電池システム100にかかる別態様の動作の流れを説明するための図である。図4(a)は、図2(c)や図3(a)と同様、電池停止状態にある空気電池システム100を概略的に示している。また、図4(b)は、電池が始動されて、筐体50内の気体制御が行われている状態にある空気電池システム100を概略的に示している。さらに、図4(c)は、電池の始動後、筐体50内の圧力が調整されることにより、筐体50内の状態(空間51内の気体の状態)を変化させて十分な出力を得たのち、通常運転状態に移行した状態にある空気電池システム100を概略的に示している。尚、図4においても、図3と同様、図面が煩雑となるのを避けるため、制御部90については省略して示している。図4(a)及び(c)については、上記図3(a)及び(c)と同様であるため、説明を省略する。
Further, the
図4(b)に示されるように、電池停止状態にあった空気電池システム100の始動時には、制御部90から信号が発せられ、閉鎖状態にあった開閉弁72、82が開放される。空気電池システム100を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のキーオンをきっかけとして空気電池システム100の起動が行われるように、公知の感知手段等から制御部90に信号が発せられる形態とすればよい。さらに、制御部90からの信号により、開閉弁72、82が開放された後、圧力調整部80(コンプレッサ)が動作し、管81を介して筐体50外部から筐体50内の空間51に高圧な酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスとしては、空気、好ましくは乾燥空気、特に好ましくは酸素濃度99.99%の酸素ガスを用いることができる。当該高圧な酸素含有ガスの圧力は1.1×105Pa(1.1atm)以上3.0×105Pa(3atm)以下、好ましくは1.2×105Pa(1.2atm)以上2.0×105Pa(2.0atm)以下とする。このような形態においても、筐体50内の気体が制御されて、筐体50内の酸素分圧を通常運転状態時よりも高めることができ、正極10の表面に酸素分圧が高められた酸素層12が形成され、正極10の電池反応が促進されて、十分な出力を得ることができる。また、開閉弁72、82が開放されているので、空間51においては、圧力調整部90から気体排出部70に向かう気体流れが発生しており、例えば、空間51内に不純ガス(二酸化炭素等)が存在している場合であっても、当該不純ガスを筐体50外部へと強制的に排出することができる。
As shown in FIG. 4B, when the
このように、空気電池システム100によれば、通常運転状態から電池停止状態に至るまでの間、及び、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの間に、筐体50内の気体(特に酸素)の制御を適切に行うことができるので、電池停止時の自己放電が抑えられ、電池始動時に十分な出力が得られるとともに、電池寿命の劣化を抑制することができる。
Thus, according to the
上記説明においては、正極10、電解質層30、及び負極10が積層された発電部40が、筐体50内に一つのみ収容されてなる空気電池システム100について説明したが、筐体50内に収容される発電部40の数、及び形態について、本発明はこれに限定されるものではない。発電部40を筐体50内に複数収容してもよい。また、発電部40を円柱状や円筒状等、他の形態に成形して筐体50内に収容してもよい。この場合であっても、筐体50内の気体制御を適切に行うことができる。
In the above description, the
また、上記説明においては、気体供給部60、気体排出部70、及び圧力調整部80について、所定の位置関係を有して、筐体50の側面に接続されるものとして説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、筐体50内の気体制御を適切に行うことができる形態であれば、気体供給部60、気体排出部70、及び圧力調整部80の接続箇所は制限されない。
In the above description, the
以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う空気電池システムもまた本発明の技術範囲に包含されるものとして理解されなければならない。 Although the present invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments at the present time, the invention is not limited to the embodiments disclosed herein. However, the present invention can be appropriately changed without departing from the spirit or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and an air battery system with such a change is also understood to be included in the technical scope of the present invention. It must be.
本発明の空気電池システムは、携帯機器等の小型電源や車載用等の大型電源等に利用することができる。 The air battery system of the present invention can be used for a small power source for portable devices, a large power source for in-vehicle use, and the like.
100 空気電池システム
10 正極
11 酸素層(正極集電体)
12 酸素分圧が高められた酸素層
20 負極
30 電解質層
40 発電部
50 筐体
51 空間
60 気体供給部
70 気体排出部
80 圧力調整部
90 制御部
100
12
Claims (5)
前記筐体には、開閉操作が可能な気体供給部と、開閉操作が可能な気体排出部と、前記筐体内の圧力を調整する圧力調整部とが設けられている、空気電池システム。 A housing, and a power generation unit housed in the housing;
The air battery system, wherein the housing is provided with a gas supply unit that can be opened and closed, a gas discharge unit that can be opened and closed, and a pressure adjusting unit that adjusts the pressure in the housing.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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