JP5889222B2 - 空気マグネシウム電池及びそれを使用した電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気や水等の燃料を使用して発電する燃料電池、特に、水を使用する空気マグネシウム電池及びそれを使用した電力供給装置に関する。

従来、水を使用して発電する空気マグネシウム電池は公知である。例えば、特許文献１には、光源を有する外枠体の本体と、本体内に挿入されるアノード体と、本体の側面に位置する開口に取り付けられたカソード体とを有する空気マグネシウム電池が開示されている。

実用新案登録第３１７７５８９号公報

特許文献１に開示された空気マグネシウム電池では、本体内に水や塩水等の反応液を注入することによってアノード体とカソード体との間に電位差が生じて所要の起電力が発生する。かかる空気マグネシウム電池においては、アノード体とカソード体との離間距離が小さい程に電気化学反応を向上させることができるが、離間距離を小さくするためには本体の外形寸法を比較的に小さくする必要がある。本体の外形が比較的に小さくした場合には、本体内に注入される反応液の量が減少するので、比較的に長時間一定の起電力を発生させることができなくなる。

本発明の課題は、従来の技術における空気マグネシウム電池の改良であって、アノード体とカソード体との離間寸法が比較的に小さくして、かつ、比較的に多量の反応液を注入することができ、所要の起電力を一定時間安定して発生させることのできる空気マグネシウム電池及びそれを使用した電力供給装置の提供に関する。

前記課題を解決するために、本願の第１発明は、縦断方向及び横断方向を有し、本体と、本体内に位置するアノード体と、アノード体の前記横断方向の両側に位置するカソード体とを有する空気マグネシウム電池に関する。

前記課題を解決するために、本願の第２発明は、第１発明の空気マグネシウム電池を電源として使用した電力供給装置に関する。

第１発明に係る空気マグネシウム電池は、前記本体は、その内部において前記縦断方向へ延び、かつ、少なくとも一方端が開口している一対のカソード収容部を有し、前記カソード収容部は、前記縦断方向において連通する第１及び第２開口端と、前記アノード体と対向する側に位置する内枠部を有し、前記内枠部に薄板状の前記カソード体が配置されており、前記カソード体の一部が前記内部に露出しており、前記カソード体の前記一部と前記アノード体とが前記横断方向において離間対向して位置することを特徴とする。

第２発明に係る電力供給装置は、前記電力供給装置は、前記反応液の給水口を備える支持部と、前記空気マグネシウム電池が内部に配置された台座部と、前記給水口から前記台座部に延びる給水管とを有する本体を含み、前記給水管は前記空気マグネシウム電池に形成された注水口に連通されており、前記給水管内には、前記支持部から前記空気マグネシウム電池の内部まで延び、その内部に発生した反応ガスを外部に排出するための排気管が配置されることを特徴とする。

第１発明における実施態様の一つとしては、厚さ方向をさらに有し、前記カソード収容部は、前記本体内部に注入された反応液からなる注液域の液面よりも前記厚さ方向において内方に位置する。

第１発明における実施態様の一つとしては、前記アノード体と前記各カソード体とがほぼ等間隔で離間しており、その離間寸法が約５．０〜１５．０ｍｍである。

第１発明における実施態様の一つとしては、前記アノード体は、前記本体に着脱可能に取り付けられた蓋体に配置されており、前記カソード収容部間には、前記アノード体が挿通される透孔を有するガイド板が配置される。

第１発明における実施態様の一つとしては、前記液面と前記カソード収容部の前記液面と対向する面との前記厚さ方向における離間寸法は約２．０〜５．０ｍｍである。

第２発明における実施態様の一つとしては、前記排気管の上端開口は、前記給水口よりも上方に位置する。

本願の第１発明の空気マグネシウム電池によれば、カソード体がカソード収容部内において、アノード体の両側に外気及び本体内の注液域に接触した状態で、かつ、アノード体と比較的に近距離に配置されているので発電効率が良好であり、また、本体は所要容量の注液域を有するものであるから、比較的に長時間安定して発電をすることができる。また、第２発明の電力供給装置によれば、比較的に容易な操作によって安全に空気マグネシウム電池を発電させて電源として利用することにより、発電効率の優れた安定した電力を供給することができる。

本発明に係る第１実施形態の空気マグネシウム電池の斜視図。 空気マグネシウム電池の一部破断斜視図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面図。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面図。 析出物が堆積された状態を示す図３と同様の断面図。 第２実施形態における空気マグネシウム電池を使用した電力供給装置の斜視図。 上蓋体を取り外した状態における、電力供給装置の分解斜視図。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面図。

＜第１実施形態＞
図１及び２を参照すると、本実施形態に係る空気マグネシウム電池１０は、縦断方向Ｙ及び横断方向Ｘと、それらに直交する厚さ方向Ｚとを有し、縦断方向Ｙにおいて互いに対向する第１及び第２面１１，１２と、厚さ方向Ｚにおいて互いに対向する第３及び第４面１３，１４と、横断方向Ｘにおいて互いに対向する第５面及び第６面１５，１６とを有する硬質プラスチック製の本体１７と、本体１７に着脱可能に取り付けられる蓋体１８とを含む。本体１７の第５面１５には、空気マグネシウム電池１０が電気化学反応を生じたときに発生する水素ガスを外部に排出するための透孔１９が形成される。本体１７内には、アノード体３６と、それに横断方向Ｘにおいて離間対向して位置する一対のカソード体（空気極）２８Ａ，２８Ｂとが配置される。

本体１７は、その内部において縦断方向Ｙに延びる、カソード体２８Ａ，２８Ｂが配置された、一対のカソード収容部２０を有する。カソード収納部２０は内方へ開口する断面略コ字状を有し、外側面２１と、第５面１５と離間対向する上面２２ａ及び第６面１６と離間対向する下面２２ｂと、第１面１１に位置する矩形の第１開口端（スロット）２３と、第２面１２に位置する矩形の第２開口端（スロット）２４とを有する。カソード収容部２０は、さらに、上下面２２ａ，２２ｂから屈曲して厚さ方向Ｚの内方へ延び、かつ、厚さ方向Ｚにおいて互い離間対向する屈曲部位から形成された内枠部２５を有する。カソード体２８Ａ，２８Ｂは、カソード収納部２０の内枠部２５に着脱可能又は着脱不能に固定されており、カソード収容部２０内に流入する外部の空気に常時接触した状態で配置される。また、一対のカソード収納部２０間には、中央に透孔を有する硬質プラスチック製のガイド板３０が配置される。ガイド板３０は、その角部の外面が各カソード収納部２０の内枠部２５に固定されている。ガイド板３０に配置されたカソード体２８Ａ，２８Ｂどうしは、それらの第２開口端２４から露出したリード線３３によって電気的に接続されており、カソード体２８Ｂには第１開口端２３から外部に延出するリード線３２が取り付けられている。本実施形態においてカソード収容部２０は、第１及び第２面１１，１２にそれぞれ位置する第１及び第２開口端２３，２４を有しているが、カソード収容部２０が本体１７の縦断方向Ｙの寸法よりも小さく、かつ、いずれか一方が閉止端であって該閉止端が本体１７内に位置するものであってもよい。

蓋体１８は、内周面全体に少なくとも一以上の係合突起を有し、本体１７の第１面１１における第１開口端２３間に位置する円筒部３５の外周面全体に形成された係合突起に着脱可能に嵌着される。蓋体１８の中央部に位置する透孔には、ロッド状のアノード体３６の端部が挿入された状態で取り付けられている。アノード体３６の端部３６ａに位置する開口には、リード線３７が取り付けられている。蓋体１８が本体１７に嵌着されている状態において、アノード体３６はガイド板３０の透孔に挿通されている。蓋体１８を挿入するときにアノード体３６がガイド板３０にガイドされて所定の位置に配置されるので、円筒部３５の開口に斜めに挿入されてカソード体２８Ａ，２８Ｂと接触したりするおそれはない。

カソード体２８Ａ，２８Ｂは、カーボン材等の導電性材料から形成された第１層（電極層）と、活性炭等の正極活物質から形成された第２層（活性層）とが積層された多層構造を有するものであって、全体として通気不透液性であることが好ましい。また、カソード体２８Ａ，２８Ｂは、より集電効率を向上させるために、第１及び第２層のほかに、導電性金属から形成された板状の第３層（集電層）が積層された３層構造を有するものであってもよい。アノード体３６は、イオン化傾向の比較的に大きな電極活物質、例えば、金属マグネシウム、アルミニウム、亜鉛等を用いることができる。

かかる構成を有する空気マグネシウム電池１０において、本体１７の内部に所要量の反応液（水、塩水等）が注入されることによって、内部には注液域４０とその上方に位置するスペースＳとが形成される。カソード収容部２０及びアノード体３６は注液域４０内に位置しており、反応液が酸化触媒として作用してカソード体２８Ａ，２８Ｂとアノード体３６との間にイオン化反応が生じる。イオン化したアノード体３６から発生した電子がカソード体２８Ａ，２８Ｂで酸素と反応液中の水と反応して放電反応が生じて、カソード体２８Ａ，２８Ｂとアノード体３６との間に電位差が生じて所定の起電力を発生する。かかる電気化学反応が発生することによって、本体１７内には水酸化マグネシウム等の析出物と反応ガス（水素ガス）とが生成される。反応液は、水の他に塩水等の電解液を用いることができる。アノード体３６は、後記の本願発明の効果を生じる限りにおいて、蓋体１８に取り付けられておらず、本体１７に直接固定されていてもよいが、蓋体１８に取り付けられている場合には、本体１７から蓋体１８を取り外すことによって、アノード体３６が本体１７内から抜き出されて電気化学反応が終了（停止）されて起電力を生じなくなる。したがって、蓋体１８の着脱自体を空気マグネシウム電池１０の電源のオン、オフとして利用することができる。また、蓋体１８を取り外すことによって、本体１７の内部に水等の反応液を注入したり、新たな反応液を注入するために内部の反応液を排出したりすることができる。

図３を参照すると、蓋体１８が本体１７に嵌着された状態において、アノード体３６はカソード体２８Ａ，２８Ｂ間のほぼ中央に位置している。本体１７の内部には、内部の許容容積の約７０〜９０％の容量の反応液が注入され、反応液の液面４０ａはカソード収容部の上面２２ａよりも縦断方向Ｙの外方に位置しており、カソード収納部２０及びアノード体３６全体が注液域４０内に位置している。通常、カソード体２８Ａ，２８Ｂが本体１７の外周壁に配置されている場合には、本体１７が所要の反応液を収容するための容積を確保するために所要の大きさの外形寸法を有することとなり、外周壁に配置されたカソード体と本体内部に配置されたアノード体との離間距離が比較的に大きくなり、イオン化効率が低下して所望の起電力を発生させることができない。一方、カソード体とアノード体との離間距離を小さくするために本体の外形寸法を小さくした場合には、所要の反応液を注入することができず、長時間安定して所望の起電力を持続して発生させることが困難になる。

本実施形態の空気マグネシウム電池１０においては、注液域４０内のアノード体３６の両側にカソード収容部２０を位置し、カソード収容部２０に外気及び反応液に接触する状態でカソード体２８Ａ，２８Ｂを配置することによってそれらの離間距離を比較的に小さくしてイオン化効率の向上を図るとともに、本体１７が所要の許容容積を有する外形寸法を有することから十分な量の反応液を注入することができ、長時間安定して所望の起電力を持続して発生させることができる。アノード体３６とカソード体２８Ａ，２８Ｂとの横断方向Ｘにおける離間寸法Ｒ１は、具体的には、約５．０〜１５．０ｍｍであることが好ましい。離間寸法Ｒ１は、アノード体３６の円筒外形の曲率により異なるが、約１５．０ｍｍ以上の場合にはイオン化効率が悪くなるおそれがある。一方、離間寸法Ｒ１が５．０ｍｍ以下の場合には、アノード体３６とカソード体２８Ａ，２８Ｂとが接近しすぎてアノード体３６の酸化反応によって生成される水酸化マグネシウムがカソード体２８Ａ，２８Ｂに付着してイオン化効率が低下するおそれがある。

また、カソード収容部２０は、本体１７の各面に接触することなく注液域４０内に位置しており、本体１７の内部空間を分断したりするものではないので、カソード収容部２０を設けることによる許容容積の減少を最小限度に抑えることができる。また、図示した態様よりもさらに第１及び第２開口端２３，２４の幅寸法を小さくすることによって、注液域４０の許容容積をより大きくすることができる。

図５を参照すると、電池１０の電気化学反応が進むにつれてその内部には、アノード体３６から発生した析出物が底（第６面１６側）に堆積している。アノード体３６の真下には比較的に比重の大きな析出物（酸化亜鉛等）４２が堆積され、また、析出物（堆積物）の両側には比較的に比重の小さな析出物（酸化マグネシウム等）４３が堆積されている。既述のとおり、電気化学反応が進行すると、水素ガスが発生して注液域４０内において上方へ向かう対流４９が生じる。注液域４０内に対流４９が発生することによって、比較的に比重の小さな析出物４３は上方へ移動して注液域４０のうちのカソード収容部２０の上方に位置する部分を通過してカソード収容部２０の横断方向Ｘの外側へ移動して、その下方へ堆積される。一方、比較的に比重の大きな析出物４２は対流４９によって上方へ移動することはなく、アノード体３６の真下に堆積される。このように、アノード体３６の析出物４２，４３はその比重によって堆積される位置が異なり、本体１７の底面に局所的に堆積されることはなく全体に堆積されるので、アノード体３６の直下にすべての析出物４２，４３が堆積されて目詰まりを生じたり、析出物４２，４３がアノード体３６に付着してイオン化反応を妨げたりするおそれはない。このように、比重の小さな析出物４３がカソード収容部２０の上面２２ａの真上を通過するためには、該通過部分、すなわち、注液域４０の液面４０ａと上面２２ａとの離間寸法Ｒ２が約２．０〜５．０ｍｍであることが好ましい。離間寸法Ｒ２が２．０ｍｍ以下の場合には、析出物４３が対流４９に乗って移動せずに液面上に浮き上がってしまうおそれがあるからである。

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態における空気マグネシウム電池１０を使用したＬＥＤ照明を有する（照明）電力供給装置５０の斜視図、図７は、図６の模式的断面図である。

電力供給装置５０は、本体５１と、本体５１に取り外し可能に取り付けられた上下蓋体５２ａ，５２ｂとを有する。本体５１は、台座部５３と、台座部５３と支柱を介して連結された支持部５４と、台座部５３の上端に位置するフランジを介して固定された透明又は半透明のプラスチック又はガラス管等から形成された筒状体５５と、台座部５３の中央において筒状体５５内に位置する複数のＬＥＤランプから形成された光源５６と、光源５６からの光を反射するための光源に向かって先鋭状に延びる円錐状かつ中空の反射体５７とを有する。上蓋体５２ａは支持部５４に着脱可能に嵌合されており、把持部５８を有する。下蓋体５２ｂは、台座部５３に着脱可能に嵌合されており、台座部５３と下蓋体５２ｂとによって形成された内部スペースには空気マグネシウム電池１０が配置される。空気マグネシウム電池１０の蓋体１８は、台座部５３の切欠５３ａに位置して外部に露出しており、上面（第５面１５）の中央には注水口５９が形成される。

支持部５４は、筒状体５５が固定された庇部６０と、庇部６０から延出する有底の液供給部６１とを有する。液供給部６１の底部の中央には給水口６２が設けられており、給水口６２から下方へ延びる給水管６３は筒状体５５内において反射体５７、光源５６及び台座部５３を貫通して空気マグネシウム電池１０の注水口５９まで延びている。給水口６２の中央には、上下開口端６６ａ，６６ｂを有し、給水管６３とともに反射体５７、光源５６及び台座部５３を貫通する排気管（排気ストロー）６６が配置される。台座部５３には、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ポータブル音楽プレーヤー等の電気機器を充電するためのプラグ差し込み口を有するコンセント部７０が位置する。電池１０のアノード体３６とカソード体２８Ａ，２８Ｂから延びるリード線３２，３７は、光源及びリード線に電気的に接続されているが、各図において省略されている。電力供給装置５０は、光源５６や反射板５７を備えず、照明機能を有しない電気機器に外部電源を供給するために用いることもできる。

かかる構成を有する空気マグネシウム電池１０において、まず、上蓋体５２ａを取り外して支持部５４の液供給部６１に反応液（水、食塩等）を供給する。液供給部６１に供給された反応液は、給水口６２から給水管６３を通って下方へ流れて空気マグネシウム電池１０の注水口５９からその内部に注入される。給水管６３は、反射体５７内において給水口６２から下方へ向かうにつれて次第に幅狭となる形状を有しており、反応液が下方へ移動しやすくなっている。また、給水管６３の中央に位置する排気管６６を介して空気マグネシウム電池１０内に充満した水素ガスを外部に排出することができるので、空気マグネシウム電池１０内が発生ガスによって高圧になって反応液の供給ができなくなったり、空気マグネシウム電池１０の本体にひび割れが生じたり破裂したりするおそれはない。また、排気管６６は、空気マグネシウム電池１０内に反応液を注入するときに、内部の空気を抜き出して反応液を注入しやすくする作用も有する。図８を参照すると、排気管６６の上開口端６６ａは、給水口６２よりも上方に位置している。このように排気管６６の上開口端６６ａが給水口６２よりも上方に位置することによって、給水口６２から下方に移動する反応液が排気管６６の上端開口６６ａから内部に流れ込んで排気を阻害するおそれはない。また、排気管６６の下開口端６６ｂは、注水口５９よりも上方に位置している。このように、下開口端６６ｂが注水口５９の上方に位置することによって、たとえ注液域４０の液面４０ａが注水口５９に近接する位置にあっても、反応液が排気管６６の下開口端６６ｂから上方へ移動するおそれはない。

このように、電力供給装置５０が起電するときには、上蓋体５２ａを取り外して反応液を液供給部６１に供給することによって、反応液が給水管６３を通って空気マグネシウム電池１０の内部に注入されるので、下蓋体５２ｂを取り外して空気マグネシウム電池１０を台座部５３から取り出して直接注水口５９から反応液を注入する場合に比して操作を簡易に行うことができる。また、排気管６６から反応ガスを排出することができるので、本体１７内が高圧になることはなく、安全性にも優れている。

空気マグネシウム電池１０を構成する各部材としては、前記の材料以外に、この種の物品に用いられる材料を制限なく用いることができる。また、各実施形態における各構成部材の各種寸法は、必要な起電力の大きさに合せて適宜変更することができる。

１０ 空気マグネシウム電池
１７ 本体
１８ 蓋体
２０ カソード収容部
２５ 内枠部
２８Ａ，２８Ｂ カソード体
３０ ガイド板
３６ アノード体
４０ 注液域
４０ａ 液面
５０ 電力供給装置
５３ 台座部
５４ 支持部
６２ 給水口
６３ 給水管
６６ 排気管
６６ａ 排気管の上端開口
Ｒ１ アノード体とカソード体との横断方向Ｘにおける離間寸法
Ｘ 横断方向
Ｙ 縦断方向
Ｚ 厚さ方向

Claims (7)

1. 縦断方向及び横断方向を有し、本体と、前記本体内に位置するアノード体と、
   前記アノード体の前記横断方向の両側に位置するカソード体とを有する空気マグネシウム電池において、
   前記本体は、その内部において前記縦断方向へ延び、かつ、少なくとも一方端が開口している一対のカソード収容部を有し、
   前記カソード収容部は、前記縦断方向において連通する第１及び第２開口端と、前記アノード体と対向する側に位置する内枠部を有し、前記内枠部に薄板状の前記カソード体が配置されており、
   前記カソード体の一部が前記内部に露出しており、前記カソード体の前記一部と前記アノード体とが前記横断方向において離間対向して位置することを特徴とする前記空気マグネシウム電池。
2. 厚さ方向をさらに有し、前記カソード収容部は、前記本体内部に注入された反応液からなる注液域の液面よりも前記厚さ方向において内方に位置する請求項１に記載の空気マグネシウム電池。
3. 前記アノード体と前記各カソード体とがほぼ等間隔で離間しており、その離間寸法が約５．０〜１５．０ｍｍである請求項１又は２に記載の空気マグネシウム電池。
4. 前記アノード体は、前記本体に着脱可能に取り付けられた蓋体に配置されており、前記カソード収容部間には、前記アノード体が挿通される透孔を有するガイド板が配置される請求項１〜３のいずれかに記載の空気マグネシウム電池。
5. 前記液面と前記カソード収容部の前記液面と対向する面との前記厚さ方向における離間寸法は２．０〜５．０ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載の空気マグネシウム電池。
6. 前記請求項１〜５のいずれかに記載の空気マグネシウム電池を電源として使用した電力供給装置において、
   前記電力供給装置は、前記反応液の給水口を備える支持部と、前記空気マグネシウム電池が内部に配置された台座部と、前記給水口から前記台座部に延びる給水管とを有する本体を含み、
   前記給水管は前記空気マグネシウム電池に形成された注水口に連通されており、前記給水管内には、前記支持部から前記空気マグネシウム電池の内部まで延び、その内部に発生した反応ガスを外部に排出するための排気管が配置されることを特徴とする前記電力供給装置。
7. 前記排気管の上端開口は、前記給水口よりも上方に位置する請求項６に記載の電力供給装置。

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