JP5936163B1 - 空気電池及びそれを備えた建物 - Google Patents

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Abstract

【課題】電解液を減少させないための対策を不要としながらも安定した電池性能を得る。【解決手段】空気電池１は、酸素を正極活物質とする正極１１と、負極活物質となる金属を含む負極１２と、正極１１及び負極１２の間に介在されたシート層１３とを備えている。正極１１は、負極１２の金属をイオン化させる電解質と、導電性粒子とを含んだ固体状に形成されている。シート層１３は、正極１１に含まれている電解質を負極１２へ透過させると共に、負極１２で生じた金属イオンを正極１１へ透過させるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、空気電池及びそれを備えた建物に関する。
従来より、空気に含まれる酸素を正極活物質に用いた空気電池が知られている。一般に、空気電池は、負極と、正極と、負極及び正極の間に設けられた電解液層とを備えている。例えば、正極は炭素を含んだ構成を有する一方、負極は金属リチウムなどの金属材料によって形成されている。そして、正極では酸素を用いた還元反応が行われる一方、負極では金属のイオン化反応が行われて電子が放出される。こうして、空気電池は、その全体として発電を行う。
特許文献１及び２には、電解液層の一例が記載されている。すなわち、特許文献１には、塩化カリウム、塩化ナトリウム、水酸化カリウム等の水溶液を電解液として保持する電解液保持層が開示されている。また、特許文献２には、プロピレンカーボネート等の有機電解液が充填された液槽が記載されている。
特開２０１５−４１４９９号公報 特開２０１５−５６２４３号公報
しかし、上記従来の電解液層を有する空気電池では、電解液が蒸発又は揮発すると電池性能が著しく低下するという問題や、電極に設けた端子が腐食してしまうという問題がある。そのため、電解液の蒸発又は揮発を防いだり、電解液を適宜補充するという電解液の減少を防ぐ対策を講じなければならなかった。
また近年、住宅などの建物では、太陽電池（太陽光発電パネル）を補助電源として利用することが進められている。しかし、太陽電池には、日当たりの良い屋根等に設置場所が限られたり、天気の良い日中にしか発電できないという問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的とするところは、空気電池について、電解液を減少させないための対策を不要としながらも安定した電池性能を得ることにある。
本発明に係る空気電池は、負極活物質となる金属を含む負極と、上記負極の金属をイオン化させる電解質と導電性粒子とを含んだ固体状に形成されて酸素を正極活物質とする正極と、上記正極及び上記負極の間に介在されており、上記正極に含まれている電解質を上記負極へ透過させ且つ上記負極で生じた金属イオンを上記正極へ透過させるシート層とを備え、上記シート層は、電解液を含んでおらず且つ吸湿性を有する材料によって構成されており、上記正極に含まれている電解質は、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記負極へ移動可能になると共に、上記負極で生じた金属イオンは、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記正極へ移動可能になっている。
上記正極は、上記電解質及び上記導電性粒子が分散された固体状の樹脂によって構成されていることが望ましい。
上記電解質は塩化ナトリウムであり、上記導電性粒子は炭素材料からなることが好ましい。
また、本発明に係る建物は、壁の内部、床下、及び天井裏の少なくとも１つに空気電池が収容されている。そして、上記空気電池は、負極活物質となる金属を含む負極と、上記負極の金属をイオン化させる電解質と導電性粒子とを含んだ固体状に形成されて酸素を正極活物質とする正極と、上記正極及び上記負極の間に介在されており、上記正極に含まれている電解質を上記負極へ透過させ且つ上記負極で生じた金属イオンを上記正極へ透過させるシート層とを備え、上記シート層は、電解液を含んでおらず且つ吸湿性を有する材料によって構成されており、上記正極に含まれている電解質は、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記負極へ移動可能になると共に、上記負極で生じた金属イオンは、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記正極へ移動可能になっている。
上記正極は、上記電解質及び上記導電性粒子が分散された固体状の樹脂によって構成されていることが望ましい。
上記電解質は塩化ナトリウムであり、上記導電性粒子は炭素材料からなることが好ましい。
本発明に係る空気電池によれば、正極に含まれる電解質がシート層を透過して負極へ移動することにより、その電解質が負極の金属をイオン化させて電子を発生させることができる。負極で生じた金属イオンは、シート層を透過して正極へ移動すると共に正極内で導電性粒子を伝って移動することができる。正極では酸素が電子を受け取って金属イオンと反応する。こうして、空気電池により発電が行われる。
このように、本発明に係る空気電池では、電解質が含まれた固体状の正極とシート層と負極とを備えており、電解液を有しない構成としたので、電解液を減少させないための対策を不要としながらも安定した電池性能を得ることができる。さらに、電解液を用いないので、空気電池の取り扱いが容易になる効果も得ることができる。しかも、正極と負極との間にシート層を介在させるという構成にしたので、空気電池の厚み大幅に薄くすることができる。その結果、空気電池を設置する場所の自由度を高めることができる。
さらに、電解質及び導電性粒子を分散させた固体状の樹脂によって正極を構成すれば、電解質及び導電性粒子を含む正極を安定した形状で実現することができる。
さらにまた、シート層が吸湿性を有していれば、シート層が空気中の水分を含むようになるので、正極の電解質を好適に負極へ移動させることができると共に、負極の金属イオンを好適に正極へ移動させることができる。特に、電解質を塩化ナトリウムとし、導電性粒子を炭素とすることによって、良好な電池性能を得ることができる。
また、本発明に係る建物によれば、空気電池を備えることにより、太陽電池のように日当たりを考慮する必要がないので、建物に電池を設置できる範囲が広くなり、昼夜を問わず発電できるので１日当たりの発電量を大幅に増加させることができる。しかも、壁の内部、床下、及び天井裏というスペースを有効に利用して空気電池を収容したので、建物の見栄えや住空間を良好に確保しつつ十分な電力を得ることができる。
特に、空気電池を正極と負極との間にシート層を介在させるという構成としたので、空気電池の厚みを薄くして大幅に小型化できる。そのため、空気電池を壁の内部、床下、又は天井裏に好適に設置することができる。しかも、電解液を用いないので、空気電池の維持管理が極めて容易になる。
図１は、本実施形態における空気電池の構造を示す断面図である。 図２は、本実施形態における空気電池を備えた建物を模式的に示す断面図である。 図３は、建物における電力の制御を説明するためのブロック図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は、本実施形態における空気電池１の原理を模式的に示している。図１に示すように、空気電池１は、酸素を正極活物質とする正極１１と、負極活物質となる金属を含む負極１２と、正極１１及び負極１２の間に介在されたシート層１３とを備えている。シート層１３は、正極１１及び負極１２のそれぞれに接触している。
負極１２に含まれる負極活物質としての金属は、例えばアルミニウムである。本実施形態では、矩形状のアルミニウム板によって負極１２を構成した。負極１２は、空気電池１による発電が進むにつれて厚みが減少していく。そのため、空気電池１を使用する期間に応じて厚みを設定すればよい。本実施形態では、負極１２の厚みを例えば３ｍｍ程度とした。尚、負極１２に含まれる金属は、アルミニウム以外にも例えばマグネシウムや金属リチウム等の他の金属であってもよい。
正極１１は、負極１２の金属をイオン化させる電解質と導電性粒子とを含んだ固体状に形成されている。また、正極１１は、上記電解質及び上記導電性粒子が分散された固体状の樹脂によって構成されている。
正極１１に含まれている導電性粒子は、負極１２で生じた金属イオン及び電子を正極１１内で移動可能にする。導電性粒子は、例えば活性炭の粒子である。この導電性粒子には、活性炭以外の炭素材料（例えばカーボンブラックやグラファイト等）利用することも可能である。しかし、正極１１に酸素を取り入れやすくするためには、多孔質である活性炭を利用することが望ましい。また、金属等の他の導電性材料を上記導電性粒子としてもよい。
正極１１に含まれている電解質は、例えば塩化ナトリウムである。電解質としての塩化ナトリウムには、天然塩等の粒子が比較的粗い塩（粗塩）を用いることが望ましい。そのことにより、空気電池１の電池性能を高められることが本願発明者の実験により分かっている。すなわち、天然塩等の粗塩を用いると、負極１２の金属の分解速度が速くなり、また負極１２の全体を略均一に分解することができる。
尚、電解質は、塩化ナトリウム以外にも、負極１２の金属材料に応じてその金属材料をイオン化させやすい電解質を適用すればよい。
正極１１は、例えば塩化ビニル等の固体状の樹脂を基材としており、その樹脂には、電解質（塩化ナトリウム）と、導電性粒子（活性炭の粒子）とが分散して混合されている。正極１１を構成する樹脂は、耐久性の高い材料が好ましく、塩化ビニル以外にもポリカーボネート等の他の合成樹脂であってもよい。正極１１は、例えば矩形板状に形成されている。
電解質（塩化ナトリウム）は、電池性能を高めるために、樹脂に対して３重量％以上且つ２０重量％程度の範囲が適量であるが、５重量％前後が最適である。一方、導電性粒子としての活性炭は、電池性能を高めるために、樹脂に対して３０重量％以上且つ６０重量％程度の範囲が適量であるが、４５重量％前後が最適である。
尚、正極１１には、還元反応を活性化させるための触媒を添加してもよい。また、正極１１には、シート層１３と反対側に導電板を設けて、この導電板に配線を接続するようにしてもよい。導電板の材質としては、例えば銅などの導電性のよい金属材料が好ましい。ただし、正極１１への酸素の供給が阻害されないように、なるべく小さい面積の導電板とすることが望ましい。
シート層１３は、正極１１に含まれている電解質を負極１２へ透過させると共に、負極１２で生じた金属イオンを正極１１へ透過させるように構成されている。また、シート層１３は、絶縁材料によって形成されている。
例えば、シート層１３は、紙や布等の吸湿性を有する材料によって形成することが可能である。シート層１３の厚みは例えば０．５ｍｍ程度である。シート層１３が吸湿性を有していれば、空気中の水分を吸収したシート層１３に正極１１の電解質が浸透し、その電解質が正極１１から負極１２へ移動可能となる。さらに、空気中の水分を吸収したシート層１３に負極１２で生じた金属イオンが浸透し、その金属イオンが負極１２から正極１１へ移動可能となる。
シート層１３は、紙や布以外の他の材料によって形成してもよい。例えば、塩化ビニル等の樹脂材料からなるシート材によって構成してもよい。この場合、樹脂のシート材には、例えば３重量％前後の電解質（塩化ナトリウム等）を分散して混合させておくことが望ましい。そのことにより、良好に電池反応を生じさせることができる。
さらに、シート層１３は、例えば紙、布及び樹脂等の各材料からなる場合であっても、複数の貫通孔（図示省略）を形成しておくことが望ましい。そのことにより、電解質及び金属イオンをより透過させやすくなるので、電池性能をより高めることができる。
シート層１３は、空気電池１の使用前において電解質を含んでいなくてもよい。しかしながら、シート層１３は、正極１１に含まれる電解質と同じ電解質を空気電池１の使用前から予め含んでいることが好ましい。そのことにより、空気電池１の使用開始直後から速やかに電解質を負極１２へ供給して電池反応をスムーズに開始させることができる。
予め電解質を含むシート層１３は、例えば５重量％程度の電解質（塩化ナトリウム等）を含む水溶液に紙や布等からなるシート材を浸漬し、その後にシート材を乾燥させることによって作成できる。
そして、上記空気電池１では、図１に矢印Ａで示すように、正極１１に含まれる電解質（塩化ナトリウム）がシート層１３を透過して負極１２へ移動する。負極１２へ到達した塩化ナトリウムは、負極１２を構成している金属（アルミニウム）をイオン化させると共に、電子を発生させる。
負極１２で生じた電子は、図１に矢印Ｂで示すように、正極１１へ向かって配線１４を流れる。一方、負極１２で生じた金属イオン（アルミニウムイオン）は、図１に矢印Ｃで示すように、シート層１３を透過して正極１１へ移動する。正極１１に到達したアルミニウムイオンは、正極１１に含まれている導電性粒子（活性炭）を伝って正極１１内を移動する。そして、正極１１周りにおける空気中の酸素が電子を受け取ってアルミニウムイオンと反応する。こうして、空気電池１により発電が行われる。
ここで、図２は、空気電池１を備えた建物１０を模式的に示している。建物１０は、図３に示すように、地面２１にベタ状に打設されたコンクリート層からなる基礎２２と、外壁や間仕切り等の壁２３と、床部２４と、天井部２５と、屋根部２６とを有している。基礎２２と床部２４との間には、床下２７が形成されている。また、天井部２５と屋根部２６との間には、天井裏２８が形成されている。
本実施形態における建物１０には、壁２３の内部、床下２７、及び天井裏２８に空気電池１が収容されている。
建物１０には、例えば、図２に示される空気電池１のユニットが複数収容され、互いに接続されている。空気電池１は、１つのユニット当たりの出力が１Ｖである。このユニットを直列に接続することにより、所望の電圧を得ることができる。空気電池１のユニットは全体として矩形板状に形成されており、正極１１、シート層１３及び負極１２の積層方向における厚みが例えば５ｍｍ程度である。また、空気電池１のユニットの大きさは、例えば、縦が７５ｍｍ程度であり、横が１４ｍｍ程度である。尚、空気電池１のユニットの寸法は、使用目的に応じて自在に変更することが可能である。
空気電池１を１年間発電させると、アルミニウムの厚みは約０．１ｍｍ減少する。したがって、建物１０の耐用年数を５０年として想定すると、アルミニウムの厚みを約５ｍｍとすることにより、この建物１０において空気電池１を電源として５０年間使用することができる。
建物１０の壁２３は中空状に形成されており、その内部に空気電池１が収容されている。壁２３には、その内部に空気を導入するための空気導入口（図示省略）が形成されている。また、床下２７では、基礎２２の上に空気電池１が設置されている。天井裏２８では、天井部２５の上に空気電池１が設置されている。
このように、空気電池１を壁２３の内部、床下２７、及び天井裏２８に収容することによって、建物１０の室内や室外から空気電池１が視認されないようにしつつ、壁２３の内部、床下２７及び天井裏２８におけるスペースを有効に利用することができる。
ここで、図３は、建物１０における電力の制御を説明するためのブロック図である。建物１０には、空気電池１を電源として適切に利用するための制御部３１と、蓄電池３２とが設けられている。制御部３１は空気電池１に接続されており、蓄電池３２は制御部３１に接続されている。
空気電池１は、周囲の空気中に含まれる酸素を利用して発電するので、昼夜を問わず、常時発電している。一方、建物１０で使用される電力は、時間帯によって変動する。したがって、空気電池１によって発電される電力は、建物１０で必要な電力に対して過不足が生じ得る。尚、一般的な家庭で必要な電力は、８〜１２Ｋｗ／ｈといわれているが、近年、省エネルギー化が進められたことにより、その必要な電力の３０％前後は低減している。本実施形態の建物１０にも、ＬＥＤ照明等の省電力設備が設置されている。
建物１０で必要な電力が空気電池１の発電量を下回っている場合、制御部３１は、空気電池１により発電された電力を建物１０内の電気設備へ供給すると共に、余剰の電力を蓄電池３２へ蓄電する。一方、建物１０で必要な電力が空気電池１の発電量を上回っている場合、制御部３１は、空気電池１により発電された電力を建物１０内の電気設備へ供給すると共に、蓄電池３２に蓄電されている電力を建物１０内の電気設備へ供給する。このようにして、空気電池１により発電された電力を適切に利用することができる。
以上説明したように、本実施形態の空気電池１によると、電解質が含まれた固体状の正極１１とシート層１３と負極１２とを備えており、電解液を有しない構成としたので、電解液の蒸発や揮発を防止するための構造や、電解液を補充する構成等、電解液を減少させないための対策を不要としながらも安定した電池性能を得ることができる。また、正極１１及び負極１２に端子を設けた場合、上記空気電池１では電解液を用いないことから、その端子の腐食を防止することができる。さらに、電解液を用いないので、空気電池１の取り扱いが容易になる。
しかも、正極１１と負極１２との間にシート層１３を介在させるという構成にしたので、空気電池１の厚みを大幅に薄くすることができる。その結果、空気電池１を設置する場所の自由度を高めることができる。
さらに、電解質及び導電性粒子を分散させた固体状の樹脂によって正極１１を構成したので、電解質及び導電性粒子を含む正極１１を安定した形状で実現することができる。特に、電解質を塩化ナトリウムとし、導電性粒子を炭素とすることによって、良好な電池性能を得ることができる。
また、シート層１３が吸湿性を有することにより、シート層１３が空気中の水分を含むようになるので、正極１１の電解質を好適に負極１２へ移動させることができると共に、負極１２の金属イオンを好適に正極１１へ移動させることができる。また、シート層１３が、当該空気電池１の使用前から予め電解質を含む構成とすることにより、空気電池１の使用開始直後から速やかに電解質を負極１２へ供給して電池反応をスムーズに開始させることができる。
また、本実施形態によると、建物１０における壁２３の内部、床下２７、及び天井裏２８に空気電池１を設置することにより、太陽電池のように日当たりを考慮する必要がないので、建物１０に電池を設置できる範囲が広くなり、昼夜を問わず発電できるので１日当たりの発電量を大幅に増加させることができる。しかも、壁２３の内部、床下２７、及び天井裏２８というスペースを有効に利用して空気電池１を収容したので、建物１０の見栄えや住空間を良好に確保しつつ十分な電力を得ることができる。
さらに、空気電池１の負極１２に含まれる金属をアルミニウムとしたので、空気電池１を軽量化して、建物１０の構造体に加わる負荷を軽減させることができる。特に、空気電池１を床下２７の基礎２２に固定すれば、空気電池１を支持するための補強が不要になる点、及び空気電池１を収容する容積を比較的大きく確保できる点で、好適である。
また、空気電池１は、活性炭を含む正極１１を有しているので、壁２３、床下２７、及び天井裏２８に設置することによって、断熱効果及び消臭効果を得ることもできる。一方、空気電池１は、負極１２としてのアルミニウム層を有しているので、携帯端末の電波を室内で確実に受信するためのアンテナを設置することが好ましい。
尚、空気電池１は、壁２３の内部、床下２７、及び天井裏２８の全てに収容する必要はなく、これらの少なくとも１つに収容すればよい。また、これら以外にも、建物１０の外壁面や屋上等、若しくは建物１０の外部に空気電池１を設置してもよい。
本実施形態では、床下２７に空気電池１を収容した例について説明したが、これに限らず、床部２４の内部に空気電池１を収容するようにしてもよい。また、天井裏２８に空気電池１を収容した例についても説明したが、これに限らず、天井部２５の内部に空気電池１を収容してもよい。また、複数階を有する建物１０では、下の階の天井部２５と、上の階の床部２４との間に空気電池１を収容すればよい。
また、空気電池１の形状は、矩形板状以外にも、設置場所に応じて例えば円盤状や三角板状等の他の任意の形状とすることが可能である。
また、以上の説明では空気電池１を建物１０に設置した例について説明したが、これに限らず、例えば自動車、船、及び飛行機等のように内部空間を有する個体や移動体等に幅広く設置することができる。さらに、上記空気電池１を蓄電池として利用することも可能である。
以上説明したように、本発明は、空気電池及びそれを備えた建物について有用である。
１ 空気電池
１０ 建物
１１ 正極
１２ 負極
１３ シート層
２３ 壁
２７ 床下
２８ 天井裏

Claims (6)

  1. 負極活物質となる金属を含む負極と、
    上記負極の金属をイオン化させる電解質と導電性粒子とを含んだ固体状に形成されて酸素を正極活物質とする正極と、
    上記正極及び上記負極の間に介在されており、上記正極に含まれている電解質を上記負極へ透過させ且つ上記負極で生じた金属イオンを上記正極へ透過させるシート層とを備え、
    上記シート層は、電解液を含んでおらず且つ吸湿性を有する材料によって構成されており、
    上記正極に含まれている電解質は、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記負極へ移動可能になると共に、
    上記負極で生じた金属イオンは、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記正極へ移動可能になっている、空気電池。
  2. 請求項１に記載の空気電池において、
    上記正極は、上記電解質及び上記導電性粒子が分散された固体状の樹脂によって構成されている、空気電池。
  3. 請求項１又は２に記載の空気電池において、
    上記電解質は塩化ナトリウムであり、
    上記導電性粒子は炭素材料からなる、空気電池。
  4. 壁の内部、床下、及び天井裏の少なくとも１つに空気電池が収容されており、
    上記空気電池は、負極活物質となる金属を含む負極と、上記負極の金属をイオン化させる電解質と導電性粒子とを含んだ固体状に形成されて酸素を正極活物質とする正極と、上記正極及び上記負極の間に介在されており、上記正極に含まれている電解質を上記負極へ透過させ且つ上記負極で生じた金属イオンを上記正極へ透過させるシート層とを備え、
    上記シート層は、電解液を含んでおらず且つ吸湿性を有する材料によって構成されており、
    上記正極に含まれている電解質は、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記負極へ移動可能になると共に、
    上記負極で生じた金属イオンは、空気中の水分を吸収した上記シート層に浸透して上記正極へ移動可能になっている、建物。
  5. 請求項４に記載の建物において、
    上記正極は、上記電解質及び上記導電性粒子が分散された固体状の樹脂によって構成されている、建物。
  6. 請求項４又は５に記載の建物において、
    上記電解質は塩化ナトリウムであり、
    上記導電性粒子は炭素材料からなる、建物。
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