JP5999317B2

JP5999317B2 - 空気電池

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Publication number: JP5999317B2
Application number: JP2012085303A
Authority: JP
Inventors: 佳子塚田; 長山　森; 森長山; 宮澤　篤史; 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: JP2013214473A

Description

本発明は、酸素を正極活物質として利用する空気電池に関し、とくに、使用時に電解質用液体を注入するようにした注液式の空気電池に関するものである。

従来の空気電池としては、例えば、特許文献１に記載されたものがあった。特許文献１に記載の空気電池は、電極を有する枠と、この枠及び電解液を収容するタンクを備えている。枠は、所定間隔をおいて配置した一対のカソードと、各カソードの外側に相対向するアノードを備えている。

上記の燃料電池は、枠及びタンクにひれ状物及び溝が形成してあり、組合わせた際にこれらを係合させることで、タンク内に、電気的に分離された電解質保持帯域を形成する。これにより、アノード間の電解液を介しての電流の流路（液絡）を削減させるものとしている。また、上記の空気電池は、一対のカソードの間に非導電性バッフルを配置し、カソード間に液体が入った場合でも、カソード間に電流路を与えないようにしている。上記の空気電池は、例えば、電解液に海水を用いるものであって、海中に差し入れることにより、タンク内に海水を導入して発電を開始する。

特開昭６２−１７７８７３号公報

ところで、近年では、自動車等の車両の電源又は補助電源として使用する空気電池の研究開発が進められている。この車載用の空気電池は、車両に要する出力と容量が求められるので、複数個を直列に接続した構成にすると共に、電解液には強アルカリ電解液を用いる必要がある。

ところが、上記したような従来の空気電池は、電解質保持帯域の仕切り部分ではひれ状物と溝とが係合しているだけなので、電解液を介したアノード間の液絡を完全に阻止することができず、強アルカリ電解液を使用する高出力・高容量の空気電池には適用することが困難であるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

つまり、電解液に海水を用いる空気電池では、電解液の抵抗も低く、出力が小さいので、若干の液絡が生じても実用上の問題は無いが、電解液に強アルカリ電解液を使用する空気電池では、電解液の抵抗が大きいので、僅かな液絡も無視できないからである。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、複数の電極構造体を直列配置した注液式の空気電池であって、電解質用液体を介した電極構造体同士の液絡を確実に防ぐことができる空気電池を提供することを目的としている。

本発明に係る空気電池は、空気極と金属負極との間に電解質用液体の充填部を有する複数の電極構造体と、前記複数の電極構造体を個別に収納する電極収納部と、前記複数の電極構造体に前記電解質用液体を供給するための液体供給手段と、を備えている。また、前記電極収納部は、前記複数の電極構造体を直列配置して収納すると共に、前記複数の電極構造体の充填部に前記電解質用液体を注入するための注液孔と、少なくとも隣接する注液孔同士の間に配置した撥水部と、を備えている。

そして、空気電池は、前記液体供給手段が、前記電解質用液体の貯留タンクと、前記貯留タンクの電解質用液体を前記注液孔に向けて流出させる注液装置を備え、前記注液孔と注液装置とが、空間をおいて離間している構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。上記の構成において、電解質用液体は、電解液そのものや、電極構造体の内部に混入させた電解質を溶融するための液体（水）などを含むものである。

本発明に係る空気電池は、複数の電極構造体を直列配置した注液式の空気電池において、電解質用液体を介した電極構造体同士の液絡を確実に防ぐことができる。これにより、電解液に強アルカリ電解液を使用する高出力・高容量の空気電池にも適用可能であり、自動車等の車載用電源として非常に好適なものになる。

本発明に係る空気電池の一実施形態を説明する断面図（Ａ）及び電極収納部の上部の拡大断面図（Ｂ）である。図１に示す空気電池を備えた空気電池システムを概略的に示すブロック図である。本発明に係る空気電池の他の実施形態を説明する断面図（Ａ）及び電極収納部の上部の拡大断面図（Ｂ）である。本発明に係る空気電池のさらに他の実施形態を説明する断面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。本発明に係る空気電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、電解質用液体の注入時の断面図（Ａ）及び注入後の断面図（Ｂ）である。本発明に係る空気電池のさらに他の実施形態を説明する断面図（Ａ）及び注液装置と電極収納部の上部の拡大断面図（Ｂ）である。

図１に示す空気電池Ｃは、空気極１１と金属負極１２との間に電解質用液体の充填部１３を有する複数の電極構造体１と、各電極構造体１を個別に収納する電極収納部２と、各電極構造体１に電解質用液体を供給するための液体供給手段３を備えている。なお、電極構造体１は、後に電解質用液体が供給されることにより、単電池（空気電池）となる。したがって、本発明に係る空気電池Ｃは、単電池の集合体であり、組電池ともいう。

図示例の電極構造体１は、全体として矩形板状を成している。この電極構造体１を構成する空気極１１は、図示を省略したが、正極部材と、最外層に配置した撥水層で構成してある。正極部材は、例えば、触媒成分、及び触媒成分を担持する導電性の触媒担体を含むものである。

触媒成分としては、具体的には、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属及びこれらの合金などから選択することができる。触媒成分の形状や大きさは、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒成分と同様の形状及び大きさを採用することができる。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。触媒粒子の平均粒子径は、１〜３０ｎｍであることが好ましい。触媒粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。

触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、及び触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。触媒担体としては、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５〜２００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするとよい。

正極部材において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは３０〜７０質量％であるが、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の材料を適用することができる。

撥水層は、電解質用液体に対して液密性（水密性）を有し、且つ酸素に対して通気性を有する部材である。この撥水層は、電解質用液体が外部へ漏出するのを阻止し得るように、ポリオレフィンやフッ素樹脂などの撥水膜を用いており、一方、正極部材に酸素を供給し得るように多数の微細孔を有している。

電極構造体１を構成する金属負極１２は、標準電極電位が水素より卑な金属単体又は合金から成る負極活物質を含むものである。標準電極電位が水素より卑な金属単体としては、例えば亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）などを挙げることができる。また、合金としては、これらの金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものを挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の材料を適用することができる。

電解質用液体は、電解液そのものや、例えば電極構造体１の内部あるいは貯留タンク３１から注液装置３２の配管３４（図２に示す）内に配置又は混入させた固体の電解質を溶融するための液体（水）などを含むものである。電解液の場合には、例えば塩化カリウム、塩化ナトリウム、水酸化カリウムなどの水溶液を適用することができるが、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の電解液を適用することができる。電解質用液体液の量は、当該空気電池Ｃの放電時間、放電時に生じる金属塩の析出量などを考慮して決定される。

電極収納部２は、矩形板状の各電極構造体１を立てた状態にし、これらを水平方向に直列配置して個別に収納している。この際、電極収納部２は、各電極構造体１の空気極１１側に空気室２１を夫々形成する。また、電極収納部２は、その上部に、各電極構造体１の充填部１３に電解質用液体を注入するための注液孔２２と、少なくとも隣接する注液孔２２同士の間に配置した撥水部６１を備えている。

上記の撥水部６１は、適宜の撥水剤を塗布することにより形成することができる。この撥水部６１は、電解質用液体すなわち水や電解液に対する接触角が、少なくとも５０度以上であり、望ましくは８０度以上である。さらに、電極収納部２は、その上部において、電極構造体１の配列端部にも同様の撥水部６１を有している。つまり、撥水部１は、各注液孔２２の両側に配置してある。

液体供給手段３は、電解質用液体の貯留タンク３１と、貯留タンク３１の電解質用液体を注液孔２２に向けて流出させる注液装置３２を備えている。この実施形態では、前記注液装置３２が、電解質用液体の流出を制御する開閉体４１を備えていると共に、各注液孔２２毎に配置してある。図示例の開閉体４１は、開閉バルブである。また、電極収納部２は、注液装置３２から下側に離間している。

ここで、上記の空気電池Ｃは、図２に示す空気電池システムを構成する。この場合、電極構造体１は、各電極１１，１２をケースに収容してカートリッジとし、図中の矢印で示すように、電極収納部２に収納する。また、電極収納部２は、図示しないカバーを設けて、このカバーに注液孔２２や撥水部６１を設けることができる。

さらに、電極収納部２は、内部にバスバー２３を備え、収納した各電極構造体１同士を直列に接続する。この電極収納部２は、制御装置４を介してモータ等の被駆動体５に電力を供給する。

さらに、電極収納部２には、空気供給手段６が接続され、この空気供給手段６により各電極構造体１の空気室２１に空気を供給する。空気供給手段４は、エアコンプレッサ、流量制御バルブ及び配管類などで構成してある。

前記液体供給手段３は、先述した貯留タンク３１、注液装置３２及び配管３４を備えると共に、電解質用液体の流通を制御する制御装置３３を備えている。制御装置３３は、ポンプ及び流量制御バルブなどで構成してある。この液体供給手段３は、図１に示すように、貯留タンク３１と注液装置３２とが直結している構成だけでなく、双方を分離配置した構成にすることもできる。

上記構成を備えた空気電池Ｃは、液体供給手段３において、各注液装置３２の開閉体（開閉バルブ）４１を開放することにより、各注液孔２２の上位側から電解質用液体を流出させて、これを各電極構造体１の充填部１３に注入する。これにより、各電極構造体１は、単電池（空気電池）となって発電を開始する。

このとき、上記の空気電池Ｃは、電解質用液体の注入後、僅かな電解質用液体が電極収納部２の上面に残ることもあり得る。これに対して、空気電池Ｃは、撥水部６１において電解質用液体を排除し、残留した電解質用液体が隣接する注液孔２２同士を結ぶのを阻止する。これにより、空気電池Ｃは、電極構造体（単電池）１同士の間における液絡、すなわち電解質用液体を介した短絡を確実に防ぐことができる。

したがって、当該空気電池Ｃは、強アルカリ電解液のように、抵抗が大きくて僅かな液絡をも無視できない電解液を使用する高出力・高容量の空気電池にも充分適用可能である。よって、高出力・高容量が要求される自動車等の車載用電源として非常に好適なものになる。

さらに、上記の空気電池Ｃは、貯留タンク３１を複数の電極構造体１で共用するので、構造の簡略化や低コスト化を図ることができる。また、注液装置３２が、開閉体（開閉バルブ）４１を備えているので、電解質用液体の使用量を調整することができ、注液後においては、開閉体４１を閉じることで、貯留タンク３１内の電解質用液体を介した液絡を防ぐことができる。

さらに、上記の空気電池Ｃは、注液装置３２が、各注液孔２２毎に配置してあるので、個々の電極構造体１に対して電解質用液体を速やかに注入することができ、起動時間を短縮し得る。しかも、上記の空気電池Ｃは、選択した電極構造体１だけに電解質用液体を注入すること可能なので、必要な電気量に応じた数の電極構造体（単電池）１を起動させることができ、このほか、注液の自動制御にも容易に対処することができる。

さらに、上記の空気電池Ｃは、電極収納部２と注液装置３２とが、上下に離間しているので、電解質用液体の注入時及び注入後において、液体供給手段３側の電解質用液体を介した電極構造体（単電池）１同士の液絡を阻止することができる。

図３〜図６は、本発明に係る空気電池の他の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図３に示す空気電池Ｃは、電池収納部２の上面に、各電極構造体１に対応する注液孔２２と、撥水部６１を備えると共に、各注液孔２２の開口部周囲に、親水部６２を有している。これにより、電池収納部２の上面には、撥水部６１と、注液孔２２を含む親水部６２とが交互に配置してある。

上記親水部６２は、適宜の親水剤を塗布することにより形成することができる。また、親水部６２は、電解質用液体すなわち水や電解液に対する接触角が、少なくとも８０度未満であり、望ましくは５０度未満である。

上記構成を備えた空気電池Ｃは、撥水部６１により、先の実施形態と同様に液絡防止の作用及び効果を得ることができると共に、親水部６２により、電解質用液体が注液孔２２に流れ込み易くなり、注液速度の向上に伴って起動時間のさらなる短縮を実現することができる。

図４に示す空気電池Ｃは、電池収納部２の上面に、各電極構造体１に対応する注液孔２２と、撥水部６１を備えると共に、少なくとも隣接する注液孔同士の間を区画する凸部５１を備えている。この凸部５は、図４（Ｂ）に示す如く空気電池Ｃの幅方向にわたって設けてあり、その頂部に前記撥水部６１が設けてある。

上記構成を備えた空気電池Ｃは、先の実施形態と同様に、撥水部６１により液絡を防止するうえに、凸部５１を設けてその頂部を撥水部６１としているので、電解質用液体の注入時には、同液体が注液孔２２に流れ込み易くなると共に、凸部５１に残留し難くなる。また、電解質用液体の注入後には、凸部５１及び撥水部６１により、電解質用液体を介した電極構造体（単電池）１同士の液絡を完全に阻止し得る。

なお、凸部５１は、その形状を適宜選択することが可能であり、例えば、注液孔２２側に下る斜面や段差を有する形状にして、その頂部に撥水部６１を設けることで、電解質用液体の注入をより円滑にし、且つ電解質用液体を介した液絡を確実に防止する。

図５に示す空気電池Ｃは、液体供給手段３の注液装置３２が、開閉体４２を備え、複数の注液孔２２に対して電解質用液体を流出させるように配置してある。この実施形態の開閉体４２は仕切り板である。また、電極収納部２は、その上面の両端部又は外周部にリブ２４を有している。このリブ２４は、注液時において、電解質用液体の電池外側への流出を防止するものである。

上記の空気電池Ｃは、開閉体４２を開放することで、電極収納部２の上面側に電解質用液体を一斉に流出させ、複数の電極構造体１に電解質用液体を注入する。この空気電池Ｃは、電解質用液体の注入から起動に至るまでの時間を大幅に短縮することができる。さらに、空気電池Ｃは、電解質用液体の注入後には、撥水部６１において電解質用液体を排除し、電解質用液体が注液孔２２同士を結ぶのを阻止する。これにより、電解質用液体を介した電極構造体（単電池）１同士の液絡を確実に防止することができる。

図６に示す空気電池Ｃは、電極収納部２の上面に、注液孔２２、撥水部６１及び親水部６２を備えると共に、注液装置３２の少なくとも周囲の表面に撥水部６１が設けてある。また、電極収納部２の上面には、液体供給手段３の貯留タンク３１に当接するリブ２５が設けてある。このリブは、先の実施形態と同様に、注液時における電解質用液体を電池外部への流出を防止すると共に、液体供給手段３の位置決めを行う機能を有している。

上記の空気電池Ｃは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができると共に、貯留タンク３１側の撥水部６１により、注液装置３２の周囲に電解質用液体が付着するのを防止する。これにより、空気電池Ｃは、図示の如く貯留タンク３１とリブ２５とが接触している構成において、貯留タンク３１側の電解質用液体を介した電極構造体（単電池）１同士の液絡を防ぐことができる。

本発明の空気電池は、その構成が上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各部位の形状、個数及び材料などの構成の細部を適宜変更することが可能である。したがって、例えば、親水部は、複数の注液孔２２の少なくとも１つの開口部周囲に設けることができる。また、上記角実施形態では、所定長さを有する撥水部を例示したが、例えば、注液孔を包囲する領域に撥水部を設けることも可能である。

Ｃ注液式空気電池
１電極構造体
２電極収納部
３液体供給手段
１１空気極
１２金属負極
１３充填部
２２注液孔
３１貯留タンク
３２注液装置
４１４２開閉体
５１凸部
６１撥水部
６２親水部

Claims

空気極と金属負極との間に電解質用液体の充填部を有する複数の電極構造体と、
前記複数の電極構造体を個別に収納する電極収納部と、
前記複数の電極構造体に前記電解質用液体を供給するための液体供給手段と、を備え、
前記電極収納部は、前記複数の電極構造体を直列配置して収納すると共に、前記複数の電極構造体の充填部に前記電解質用液体を注入するための注液孔と、少なくとも隣接する注液孔同士の間に配置した撥水部と、を備えており、
前記液体供給手段は、前記電解質用液体の貯留タンクと、前記貯留タンクの電解質用液体を前記注液孔に向けて流出させる注液装置を備え、
前記注液孔と注液装置とが、空間をおいて離間していることを特徴とする空気電池。
前記複数の注液孔のすくなくとも１つの開口部周囲に、親水部を有していることを特徴とする請求項１に記載の空気電池。
前記電池収納部が、少なくとも隣接する注液孔同士の間を区画する凸部を備えており、
凸部の頂部に前記撥水部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気電池。
前記注液装置が、電解質用液体の流出を制御する開閉体を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気電池。
前記注液装置が、前記複数の注液孔に対して前記電解質用液体を流出させるように配置してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気電池。
前記注液装置が、各注液孔毎に配置してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の空気電池。
前記電極収納部が、前記注液装置から離間していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の空気電池。
前記注液装置の少なくとも周囲の表面が、撥水性を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の空気電池。