JP6035690B2 - 空気電池システム - Google Patents

Description

本発明は、金属極（負極）/電解液/空気極（正極）の構造を有する空気電池を有する空気電池システムに関する。

この種の従来技術として、「積層型電池」とした名称において特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された積層型電池は、電解質を介して互いに対面する第１電極及び第２電極とを備えたセルを２個以上積層したセル積層体と、該セル積層体の各セルの該第１電極に導通する第１端子と、該セル積層体の各セルの該第２電極に導通すると共に隣設するセルの該第１端子と接触する第２端子とで構成され、各該セルの第１端子及び第２端子の一方は平坦端子面を備え、各該セルの第１端子及び第２端子の他方は、２個以上並設され且つ該平坦端子面に圧接するバネ性を有する分割端子板からなる端子板群を備えたものである。

日本国特開平７−８５８９９号公報

ところで、上記特許文献１に開示されている積層型電池では、電極が消耗しきるまで電解質を液室に収容しているために、発電の必要がなくなっても、発電を適時に停止させることができないものである。

そこで本発明は、発電を適時に停止させられるとともに、電解液に起因する各種損傷要因を取り除くことができる空気電池システムの提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、電解質材を貯留する電解質材貯留容器、溶媒材を貯留する溶媒材貯留容器、及び空気電池スタックを有する空気電池システムにおいて、発電を開始するときに、電解質材と溶媒材を混合して電解液を生成させる電解液生成手段と、生成した電解液を空気電池スタックに送給する電解液送給手段と、発電を停止するか否かを判定する停止判定手段と、発電を停止すると判定したときに、各空気電池スタックに滞留している電解液を前記各空気電池スタックの外部に排出する電解液排出手段とを設けたものである。

上記の構成では、発電を停止するか否かを判定し、発電を停止すると判定したときに、空気電池スタックに滞留している電解液を前記各空気電池スタックの外部に排出させている。これにより、発電を適時に停止させられるとともに、空気電池スタックに滞留している電解液に起因する各種損傷要因を取り除くことができる。

本発明によれば、発電を適時に停止させられるとともに、電解液に起因する各種損傷要因を取り除くことができる。

本発明の第一の実施形態に係る空気電池システムの構成を示すブロック図である。 同上の空気電池システムの一部をなす空気電池スタックの構成を詳細に示す拡大断面図である。 同上の空気電池スタックをなす空気電池の断面図である。 （Ａ）は、同上の空気電池の一部をなす負極アセンブリの断面図、（Ｂ）は、その空気電池の一部をなす正極アッセンブリの断面図である。 本発明の第二の実施形態に係る空気電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第三の実施形態に係る空気電池システムの構成を示すブロック図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る空気電池システムの構成を示すブロック図、図２は、その空気電池システムの一部をなす空気電池スタックの構成を詳細に示す拡大断面図である。また、図３は、その空気電池スタックをなす空気電池の断面図、図４（Ａ）は、その空気電池の一部をなす正極アセンブリの断面図、（Ｂ）は、その空気電池の一部をなす負極アセンブリの断面図である。なお、図２に示す矢印は、電解液の流れを示している。

本発明の第一の実施形態に係る空気電池システムＡ１は、図１に示すように、電解液貯留容器１、空気電池スタックＢ、排液貯留容器２及びコントローラＣを主要の構成としたものである。

電解液貯留容器１は、８Ｍ-ＫＯＨ水溶液等の電解液Ｗを貯留しておくものであり、この電解液貯留容器１と空気電池スタックＢとの間には、電解液貯留容器１に貯留している電解液Ｗを空気電池スタックＢに送給するための電解液送給路（以下、「送給パイプ」という。）１ａが連結されている。

上記の送給パイプ１ａには電磁バルブ３が配設されており、その電磁バルブ３は、後述するコントローラＣの出力側に接続され、適時に開閉駆動されるようになっている。
上記電磁バルブ３を開駆動することにより、電解液貯留容器１に貯留されている電解液Ｗが空気電池スタックＢに注入されるようになる。

本実施形態において示す空気電池スタックＢは、図２，３に示すように、三つの空気電池Ｄ…を水平方向において並列させたものである。なお、本実施形態においては、説明を簡略化するために三つの空気電池Ｄ…を例示しているが、実際にはさらに多くの空気電池Ｄ…からなる。

空気電池Ｄは、正極アセンブリ２０、スペーサ３０及び負極アセンブリ１０を互いに接着連結してなるものである。
負極アッセンブリ１０は、負極支持枠体１１と、この負極支持枠体１１内に配設された負極１２及び集電板１３とを有している。

負極支持枠体１１は、ポリプロピレン等、耐アルカリ性樹脂材料より所要の高さにし、かつ、平面視において概正方枠形に形成した枠体１１ａと、この枠体１１ａ内に突出して形成された取付け片１１ｂとを有する。
枠体１１ａの互いに対向する二つの枠材には、空気を内外に流通させるための空気流通口（図示しない）が互いに対向する位置に横長にして形成されている。

負極１２は、取付け片１１ｂにより区画された空間内に取付け片１１ｂと一体にして固定されている。
この負極１２は、亜鉛、アルミ、マグネシウム又はそれらの合金よりなる金属材で形成されており、電解液Ｗと電気化学的反応により腐食され（負極反応）、電子を下記の集電体１３を通じて正極アセンブリ２０に通じることができるものである。

集電体１３は、詳細を後述する正極アセンブリ２０と電気的に導通させ、かつ、空気流路を形成するものであり、支持板１３ａの一側面に、上記した空気流通口と直交させ、かつ、互いに一定の間隔にして複数配列されている。
この集電体１３は、上記した支持板１３ａとロウ付け、電気溶接，レーザ溶接等の手法により、電気的，機械的に接合させている。

本実施形態においては、複数のリブ部を有する集電体１３を、負極支持枠体１１の一側面に、上記空気流通口と直交させ、かつ、互いに一定の間隔にして配列することにより、これらの間に空気流路αが区画形成されるようにしている。
なお、集電体１３としては、通気抵抗が小さい構造であればよいので、他の公知の形状に形成することができることは勿論である。

スペーサ３０は、負極支持枠体１１と同等の輪郭形状にし、かつ、電解液Ｗを貯留するための電解液室βを区画形成する厚みにした概正方形の枠として形成されている。
このスペーサ３０の、（図示上側）には、電解液Ｗを電解液室βに流入させるための注入口３１ａが形成され、また（図示下側）には、電解液室βに貯留されている電解液Ｗを流出させるための排出口３２ａが形成されている。

注入口３１ａには、上記した送給パイプ１ａの他端が連結され、排出口３２ａには排出パイプ２ａの一端部が連結され、また、その他端部を排液貯留容器２に連結している。
排出パイプ２ａには排出用電磁バルブ４が配設されており、その排出用電磁バルブ４は、コントローラＣの出力側に接続され、適時に開閉駆動されるようになっている。
排出用電磁バルブ４を開駆動することにより、空気電池スタックＢの電解液室β内に貯留されている電解液Ｗを外部（排液貯留容器２）に排出することができる。

正極アセンブリ２０は、図４に示すように、多孔質正極層２１と、電気伝導性基板２２とからなる。
多孔質正極層２１は、活性炭、ＰＴＦＥ及び触媒としての銀，鉄、コバルト等微粒子を、８０：１５：５の重量比で混練したペーストを乾燥させて形成したフィルム状の触媒層と導電性炭素材とPTFEよりなる撥水層から構成されるものである。

電気伝導性板２２は、平面視長方形にしたステンレス（ＳＵＳ３０４）製のものであり、中央部に化学エッチングによりΦ０．２からなる複数の貫通孔を３０個／ｃｍ２の密度で穿設開口した開口２２ａを形成したものである。

上記した負極アッセンブリ１０と正極アッセンブリ２０とをスペーサ３０を介して互いに接着連結することにより、それら正極アセンブリ２０と負極アセンブリ１０の間に、換言すると、スペーサ３０内に電解液室βが区画形成される。換言すると、それら正極アセンブリ２０と負極アセンブリ１０とが電解液室βを挟む両側に対設した状態になる。

そして、隣接する空気電池Ｄ，Ｄどうしを重ね合わせると、一方の空気電池Ｄの電気伝導性基板２２が、他方の空気電池Ｄの負極支持枠体１１に当接してしっかりと積層した状態になる。
これにより、集電体１３との電気的接触，接合を担保することができるとともに、積層した空気電池Ｄ…どうしを直列接続した空気電池スタックＢを容易に組み立てることができる。

コントローラＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
（１）発電を開始するときに、電解液Ｗを空気電池スタックＢに送給する機能。この機能を「電解質送給手段Ｃ１」という。
本実施形態においては、電磁バルブ３を開駆動することにより、電解液貯留容器１内の電解液Ｗを各空気電池Ｄの電解液室βに注入している。
「発電を開始するとき」は、外部から発電開始信号がコントローラＣに入力されたときである。

（２）発電を停止するか否かを判定する機能。この機能を「停止判定手段Ｃ２」という。
発電を停止するか否かの判定は、外部から発電停止信号がコントローラＣに入力されたときであり、例えば発電をする必要がなくなったときに発電停止信号が入力されてくる。

（３）発電を停止すると判定したときに、空気電池スタックＢに滞留している電解液Ｗを外部に排出する機能。この機能を「電解液排出手段Ｃ３」という。
本実施形態においては、排出用電磁バルブ４を開駆動することにより、空気電池スタックＢに滞留している電解液Ｗを外部に排出している。

上述した第一の実施形態に係る空気電池システムによれば、次の効果を得ることができる。
・発電を適時に停止させることができる。
・発電を停止するときに、電解液を外部に排出しているので、電解液に起因する各種損傷要因を取り除くことができる。

次に、本発明の第二の実施形態に係る空気電池システムについて、図５を参照して説明する。図５は、本発明の第二の実施形態に係る空気電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の第二の実施形態に係る空気電池システムＡ２は、図５に示すように、溶媒材貯留容器１Ａ、送液ポンプＰ、電解質材貯留容器５、空気電池スタックＢ、排液貯留容器２及びコントローラＣを主要の構成としたものである。

溶媒材貯留容器１Ａは溶媒材として水を貯留しておくものであり、その溶媒材貯留容器１Ａと送液ポンプＰとの間には、送給パイプ１ａが連結されており、その送給パイプ１ａには、電磁バルブ３が配設されている。
電磁バルブ３は、後述するコントローラＣの出力側に接続されて、適時に開閉駆動されるようになっている。

送液ポンプＰは、溶媒材貯留容器１Ａ内の水を電解質貯留容器５に向けて圧送する機能を有するものであり、その送液ポンプＰと電解質タンク５との間には連結パイプ５ａが配設されている。また、送液ポンプＰと空気電池スタックＢとは連結パイプ５ｂが配設されている。
電解質タンク５は、電解質を貯留しておくものであり、上記送液ポンプＰにより圧送される水と混合されて電解液が生成される。

連結パイプ５ｂは、空気電池スタックＢをなす各空気電池Ｄの注入口３１ａに連結されており、電解質タンク５を介して圧送された電解液Ｗは、空気電池スタックＢの電解液室βに注入されるようになっている。

空気電池スタックＢの排出口３２ａには排液パイプ２ａの一端部が連結され、また、その他端部を、排液タンク２に連結している。
排液パイプ２ａには排出用電磁バルブ４が配設されており、その排出用電磁バルブ４は、コントローラＣの出力側に接続され、適時に開閉駆動されるようになっている。
排出用電磁バルブ４を開駆動することにより、電解液室β内に貯留されている電解液Ｗを外部に排出することができる。

本実施形態におけるコントローラＣは、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
上記電解質送給手段Ｃ１に替えて、次の機能を有している。
（４）発電を開始するときに、水と電解質とを混合して電解液Ｗを生成する機能。この機能を「電解液生成手段Ｃ４」という。
本実施形態においては、電磁バルブ３を開駆動することにより、溶媒材貯留容器１Ａ内から水を送液ポンプＰに向けて送給し、受給した水を電解質貯留容器５に圧送することによって、水と電解質とを混合して電解液を生成している。

（５）生成した電解液Ｗを空気電池スタックＢに送給する機能。この機能を「電解液送給手段Ｃ５」という。
本実施形態においては、生成した電解液Ｗを送液ポンプＰによって電解液室βに圧送注入している。

次に、本発明の第三の実施形態に係る空気電池システムについて、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第三の実施形態に係る空気電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の第三の実施形態に係る空気電池システムＡ３は、図６に示すように、電解液貯留容器１、送液ポンプＰ、電解質貯留容器５、空気電池スタックＢ及びコントローラＣを主要の構成としたものである。
換言すると、排液貯留容器２を廃する代わりに、排出用電磁バルブ４と電解液貯留容器１との間に電解液Ｗを返戻させるための返戻パイプ６を配設した構成のものである。

返戻パイプ６には、排出用電磁バルブ４から排出された電解液Ｗを電解液貯留容器１に向けて圧送返戻するための送液ポンプ７が配設されている。
送液ポンプ７は、コントローラＣの出力側に接続され、適時に駆動されるようになっている。

本実施形態におけるコントローラＣは、次の機能を有している。
（６）発電を開始するときには、空気電池スタックＢから排出した電解液Ｗを返戻パイプ（電解液返戻流路）６を介して、電解液貯留容器１に返戻する機能。この機能を「電解液返戻手段Ｃ６」という。
本実施形態においては、排出用電磁バルブ４を開駆動するとともに、返戻用ポンプ７を駆動している。

この第三の実施形態に係る空気電池システムＡ３によれば、電解液を繰り返し使用することができる。
また、空気電池スタックＢから排出された電解液は返戻パイプに留まり、空気電池スタックＢに不時に流入することはない。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上記した第三の実施形態に係る空気電池システムＡ３においては、排液貯留容器を廃する代わりに、循環パイプを設けた構成のものを例示したが、例えば排出電磁バルブ４の排出下流側に排液貯留容器を配するとともに、その排液貯留容器と電解液貯留容器との間に返戻パイプを配設するようにしてもよい。

１ 電解液貯留容器
１Ａ 溶媒材貯留容器
６ 電解液返戻流路（返戻パイプ）
Ｂ 空気電池スタック
Ｃ２ 停止判定手段
Ｃ３ 電解液排出手段
Ｃ４ 電解液生成手段
Ｃ５ 電解液送給手段
Ｃ６ 電解液返戻手段
Ｗ 電解液

Claims (1)

1. 電解質材を貯留する電解質材貯留容器、溶媒材を貯留する溶媒材貯留容器、及び空気電池スタックを有する空気電池システムにおいて、
   発電を開始するときに、電解質材と溶媒材を混合して電解液を生成させる電解液生成手段と、
   生成した電解液を空気電池スタックに送給する電解液送給手段と、
   発電を停止するか否かを判定する停止判定手段と、
   発電を停止すると判定したときに、各空気電池スタックに滞留している電解液を前記各空気電池スタックの外部に排出する電解液排出手段とを設けたことを特徴とする空気電池システム。

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