JP6213718B2 - 注液型空気電池の注液システム - Google Patents
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Description
そして、金属空気電池の一型式として、使用時に電解液を両電極に接触させることによって、電池反応を開始させるようにした注液型の電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。
そして、使用に際しては、電池槽内の電解液収納容器を押し下げることによって、突起により電解液収納容器の底部に孔を開けて電解液を集合電池側に流出させ、集合電池を電解液に浸漬させることにより、放電が開始されるようになっている。
例えば、電気自動車において、リチウムイオン二次電池などから成る駆動用のメイン電池と共に、このような空気電池を予備電池として搭載しておき、メイン電池の充電容量が殆ど、あるいは完全になくなってしまった場合に、メイン電池を充電したり、直接モータを駆動したりするための緊急用電源として用いることが考えられる。
したがって、こうした強アルカリ電解液に対する長期間の耐及性や、車輌衝突時の破壊による電解液の飛散防止などを考慮すると、電解液タンクが材質的、構造的に高コストなものとならざるを得ないという問題がある。
図に示す空気電池1は、正極(空気極)2と負極3と、これら両電極2、3の間にセパレータ4を備え、これらは電池容器5の内部に電解液6と共に収納されている。また、上記正極2はその外側に液密通気部材7を備えている。
正極2は、酸素を正極活物質とするものであって、酸素の酸化還元触媒と、これを担持する導電性の触媒担体を含んでいる。
触媒成分としては、例えば、二酸化マンガンや四酸化三コバルトなどの金属酸化物や、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。
なお、上記した触媒成分や、これを担持する担体の種類については、上記したものだけ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宜使用することができることは言うまでもない。
液密通気部材6は、正極側に配置され、電解液に対する液密性(水密性)と、酸素に対する通気性を有する部材であって、ポリオレフィンやフッ素樹脂などの撥水性多孔質樹脂から成るものであって、正極への酸素供給を可能にする一方、電解液が外部に漏出するのを防止する機能を発揮する。
負極3には、標準電極電位が水素より卑な金属単体や、これら金属を含む合金が用いられる。このよう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)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。
セパレータ4としては、例えば撥水処理を行っていないグラスペーパー、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が用いられる。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。なお、セパレータは、正極−負極間にスペースが確実に保持される構造であれば、必ずしも必要ではない。
電解液6としては、例えば、塩化カリウム、塩化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどの水溶液、代表的には水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液が用いられるが、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。
なお、注液型空気電池においては、未使用(保管)状態においては、電池容器5の内部に電解液6は存在せず、電解液6は、当該電池の使用を開始するに当たって、適当な注液システムにより電池容器5の内部に初めて注入される。
そして、上記給液路11の途中位置、つまり電解液溶媒供給手段12と電池容器5の間には、電解質供給手段13として電解質投入口が接続されており、その下流側、つまり電解質供給手段13と電池容器5の間には、当該給液路11を開閉するバルブ14が設けてある。
なお、上記においては、電解質として固体状をなす粉末を用いた例を説明したが、電解質の形態としては、粉末のみならず、顆粒、ブロック、タブレットなどの固体状や、ゲル状、さらには高濃度に濃縮された液状のものを用いることもできる。また、上記溶媒が水の時には、予め準備しておいた容器内の水だけに限らず、場合によっては、水道水や、コンビニエンスストアなどで購入したPETボトル入りのミネラルウォータなどを所定量だけ注入することもできる。
すなわち、電解質投入口13を電池容器5の直上位置に設けることによって、電解質の供給が容易なものとなり、空気電池の作動を開始させたのちにも、必要に応じて電解質の追加供給ができるようにしたものである。
上記攪拌機構12は、例えば、内部に設けた回転羽根を回転させたり、内部に配置した邪魔板によって溶媒の流れを変化させたりすることによって、溶媒を攪拌し、もって電解質の溶媒への溶解速度を速めることができる仕組みとなっている。この他、ヒータを設けて溶媒を加温したり、超音波発振器を取り付けて、超音波振動を与えたりすることによって、電解質の溶解を促進させることも可能である。
一方、カートリッジ内に収納される電解質の形態は、上記したように、粉末、顆粒、ブロック、タブレットなどの固体状、ゲル状、濃縮液状とすることができるが、固体状やゲル状の場合には、乾燥剤と共に収納することが、電解質の吸湿、潮解を防止する観点から望ましい。
すなわち、空気電池が作動し、放電を開始した後の時間経過によって、電解液の濃度が低下した場合でも、電解質を追加供給することによって、所定の出力を維持することができる。また、溶媒タンク12aの容量を大きなものとすれば、電池容器内の電解液量の減少に応じて、溶媒のみ、あるいは溶媒と電解質(すなわち、電解液)を追加供給することができ、空気電池の作動時間を延ばすことができる。
例えば、溶媒タンク12aの直下位置に供給口12bを設けると共に、給液路11に設けた流量センサやロードセル、溶媒タンク12aに配置した液面センサなどによって、溶媒の供給量を検知したり、電池容器5に液面センサを配置して電池内の電解液量をモニターしたりする必要がある。
また、電解質供給手段13の直下位置にも同様に供給口13bを設け、供給口13bを開口させると共に、流量センサやロードセルなどによって、所定の供給量に達した時点で供給口13bを閉じるようにする。なお、図5に示したように、比較的小容量のカートリッジ13aを装着した電解質供給手段13を多数設けておくことによって、それぞれのカートリッジ13aを使い切りにすることもでき、この場合には、供給口13bを設ける必要はなくなる。
図7は、本発明の注液システムにおける空気電池への注液開示時の制御例を示すフローチャートである
制御が開始されると、先ずステップ101において、溶媒タンク12a内の溶媒量(例えば水)が規定値であるかどうかが判断されて、水量が規定値に満たない場合(no)には、ステップ102において、アラート表示、すなわちタンク12a内への水の注入を指示する表示がなされる。この表示は、タンク12a内の水量が規定量に達するまで続けられる。
電解質量が不足している場合、あるいはカートリッジ13aが電解質供給手段13に装着されていないような場合(no)には、ステップ104において、電解質の補給を促す同様のアラート表示がなされ、電解質が規定量に達するまで、上記表示が継続する。
そして、ステップ106において、溶媒タンク12a及び電解質供給手段13の供給口12b及び13bをそれぞれ作動させ、算出結果に基づいて水及び電解質の必要量がそれぞれ供給される。
このようにして、電池容器5の内部に電解液が注入され、正極2及び負極3に接触することによって、電池反応が生じ、空気電池によるメイン電池の緊急充電か開始されることになる。
電解液面が所定の位置、すなわち電極の上端部以上にある場合(yes)には、異常なしとして、ステップ202に移行し、空気電池の出力、すなわちセル電圧が規定値以上であるかどうかが判断され、規定値以上である場合(yes)には、異常なしと判断して、ステップ201に戻る。そして、液面やセル電圧に関する異常が検出されるまで、このようなステップ201及び202の判断が繰り返される。
そして、ステップ204において、電解質供給手段13の供給口13bを開口させて、必要な量の電解質を電解液中に補給する。これによって、電解液の濃度が正規なものとなって、セル電圧が既定値以上に戻り、ステップ202(yes)からステップ201に戻る。
そして、ステップ205において、セル電圧が規定値以上である(yes)と判別された場合には、電解液中の溶媒量だけが不足していると判断して、ステップ206に移行し、このステップ206において、溶媒、すなわち水の必要量が計算される。
そして、ステップ208において、溶媒タンク12a及び電解質供給手段13の供給口12b及び13bをそれぞれ開口作動させ、算出結果に基づく水及び電解質の必要量がそれぞれ追加供給される。
すなわち、本発明の注液システムは、電解液の状態で車載することなく、電解質の溶媒と電解質とを別々に搭載することを要旨とするものであって、上記のような制御が可能なシステム構成のみに限定されることはなく、より単純化することによって、さらなる低コスト化を図ることも可能である。
一方、溶媒タンク12aについても、空気電池の起動時に用いる比較的大容量のタンク1基と共に、起動後における追加供給用の小容量タンクを複数個設けるようにすることも考えられる。
2 正極
3 負極
5 空気電池容器
11 給液路
12 電解液溶媒供給手段
12a 溶媒タンク
13 電解質供給手段
13a カートリッジ
15 溶解促進手段
Claims (7)
- 正極及び負極を収納した空気電池容器に一端側が接続された給液路と、
該給液路の他端側に接続された電解液溶媒供給手段と、
上記給液路の途中に接続された電解質供給手段を備え、
上記電解液溶媒供給手段が電解液溶媒を収納したタンクであり、
上記電解質供給手段が電解質を収納したカートリッジを着脱自在に備えていることを特徴とする注液システム。 - 上記給液路における電解質供給手段との接続部又は当該接続部よりも空気電池容器側の位置に、電解液溶媒への電解質の溶解を促進する手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の注液システム。
- 上記電解質が固体状、ゲル状、又は高濃度に濃縮された液状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の注液システム。
- 上記カートリッジが収納した電解質に対して化学的に安定な材質による密閉構造をなしていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の注液システム。
- 上記カートリッジを備えた電解質供給手段を複数備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の注液システム。
- 上記カートリッジ内に、固体状又はゲル状をなす電解質と共に、乾燥剤が収納されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の注液システム。
- 上記カートリッジに備えた内容物情報を読み取ると共に、空気電池容器内の電解液量、当該空気電池の出力を検出し、これらの情報に基づいて算出された電解液溶媒及び/又は電解質の不足分を上記空気電池容器内に供給する制御手段を備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の注液システム。
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