JP6532659B2 - 空気電池 - Google Patents

Description

本発明は、空気や水等の自然燃料を利用して発電する空気電池に関する。

従来、空気や水等の自然燃料を利用して発電する空気電池は、公知である。例えば、特許文献１には、金属製の負極外筒体と、棒状の正極電極と、負極外筒体の内部に充填でされた活性炭とを備える空気電池が開示されている。

実用新案登録第３１１２８６９号公報

特許文献１に開示の空気電池は、水を負極外筒体の内部に注入すると、水が酸化触媒として作用して負極外筒体と正極電極との間にイオン化反応が生じ、両電極間に起電力が生じる。

かかる両電極間における電気化学反応が発生すると、負極外筒体の内部には、水素ガス等の発生ガスや水酸化マグネシウム等の生成物が溜まる。発生ガスが負極外筒体の内部に充満すると内圧が高くなって、負極外筒体の一部にひび割れが生じるおそれがあるので、負極外筒体には外部に発生ガスを排気するための排気口を設けることが必要になる。しかし、排気口を負極外筒体の一部に形成した場合には、そこから内部に注入された水（反応液）が漏れ出るおそれがある。また、生成物が負極外筒体の内部に溜まると、電気化学反応が悪くなり、所要の起電力を生じることができなくなるおそれがある。

本発明は、従来の空気電池の改良であって、内部に注入された反応液を漏出させることなく、電気化学反応によって生じた発生ガスを外部に排気することができる空気電池の提供に関する。

本発明は、縦断方向を有し、外枠体と、カソード体と、アノード体と、前記外枠体の内部においてカソード体と前記アノード体とが配置される収容スペースと、前記収容スペース内に反応液を注入することによって画定される注液域と、前記収容スペース内に発生したガスを外部に排出するための通気部とを含む空気電池に関する。

本発明に係る空気電池は、前記外枠体は、本体と、前記本体に着脱可能に取り付けられる蓋体とを含み、前記アノード体は、棒状であって、一方端が前記蓋体の中空円筒部に挿入されており、前記蓋体を前記本体に取り付けることによって前記アノード体が前記本体に挿入され、前記本体内において、前記アノード体と前記カソード体との間には、保水パネルが配置されており、前記収容スペースに反応液が注入されて注液域が画定され、前記保水パネルが前記反応液を吸収保持することによって、前記収容スペース内の前記反応液の量が減少して、前記通気部が前記注液域内に位置することはなく、前記保水パネルが、前記アノード体と離間して配置されており、前記反応液を吸収保持して膨潤し、前記アノード体の外周の一部を被覆するように変形可能であることを特徴とする。

本発明の空気電池においては、アノード体とカソード体との間に反応液を吸収保持することが可能な保水パネルが配置されており、発生ガスを排出するための通気部が注液域内に位置しないので、通気部から反応液が外部に漏出するのを防止することができる。

図面は、本発明の特定の実施の形態を示し、発明の不可欠な構成ばかりでなく、選択的及び好ましい実施の形態を含む。
本発明に係る空気電池の斜視図。 空気電池の分解斜視図。 図１に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面図。 外枠体の収容スペース内に反応液を注入した状態における、図１に示したＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面図。 保水パネルが反応液を吸収した状態における、図４と同様の図。 （ａ）保水パネルの斜視図。（ｂ）使用後の保水パネルの斜視図。

下記の各実施の形態は、図１〜図６に示す空気電池１０に関し、発明の不可欠な構成ばかりではなく、選択的及び好ましい構成を含む。

図１及び２を参照すると、本実施形態に係る空気電池１０は、略円筒状であって、縦断方向Ｙを有し、アノード体１１とカソード体（空気極）１２とを反応液１３によって電気化学反応させて発電する発電システムと、内部に発生したガスを外部に放出するための排気システムとを備える。反応液１３としては、例えば、水、食塩水、電解液、市販のミネラル水等を用いることができ、これらは、一定の電気伝導率を有しているので電気化学反応を促進するための反応液として利用することができる。空気電池１０は、机やテーブル、電気機器のソケット等の配置面１５に配置する他に、外面に手提げ紐を取り付けて、光源となる電球等を備えた携帯用のライトとしても利用することができる。また、空気電池１０は、円筒状のほかに、断面三角形状、断面矩形状等の各種公知の形状を有するものであってもよい。

空気電池１０は、その外形をなす略円筒状の外枠体１４をさらに有する。外枠体１４は、外周面１６と、縦断方向Ｙにおいて互いに対向する第１端部１７及び第２端部１８とを有する。外周面１６には、縦断方向Ｙへ延びる、内部が透視可能な窓２８が配置される。窓２８によって外枠体１４内に注入された反応液１３の量を確認することができ、例えば、窓２８の外面に刻印等を施すことによって、第２端部１８を下方にして空気電池を直立させた配置態様における、反応液１３を内部に注入する際の水位の目安となる表示を配置してもよい。

空気電池１０は、例えば、縦断方向Ｙの寸法Ｌ１が約１５０〜２５０ｍｍ、直径Ｒの寸法が約３０〜６０ｍｍ、であって、約１．０〜２．０Ｖの起電力を発生させることができる。空気電池１０は、電気機器の電源として使用したり、その内部に電球を配置した小型のライトとして使用することができることのほかに、例えば、大型タンカーに備え付けられた電気機械装置の動力源や災害等の緊急時における電力源として使用できるものであって、かかる場合には、各寸法は数メートル以上の大きさを有し、それらを複合的に組み合わることによってより大きな電力を発生することもできる。

＜発電システム＞
外枠体１４は、硬質のプラスチック材料から形成されており、棒状のアノード体１１が挿抜可能に挿入される本体３０と、本体３０に着脱可能に取り付けられる第１蓋体（蓋体）３１と第２蓋体３２とを有する。本体３０は、第１端部１７側に位置する閉止端３０ａと、第２端部１８側に位置する開口端３０ｂとを有し、その内部には、アノード体１１がカソード体１２と対向して配置され、かつ、反応液１３が注入される収容スペースＳが位置する。第１蓋体３１は、外周に雄ねじ部を有する中空円筒部３４と円形状の平坦部３５とを有する。第１蓋体３１は、本体３０の閉止端３０ａに位置する内周に雌ねじ部を有する突起部３７に螺合される。第２蓋体３２は、その内部に位置する雌ねじ部が本体３０の開口端３０ｂの外周に位置する雄ねじ部に螺合される。外枠体１４の窓２８と対向する部分には、後記の保水パネル４８が配置される平坦状の配置部３８が位置し、配置部３８には、縦断方向Ｙへ延びる矩形状の開口４０が形成されている。開口４０には、それを被覆するように板状のカソード体１２が嵌挿されており、カソード体１２は、接着又は溶着等による各種公知の接合手段によって開口４０を覆うように開口４０の開口縁部に固定される。また、カソード体１２の外面側には、ほぼ同形同大であって、その外面全体を被覆するように配置された保護カバー４１が固定される。保護カバー４１は、好ましくは透明又は半透明のプラスチック製であって、複数の通気孔４２を有する。保護カバー４１は、外部からの衝撃によってカソード体１２が破損するのを防止するとともに、通気孔４２から外部の空気をカソード体１２に供給することができる。

アノード体１１は、棒状であって、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、亜鉛等を好適に用いることができる。アノード体１１の一方端は、第１蓋体３１の中空円筒部３４に挿入されており、金属製の螺子４４を介して固定される。本実施形態においては、アノード体１１にリード線が取り付けられておらず、アノード体１１に固定された金属製の螺子４４が端子としての役割を果たす。図示していないが、ＬＥＤ電球等の光源やレンズ、反射板等を有するキャップを空気電池１０の第１端部１７側に取り付けて、アノード体１１の端子（螺子４４）とカソード体１２の一方端に取り付けられたリード線４６とを光源の駆動回路と電気的に接続することによって構成された懐中電灯として空気電池１０を使用することもできる。なお、本実施形態においては、アノード体１１は棒状であるが、カソード体１２と同様に、薄板状であってもよい。

カソード体１２は、薄板状であって、電気伝導率の良好な金属、例えば、金、銀、銅合金や活性炭、塩化銀、ステンレス等を用いることができる。本実施形態において、カソード体１２は、単層から形成されているが、起電力及び集電性能を向上させるために、例えば、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、第１層の一方面に取り付けられた活性炭等の正極活物質から形成された第２層（活性層）と、第１層の他方面に取り付けられた、導電性金属から形成された板状の第３層（集電層）とから構成された複数層から形成することもできる。カソード体１２を複層から形成する場合には、導電性を有する接着剤を介して各層を接合することが好ましい。

図２及び図６（ａ）を参照すると、本体３０の内部には、薄板状の保水パネル４８が配置される。保水パネル４８は、ゴムやポリオレフィン系樹脂、セルロース系樹脂製の連続発泡体であって、本体３０内の配置部３８に配置される。具体的には、保水パネル４８は、配置部３８の開口端３０ｂ側の部分（外枠体１４の内周面の一部）に位置する一対のガイド突起４５を案内として、本体３０内においてアノード体１１とカソード体１２との間に位置する。保水パネル４８は、第１端部１７側に位置する第１端４８ａと第２端部１８側に位置する第２端４８ｂと、縦断方向Ｙへ延びる両側縁４８ｃとによって画定される矩形状であって、縦断方向Ｙの寸法Ｌ２がアノード体１１のそれよりも大きく、幅寸法Ｗがアノード体１１の直径よりも大きくなっている。具体的には、縦断方向Ｙの寸法Ｌ２が約９０〜１３０ｍｍ、幅寸法Ｗが約１５〜５０ｍｍ、厚さ寸法が約２〜５ｍｍである。保水パネル４８は、保水力及び吸収後の膨張率等を考慮して、セルロース系樹脂製の連続気泡体（セルローススポンジ）から形成することが好ましい。保水パネル４８をセルロース系樹脂製の連続気泡体である場合には、廃棄焼却時に有毒ガスが発生せず、焼却時に有毒ガスが発生するような合成樹脂製のスポンジ等を使用する場合に比して、環境性に優れる。また、空気電池１０に使用される構成部材の材料はすべて、廃棄時に有毒ガスを発生したり、地中に有毒物質が流出するものではないので、一般的なリチウム電池やアルカリ電池等に比べて、エコフレンドリーな商品であるといえる。

かかる構成を有する空気電池１０において、外枠体１４の収容スペースＳに反応液１３が注入されることによって、反応液１３が酸化を促進してアノード体１１とカソード体１２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１１から発生した電子がカソード体１２で保護カバー４１の通気孔４２から供給された酸素と反応液１３中の水と反応して放電反応が生じる。それによってアノード体１１とカソード体１２との間に電位差が生じて所定の起電力が発生する。発電開始から一定時間経過した後、アノード体１１及び反応液１３中における電気化学反応に寄与する構成要素が消費されることによって電流値が低下したときには、第１蓋体３１を本体３０から取り外してアノード体１１を交換するとともに、第２蓋体３２を本体３０から取り外して、内部の反応液を廃棄して新しい反応液を注入することによって、再びにピーク時の電流値を得ることができる。

＜排気システム＞
図２及び３を参照すると、本体３０内には、配置部３８と径方向において対向して位置して、縦断方向Ｙへ延びる支持プレート５０を有する。支持プレート５０は、プラスチック製であって、本体３０の内壁から収容スペースＳ内に延びる薄板であって、その縦断方向Ｙにおける中央部には、通気部５１が位置する。通気部は、本体３０内に発生した発生ガスが流入する通気口５２と、通気口５２に流入した発生ガスを外部に排出するための排気管５３とを有する。排気管５３は、支持プレート５０に沿って閉止端３０ａ側へ延びて、本体３０を貫通してその端部５３ａが外部に延出している。なお、通気部５１は、外枠体１４内に充満した発生ガスを外部に放出する一方、反応液１３の漏出を防ぐための弁機能（例えば、開口端に、発泡ウレタン等の連続気泡体を配置する等）を有していてもよい。支持プレート５０は、本体３０と一体に成形してもよいし、通気部５１が発生ガスを排気する機能を有する限りにおいて、支持プレート５０を設けなくてもよい。

既述のとおり、発電システムによって発電する際に、本体３０の収容スペースＳには、水酸化マグネシウムと発生ガス（水素ガス）が生成される。空気電池１０が発電を開始してから一定時間経過した場合には、発電時の電気化学反応によって発生した発生ガスによって外枠体１４内の内圧が上昇して、その内部が比較的に高圧となる。外枠体１４は、強度等を考慮すれば、金属や合金等の硬質かつ重量のある金属材料から形成することもできるが、コスト面や空気電池１０が電源として用いられる電気機械器の種類等を考慮してプラスチック等の軽量の部材から形成することが好ましい。外枠体１４をプラスチックから形成したときには、内部に充満した発生ガスの圧力によって外枠体１４の一部にひび割れが生じて内部の反応液１３が漏れ出るおそれがある。かかる事態を避けるために、空気電池１０の内部と外部とに連通する排気口を設けることもできるが、内部に位置する開口端から反応液１３が外部に漏れ出て、起電力の低下や漏電を生じるおそれがあった。

図４を参照すると、本体３０内に所要量（約５０〜１００ｍｌ）の反応液１３を注入したとき、注液域２０の水面ＷＬはアノード体１１まで達しており、アノード体１１の大部分と、カソード体１２と、保水パネル４８とが注液域２０内に位置する。かかる状態において、通気部５１は、水面ＷＬよりも上方に位置しており、電気化学反応によって発生した発生ガスは、通気口５２から排気管５３を通って外部に排出される。

図５を参照すると、注液域２０内に位置する保水パネル４８は、液体を吸収することによって膨潤する。膨潤した保水パネル４８は、アノード体１２の外周の一部を被覆するように、凹曲状に変形して、吸水前（使用前）の状態における厚さ寸法Ｄ１の約４．０〜８．０倍の厚さ寸法を有する。保水パネル４８が所要量の反応液１３を吸収することによって、注液域２０の水面ＷＬは下がって、アノード体１１全体が露出した状態となる。

このように、アノード体１１が露出した状態であっても、保水パネル４８に所要量の反応液１３が吸収され、かつ、カソード体１２が注液域２０内に位置することによって、それらの間において電気化学反応が生じて、起電力が発生する。また保水パネル４８に吸収されていない収容スペースＳ内に収容された反応液１３の量が大幅に減少することによって、空気電池１０の配置態様を変更したときに収容スペースＳ内を移動する反応液１３が通気部５１から外部に漏れ出るのを抑制することができる。また、保水パネル４８が膨潤してアノード体１１の外周を被覆することによって、第１蓋体３１から収容スペースＳに延びる棒状のアノード体１１の位置が固定される。

図示していないが、第１端部１７側又は第２端部１８側を下方として、空気電池１０を縦断方向Ｙが上下方向となるように配置した場合において、所要の反応液１３を注入したときに、注液域２０の水面ＷＬは、空気電池１０の上下方向における中央部よりも上方に位置し、中央部に位置する通気部５１は注液域内に位置する。しかしながら、保水パネル４８が反応液１３を吸収保持することによって注液域２０の水面ＷＬが下がり、通気部５１よりも下方に位置することになるので、通気部５１から反応液１３が外部に漏れ出るのを防止することができる。また、このように、注液域２０の水面ＷＬが、空気電池１０の縦断方向Ｙの寸法Ｌ１の中央部よりも下方に位置する場合には、アノード体１１とカソード体１２とによる反応面積が減少して発生する起電力が低下するおそれがあるところ、反応液１３を吸収保持した保水パネル４８及び保水パネル４８に吸収されなかった反応液１３が、アノード体１１とカソード体１２との間においてそれらの全域と当接するので、かかる起電力の低下を抑制することができる。このように、保水パネル４８を配置することによって、空気電池１０の配置態様を変更して注液域２０が収容スペースＳ内で移動しても、確実にアノード体１１に反応液１３を供給することができる。

図６（ｂ）を参照すると、使用後の保水パネル４８のアノード体１１と当接する部分には、アノード体１１から発生した水酸化マグネシウムからなる生成物６０の一部がその表面に付着して変色している。このように、電気化学反応によって生じる生成物６０の一部がアノード体１１の外周面を覆う保水パネル４８に付着することによって、収容スペースＳ内に生成物６０が溜まってアノード体１１とカソード体１２とによる電気化学反応が阻害されるのを抑制することができる。

以上のように、保水パネル４８は、反応液１３を吸収保持して収容スペースＳ内における注液域２０の量を減少させながらも確実にアノード体１１に反応液１３を供給することのできる機能と、本体３０内に挿入されたアノード体１１の位置決めとしての機能とを有するとともに、比較的に多量の生成物６０が沈殿して電気化学反応が阻害されるのを防止する機能をも有するものである。

空気電池１０の各構成部材としては、前記材料のほかに、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、外枠体１４、アノード体１１，カソード体１２等の各構成部材の形状、大きさは、用途、必要な起電力に応じて適宜変更することができる。

以上に記載した本発明に関する開示は、少なくとも下記事項に整理することができる。

縦断方向を有し、外枠体と、カソード体と、アノード体と、前記外枠体の内部において前記カソード体と前記アノード体とが配置される収容スペースと、前記収容スペース内に発生したガスを外部に排出するための通気部とを含む空気電池において、前記アノード体と前記カソード体との間には、保水パネルが配置されており、前記収容スペースに反応液が注入されて注液域が画定され、前記保水パネルが前記反応液を吸収保持することによって、前記通気部が前記注液域内に位置していないことを特徴とする。

上記段落に開示した本発明は、少なくとも下記の実施の形態を含むことができる。該実施の形態は、分離して又は互いに組み合わせて採択することができる。
（１）前記保水パネルが、セルロース系樹脂製の発泡体から形成される。
（２）前記保水パネルに前記アノード体の生成物が付着される。
（３）前記通気部は、前記収容スペース内に位置する支持プレートに固定されており、前記収容スペース内に位置する通気口と、前記通気口と連通して前記外枠体の外部に発生ガスを排出する排気管とを有する。
（４）前記外枠体の内周面には、前記保水パネルを位置決めするための一対のガイド突起が設けられている。

１０ 空気電池
１１ アノード体
１２ カソード体
１４ 外枠体
１３ 反応液
４５ ガイド突起
４８ 保水パネル
５０ 支持プレート
５１ 通気部
５２ 通気口
５３ 排気管
Ｓ 収容スペース
Ｙ 縦断方向

Claims (5)

1. 縦断方向を有し、外枠体と、カソード体と、アノード体と、前記外枠体の内部において前記カソード体と前記アノード体とが配置される収容スペースと、前記収容スペース内に発生したガスを外部に排出するための通気部とを含む空気電池において、
   前記外枠体は、本体と、前記本体に着脱可能に取り付けられる蓋体とを含み、
   前記アノード体は、棒状であって、一方端が前記蓋体の中空円筒部に挿入されており、前記蓋体を前記本体に取り付けることによって前記アノード体が前記本体に挿入され、
   前記本体内において、前記アノード体と前記カソード体との間には、保水パネルが配置されており、
   前記収容スペースに反応液が注入されて注液域が画定され、
   前記保水パネルが前記反応液を吸収保持することによって、前記収容スペース内の前記反応液の量が減少して、前記通気部が前記注液域内に位置することはなく、
   前記保水パネルが、前記アノード体と離間して配置されており、前記反応液を吸収保持して膨潤し、前記アノード体の外周の一部を被覆するように変形可能であることを特徴とする前記空気電池。
2. 前記保水パネルが、セルロース系樹脂製の発泡体から形成される請求項１に記載の空気電池。
3. 前記保水パネルに前記アノード体の生成物が付着される請求項１又は２に記載の空気電池。
4. 前記通気部は、前記収容スペース内に位置する支持プレートに固定されており、前記収容スペース内に位置する通気口と、前記通気口と連通して前記外枠体の外部に発生ガスを排出する排気管とを有する請求項１〜３のいずれかに記載の空気電池。
5. 前記外枠体の内周面には、前記保水パネルを位置決めするための一対のガイド突起が設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の空気電池。

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