JP6534099B2 - マグネシウム空気電池 - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム空気電池に関する。

空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウムを負極活物質とするマグネシウム空気電池の一例として、特許文献１には、カートリッジタイプのマグネシウム空気電池が開示されている。具体的には、特許文献１に記載のマグネシウム空気電池では、マグネシウム薄膜の各端部が一対のリールに接続され、リールを回転させることによりマグネシウム薄膜が巻き取られるとともに、リール間のマグネシウム薄膜と、その近傍に位置する正極とが協働して発電する。

特開２０１２−１５０１３号公報

マグネシウム空気電池において、マグネシウムの厚さは、反応の速さや持続時間に影響し、電池の特性を決定する重要な要素の一つである。様々な特性を備える電池を開発するためには、様々な厚さのマグネシウムを用いる必要がある。しかし、マグネシウムの厚さが１００μｍを超えると、マグネシウムを円筒状に巻き付けることが困難になってくる。このため、特許文献１に記載のマグネシウム空気電池のようにマグネシウム薄膜がリールに巻き付けられた構造では、使用できるマグネシウムの厚さが１００μｍ程度に制限されてしまうという問題がある。

１００μｍを超えるようなものを含む任意の厚さのマグネシウムの電池部への供給と、消耗したマグネシウムの回収とを可能にしたマグネシウム空気電池を構成するためには、マグネシウム薄膜がリールに巻き付けられた構造以外の新しい構造が必要である。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであって、任意の厚さのマグネシウム薄板に対して設計可能であって燃料体の電池部への供給及び回収が可能なマグネシウム空気電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るマグネシウム空気電池は、
マグネシウムを含む複数のマグネシウム燃料体を含む燃料体供給部と、
導電性を有する素材から形成され、酸素に電子を供給する電極を含む電池部と、
消耗した前記マグネシウム燃料体を回収する燃料体集積部を含む廃棄部と、
前記燃料体供給部と、前記電池部と、前記廃棄部と、に移動し、前記マグネシウム燃料体を着脱可能に保持する燃料体保持枠と、を備える、
ことを特徴とする。

前記燃料体保持枠は、
前記燃料体供給部に移動して前記マグネシウム燃料体を受け取って保持し、
前記電池部に移動して前記マグネシウム燃料体を前記電極と接触させ反応を生じさせ、
前記廃棄部に移動して前記マグネシウム燃料体を解放して前記燃料体集積部に回収させてもよい。

前記電極は、前記マグネシウム燃料体の表面に接する上部カソード電極と、前記マグネシウム燃料体の裏面に接する下部カソード電極と、を備えてもよい。

前記燃料体保持枠は、前記マグネシウム燃料体を支持するツメを備えてもよい。

前記燃料体保持枠は、前記下部カソード電極を着脱可能に保持するツメを備え、
前記燃料体保持枠と前記下部カソード電極とが、前記燃料体供給部と、前記電池部と、に移動し、前記マグネシウム燃料体を着脱可能に保持してもよい。

前記燃料体保持枠は、前記マグネシウム燃料体が収まる枠と、前記マグネシウム燃料体に電気的に接続される電極部と、を備えてもよい。

前記マグネシウム燃料体は、前記燃料体供給部に積み重ねられて設置されてもよい。

前記マグネシウム燃料体は、
マグネシウムを含むマグネシウム薄板と、
前記マグネシウム薄板の一部を露出させ、露出した部分以外の部分を覆う電解液保持部と、
前記電解液保持部に含まれる電解液と、を備えてもよい。

複数の前記燃料体保持枠を備え、
前記電池部が前記燃料体保持枠の数に対応する数の前記電極を含んでもよい。

本発明によれば、任意の厚さに設計可能なマグネシウム燃料を各電池に共通の燃料供給場所から連続して供給することが可能であって燃料体の電池部への供給及び回収が可能なマグネシウム空気電池を提供できる。

実施の形態１に係るマグネシウム空気電池の構成を示す断面図である。 マグネシウム燃料体の構成を示す斜視図である。 燃料体保持枠の構成を示す斜視図である。 加圧部の例を示す側面図である。 加圧部の例を示す側面図である。 加圧部の例を示す側面図である。 実施の形態１に係るマグネシウム空気電池の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係るマグネシウム空気電池の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係るマグネシウム空気電池の構成を示す断面図である。 燃料体保持枠の構成を示す斜視図である。 実施の形態２に係るマグネシウム空気電池の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係るマグネシウム空気電池の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係るマグネシウム空気電池の構成を示す断面図である。 燃料体保持枠及びカソード電極の構成を示す（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図である。

以下、本発明の実施の形態に係るマグネシウム空気電池について図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
まず、マグネシウムを燃料として起電力を生じるマグネシウム空気電池の例について説明する。図１は、マグネシウム空気電池１００の構成を示す断面図である。図１に示すように、マグネシウム空気電池１００は、燃料体供給部２００と、電池部３００と、廃棄部４００、とを備える。燃料体供給部２００と電池部３００、及び電池部３００と廃棄部４００は、互いに隣接して設置される。

燃料体供給部２００は、マグネシウム燃料体１０１が設置され、マグネシウム燃料体１０１を電池部３００に供給する部分である。燃料体供給部２００は、マグネシウム燃料体１０１と、台２０１とを含む。

図２は、マグネシウム燃料体１０１の構成を示す斜視図である。マグネシウム燃料体１０１は、図２に示すように、マグネシウム薄板１０２を、電解液１０４を保持する電解液保持部１０３によって包みこんだものである。図１に示すように、マグネシウム燃料体１０１は燃料体供給部２００に複数枚積み重ねられて設置される。マグネシウムの燃料体１０１はマグネシウム空気電池１００の燃料として機能する。

マグネシウム薄板１０２は、厚さがＴの短冊状に形成された金属マグネシウムの薄板である。図２に示すように、マグネシウム薄板１０２の一端部は電解液保持部１０３から露出しており、この露出した部分がアノード電極として機能する。

電解液保持部１０３は、電解液１０４を含浸して保持する。電解液保持部１０３を形成する素材としては、例えば濾紙、不織布、フェルト、炭素フェルト等が挙げられるが、これに限られるものではない。電解液保持部１０３は、図示しない外部から水が補給される。電解液保持部１０３は、マグネシウム空気電池１００のセパレータとして機能する。

電解液保持部１０３は、柔軟性のある素材から形成され、折り曲げられた部分が丸みを帯びるように構成されている。このため、マグネシウム燃料体１０１が積み重なった状態において、マグネシウム燃料体１０１の間に燃料体保持枠３０３を挿入することが可能になる。

電解液１０４は、マグネシウム燃料体１０１と後述する上部カソード電極３０１及び下部カソード電極３０２との間のイオン交換を可能にする電解液である。また、電解液１０４に含まれる水は、上部カソード電極３０１及び下部カソード電極３０２で酸素が還元される反応に使われる。電解液１０４は、例えば塩化ナトリウム水溶であるが、これに限られるものではない。

図１に戻り、台２０１は、マグネシウム燃料体１０１を設置するための台である。台２０１の上にマグネシウム燃料体１０１が積み上げられることで、燃料体供給部２００はマグネシウム燃料体１０１を貯蔵する。

電池部３００は、酸化還元反応が行われ、起電力を生じる部分である。図１に示すように、電池部３００は、燃料体供給部２００と廃棄部４００との間に設置され、上部カソード電極３０１と、下部カソード電極３０２と、燃料体保持枠３０３と、加圧部３０８と、を含む。

上部カソード電極３０１と下部カソード電極３０２とはどちらも導電性を有する素材で形成され、マグネシウム空気電池１００の正極活物質である空気中の酸素に電子を供給する。なお、上部カソード電極３０１及び下部カソード電極３０２は、酸素を還元する反応を促進するため、表面積が大きく酸素を吸着しやすいことが望ましい。上部カソード電極３０１及び下部カソード電極３０２を形成する素材としては、例えば炭素、金属、マンガン化合物、及びこれらを組み合わせたもの等が考えられるが、これに限られるものではない。このうち炭素に関しては、活性炭、炭素粉末、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンフェルト等の形態をとりうる。

燃料体保持枠３０３は、マグネシウム燃料体１０１を着脱可能に保持する枠として機能する。図３は、燃料体保持枠３０３の構成を示す斜視図である。図３に示すように、燃料体保持枠３０３は、マグネシウム燃料体１０１が収まる程度の大きさの穴３０４と、穴３０４を囲む枠３０５と、枠３０５を貫通する電極部３０６と、ツメ３０７と、を備える。燃料体保持枠３０３は、平行に対面して設置された上部カソード電極３０１と下部カソード電極３０２との間に挟まれるように配置され、燃料体供給部２００と、電池部３００と、廃棄部４００との間を、上部カソード電極３０１及び下部カソード電極３０２の表面と平行に移動する機構を備える。燃料体保持枠３０３が移動する機構としては、レール、ベルト、車輪等を用いた機構等を用いることができるが、これに限られるものではない。

燃料体保持枠３０３は、枠３０５の内側に、マグネシウム燃料体１０１を着脱可能に支持するツメ３０７を備える。燃料体保持枠３０３は、穴３０４にマグネシウム燃料体１０１を収納し、ツメ３０７がマグネシウム燃料体１０１の側面を支えることで、マグネシウム燃料体１０１を保持する。このとき、枠３０５を貫通する電極部３０６の枠３０５の内側に露出した部分と、マグネシウム薄板１０２の露出した部分とが電気的に接続される。そして、電極部３０６の枠３０５の外側に露出した部分が、外部に対する電極として機能する。

加圧部３０８は、上部カソード電極３０１の上方に、上部カソード電極３０１の表面と接して配置され、上部カソード電極３０１をマグネシウム燃料体１０１に押しつけるように構成されている。

加圧部３０８が上部カソード電極３０１をマグネシウム燃料体１０１に押しつける機構としては、任意のものを採ることができる。例えば、バネやモータを用いて、図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態になるように矢印の方向へ力を加えてもよい。また、断面がくさび状のカムを用いて、図５（ａ）の状態から図５（ｂ）の状態になるように加圧部３０８を上部カソード電極３０１の表面と平行に矢印の方向へ移動させてもよい。また、断面が楕円状のカムを用いて、図６（ａ）の状態から図６（ｂ）の状態になるように加圧部３０８を回転させてもよい。

廃棄部４００は、消耗したマグネシウム燃料体１０１が廃棄される部分である。図１に示すように、電池部３００に隣接して設置され、燃料体集積部４０１を含む。

燃料体集積部４０１は、消耗したマグネシウム燃料体１０１が蓄えられるよう、箱状に構成されている。燃料体集積部４０１は、上部カソード電極３０１及び下部カソード電極３０２と、鉛直方向に重なる部分がない程度に離れ、これらよりも下方に設置されている。

燃料体供給部２００と電池部３００と廃棄部４００とは、燃料体保持枠３０３が平行移動によって行き来するように、一列に並んで配置される。さらに、燃料体供給部２００にある最下段のマグネシウム燃料体１０１が、燃料体保持枠３０３が燃料体供給部２００に移動した際にその枠内に保持されるような高さに配置される。

次に、図７―図９を参照して、マグネシウム燃料体１０１をマグネシウム空気電池１００の燃料として使用し、マグネシウム空気電池１００が起電力を生じる方法について説明する。図７−図９は、マグネシウム空気電池１００の構成を示す断面図である。

まず、図７に示すように、燃料体保持枠３０３が、電池部３００から燃料体供給部２００に平行移動し、燃料体供給部２００の底部と最下段のマグネシウム燃料体１０１との間に挿入され、マグネシウム燃料体１０１を１つ受け取って保持する。

次に、図８に示すように、燃料体保持枠３０３がマグネシウム燃料体１０１を保持した状態で電池部３００に移動し、上部カソード電極３０１と下部カソード電極３０２との間に挿入される。この状態から、加圧部３０８によって上部カソード電極３０１を上から押し下げることにより、上部カソード電極３０１と下部カソード電極３０２とがマグネシウム燃料体１０１に強く押し付けられ、反応が開始される。

図８の状態において、マグネシウム燃料体１０１が上部カソード電極３０１及び下部カソード電極３０２とそれぞれ接し、マグネシウム燃料体１０１の電解液保持部１０３がセパレータとして機能し、電解液保持部に含浸された電解液１０４がイオンの交換を行なう。こうして、マグネシウム空気電池１００は、空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウム薄板１０２に含まれるマグネシウムを負極活物質とする酸化還元反応を起こして起電力を生じる。

マグネシウム空気電池１００の反応時間は、マグネシウム薄板１０２の厚さに依存し、マグネシウム薄板１０２の厚さが１ｍｍ程度の場合は、数十分から１時間程度持続する。この反応の進行に伴い、電池部３００に挿入されているマグネシウム燃料体１０１が消耗していく。

一方、燃料体供給部２００では、最下段のマグネシウム燃料体１０１が引き出された後は、その上に積み重ねられていたマグネシウム燃料体が順次、重力又は機械的な力、例えばバネでマグネシウム燃料体全体を上から押す力等によって隙間を埋めるように下方向に移動し、使用前と同じように積み重ねられる。

図９に示すように、反応の進行に伴ってマグネシウム燃料体１０１が消耗しきると、燃料体保持枠３０３はマグネシウム燃料体１０１を保持したまま、電池部３００から廃棄部４００へ移動する。そこで、燃料体保持枠３０３のツメがマグネシウム燃料体１０１を解放することで燃料体保持枠３０３がマグネシウム燃料体１０１を解放し、マグネシウム燃料体１０１は廃棄部４００の下燃料体集積部４０１に回収される。

その後、燃料体保持枠３０３は電池部３００に移動し、図７−図９の過程が繰り返される。

以上のように、マグネシウム燃料体１０１を燃料として、マグネシウム空気電池１００が起電力を生じることができる。

マグネシウム空気電池１００は反応前のマグネシウム燃料体１０１を積み上げて保管しているため、リールに巻き付けることができない厚さのマグネシウム薄板であっても、燃料として使用することができる。

使用するマグネシウム燃料体１０１は燃料体供給部２００にまとめて補給すればよいため、燃料の補給が容易である。また、消耗したマグネシウム燃料体１０１は廃棄部４００に集積されたものをまとめて回収すればよいため、消耗した燃料の回収も容易である。

（実施の形態２）
次に、マグネシウムを燃料として起電力を生じるマグネシウム空気電池の別の例について説明する。実施の形態１と同一又は同様の要素については同一の符号を用いる。

実施の形態２に係るマグネシウム空気電池１１０は電池部３１０を備え、電池部３１０は燃料体保持枠３１３を備える。

図１０は、燃料体保持枠３１３の構成を示す斜視図である。図１０に示すように、燃料体保持枠３１３は、枠３０５の外側部にツメ３１７を備える。ツメ３１７は、下部カソード電極３０２を着脱可能に保持するツメである。ツメ３１７が下部カソード電極３０２を保持すると、下部カソード電極３０２は、燃料体保持枠３１３に伴って電池部３１０から移動できるようになる。

燃料体保持枠３１３は、ツメ３１７に保持された下部カソード電極３０２と協働して、即ち、穴３０４にマグネシウム燃料体１０１を収納し、下部カソード電極３０２がマグネシウム燃料体１０１の底面を支えることで、マグネシウム燃料体１０１を保持する。

次に、図１１―図１３を参照して、マグネシウム燃料体１０１をマグネシウム空気電池１１０の燃料として使用し、マグネシウム空気電池１１０が起電力を生じる方法について説明する。図１１−図１３は、マグネシウム空気電池１００の構成を示す断面図である。

まず、図１１に示すように、燃料体保持枠３１３のツメ３１７が下部カソード電極３０２を保持した状態で、燃料体保持枠３１３と下部カソード電極３０２とが電池部３１０から燃料体供給部２００に平行移動し、燃料体供給部２００の底部と最下段のマグネシウム燃料体１０１との間に挿入され、マグネシウム燃料体１０１を一つ保持する。

次に、図１２に示すように、燃料体保持枠３１３と下部カソード電極３０２とがマグネシウム燃料体１０１を保持した状態で電池部３１０に移動し、上部カソード電極３０１の下に配置される。この状態から、加圧部３０８によって上部カソード電極３０１を上から押し下げることにより、上部カソード電極３０１と下部カソード電極３０２とがマグネシウム燃料体１０１に強く押し付けられ、反応が開始される。

図１２の状態において、酸化還元反応が起こって起電力を生じる。

反応の進行に伴ってマグネシウム燃料体１０１が消耗しきると、燃料体保持枠３１３のツメ３１７は下部カソード電極３０２を開放する。そして、図１３に示すように、燃料体保持枠３１３は下部カソード電極３０２を伴わずに、電池部３１０から廃棄部４００へ移動する。そこで、マグネシウム燃料体１０１は燃料体保持枠３１３の穴３０４から落下し、マグネシウム燃料体１０１は廃棄部４００の燃料体集積部４０１に回収される。

その後、燃料体保持枠３１３は電池部３１０に移動し図１１−図１３の過程が繰り返される。

以上のように、マグネシウム燃料体１０１を燃料として、マグネシウム空気電池１１０が起電力を生じることができる。

（実施の形態３）
次に、複数のカソード電極の組を備えるマグネシウム空気電池の例について、図１４を用いて説明する。図１４はマグネシウム空気電池１２０が備える電池部３２０の構成を示す（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図である。図１４に示すように、電池部３２０は、上部カソード電極３０１と下部カソード電極３０２との組み合わせを３組備える。この３組のカソード電極は、それぞれ上段、中段、下段の順に上部カソード電極３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃ、下部カソード電極３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃからなり、３組とも上部カソード電極と下部カソード電極との間に燃料体保持枠３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃがそれぞれ挿入される。このとき、３つの燃料体保持枠は一つの辺の両端で連結柱３２９ａ，３２９ｂ（まとめて連結柱３２９という）によってそれぞれ縦に連結されており、３つの燃料体保持枠が連動して移動する。

燃料体保持枠３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃに代表されるように、このような３つの構成要素は同様の構造、機能を有し、同様に動作する。このため、本明細書では、３つを代表させて、燃料体保持枠３２３のように省略して説明することがある。

図１４（ｃ）に示すように、連結柱３２９ａと連結柱３２９ｂとの間隔Ｌ２は、上部カソード電極３２１及び下部カソード電極３２２の長辺の長さＬ１よりも長くなっている。このことにより、連結柱３２９が上部カソード電極３２１や下部カソード電極３２２と干渉することなく、燃料体保持枠３２３が燃料体供給部２００や廃棄部４００へ移動することができる。

連結した燃料体保持枠３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃは、燃料体供給部２００において、積み重ねられたマグネシウム燃料体１０１に３つとも挿入され、それぞれ１枚のマグネシウム燃料体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを保持する。

また、連結した燃料体保持枠３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃは、廃棄部４００において、消耗したマグネシウム燃料体１０１をそれぞれ解放し、マグネシウム燃料体１０１は廃棄部４００の下燃料体集積部４０１に回収される。

電極の数が増えても、使用するマグネシウム燃料体１０１は１つの燃料体供給部２００から供給されるため、燃料体供給部２００にまとめて補給すれば良く、燃料の補給が容易である。同様に、消耗したマグネシウム燃料体１０１も１つの廃棄部４００に集積されるため、廃棄部４００に集積されたものをまとめて回収すれば良く、消耗した燃料の回収も容易である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。

マグネシウム薄板１０２は金属マグネシウムの薄板であるとしたが、これに限られるものではない。例えば、マグネシウム薄板１０２はマグネシウムイオンを溶出するものであればよく、マグネシウムを含む合金、マグネシウム化合物、表面に亜鉛薄膜が形成された金属マグネシウム等から形成されていてもよい。

また、実施の形態３において、マグネシウム空気電池１２０は３組の電極を備えるとしたが、これに限られるものではない。例えば、２組又は４組以上のように、求める電流、電圧に応じて任意の数の電極の組を備えるように構成され得る。

１００、１１０、１２０ マグネシウム空気電池
１０１ マグネシウム燃料体
１０２ マグネシウム薄板
１０３ 電解液保持部
１０４ 電解液
２００ 燃料体供給部
２０１ 台
３００ 電池部
３０１，３２１，３２１ａ―３２１ｃ 上部カソード電極
３０２，３２２，３２２ａ―３２２ｃ 下部カソード電極
３０３，３１３，３２３，３２３ａ―３２３ｃ 燃料体保持枠
３０４ 穴
３０５ 枠
３０６ 電極部
３０７，３１７ ツメ
３０８ 加圧部
４００ 廃棄部
４０１ 燃料体集積部

Claims (9)

1. マグネシウムを含む複数のマグネシウム燃料体を含む燃料体供給部と、
   導電性を有する素材から形成され、酸素に電子を供給する電極を含む電池部と、
   消耗した前記マグネシウム燃料体を回収する燃料体集積部を含む廃棄部と、
   前記燃料体供給部と、前記電池部と、前記廃棄部と、に移動し、前記マグネシウム燃料体を着脱可能に保持する燃料体保持枠と、を備える、
   ことを特徴とするマグネシウム空気電池。
2. 前記燃料体保持枠は、
   前記燃料体供給部に移動して前記マグネシウム燃料体を受け取って保持し、
   前記電池部に移動して前記マグネシウム燃料体を前記電極と接触させ反応を生じさせ、
   前記廃棄部に移動して前記マグネシウム燃料体を解放して前記燃料体集積部に回収させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム空気電池。
3. 前記電極は、前記マグネシウム燃料体の表面に接する上部カソード電極と、前記マグネシウム燃料体の裏面に接する下部カソード電極と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネシウム空気電池。
4. 前記燃料体保持枠は、前記マグネシウム燃料体を支持するツメを備える、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池。
5. 前記燃料体保持枠は、前記下部カソード電極を着脱可能に保持するツメを備え、
   前記燃料体保持枠と前記下部カソード電極とが、前記燃料体供給部と、前記電池部と、に移動し、前記マグネシウム燃料体を着脱可能に保持する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のマグネシウム空気電池。
6. 前記燃料体保持枠は、前記マグネシウム燃料体が収まる枠と、前記マグネシウム燃料体に電気的に接続される電極部と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池。
7. 前記マグネシウム燃料体は、前記燃料体供給部に積み重ねられて設置される、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池。
8. 前記マグネシウム燃料体は、
   マグネシウムを含むマグネシウム薄板と、
   前記マグネシウム薄板の一部を露出させ、露出した部分以外の部分を覆う電解液保持部と、
   前記電解液保持部に含まれる電解液と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池。
9. 複数の前記燃料体保持枠を備え、
   前記電池部が前記燃料体保持枠の数に対応する数の前記電極を含む、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池。

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