JP6587306B2 - 長時間給電可能なマグネシウム空気電池および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、長時間給電可能なマグネシウム空気電池および電子機器、に関する。

電池技術の発達により、従来よりも大容量の電気を電池に溜めることができるようになってきている。これに伴い、環境へ配慮した二酸化炭素や窒素酸化物などを排出しない電気自動車や、災害時の大容量の非常用電源としての電池の開発の需要が高まっている。災害時においては、電気の復旧には３日間が必要とされ、この間の給電が必要である。必要な電源は、家庭では情報源としてのテレビ、生鮮食品の保存に冷蔵庫、電磁調理器や炊飯器などでは、１００Ｗから１ｋＷの電源が必要である。また、二次電池を利用した電気自動車は、環境への影響が少ないという点では有利だが、現時点では、電池により走行できる距離や、充電のための充電ステーションなどのインフラ整備が障害となっている。例えば１００ｋＷｈの二次電池を搭載した自動車の場合、３０分で充電を完了するには２００ｋＷの電源が必要となる。充電する自動車の台数が増加すれば、一台あたり３０分間、充電ステーションを占拠することになる。これを現在のガソリンスタンドにおける燃料注入時間を３分とすると、この３分間で二次電池を充電するには、一台あたり２ＭＷの電源が必要になる。

前述した問題を解消する方法として、空気中の酸素を正極活物質として、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がある。マグネシウム空気電池の容量は、同程度のリチウムイオン二次電池に比して大きくすることができるため、１００ｋＷｈクラスの電池は自動車のトランクに十分入る大きさにまでなっている。また、マグネシウム空気電池は電解液として塩化ナトリウム水溶液（濃度、約２３％）を使用することができ、安全であり、また−２０度でも凍らないことが知られており寒冷な地域でも使用できる。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。特許文献１に記載のマグネシウム空気電池は、リールに巻き付けられたシート状のマグネシウムを含む燃料体が、リールを回転させることにより反応後の燃料体を回収しつつ未使用部分の燃料体が新たに正極と協働して発電する。また、特許文献２は、燃料を供給する供給部と、電池反応が行われる電池部と、反応後の燃料を回収する廃棄部に分かれ、電池部に燃料が次々と投入されて電池反応が継続するマグネシウム空気電池の発明が開示されている。この発明では、燃料となるマグネシウムを予め電解液を含浸した電解液保持材で包み、これを燃料として起電力を得る。

特第５０３４０１４号 特開２０１６−２０７２９１号公報

これらのマグネシウム空気電池は、新しい燃料に入れ替えることにより次々に給電が可能だが、電気自動車への搭載や非常用電源としての使用を考えると、さらに長時間の安定した給電が必要である。また、長時間の給電においては電解質の給水が重要である。特許文献１，２のマグネシウム空気電池は、電解液で湿らせた燃料を用いており、電解液が蒸発して安定した電池反応が行なわれなくなるという課題がある。さらに、燃料供給機構がより簡単で、かつ動力源を必要としないことが望ましい。

すなわち長時間給電可能なマグネシウム空気電池を構成するためには、電解質への長時間にわたる給水が可能であって、独立して長時間給電可能な新たな機構が必要である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、長時間にわたり電解質への給水が可能であり、独立して長時間給電可能なマグネシウム空気電池および電子機器、を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第一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マグネシウム薄板と、液体を含浸可能であって、かつイオンを透過する素材により形成されるセパレータと、負極端子と、で構成されるマグネシウム燃料体と、
前記マグネシウム燃料体を両側から挟みこむように配置され正極端子を備えるカソードと、
電解液と
内部に前記電解液を保持する空間を有する電解液貯留部と、
を備える、
ことを特徴とする。

前記マグネシウム空気電池は、
前記マグネシウム燃料体のみを前記電解液に浸し、
前記セパレータが、毛管現象により前記電解液を含浸する、
ことを特徴とする。

前記マグネシウム空気電池は、
前記マグネシウム燃料体を２つ以上備え、
前記電解液貯留部を、複数の前記マグネシウム燃料体によって共用する、
ことを特徴とする。

前記電解液貯留部と前記マグネシウム燃料体のうち少なくとも一方は、
内部に前記電解液を保持する薄膜を備え、
前記電解液の前記電解液貯留部への供給が、前記マグネシウム燃料体の可動によって当該薄膜を破断することにより行なわれてもよい。

さらに、液体を保持しつつ前記セパレータに沿って滴下する穴を備えたトレイ、を前記マグネシウム燃料体の上方に配置して備え、
前記電解液の前記電解液貯留部への供給が、当該トレイによって行なわれても良い。

さらに、前記セパレータが、前記カソードと前記マグネシウム燃料体との電池反応部分より上に突出した形状を有し、前記トレイが備える穴と当該突出した形状部分が近接して配置されてもよい。

前記マグネシウム空気電池は、
穴を備えた板状のカソード保持材を備え、
正極活物質である酸素を当該穴より取り込みつつ前記カソードを保持してもよい。

前記カソードおよび前記マグネシウム燃料体のうち少なくとも一方は、
表面を摩擦から保護し、水を通す素材で形成される保護膜、を備えても良い。

前記カソードは、複数の前記マグネシウム燃料体を挟み込んで配置され、それぞれの前記マグネシウム燃料体が別々に可動してもよい。

前記マグネシウム空気電池を複数備え、
それぞれの前記マグネシウム空気電池が、
前記マグネシウム燃料体が下方に可動して前記電解液貯留部に貯留された前記電解液を含浸したのち、前記マグネシウム空気電池全体が下方に可動する２段階の可動構造、を有することにより、垂直に接続した前記マグネシウム空気電池全体を次々に反応を開始させる、
ことを特徴とする。

対になった前記カソードを複数備え、それぞれを平行に配置し、
それぞれの前記カソードの間に前記マグネシウム燃料体を挿入し、
当該マグネシウム燃料体が挿入される前記カソードのすぐ隣に配置される前記カソードが備える前記正極端子に、当該マグネシウム燃料体が備える前記負極端子を接続する、
ことを特徴とする。

前項において、一対の前記カソードのうち少なくとも一方が、前記カソードどうしの間に隙間を作る絶縁物である、スペーサー、を備えてもよい。

さらに、前記カソードが、前記マグネシウム燃料体の横方向の長さよりも長い形状を有すると同時に、
この長くなった部分に前記正極端子を備えてもよい。

本発明の第二の観点に係る電子機器は、
本発明の第一の観点に係るマグネシウム空気電池を備える、
ことを特徴とする。

さらに充電可能な二次電池を備え、前記マグネシウム空気電池により前記二次電池を充電する、ことを特徴とする。

前記電子機器は、自動車、であってもよい。

本発明によれば、マグネシウム空気電池において、長時間にわたり電解質の給水が可能であって、独立して長時間給電が可能なマグネシウム電池および電子機器、を提供できる。

本発明のマグネシウム燃料体の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係るマグネシウム空気電池の構成の概略を示す側面断面図（ａ）および上からみた平面図である（ｂ） 本発明の実施形態１に係るマグネシウム空気電池の動作を示す側面断面図である。 本発明の実施形態１から３に係るマグネシウム空気電池の構成の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態１から３に係るマグネシウム空気電池の構成の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係るマグネシウム空気電池の動作を示す側面断面図である。 本発明の実施形態２に係るマグネシウム空気電池の斜視図である。 本発明の実施形態２に係るマグネシウム空気電池の動作を示す側面断面図である。 本発明の実施形態１から３に係るマグネシウム空気電池の構成の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態３に係るマグネシウム空気電池の斜視図である。 本発明の実施形態３に係るマグネシウム空気電池の上から見た平面図（ａ）、および側面断面図（ｂ）、（ｃ）である。 本発明の実施形態３に係るマグネシウム空気電池の構成の一部を示す側面図である。 本発明の実施形態３に係るマグネシウム空気電池の構成の一部を示す側面図である。 本発明の実施形態３に係るマグネシウム空気電池の構成の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態３に係るマグネシウム空気電池の構成の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態３に係る車両装置の概略構成を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明のマグネシウム空気電池の燃料となる、マグネシウム燃料体１００の斜視図である。マグネシウム燃料体１００は、マグネシウム薄板１０１と、マグネシウム薄板１０１の一部を露出させて両側から挟みこむセパレータ１０２と、を備える。

図２は、本発明のマグネシウム空気電池１２０の側面図（ａ）および上からみた平面図（ｂ）を示している。マグネシウム空気電池１２０は、マグネシウム燃料体１００と、カソード１０３と、電解液貯留部１０６と、電解液１０７と、負極端子１０４と、正極端子１０５と、を備える。マグネシウム空気電池１２０は、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して起電力を生じる。

図２に示すように、カソード１０３は、マグネシウム燃料体１００を両側面から挟みこむように配置される。このとき、カソード１０３が備える正極端子１０５が外部と接続してマグネシウム空気電池１２０の正極として機能する。また、マグネシウム燃料体１００が備える負極端子１０４が外部と接続してマグネシウム空気電池１２０の負極として機能する。カソード１０３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、およびこれらを組み合わせたものなどが考えられるが、これに限らない。このうち炭素については、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンフェルト、などの形態をとりうる。

マグネシウム薄板１０１は、マグネシウム空気電池１２０の負極活物質となる金属マグネシウムを含む薄い板である。マグネシウム薄板１０１は、負極端子１０４を備える。負極端子１０４は、導電性を有する素材で形成され、マグネシウム空気電池１２０における負極として機能し、外部と電気的に接続する。

セパレータ１０２は、マグネシウム空気電池１２０のセパレータとして機能し、マグネシウム薄板１０１を、負極端子１０４を露出させて包み込む。セパレータ１０２は液体を含浸可能であって、酸化還元反応に必要なイオンを透過する物質により形成される。セパレータ１０２を形成する素材としては、不織布や濾紙、フェルト、炭素フェルト、あるいはこれらの組み合わせたものなどが考えられるが、これに限らない。たとえばフェルトと不織布を用いると、フェルトは電解液１０７を含浸し、不織布は電池反応が進むにしたがって析出する反応物がカソードを汚すことを抑制し、電池の持続時間を長くすることができる。

前述したマグネシウム薄板１０１と、セパレータ１０２とから構成されるマグネシウム燃料体１００は、マグネシウム空気電池１２０の燃料として機能する。

カソード１０３は、導電性を有する素材で形成され、マグネシウム空気電池１２０の正極活物質である空気中の酸素に電子を供給する。カソード１０３を構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が考えられるが、これに限らない。カソード１０３は、マグネシウム燃料体１００を両側から挟み込むように配置され、内側のマグネシウム燃料体１００のみが電解液１０７を貯留する電解液貯留部１０６まで押し下げられ、カソード１０３は電解液１０７には浸されない。また、カソード１０３は、正極端子１０５を備える。正極端子１０５は、導電性を有する素材で形成され、マグネシウム空気電池１２０の正極として機能し、外部と電気的に接続する。このとき図２（ｂ）に示すように、カソード１０３がマグネシウム燃料体１００よりも幅（図中の縦方向）が長くなっていると、カソード１０３どうしを正極端子１０５に接続しやすい。

電解液貯留部１０６は、内部に電解液１０７を貯留する空間を有し、マグネシウム燃料体１００の下方に配置される。このとき、複数のマグネシウム燃料体１００が共用する一つの電解液貯留部１０６を配置することにより、装置を簡略化できる。複数のマグネシウム燃料体１００を接続した例については、後ほど述べる。

電解液１０７は、マグネシウム燃料体１００と、カソード１０３の間のイオン交換を可能にする電解液である。電解液としては、塩化ナトリウム水溶液が挙げられるが、これに限らない。

次に、マグネシウム空気電池１２０の動作について説明する。

図３は、マグネシウム空気電池１２０の動作を示す側面断面図であり、電池反応開始前（ａ）、開始時（ｂ）であり、マグネシウム空気電池１２０における負極端子１０４どうし、また、正極端子１０５どうしを電気的に接続して並列に３つ接続した一例を示している。このとき、電解液貯留部１０６は、並列に接続されたマグネシウム燃料体１００で共用する一つを備えることで、装置を簡略化できる。

マグネシウム空気電池１２０を、図３（ａ）の矢印の方向に外部からの力によって負極端子１０４で接続されたマグネシウム燃料体１００全体を押し下げる。このとき、マグネシウム燃料体１００以外の部分は押し下げられずに、元の場所にとどまっている（図３（ｂ）参照）。電解液１０７に浸るまで押し下げられたマグネシウム燃料体１００は、毛管現象によりセパレータ１０２が電解液１０７を含浸してイオン交換が行われ、マグネシウム薄板１０１に含まれるマグネシウムを負極活物質とし、空気中の酸素を正極活物質とする酸化還元反応が起こって起電力を生じる。電解液１０７の給水は、この毛管現象により自動的に、かつゆっくりと行なわれる。マグネシウム燃料体１００を押し下げる力は、手で押してもよいし、外部の機械的な力で押し下げてもよい。

ところで、電解液１０７は電解液貯留部１０６に貯留されるとしたが、電解液貯留部１０６への電解液１０７の供給については、次のように行なっても良い。電解液貯留部１０６がふたとなる薄膜１０９を備え、その薄膜１０９の内部に電解液１０７を封入する。図４はその様子を示す電解液貯留部１０６の斜視図である。薄膜１０９の内部に電解液１０７を封入することにより、反応開始までの電解液１０７の蒸発および乾燥を抑えることができる。マグネシウム燃料体１００を押し下げられることによって、この薄膜１０９を破断し、反応を開始する。このとき、薄膜１０９は切れ目１０９ａを備えると破りやすい。なお、図４は説明に直接関係のない構成要素については省略している。

また、図５（ａ）の斜視図に示すように、電解液１０７は、電解液貯留部１０６に置かれた薄膜からなる液袋１１０の内部に封入されていてもよい。このとき、マグネシウム燃料体１００を押し下げることにより液袋１１０を破断する鋭利な形状の突起物１１１をマグネシウム燃料体１００の底部に備えると、液袋１１０を破りやすい。鋭利な形状の突起物１１１としては、針のような尖った形状のものや、かみそりの刃のような形状が考えられるが、これに限らない。液袋１１０を破裂させることができればよい。

あるいは、図５（ｂ）の斜視図に示すように、液袋１１０はマグネシウム燃料体１００の下部に取り付けられてもよい。この場合は、突起物１１１は、電解液貯留部１０６に備えると、液袋１１０を破りやすい。液袋１１０は、マグネシウム燃料体１００の可動に伴い、液袋１１０が破れることで電解液１０７と接触して反応を開始する。

このように、電解液１０７は、ふた状や液袋状の薄膜の内部に貯留されることで、保存の際の蒸発を抑え、長期の使用が可能になる。

以上のようにして、長時間の電解液の給水が可能であって、長時間の給電が可能なマグネシウム空気電池を提供できる。

実施形態１のマグネシウム空気電池１２０は、縦方向に並べて複数接続し、電池の容量を大きくすることができる。この場合の動作の一例について図６を用いて説明する。

図６は、図２で示した並列に３つ接続したマグネシウム空気電池１２０を一組として、マグネシウム空気電池１２０Ａ、１２０Ｂ，１２０Ｃの３組を縦に３段、直列に接続した場合の側面断面図である。上段のマグネシウム空気電池１２０Ａの正極端子１０５ａと、そのすぐ下の段のマグネシウム空気電池１２０Ｂの負極端子１０４ｂとを接続し、正極端子１０５ｂはその下のマグネシウム空気電池１２０Ｃの負極端子１０４ｃとを接続する。最上段の負極端子１０４ａと、最下段の正極端子１０５ｃは、外部と接続する。

反応を開始する前は、図６（ａ）に示すように、すべてのマグネシウム空気電池１２０Ａ〜Ｃは電解液１０７に接触していない。図６（ｂ）のように最上段のマグネシウム空気電池１２０Ａにおけるマグネシウム燃料体１００が押し下げられて電解液貯留部１０６において電解液１０７に到達する。

次に、図６（ｃ）に示すように、マグネシウム空気電池１２０Ａ全体が押し下げられてすぐ下のマグネシウム空気電池１２０Ｂにおけるマグネシウム燃料体１００を押し下げる。さらに、マグネシウム空気電池１２０Ｂ全体が押し下げられてマグネシウム空気電池１２０Ｃのマグネシウム燃料体１００が電解液１０７に浸るまで押し下げられ（図６（ｄ））、次々に下の段のマグネシウム空気電池１２０の反応を開始していく。すなわち、まずマグネシウム燃料体１００のみが可動して、その後マグネシウム空気電池１２０全体が可動する２段階の可動機構を有することにより、垂直に接続されたマグネシウム空気電池１２０の反応を次々に開始することができる。このとき、電解液貯留部１０６の底部が、下の段のマグネシウム空気電池１２０におけるマグネシウム燃料体１００全体を押し下げるようにすると、装置を簡略化できる。反応を開始する順番はこれに限らない。例えば、最下段から開始するようにしてもよい。

このようにして、３段のマグネシウム空気電池１２０Ａ〜Ｃのすべてが反応を開始することができる。

以上のようにして、長時間の電解液の給水が可能であって、長時間の給電が可能なマグネシウム空気電池を提供できる。

図７は、実施形態２のマグネシウム空気電池１２０の斜視概略図である。マグネシウム空気電池１２０は、実施形態１と同様にマグネシウム薄板１０１とセパレータ１０２とから構成されるマグネシウム燃料体１００ａ〜ｆと、カソード１０３と、電解液貯留部１０６と、電解液１０７と、を備える。また、図示していないが、マグネシウム燃料体１００は負極端子１０４を備え、それぞれを接続して一端が負極として機能する。また、カソード１０３は正極端子１０５を備え、外部と電気的に接続して一端がマグネシウム空気電池の正極として機能する。実施形態１と同様の説明は省略する。

カソード１０３は、マグネシウム燃料体１００ａ〜ｆで全体を挟み込んで配置され複数のマグネシウム燃料体１００ａ〜１００ｆで共用する。マグネシウム燃料体１００ａ〜ｆは、それぞれが個別に上下に可動するものとする。また、カソード１０３は１対の場合を示したが、複数であってもよい。

電解液貯留部１０６は内部に電解液１０７を備え、マグネシウム燃料体１００ａ〜ｆが共用する１つが配置される。

次に、マグネシウム空気電池１２０の動作について図８を用いて説明する。

図８は、マグネシウム空気電池１２０の側面断面図であり、マグネシウム燃料体１００ａ〜１００ｆまで６つ備える場合を示す。反応を開始する前は、図８（ａ）のように、すべてのマグネシウム燃料体１００ａ〜１００ｆは電解液１０７に接触していない。マグネシウム燃料体１００ａを押し下げる（図８（ｂ）参照）ことで、セパレータ１０２が電解液１０７を含浸して反応を開始し、マグネシウム燃料体１００ａのマグネシウム薄板１０１を消耗していく。

マグネシウム薄板１０１のマグネシウムが反応しなくなると、一旦、電池反応が終了する。必要な場合は、ふたたび別のマグネシウム燃料体１００ｂ（図８（ｃ）参照）を押し下げて反応を開始してもよいし、また必要な際に（何年後でもよい）押し下げればよい。

マグネシウム空気電池１２０は、燃料であるマグネシウム薄板１０１の大きさ（面積）によって反応時間を調整することができる。このことについて、実験結果を用いて説明する。

実施形態１および２のマグネシウム空気電池１２０において、マグネシウム薄板１０１の大きさを変えて、時間が経過するにつれて反応物のマグネシウム薄板１０１表面上への析出の影響で抵抗が増え、徐々に電圧が低下して電圧が１Ｖ以下になるまでに要する時間（持続時間Ｔ）を計測したところ、厚さ１ｍｍで、幅３０ｃｍ×高さ６ｃｍのマグネシウム薄板１０１では、７２時間持続し、このとき電流値は０．００８Ａ／ｃｍ２、すなわち１．４４Ａであった。また、幅１ｃｍ×高さ６ｃｍのマグネシウム薄板１０１では、２時間持続し、このとき電流値は０．２５Ａ／ｃｍ２、すなわち１．５Ａで、７２時間持続する場合とほぼ同じ電流値であった。ここで、幅とはマグネシウム薄板１０１においてカソード１０３と平行な面の装置の横方向への長さのことであり、高さとは装置の高さ方向への長さを指すものとする。この結果に示すように、必要な電流値を実現しながら、マグネシウム薄板１０１の大きさによって反応時間を調整し、例えば７２時間持続して反応しつづけるマグネシウム空気電池にすることもできるし、２時間ずつ断続的に、必要なときに使用するマグネシウム空気電池にすることもできる。

実施形態１および実施形態２において、カソード１０３はカソード保持材１１２を備えてもよい。カソード保持材１１２は、カソード１０３を保持しつつ、カソード１０３が空気中の酸素を活物質として反応しやすいよう、空気と接する側に空気を取り込む穴１１２ａを備える。カソード保持材１１２を備えることにより、カソード１０３を保持しつつ、安定した電池反応を行なうことができる。このとき、均質にマグネシウム燃料体１００を押さえて電池反応が表面積全体で均一に起こるよう、空気の取り入れ口となる穴１１２ａが多数、均等に配置された板状の物質とするとよい。カソード保持材１１２の一例を図９の斜視図に示す。穴１１２ａは円形（図９（ａ））の他、矩形状（図９（ｂ））であってもよく、また、これに限らない。

以上のようにして、長時間の電解液の給水が可能であって、長時間の給電が可能なマグネシウム空気電池を提供できる。

実施形態３のマグネシウム空気電池１２０は、実施形態１，２と同様に、マグネシウム薄板１０１とセパレータ１０２とから構成されるマグネシウム燃料体１００と、マグネシウム燃料体１００を挟み込む１対のカソード１０３と、を複数組備え、それぞれのマグネシウム燃料体１００が共用する電解液貯留部１０６と、電解液１０７と、を備える。マグネシウム燃料体１００およびカソード１０３は、それぞれ平行に配置される。図１０は２つのマグネシウム燃料体１００を備えるマグネシウム空気電池１２０の斜視図であり、図１０のマグネシウム燃料体１００をカソード１０３の間に挿入することにより、マグネシウム燃料体１００の側面に備える負極端子１０４が、カソード１０３が備える正極端子１０５に挿入されて、それぞれが直列に接続される。（図１０では、まだ挿入されていない。）マグネシウム空気電池１２０を構成するそれぞれの構成要素の重複する部分については実施形態１、２と同様であるため省略している。

図１１（ａ）を用いて、詳しく説明する。図１１（ａ）は、実施形態３のマグネシウム空気電池１２０を上からみた平面図を示す。マグネシウム燃料体１００は、実施形態１，２と同様に、マグネシウム薄板１０１と、それを包み込む液体を含浸可能なセパレータ１０２とで構成され、側面に負極端子１０４を備える。マグネシウム燃料体１００は、１対のカソード１０３の間に挿入される。その際、負極端子１０４の先端（１０４ａ）を、カソード１０３が備える正極端子１０５に挿入して電気的に接続する。マグネシウム燃料体１００は、下部が電解液貯留部１０６において電解液１０７に浸るまでさらに押し下げられる。マグネシウム燃料体１００はマグネシウム空気電池１２０から取り外し、電池反応により消耗した燃料体を新しいマグネシウム燃料体１００に交換して使用する。

カソード１０３は、図１１（ａ）に示すように、それぞれのマグネシウム燃料体１００を両側から挟み込んで配置され、このときマグネシウム燃料体１００と重なる電池反応部分よりも長い形状を有する。この長くなった部分に正極端子１０５を備えることにより、マグネシウム燃料体１００の挿入と同時に、負極端子１０４を正極端子１０５に挿入することができる。また、マグネシウム燃料体１００が備える負極端子１０４を、すぐ隣に配置されたカソード１０４に備わる正極端子１０５に挿入することにより、装置を簡略化できる。図１０では、負極端子１０４が隣のカソード１０３における正極端子１０５の方向に折れ曲がった形状を有しており、斜めに折れ曲がっていることにより、すぐ隣のマグネシウム燃料体１００から延びる負極端子１０４を回避することができる。また、カソード１０３が、この負極端子１０４を通過させる空間を有していると、装置を簡略化できる。カソード１０３の形状の一例を図１２の側面図に示す。図１２は、カソード１０３のマグネシウム燃料体１００より長くなった部分の一部が欠けた形状を有しており、ここを負極端子１０４が通過して隣のカソード１０３における正極端子１０５に挿入する。カソード１０３は、他の実施形態と同様に、電解液１０７には浸かっていない。このことについては、後で述べる。

図１１に戻る。図１１（ｂ）、（ｃ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ‘における断面図であり、マグネシウム燃料体１００の挿入前（ｂ）、挿入後（ｃ）、を示している。マグネシウム燃料体１００に備えられた負極端子１０４が、正極端子１０５に挿入されると述べたが、図１１（ｂ）、（ｃ）に示したのは正極端子１０５の形状の一例である。１つのセルにはカソード１０３は１対、設置されるが、それぞれのカソード１０３が備える正極端子１０５が内向きに向かい合って折り曲げられた、山なりの形状を有することで、正極端子１０５の間に負極端子１０４が挿入されると、正極端子１０５がバネのような役割を果たして負極端子１０４と正極端子１０５がしっかりと接続される。正極端子１０５は、例えば銅板などの素材により形成される。

実施形態１，２と同様に、カソード１０３は、カソード保持材１１２により保持してもよい。カソード保持材１１２は、前に述べたように、空気を取り込む穴１１２ａを備えることにより、カソード１０３どうしを近接して配置することができる。このとき、図１１（ｂ）、あるいは図１０に示すように、カソード１０３は、マグネシウム燃料体１００を挟み込む一対のカソード１０３を保持するカソード保持材１１２のうち少なくとも一方に、穴１１２ａを避けて配置し、カソード１０３どうしの間に隙間を作るスペーサー１１３を備えることで、カソード１０３を近接して設置しても、空気を取り込む空間を確保することができる。カソード保持材１１２とスペーサー１１３を形成する素材は同じでも異なっていてもよく、絶縁物であって、できるだけ軽量であるとよい。スペーサー１１３を形成する素材としては、ポリカーボネート樹脂などが考えられるが、これに限らない。また、スペーサー１１３を配置する場所や数は、図１０や図１１に示すものに限らないが、カソード１０３上において均等に配置されていることで、多数のカソード１０３を重ねても空気の取り込みを妨げない。

次に、実施形態３のマグネシウム空気電池１２０を使用する方法について説明する。

マグネシウム空気電池１２０は、燃料であるマグネシウム燃料体１００をカソード１０３に挿入し、同時に負極端子１０４が正極端子１０５に挿入される。さらに、マグネシウム燃料体１００の下部が電解液貯留部１０６において電解液１０７を含浸することによりセパレータが電解液１０７を含浸して電池反応を開始する。

ところで、本実施形態においては、複数のマグネシウム燃料体１００が直列に接続されたうえに、一つの電解液１０７を共用していることから、電解質中で漏電して導通してしまうことが予想されるが、実験の結果、それは起きないことが分かっている。負極端子１０４や正極端子１０５などの銅電極の抵抗が低く、電解液１０７は電解質とはいえ抵抗が大きいことに加え、カソード１０３は電解液１０７の中には浸らず、マグネシウム燃料体１００のみが電解液１０７中に浸る構造を有することにより、電解質中において電流が流れない。このことから、マグネシウム空気電池１２０全体を、電解液貯留部１０６を共通とした簡単な構造にすることができる。

実施形態３のマグネシウム空気電池１２０は、燃料となるマグネシウム燃料体１００のみを抜きだしての交換が、実施形態１、２よりもさらに簡単である。マグネシウム空気電池１２０の他の部分はそのままで、マグネシウム燃料体１００のみを交換可能な構造にすることで、長時間の給電をより簡単に行なうことができる。

このとき、カソード１０３を保護膜で覆うことで、マグネシウム燃料体１００を何度も抜き差しすることによる摩擦でカソード１０３が損傷するのを防ぎ、カソード１０３の寿命を長くすることができる。この保護膜は、水を通す素材で、できる限り薄くて表面がなめらかであると、挿入時の摩擦を減らすことができる。例えば薄い不織布などが考えられる。

さらに、カソード１０３と同様に、マグネシウム燃料体１００の外側からも、前に述べた保護膜で包み込むことで、さらに摩耗や損傷を防ぐことができる。

また、カソード１０３が、ガイド１１４を備えてもよい。ガイド１１４は、マグネシウム燃料体１００をカソード１０３の間に挿入する際に、マグネシウム燃料体１００の下端の差し込み位置がカソード１０３の間からずれていても、これを位置修正してカソード１０３の間に導くような形状を有する。ガイド１１４を備えることにより、複数のマグネシウム燃料体１００の挿入を容易にすることができる。ガイド１１４の一例を、図１３の側面断面図に示す。ガイド１１４は、円筒を半分にカットした半円筒状のもの、などが考えられ、円筒の側面のカーブに沿って、マグネシウム燃料体１００が導かれてカソード１０３に挿入される。ガイド１１４の形状としては、ビニールパイプを半円筒状にカットしたものなどが考えられるが、これに限らない。また、半円筒状としたが、これに限らない。マグネシウム燃料体１００が側面のカーブに沿ってカソード１０３の間に導かれるような他の形状、例えば三角柱でもよい。図１３は説明に関係のない構成要素については省略している。

電解液１０７は、実施形態１，２と同様にふた状や液袋状の薄膜の内部に貯留することにより長期の使用が可能となる。

ところで、電解液貯留部１０６への電解液１０７の供給が、電解液１０７を封入した薄膜の破断によって行なわれ、さらにセパレータ１０２の毛管現象によりマグネシウム燃料体１００が電解液１０７を含浸することを前にも説明したが、マグネシウム燃料体１００の上方から電解液１０７を供給することにより、さらに素早く電解液１０７を供給して電池反応を開始させることができる。

図１４（ａ）に示すように、マグネシウム空気電池１２０がマグネシウム燃料体１００の上方にトレイ１１５を備える。トレイ１１５は液体を保持可能なトレイ状の形状を有し、液体を滴下する複数の滴下孔１１５ａを備える。電池反応を開始する前は、このトレイ１１５が電解液１０７を保持し、セパレータ１０２に沿って電解液１０７が滴下孔１１５ａを通して滴下される。そして、マグネシウム燃料体１００が電解液１０７を含浸することにより電池反応を開始する。このとき、図１４（ｂ）に示すように、トレイ１１５が液体を含浸可能な素材で形成された電解液保持材１１５ｂを備え、電解液１０７を電解液保持材１１７ｂに含浸させておくことにより、電解液１０７が少量ずつゆっくりと滴下され、セパレータ１０２に含浸されやすい。電解液保持材１１５ｂは、例えば不織布やフェルトなどが考えられるが、これに限らない。また、トレイ１１５が電解液１０７を保持すると述べたが、電解液１０７の代わりに水を保持し、かつセパレータ１０２が塩化ナトリウムを備え、当該水に溶解して塩化ナトリウム水溶液を生成して電解液１０７としてもよい。滴下孔１１５ａは、円形に限らない。スリットのような形状でも、矩形状でもよい。

このとき、セパレータ１０２が図１５のような形状を有するとよい。図１５はマグネシウム燃料体１００の斜視図であり、セパレータ１０２はマグネシウム燃料体１００とカソード１０３による反応部分から突き出した形状を有し、この部分がトレイ１１５の滴下孔１１５ａに近接、あるいは接触するように設置され、滴下孔１１５ａから滴下される液体が直接セパレータ１０２をつたってマグネシウム燃料体１００に浸透して電解液１０７を供給する。トレイ１１５が保持する液体は、前述のように電解液１０７、あるいは水であり、水の場合は前述したようにセパレータ１０２が塩化ナトリウムをあらかじめ保持する。

このように、マグネシウム燃料体１００の上からも電解液１０７を供給することにより、素早く電解液１０７を供給することができる。

以上のようにして、長時間の電解液の給水が可能であって、長時間の給電が可能なマグネシウム空気電池を提供できる。

実施形態１から３について説明したが、長時間の給電が可能になることから、様々な電子機器や装置に接続して電源とすることができる。以下より、自動車などの、止まったり、動いたりという出力の変動が大きい装置でマグネシウム空気電池１２０を使用する方法について説明する。

図１６は、マグネシウム空気電池１２０を使用した車両装置２００の概略図である。車両装置２００は、マグネシウム空気電池１２０と、二次電池２０１と、モーター２０２とを備える。図１６に示すように、マグネシウム空気電池１２０と二次電池２０１とが接続され、二次電池２０１とモーター２０２とが接続されている。図１６の矢印は、マグネシウム空気電池１２０において燃料となるマグネシウム燃料体１００が新しいものと交換可能であることを示している。車両装置２００は二次電池２０１を駆動用バッテリとして駆動し、二次電池２０１はマグネシウム空気電池１２０により充電される。

車両装置２００は、二次電池２０１からの電力によってモーター２０２を動作させて走行する車両装置であり、例えば電気自動車などである。

二次電池２０１は、充電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン二次電池などである。二次電池２０１は、車両装置２００を駆動させる直接の電源となる。

車両装置２００は、二次電池２０１からの電力供給によってモーター２０２を動作させて走行する。このとき、二次電池２０１に接続されたマグネシウム空気電池１２０により走行中あるいは停車中に二次電池２０１が充電される。マグネシウム空気電池１２０は、燃料であるマグネシウム燃料体１００を新しいものと交換することにより、車載したままで二次電池２０１への充電を行なうことが可能である。なお、モーター２０２は、車両装置２００の駆動を可能にする車輪やその車輪を動かすための駆動装置などである。

ところで、自動車などの車両装置では、動いたり、止まったり、などといった出力の変動が大きい状況がたびたび発生する。マグネシウム空気電池１２０を車両装置２００の直接の電源とすると、マグネシウム空気電池１２０により出力の増減を行なうことになる。その際、大きな出力から小さな出力へと切り替え、再び大きな出力を得ようとすると、反応生成物である水酸化マグネシウム等の絶縁物が燃料となるマグネシウムの表面に積層してゆくため、しだいに電流が流れなくなり、また一旦反応を停止してしまうと固着してしまい再び反応を開始することが困難になる。そのため、小さな出力から大きな出力へと移行するには、時間をかけて徐々に出力を上昇させなくてはならず、また、あまりにも出力を下げすぎると大きな出力まで上げられないなどの問題があり、マグネシウム空気電池１２０を車両装置２００の直接の電源にするのは効率が悪い。一方、二次電池は、走行により消費した電気を充電することで再び走行することができるが、充電ステーションにおける充電時間の問題がある。車両装置２００を、マグネシウム空気電池１２０と二次電池２０１を使用するハイブリッド構造にすることにより、マグネシウム空気電池１２０と二次電池２０１の双方の欠点を補いあい、より長時間の走行を可能にし、充電時の停車時間を減少させることができる。

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

マグネシウム薄板１０１は、金属マグネシウムを含むとしたが、これに限られない。すなわちマグネシウム燃料体１００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や、マグネシウム化合物から形成されていてもよい。

１００、１００ａ〜１００ｆ マグネシウム燃料体
１０１ マグネシウム薄板
１０２ セパレータ
１０３ カソード
１０４、１０４ａ〜１０４ｃ 負極端子
１０５、１０５ａ〜１０５ｃ 正極端子
１０６ 電解液貯留部
１０７ 電解液
１０９ 薄膜
１０９ａ 切れ目
１１０ 液袋
１１１ 突起物
１１２ カソード保持材
１１３ スペーサー
１１４ ガイド
１１５ トレイ
１１５ａ 滴下孔
１１５ｂ 電解液保持材
１２０、１２０Ａ〜１２０Ｃ マグネシウム空気電池
２００ 車両装置
２０１ 二次電池
２０２ モーター

Claims (15)

1. マグネシウムを含むマグネシウム薄板と、液体を含浸可能であって、かつイオンを透過する素材により形成されるセパレータと、負極端子と、で構成されるマグネシウム燃料体と、
   前記マグネシウム燃料体を両側から挟みこむように配置される、正極端子を備えるカソードと、
   電解液と
   内部に前記電解液を保持する空間を有する電解液貯留部と、
   を備える、
   マグネシウム空気電池を複数備え、
   それぞれの前記マグネシウム空気電池が、
   前記マグネシウム燃料体が下方に可動して前記電解液貯留部に貯留された前記電解液を含浸したのち、前記マグネシウム空気電池全体が下方に可動する２段階の可動構造、を有することにより、垂直に接続した前記マグネシウム空気電池全体を次々に反応を開始させる、
   マグネシウム空気電池。
2. 前記マグネシウム燃料体のみを前記電解液に浸し、
   前記セパレータが、毛管現象により前記電解液を含浸する、
   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. 前記マグネシウム燃料体を２つ以上備え、
   前記電解液貯留部を、複数の前記マグネシウム燃料体によって共用する、
   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. 前記電解液貯留部と前記マグネシウム燃料体のうち少なくとも一方は、
   内部に前記電解液を保持する薄膜を備え、
   前記電解液の前記電解液貯留部への供給が、前記マグネシウム燃料体の可動によって当該薄膜を破断することにより行なわれる、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. 液体を保持しつつ前記セパレータに沿って滴下する穴を備えたトレイ、を前記マグネシウム燃料体の上方に配置して備え、
   前記電解液の前記電解液貯留部への供給が、当該トレイによって行なわれる、ことを特徴とする、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池。
6. さらに、前記セパレータが、前記カソードと前記マグネシウム燃料体との電池反応部分より上に突出した形状を有し、前記トレイが備える穴と当該形状部分が近接して配置される、ことを特徴とする、請求項５に記載のマグネシウム空気電池。
7. 穴を備えた板状のカソード保持材を備え、
   正極活物質である酸素を当該穴より取り込みつつ前記カソードを保持する、
   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. 前記カソードおよび前記マグネシウム燃料体のうち少なくとも一方は、
   表面を摩擦から保護し、水を通す素材で形成される保護膜、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. 前記カソードは、複数の前記マグネシウム燃料体を挟み込んで配置され、それぞれの前記マグネシウム燃料体が別々に可動する、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。
10. 対になった前記カソードを複数備え、それぞれを平行に配置し、
    それぞれの前記カソードの間に前記マグネシウム燃料体を挿入し、
    当該マグネシウム燃料体が挿入される前記カソードのすぐ隣に配置される前記カソードが備える前記正極端子に、当該マグネシウム燃料体が備える前記負極端子を接続する、
    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。
11. 一対の前記カソードのうち少なくとも一方が、前記カソードどうしの間に隙間を作る絶縁物である、スペーサー、を備える、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のマグネシウム空気電池。
12. 前記カソードが、前記マグネシウム燃料体の横方向の長さよりも長い形状を有すると同時に、この長くなった部分に前記正極端子を備える、ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のマグネシウム空気電池。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池を備える、
    ことを特徴とする、電子機器。
14. さらに充電可能な二次電池を備え、前記マグネシウム空気電池により前記二次電池を充電する、ことを特徴とする、請求項１３に記載の電子機器。
15. 前記電子機器が、自動車、である、請求項１３又は１４に記載の電子機器。

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