JP6636718B2 - マグネシウム燃料発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、長尺のマグネシウム合金を用いたマグネシウム燃料発電装置に関する。

従来、マグネシウム燃料電池は種々提案されている。特許文献１には、マグネシウム薄膜が形成されたフィルムを移動させ、電極と溶融液とに接触させて発電するカートリッジタイプのマグネシウム電池が提案されている。特許文献２には、難燃性のマグネシウム合金を用いて長時間安定的に発電できるマグネシウム燃料電池が提案されている。

特許第５０３４０１４号公報 特許第５６２９８６４号公報

しかしながら、従来のマグネシウム燃料電池では、大容量の電力を連続して発電することは困難であった。例えば特許文献１では、フィルム上に形成されたマグネシウム薄膜をリールで電極と溶融液とに順次供給するため、十分なマグネシウム量を連続して供給することはできず大容量の電力を連続して発電することはできなかった。

特許文献２では、バッチタイプのマグネシウム燃料電池であり、Ｍｇプレートが消費されると発電が終了し、さらに沈殿等により電解液が劣化した場合にも発電が終了していた。また大容量の電力を発電するために大型化すると、多量の電解液を収容することで液深が増加して水圧が高くなるため、気体透過性のある正極材の耐水性が不足し、電解液の漏洩が生じるという問題点があった。

そこで本発明は、大型で長期間連続して発電するのに適したマグネシウム燃料発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、次のコンセプトを有する。
［１］ 電解液を収容する収容部と、前記収容部の電解液に接する負極部及び正極部と、を備え、
前記負極部は、長尺のマグネシウム合金からなる負極材を有し、
前記収容部には、前記負極材が順次横に広げた状態で配置され、
前記正極部は、前記収容部内の前記負極材に対向する空気極を有する、マグネシウム燃料発電装置。
［２］ 前記収容部内における前記負極材の下方の沈殿堆積位置と、前記収容部外の沈殿回収位置と、の間を移動する沈殿除去部材を有する、前記［１］に記載のマグネシウム燃料発電装置。
［３］ 前記収容部の長手方向両端側に前記負極材が挿通される開口部をそれぞれ有し、前記開口部間における前記収容部の上壁は中間部からそれぞれ前記開口部側に向けて上昇するように傾斜している、前記［１］又は［２］に記載のマグネシウム燃料発電装置。
［４］ 前記収容部の長手方向両端側に前記沈殿除去部材が挿通される開口部をそれぞれ有し、前記開口部間における前記収容部の底壁は中間部からそれぞれ前記開口部側に向けて上昇するように傾斜している、前記［２］に記載のマグネシウム燃料発電装置。
［５］ 前記収容部の壁に前記空気極が設けられている、前記［１］乃至［４］の何れかに記載のマグネシウム燃料発電装置。

本発明によれば、大型で長期間連続して発電するのに適したマグネシウム燃料発電装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置の長手方向の概略縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置の短手方向の縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置の短手方向の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０は、図１乃至図３に示すように、長尺の負極材２１を有する負極部２０と、空気極３１を有する正極部３０と、電解液４１を収容する収容部４０と、電解液４１中の沈殿を分離する分離部５０と、を備えている。

負極部２０は、長尺帯状に形成された負極材２１と、ロール状に巻回された負極材２１を一端側から繰り出して順次収容部４０内へ供給する送出部２２と、負極材２１を収容部４０から順次排出させて巻き取る引取部２３と、を有する。送出部２２及び引取部２３の一方又は双方は、速度を調整して回転駆動される。

負極材２１は、電解液４１中にマグネシウムイオンを溶出可能なマグネシウム合金からなる。本実施形態では、難燃性を付与する成分を含有した難燃性のマグネシウム合金を使用する。難燃性のマグネシウム合金としては、例えばＭｇ−Ａｌ−Ｃａ系、Ｍｇ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｍｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系などの合金を用いてもよい。

送出部２２が収容部４０の一端側に設けられ、引取部２３が収容部４０の他端側に設けられている。負極材２１を送出部２２で送出しつつ引取部２３で引き取ることで、送出部２２と引取部２３との間を負極材２１が順次移動する。送出部２２及び引取部２３は、負極材２１の両面を上下方向に向けるように、負極材２１を縦方向に巻回している。

正極部３０は、空気を透過し電解液４１を透過しない空気極３１を有し、空気極３１が電解液４１と空気との境界に配置される。空気極３１は、空気中の酸素に電子を供給し、電解液４１中にヒドロキシイオンを生成する。空気極３１は、例えば活性炭、炭素繊維、カーボンフェルトなどの炭素質材料や、鉄、銅などの金属材料等を用いることができる。

本実施形態では、空気極３１が収容部４０に一体的に設けられている。後述するように、空気極３１が収容部４０の上壁を構成しており、電解液４１中に浸漬された負極材２１の略全面と対向するように配置されている。剛性を有する空気極３１を形成するために、例えば空気極膜を強度部材で挟んだサンドイッチ構造としてもよい。

空気極３１と負極材２１との離間距離は、全面においてできるだけ均等にすることが好適である。第１の実施形態では、収容部４０内で空気極３１と負極材２１との離間距離を保つために、空気極３１と負極材２１との間には複数のガイドローラ４２が配置されている。ガイドローラ４２の代わりに滑りを用いてもよい。

収容部４０は、垂直方向の厚みが薄くて水平方向の幅及び長さが大きい扁平形状に形成されている。収容部４０は長手方向に湾曲しており、両端側より中間部が低い位置となるように形成されている。収容部４０の長手方向における両端側の上壁には開口部４３が上向きにそれぞれ設けられている。各開口部４３には、負極材２１と後述する分離部５０の沈殿除去部材としてのベルト５１とが挿通されている。収容部４０は、例えば図１に示すような門状の載置用フレーム６０上に配置されている。

送出部２２側の開口部４３と引取部２３側の開口部４３との間における収容部４０の上壁は、中間部から各開口部４３，４３側に向けて緩勾配で上昇するように傾斜している。本実施形態では、この上壁に空気極３１が設けられている。開口部４３，４３における収容部４０の底壁も、中間部から各開口部４３，４３側に向けて緩勾配で上昇するように傾斜している。

収容部４０の内部には、電解液４１の収容空間が設けられており、開口部４３と開口部４３との間における収容空間の略全体が電解液４１で満たされている。電解液４１の液面、すなわち電解液面４４が開口部４３を超えないように、電解液４１が収容部４０内に収容される。電解液は、例えば塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、過炭酸ナトリウム水溶液などであり、またそれらの混合水溶液でもよく、海水や家畜の尿などを用いてもよい。電解液の濃度は発電量等に応じて適宜調整される。

収容部４０の内部は、負極材２１を収容可能な幅を有し、発電量に応じた長さの負極材２１を収容できる長さを有している。収容部４０の深さは安定した発電が可能な電解液を収容できる範囲で浅くすることができる。

収容部４０内には、負極材２１が後述するベルト５１とともに長手方向に貫通している。負極材２１は収容部４０内に配置された部分を横に広げた状態、即ち長さ方向及び幅方向に展開させた状態で貫通している。

負極材２１は、収容部４０内を貫通した状態で、送出部２２側の開口部４３と引取部２３側の開口部４３との間の略全長で電解液４１に接触している。負極材２１は上方の空気極３１と離間するとともに下方のベルト５１と離間している。

収容部４０には、電解液４１の給排装置４５、すなわち電解液給排装置４５が接続されている。電解液給排装置４５は負極材２１の長手方向に対して交差する方向に電解液４１が流動するように、収容部４０の幅方向の一方側から電解液４１を供給し、他方側から電解液を排出している。電解液４１は循環使用されてもよい。

分離部５０は、収容部４０内における負極材２１の下方略全体となる沈殿堆積位置Ｐ１と、収容部４０外の沈殿回収位置Ｐ２と、の間を循環するように移動する沈殿除去用のベルト５１を有していて、このベルト５１で搬出された沈殿物を収容部内から分離して除去する。ベルト５１は、収容部４０の長手方向両端側に配置された一対のベルトローラ５２，５２間に架け渡されている。ベルトローラ５２，５２の一方又は双方は速度調整して回転駆動される。

ベルト５１は回転駆動されることで、ベルト５１の上部が収容部４０内の沈殿堆積位置Ｐ１を収容部４０の底壁に沿って移動し、ベルト５１の下部が収容部４０の外側下方を移動する。ベルト５１は、好ましくは収容部４０の底壁上を負極材２１と同じ方向に摺動する。

沈殿堆積位置Ｐ１でベルト５１に堆積した沈殿物はベルト５１により収容部４０の外に設けられたベルトローラ５２周りの沈殿回収位置Ｐ２まで搬送される。沈殿回収位置Ｐ２には、沈殿除去用のベルト５１上の沈殿を減容化して回収するための手段、例えば加圧ローラ５３、スクレーパ５４、回収部５５等が設けられている。さらに、加圧ローラ５３で搾り出された電解液が引取部２３側の開口部４３に戻り易くしてもよい。このように、引取部２３側の開口部４３側に、電解液を除去するための構造を設けてもよい。

マグネシウム燃料発電装置１０を用いて発電を行うには、正極部３０と負極部２０とを調整部を介して負荷に接続する。負極部２０の送出部２２から負極材２１を収容部４０内に送り出し、引取部２３で巻回して引き取ることで、負極材２１を長手方向に移動させて収容部４０内で電解液４１と接触させる。負極材２１では、電子を放出してマグネシウムイオンを電解液中に溶出する。空気極３１では、空気中の酸素と電解液４１の水が電子を受け取ってヒドロキシイオンが生成される。これにより発電がなされる。一つの収容部４０において正極及び負極の対で、１．５Ｖから２．０Ｖの範囲の起電力が生じる。

発電時には、負極材２１と空気極３１との間隔を適切に保ち、負極材２１の移動速度を適宜調整することで、安定した電力を得ることができる。難燃性のマグネシウム合金からなる幅広の負極材２１を、所望の電力に応じた長さ及び速さで電解液４１に接触させることで、大容量の電力が得られる。

電解液４１中では、発電に伴い水酸化マグネシウム等の沈殿が生じる。沈殿のうち重いものは沈降し、沈殿堆積位置Ｐ１でベルト５１に堆積し、沈殿回収位置Ｐ２に搬出され、減容化されて回収される。電解液４１中に浮遊するものは、電解液４１の給排装置４５により電解液４１とともに収容部４０から流出させる。これにより電解液４１の劣化を防止でき、発電を継続できる。

第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０によれば、負極材２１が長尺に形成されていて、長手方向に順次電解液４１中に配置して発電を行うので、長期間連続して発電できる。このように、連続して発電するマグネシウム燃料発電装置１０は、連続型マグネシウム燃料発電装置と呼んでもよい。また、収容部４０が負極材２１を横に広げた状態で配置する構造としたので、収容部４０を横方向に長くすることで、負極材２１の電解液４１との接触面積を容易に大きくできる。そのためマグネシウム電池を大型化しても、電解液４１の液深を深くする必要がなく、空気極３１や収容部４０に負荷される電解液４１の水圧を低く保つことができる。その結果、大型化しても電解液４１の漏洩を容易に防止できる。従って、大型で長期間連続して大容量の電力を発電するのに適している。

第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０では、収容部４０内の沈殿堆積位置Ｐ１と収容部４０外の沈殿回収位置Ｐ２との間を移動する沈殿除去用のベルト５１を有しているので、発電中に電解液４１中に生成されて堆積した水酸化マグネシウム等の沈殿をベルト５１により、電解液４１外に排出できる。これにより、電解液４１中の水酸化マグネシウムが増加することにより、内部ショートが生じたり発電能力が落ちたりすることを防止できる。さらに電解液４１の量を少なく抑えることも可能である。よって大型化して長期間連続して発電するのに適している。

第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０では、収容部４０の長手方向両端側に負極材２１が挿通される開口部４３，４３を有し、開口部４３，４３間における収容部４０の上壁が、中間部から両端側の各開口部４３，４３側に向けて緩勾配で上昇するように傾斜している。そのため、収容部４０の内部に空気溜まりが生じ難く、空気極３１及び負極材２１の広い範囲を電解液４１に確実に接触させることができる。

第１の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０では、収容部４０の長手方向両端側に負極材２１が挿通される開口部４３，４３を有し、開口部４３，４３間における収容部４０の底壁が、中間部から各開口部４３，４３側に向けて緩勾配で上昇するように傾斜している。そのため、沈殿が堆積したベルト５１を、収容部４０の底壁における緩勾配に沿って移動させることで、沈殿を円滑に収容部４０外に搬送することができ、電解液４１の劣化を防止し易い。

第１の実施形態では、収容部４０の壁が空気極３１により形成されているので、空気極３１を適切な位置に広い面積で設けることができる。そのため酸素を吸収し易くでき、安定した発電が可能であり、大型化して長期間連続して発電するのにより適している。

第１の実施形態では、ベルト５１が負極材２１の長手方向に沿って移動するように配置されているので、電解液４１と接触する負極材２１の長さを長くすることで大型化する際、ベルト５１の長さを長くすることで容易に対応できる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０を示す縦断面図である。
第２の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０は、収容部４０の上壁と底壁とが空気極３１により形成されている。その他は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態に係るマグネシウム燃料発電装置１０でも、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに収容部４０の上壁と底壁とが空気極３１により形成されているので、発電時の律速となる酸素の吸収速度を大幅に向上することができるため、発電量を向上することができる。その際、沈殿除去部材としてメッシュ材などにして通液性を向上させてもよい。

本発明の実施形態は上述に限らず、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
第１の実施形態では、収容部４０内の負極材２１の上方に空気極３１を設けるようにしたが、収容部４０内の負極材２１の下方に空気極３１を設けるようにしてもよい。
第１及び第２の実施形態では、収容部４０に電解液が収容される収容空間を設け、収容空間内に沈殿除去用のベルト５１を配置しているところ、収容部４０の底壁をベルト５１により形成することも可能である。その場合、ベルト５１の幅方向の両縁側よりも中間部分を下方に凹ませるとともに、ベルト５１の上側に配置される部分においてベルトローラ５２側より中間部分を凹ませることで、ベルト５１上に電解液の収容部を構成してもよい。

上記実施形態では、負極材２１と空気極３１との間に複数のガイドローラ４２を設けた例について説明したが、ガイドローラ４２は一本でもよく、ガイドローラ４２を設けずに電解液４１だけを介在させてもよく、例えばポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ガラス繊維、樹脂不織布、ガラス不織布、濾紙などのセパレータを介在させてもよい。

第１及び第２の実施形態では、収容部４０を長手方向に湾曲した形状に形成したが、垂直方向の厚みが薄い扁平形状であればよく、上下両壁が平面状に形成された平坦な形状や、中間部で屈曲して両端側に勾配が設けられた形状などであってもよい。

第１及び第２の実施形態では帯状の負極材２１を用いたが、負極材２１として多数の線材等を用いてもよい。

１０：マグネシウム燃料発電装置
２０：負極部
２１：負極材
２２：送出部
２３：引取部
３０：正極部
３１：空気極
４０：収容部
４１：電解液
４２：ガイドローラ
４３：開口部
４４：電解液面
４５：電解液給排装置
５０：分離部
５１：沈殿除去部材としてのベルト
５２：ベルトローラ
５３：加圧ローラ
５４：スクレーパ
５５：回収部
６０：載置用フレーム
Ｐ１：沈殿堆積位置
Ｐ２：沈殿回収位置

Claims (4)

1. 電解液を収容する収容部と、前記収容部の電解液に接する負極部及び正極部と、を備え、
   前記負極部は、長尺のマグネシウム合金からなる負極材を有し、
   前記収容部には、前記負極材が順次横に広げた状態で配置され、
   前記正極部は、前記収容部内の前記負極材に対向する空気極を有し、
   前記収容部内における前記負極材の下方の沈殿堆積位置と、前記収容部外の沈殿回収位置と、の間を移動する沈殿除去部材を有する、マグネシウム燃料発電装置。
2. 前記収容部の長手方向両端側に前記負極材が挿通される開口部をそれぞれ有し、前記開口部間における前記収容部の上壁は中間部からそれぞれ前記開口部側に向けて上昇するように傾斜している、請求項１に記載のマグネシウム燃料発電装置。
3. 前記収容部の長手方向両端側に前記沈殿除去部材が挿通される開口部をそれぞれ有し、前記開口部間における前記収容部の底壁は中間部からそれぞれ前記開口部側に向けて上昇するように傾斜している、請求項１または２に記載のマグネシウム燃料発電装置。
4. 前記収容部の壁に前記空気極が設けられている、請求項１乃至３の何れかに記載のマグネシウム燃料発電装置。

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