JP7191039B2 - metal air fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、金属空気燃料電池、及び、装置及び製品のための長寿命で機械的に充電可能な直流電源としての使用を含む金属空気燃料電池の使用に関する。 The present invention relates to metal-air fuel cells and their uses, including use as long-life, mechanically rechargeable DC power sources for devices and products.

この明細書における任意の従前の刊行物又はそれから導き出される情報或いは既知の任意の事項への言及は、この明細書が関連する対象分野における共通の一般的知識の一部を従前の刊行物又はそれから導き出される情報或いは既知の事項が形成するという確認又は承認又は任意の形態の示唆として解釈されず、また、解釈されるべきでない。 Any reference in this specification to any prior publication or to information derived therefrom or to any matter known to the public is part of the common general knowledge in the subject matter to which this specification pertains. It is not and should not be construed as an affirmation or admission or any form of suggestion that the information derived or known matters forms.

多くの製品、特に家庭用及び携帯用機器は、単3電池、単2電池、及び、単1電池などのバッテリにより駆動されるように設計される。そのような伝統的なバッテリを使用するときの不利な点は、比較的短い動作寿命、及び、限られた保管寿命、すなわち、使用されていないときでさえも経時的な内部(閉鎖系)構成要素の劣化に起因する期限切れを含む。したがって、これらの装置は、太陽光発電又は灯油を含む他の電源によっても代替的に給電される。 Many products, especially home and portable devices, are designed to be powered by batteries such as AA, C and D batteries. Disadvantages when using such traditional batteries are the relatively short operating life and limited shelf life, i.e. the internal (closed system) configuration over time even when not in use. Includes expiration due to element degradation. Therefore, these devices are alternatively powered by other power sources including solar power or kerosene.

代替電源として灯油を使用することの不利な点としては、高い毎月のコスト、環境汚染物質(地球温暖化の一因となっている大気中に放出された何百万トンものCO及びブラックカーボン)、健康への悪影響(例えば、肺、眼、皮膚、及び、全般的な健康)、潜在的な火災の危険性(可燃性に起因する)、安全な保管及び定期購入の問題、一部の製品及び装置(緊急ビーコン、ラジオ、通信機器、USBデバイス用の充電ドックなど)の電源として適さないこと、及び、飲料として混同することにより偶発的に飲んでしまうことによって引き起こされる中毒の可能性さえ挙げられる。 Disadvantages of using kerosene as an alternative power source include high monthly costs, environmental pollutants (millions of tons of CO2 and black carbon released into the atmosphere contributing to global warming). ), adverse health effects (e.g., lungs, eyes, skin, and general health), potential fire hazards (due to flammability), safe storage and subscription issues, and some Unsuitability for powering products and equipment (emergency beacons, radios, communication equipment, charging docks for USB devices, etc.) and even possible poisoning caused by accidental ingestion by mixing it with a beverage mentioned.

太陽エネルギーを代替電源として使用することの不利な点としては、日照の量と日照期間のばらつき(特に冬季)、雨の影響(熱帯雨季/モンスーンシーズン中に太陽の潜在能力をほぼゼロまで低下させる可能性がある)、曇りの状態及び霧が発電量を(約10~80%)減少させ得ること、影や靄も太陽パワーの効果を低下させ得ること、太陽の緯度(太陽の角度)の影響及び効果的な捕捉のために太陽捕捉装置の位置を調整する必要性、外的要素からの損傷及び窃盗のリスクを冒して離れて行く日光を捕捉するために屋外に設置しなければならないこと、及び、充電式でないことから寿命が尽きた時点で処分されなければならないという点でのソーラー装置自体の限界が挙げられる。 Disadvantages of using solar energy as an alternative power source include variability in the amount and duration of sunshine (particularly in winter), the effects of rain (during the tropical wet/monsoon season, which reduces the sun's potential to almost zero). possible), cloudy conditions and fog can reduce power production (about 10-80%), shadows and haze can also reduce the effectiveness of solar power, solar latitude (sun angle) The need to adjust the position of the sun capture device for influence and effective capture, damage from external elements and the need to install outdoors to capture the escaping sunlight at the risk of theft. and limitations of the solar system itself in that it is not rechargeable and must be disposed of at the end of its life.

マグネシウム空気燃料電池などの金属空気燃料電池を伝統的な電池に代わるものとして使用することもできる。金属空気燃料電池は、以下、すなわち、高エネルギー密度、低価格、及び、長期保管の可能性を含む特定の利点を提供すると考えられている。 Metal-air fuel cells, such as magnesium-air fuel cells, can also be used as an alternative to traditional batteries. Metal-air fuel cells are believed to offer certain advantages, including: high energy density, low cost, and potential for long-term storage.

一般的に言えば、金属空気燃料電池は、空気カソードとアノードとの間の電解質として作用する海水又は他の食塩水などのイオン水溶液中に懸濁することによって動作する。空気カソードは酸素に晒されて電気化学反応が生じ得るようにする。この電気化学反応の副生成物としては、
a)水素ガス(及び微量の塩素ガス)の放出、及び、
b)アノード劣化からの廃棄物(例えば金属水酸化物)
が挙げられる。
Generally speaking, metal-air fuel cells operate by suspending them in an ionic aqueous solution, such as seawater or other saline solution, which acts as the electrolyte between the air cathode and the anode. The air cathode is exposed to oxygen to allow electrochemical reactions to occur. As a by-product of this electrochemical reaction,
a) release of hydrogen gas (and traces of chlorine gas), and
b) Waste from anode degradation (e.g. metal hydroxides)
is mentioned.

金属空気燃料電池技術は、電池からの電解質の漏洩、電極を過剰な電解質に晒すことにより性能が低下する、シール問題、ガス(例えば水素及び塩素)の蓄積及び排出の問題、暴走的な発熱酸化還元反応、アノード劣化に関連する廃棄物管理問題(例えば、定期的な洗浄及び電解質交換がない場合に燃料電池内の廃棄物材料蓄積により引き起こされるカソード寿命低下)によって引き起こされる危険な温度及び圧力上昇を含めて、その欠点を伴わないわけでない。 Metal-air fuel cell technology suffers from electrolyte leakage from the cell, degraded performance from exposing the electrodes to excess electrolyte, sealing problems, gas (e.g. hydrogen and chlorine) accumulation and exhaust problems, and runaway exothermic oxidation. Dangerous temperature and pressure rises caused by reduction reactions, waste management issues related to anode degradation (e.g. reduced cathode life caused by waste material build-up within the fuel cell in the absence of regular cleaning and electrolyte replacement) is not without its drawbacks.

マグネシウム空気燃料電池は、アノードの交換を必要とするまでに50~100時間の典型的な寿命を有する。また、空気カソードの性能は、多くの場合、たった100~200時間の使用後又は最初の使用後の保管中でさえも非常に急速に低下する。幾つかの金属空気燃料電池は、空気カソード寿命を最大にするためにユーザによる厳しい定期的な保守及び洗浄行為を必要とする。 Magnesium air fuel cells have a typical life of 50-100 hours before requiring replacement of the anode. Also, the performance of air cathodes often degrades very quickly after only 100-200 hours of use or even during storage after the first use. Some metal-air fuel cells require rigorous regular maintenance and cleaning actions by the user to maximize air cathode life.

典型的な金属空気燃料電池形態は、Huebscher、R.Gらの米国特許第3,519,486号明細書(1970年7月7日)及びLouie,H.P.の米国特許第3,963,519号明細書(1976年6月15日)によって例示される。 A typical metal-air fuel cell configuration is described by Huebscher, R.; G et al., U.S. Pat. No. 3,519,486 (July 7, 1970) and Louie, H.; P. U.S. Pat. No. 3,963,519 (June 15, 1976).

米国特許第3,519,486号明細書は、過剰な電解質を捕捉するために電池の底部に内部リザーバ/チャンバを含む捕捉型電解質燃料電池について記載する。捕捉された過剰の電解質は、電極及びマトリクスが位置される電解質プールを形成する。マトリクスは、繊維状アスベストマットなどの水酸化カリウムに耐性のある材料から形成される(第2欄第4~5行目)。電解質の漏れを防ぐために電池がシールされなければならない。更に、リザーバは電池の底部に位置されるため、電池は、電解質の貯留及び電池の動作を確保にするために直立方向で位置されなければならない。 US Pat. No. 3,519,486 describes a trapped electrolyte fuel cell that includes an internal reservoir/chamber at the bottom of the cell to trap excess electrolyte. The trapped excess electrolyte forms an electrolyte pool in which the electrodes and matrix are located. The matrix is formed from a material that is resistant to potassium hydroxide, such as fibrous asbestos mat (column 2, lines 4-5). The battery must be sealed to prevent electrolyte leakage. Furthermore, since the reservoir is located at the bottom of the battery, the battery must be positioned in an upright orientation to ensure electrolyte storage and battery operation.

米国特許第3,963,519号明細書は、保護シールドスペーサを伴う他の捕捉型電解質燃料電池について記載する。スペーサは、電池に構造的強度を与えて、空気がカソードの全表面にわたって通過できるようにしつつカソードを保護する。この形態は、単3形態、単2形態、及び、単1形態の一次及び二次軽量金属空気電池としての用いるのに適さないと考えられていた初期の重枠金属/空気バッテリ構造に勝る進歩と考えられた。電解質を内部でシールするための液密構成が記載される。 US Pat. No. 3,963,519 describes another trapped electrolyte fuel cell with a protective shield spacer. The spacers provide structural strength to the cell and protect the cathode while allowing air to pass over all surfaces of the cathode. This configuration is an advance over earlier heavy-framed metal/air battery designs that were considered unsuitable for use as primary and secondary lightweight metal-air batteries in the AA, C, and D formats. It was considered. A liquid-tight configuration is described for sealing the electrolyte internally.

米国特許第3,519,486号明細書も米国特許第3,963,519号明細書も圧力蓄積を軽減するために蓄積されたアノード劣化廃棄物を除去又は単離する及び/又は副生成物を排出するためのプロセスを記載していない。 Both U.S. Pat. Nos. 3,519,486 and 3,963,519 remove or isolate accumulated anode degradation waste and/or by-products to alleviate pressure buildup. does not describe the process for discharging the

金属空気燃料電池技術の開発が進行中である。例えば、日本のAqua Power Systemは、現在、少なくとも以下の3つのPCT特許出願に記載されているように金属空気燃料電池技術を進歩させようとしており、それらの「現実的なマグネシウム空気燃料」(RMAF)システム技術として市販される(http://aquapowersystems.com/technology/how-aqua-powers-technology-works/、2016年12月19日にアクセスされたウェブサイト)。 Development of metal-air fuel cell technology is underway. For example, Japan's Aqua Power System is currently advancing metal-air fuel cell technology as described in at least three PCT patent applications, and their "realistic magnesium-air fuel" (RMAF ) as system technology (http://aquapowersystems.com/technology/how-aqua-powers-technology-works/, website accessed Dec. 19, 2016).

国際公開第2014/097909号(Aqua Power System、日本;米国特許出願公開第2015/0340704号としても公開される)は、撥水性及び導電性炭素材料を含む層状カソード体を有する金属空気燃料電池を開示する。結果として得られる燃料電池は、高度に撥水性、通気性、及び、耐漏洩性があるとして記載されている。 WO2014/097909 (Aqua Power System, Japan; also published as U.S. Patent Application Publication No. 2015/0340704) discloses a metal-air fuel cell having a layered cathode body comprising a water-repellent and conductive carbon material. Disclose. The resulting fuel cells are described as being highly water-repellent, breathable, and leak-proof.

国際公開第2014/115880号(Aqua Power System、日本;米国特許出願公開第2015/0364800号としても公開される)は、電気化学反応を改善するためにアノードとカソードとの間の距離が比較的短いマグネシウム空気燃料電池を提供する。燃料電池の高さ及び幅、アノードとカソードとの相対的な位置、及び、反応ガス排出パイプを更に含む給水パイプの使用は、比較的長期間にわたって安定した電力供給を生成すると言われている。しかしながら、反応ガス排出パイプへの入口が電池内に位置される場合があるため、反応ガス排出パイプは電解質及び/又はガスを漏洩させる場合があり望ましくない。 WO2014/115880 (Aqua Power System, Japan; also published as U.S. Patent Application Publication No. 2015/0364800) discloses that the distance between the anode and cathode is relatively large to improve the electrochemical reaction. A short magnesium air fuel cell is provided. The height and width of the fuel cell, the relative positions of the anode and cathode, and the use of water supply pipes, which further include the reaction gas discharge pipe, are said to produce a stable power supply over relatively long periods of time. However, since the inlet to the reactant gas exhaust pipe may be located within the cell, the reactant gas exhaust pipe may leak electrolyte and/or gas, which is undesirable.

国際公開第2014/115879号(Aqua Power System、日本;米国特許出願公開第2015/0380693号明細書としても公開される)は、蓋によってON/OFFされ得るマグネシウム空気燃料電池であって、締め付けられると端子が接触して電源がONに切り替わるとともに緩められると電源がOFFするマグネシウム空気燃料電池を開示する。 WO2014/115879 (Aqua Power System, Japan; also published as U.S. Patent Application Publication No. 2015/0380693) describes a magnesium air fuel cell that can be turned ON/OFF by a lid that is tightened A magnesium-air fuel cell is disclosed in which the power is turned on when the terminals are in contact with each other and turned off when the terminals are loosened.

RMAF技術は、水で作動する1.5V単3バッテリを含む多くの市販製品に組み込まれていると理解される。(http://aquapowersystems.com/products/batteries/、2016年12月19日アクセスされたWebサイト)しかしながら、ウェブサイトに開示されるように、Aqua Powerバッテリは、小型の手動ピペットによる電解質の手動導入を必要とする所定のサイズの密閉システムとして構成される。 It is understood that RMAF technology is incorporated into many commercial products, including water powered 1.5V AA batteries. (http://aquapowersystems.com/products/batteries/, website accessed December 19, 2016). Configured as a closed system of a given size that requires installation.

Fluidic、Inc.,(米国)は、金属空気燃料電池技術を現在進歩させようとしている他の会社である。Fluidic、Inc.のプラットフォーム技術は、最初の商品化された充電式亜鉛-空気バッテリに組み込まれていると理解される(http://fluidicenergy.com/technology/、2016年12月19日にアクセスされたウェブサイト)。 Fluidic, Inc. , (USA) is another company that is currently advancing metal-air fuel cell technology. Fluidic, Inc. platform technology is believed to be incorporated into the first commercialized rechargeable zinc-air battery (http://fluidicenergy.com/technology/, website accessed December 19, 2016 ).

Fluidic、Inc.,は、例えば、金属燃料酸化生成物の導電性を高めるためのドーパントの使用、すなわち、アノードが縮退的にドープされる(国際公開第2014/062385号、Fluidic、Inc.);電着を向上させるための及び/又は電池の容量を拡張するイオン伝導媒体中の添加剤の使用(国際公開第2014/160144号、Fluidic、Inc.);ヘテロイオン芳香族添加剤の使用(国際公開第2014/160087号、Fluidic、Inc.);ポリ(エチレングリコール)テトラヒドロフルフリルを含む添加剤の使用;及び、イオン伝導媒体中の添加剤の濃度の制御(国際公開第2016/123113号及び国際公開第2012/030723号、Fluidic、Inc.)を含む、金属空気燃料電池技術における様々な進歩について記載する。設計変更によりもたらされる他の特許請求の範囲に記載される進展としては、気体状酸化剤受容空間を収容すること(国際公開第2013/066828号、Fluidic.Inc)、廃棄微粒子の酸化を触媒するための触媒材料を含むキャッチトレイ(国際公開第2012/012364号、Fluidic、Inc。)、足場構造を有するアノード(国際公開第2011/163553号、Fluidic社)、複数の電極を有する燃料電池(それぞれ国際公開第2011/130178号及び国際公開第2012/037026号、Fluidic、Inc.)、及び、複数の燃料電池システム(それぞれ国際公開第2011/035176号、国際公開第2012/106369号及び国際公開第2010/065890号、Fluidic、Inc.)が挙げられる。 Fluidic, Inc. , for example, the use of dopants to enhance the electrical conductivity of metal fuel oxidation products, i.e., the anode is degenerately doped (WO2014/062385, Fluidic, Inc.); the use of additives in ion-conducting media to reduce and/or extend the capacity of batteries (WO2014/160144, Fluidic, Inc.); the use of heteroionic aromatic additives (WO2014/ 160087, Fluidic, Inc.); use of additives comprising poly(ethylene glycol) tetrahydrofurfuryl; /030723, Fluidic, Inc.), various advances in metal-air fuel cell technology are described. Other claimed advances brought about by the design change include housing a gaseous oxidant receiving space (WO2013/066828, Fluidic. Inc), which catalyzes the oxidation of waste particulates. (WO2012/012364, Fluidic, Inc.), an anode with a scaffold structure (WO2011/163553, Fluidic), a fuel cell with multiple electrodes (each WO2011/130178 and WO2012/037026, Fluidic, Inc.) and multiple fuel cell systems (WO2011/035176, WO2012/106369 and WO2012/106369, respectively) 2010/065890, Fluidic, Inc.).

一般に、Fluidic、Inc.の金属空気燃料電池技術は、アノードが消費されないためにプロセスが可逆的であるという点で、更にアノードが「ドープ」される又はそれが劣化しないように被覆されるという点で従来の充電式バッテリに似ている。 Generally, Fluidic, Inc. metal-air fuel cell technology differs from conventional rechargeable batteries in that the process is reversible because the anode is not consumed, and in that the anode is "doped" or coated to prevent it from degrading. It's similar to.

米国特許第3,519,486号明細書U.S. Pat. No. 3,519,486 米国特許第3,963,519号明細書U.S. Pat. No. 3,963,519 国際公開第2014/097909号WO2014/097909 国際公開第2014/115880号WO2014/115880 国際公開第2014/115879号WO2014/115879 国際公開第2014/062385号WO2014/062385 国際公開第2014/160144号WO2014/160144 国際公開第2014/160087号WO2014/160087 国際公開第2016/123113号WO2016/123113 国際公開第2012/030723号WO2012/030723 国際公開第2013/066828号WO2013/066828 国際公開第2012/012364号WO2012/012364 国際公開第2011/163553号WO2011/163553 国際公開第2011/130178号WO2011/130178 国際公開第2012/037026号WO2012/037026 国際公開第2011/035176号WO2011/035176 国際公開第2012/106369号WO2012/106369 国際公開第2010/065890号WO2010/065890

金属空気燃料電池技術における多数の進歩にもかかわらず、手頃な価格の入手可能な環境に優しい(再利用可能、リサイクル可能)、長い寿命(保管寿命及び/又は動作寿命)を有し、信頼性があり安全である装置及び製品に用いるために、その技術に関連する特定の不都合を克服するとともに特にバッテリの形態で直流電力の新たな供給源を提供する必要性が依然としてある。 Affordable, environmentally friendly (reusable, recyclable), long-lived (shelf-life and/or operating-life) and reliable despite numerous advances in metal-air fuel cell technology There remains a need to overcome certain disadvantages associated with that technology and to provide a new source of DC power, particularly in the form of batteries, for use in devices and products that are safe and secure.

本発明は、
(a)アノードと、
(b)位置決め可能な空気カソードと、
(c)電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するようにアノードと空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
(d)吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ空気カソードが吸収材料層と接触したままとなるようにするべく空気カソードを位置決めするように適合される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
吸収材料層は、電解質を保持することによってアノードとカソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池を提供する。
The present invention
(a) an anode;
(b) a positionable air cathode;
(c) a layer of absorbent material configured to hold an electrolyte, said layer of absorbent material being positioned intermediate an anode and an air cathode such that it is in contact with said anode;
(d) resilient air cathode positioning means adapted to position the air cathode so that it remains in contact with the layer of absorbent material while accommodating any changes in the volume of the layer of absorbent material;
with
The absorbent material layer provides a metal-air fuel cell that functions as an ion transfer bridge between the anode and cathode by retaining the electrolyte.

本発明は、
(a)アノードと、
(b)位置決め可能な空気カソードと、
(c)電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するようにアノードと空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
(d)吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ空気カソードが吸収材料層と接触したままとなるようにするべく適合される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
吸収材料層は、電解質を保持することによってアノードとカソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池を提供する。
The present invention
(a) an anode;
(b) a positionable air cathode;
(c) a layer of absorbent material configured to hold an electrolyte, said layer of absorbent material being positioned intermediate an anode and an air cathode such that it is in contact with said anode;
(d) resilient air cathode positioning means adapted to accommodate any changes in the volume of the absorbent material layer while allowing the air cathode to remain in contact with the absorbent material layer;
with
The absorbent material layer provides a metal-air fuel cell that functions as an ion transfer bridge between the anode and cathode by retaining the electrolyte.

好ましくは、アノード、吸収材料層、及び、空気カソードは、空気カソードが吸収材料層を実質的に取り囲むとともに吸収材料層がアノードを実質的に取り囲むように同軸に配置される。 Preferably, the anode, the layer of absorbent material and the air cathode are coaxially arranged such that the air cathode substantially surrounds the layer of absorbent material and the layer of absorbent material substantially surrounds the anode.

好ましくは、アノード、吸収材料層、及び、空気カソードは、例えば空気カソードが吸収材料層を覆い且つ吸収材料層がアノードを覆うように積層体又は「サンドイッチ層状」配置を成して設けられる。 Preferably, the anode, the layer of absorbent material and the air cathode are provided in a stacked or "sandwich layered" arrangement, for example with the air cathode overlying the layer of absorbing material and the layer of absorbing material overlying the anode.

好ましくは、弾性空気カソード位置決め手段が金属空気燃料電池の断面周長にわたって位置される。 Preferably, the resilient air cathode positioning means are positioned around the cross-sectional perimeter of the metal-air fuel cell.

好ましくは、弾性空気カソード位置決め手段は、空気カソード内に組み込まれる又は空気カソードとは別個に設けられるとともに、Oリング、変形可能な高分子材料、弾性(又はゴム)バンド、又は、拡張可能なメッシュから選択される。 Preferably, the resilient air cathode positioning means are incorporated within or separate from the air cathode and are comprised of O-rings, deformable polymeric material, elastic (or rubber) bands or expandable mesh. is selected from

好ましくは、金属空気燃料電池が開放型ハウジングユニット内に収容される。 Preferably, the metal-air fuel cell is contained within an open housing unit.

好ましくは、金属空気燃料電池は、吸収材料層が電解質を保持できるようにすることによって(例えば、金属空気燃料電池を液体に浸すことによって)使用のために活性化又は再活性化される。 Preferably, the metal-air fuel cell is activated or reactivated for use by allowing the layer of absorbent material to retain the electrolyte (eg, by immersing the metal-air fuel cell in a liquid).

好ましくは、吸収材料層が水分を保持するときに電解質を形成するために吸収材料層にイオンが予め含浸される。 Preferably, the absorbent material layer is pre-impregnated with ions to form an electrolyte when the absorbent material layer retains moisture.

好ましくは、吸収材料層は、イオンが予め含浸される吸収材料の副層と、イオンが予め含浸されない吸収材料の副層とを備える。 Preferably, the layer of absorbent material comprises a sub-layer of absorbent material pre-impregnated with ions and a sub-layer of absorbent material not pre-impregnated with ions.

好ましくは、吸収材料層は、保持される電解質の吸着又は消耗時及び/又はアノード廃棄物の捕捉時に体積を変化させる。 Preferably, the layer of absorbent material changes volume upon adsorption or depletion of retained electrolyte and/or upon capture of anode waste.

好ましくは、吸収材料層が織布又は不織布の繊維材料或いはそれらの組み合わせを備える。吸収材料層が繊維状セルロース、竹繊維、又は、それらの組み合わせを備えることが更に好ましい。 Preferably, the absorbent material layer comprises woven or non-woven fibrous material or a combination thereof. It is further preferred that the absorbent material layer comprises fibrous cellulose, bamboo fibres, or a combination thereof.

好ましくは、アノードがマグネシウム合金を備える。 Preferably, the anode comprises a magnesium alloy.

好ましくは、空気カソードがシート層を備える。空気カソードが疎水性で通気性を有するとともに層状テフロン材料を備えることが更に好ましい。 Preferably, the air cathode comprises a sheet layer. More preferably, the air cathode is hydrophobic, breathable and comprises a layered Teflon material.

好ましくは、金属空気燃料電池は、吸収材料層と空気カソードとの間に位置されて吸収材料層を支持して収容する及び/又はアノード廃棄沈殿物からカソードを更に分離して保護する紙セパレータ層を更に備える。 Preferably, the metal-air fuel cell has a paper separator layer positioned between the layer of absorbent material and the air cathode to support and contain the layer of absorbent material and/or to further separate and protect the cathode from anode waste deposits. Further prepare.

一実施形態において、金属空気燃料電池は、製品又は装置の動作に電力を供給するために用いる直流電源をもたらすようになっている及び/又はもたらすべく使用される。好ましくは、製品又は装置は、トーチ(懐中電灯、マグライト、ペンライトを含む)、ライト及び照明製品又は装置(グローブライト、LEDライト、ストロボライト、及び、クリスマスライトを含む)、安全性又は一時的な照明用途(道路工事を含む)、ランタン(キャンプ用ランタン及びちょうちんを含む)、組み合わせ製品(懐中電灯としての動作とランタンとしての動作との間で変換可能な懐中電灯-ランタン組み合わせを含む)、家庭用製品(電動歯ブラシ及びシェーバーを含む)緊急ビーコン(EPIRB及び指向性ファインダーを含む)、ラジオ(アナログ及びデジタル)、通信機器(ラジオ、CBラジオ、及び、小型オーディオ機器を含む)、玩具(すなわち、バッテリ給電式)、充電式製品用の電源バンク及びUSBデバイス用の充電ドック(携帯電話、i-pod、i-padを含む小型電子製品)から成るグループから選択される。 In one embodiment, a metal-air fuel cell is adapted and/or used to provide a DC power source used to power the operation of a product or device. Preferably, the products or devices are torches (including flashlights, maglites, penlights), lights and lighting products or devices (including globe lights, LED lights, strobe lights and Christmas lights), safety or temporary lighting applications (including road construction), lanterns (including camping lanterns and paper lanterns), combination products (including flashlight-lantern combinations convertible between operating as flashlights and as lanterns), household products (including electric toothbrushes and shavers) emergency beacons (including EPIRB and directional finders), radios (analog and digital), communications equipment (including radios, CB radios and small audio equipment), toys (i.e. , battery powered), power banks for rechargeable products and charging docks for USB devices (small electronic products including mobile phones, i-pods, i-pads).

定義
本明細書中において別段に規定されなければ、以下の用語は、以下の一般的な意味を有すると理解される。
Definitions Unless otherwise specified herein, the following terms are understood to have the following general meanings.

「空気透過性」とは、材料に関して、空気がそれを通って流れる、拡散する、或いはさもなければ通過することができるようにする又はそのような能力を有することを意味する。 "Air permeable" means, with respect to a material, allowing or having the ability to allow air to flow, diffuse, or otherwise pass therethrough.

「吸収性」とは、材料に関して、流体(液体又は気体)、特に液体を吸い上げる又は吸収することができる、そのような能力を有する、又は、そのような傾向があることを意味する。 "Absorptive" means, with respect to a material, capable of, having such an ability or having a tendency to wick or absorb a fluid (liquid or gas), especially a liquid.

「活性化する」とは、本発明の金属空気燃料電池に関して、使用の準備(活性又は作動)をすること、すなわち、金属空気燃料電池の酸化還元反応を通して電気を発生させることを意味する。 "Activate", with respect to the metal-air fuel cell of the present invention, means to prepare (activate or operate) for use, i.e. to generate electricity through the oxidation-reduction reaction of the metal-air fuel cell.

「収縮性」とは、材料又は物体に関して、縮小する又は収縮することによってサイズ及び/又は体積を減少させることができること又は減少させるようになっていることを意味する。 "Shrinkable" means, with respect to a material or object, capable or adapted to decrease in size and/or volume by shrinking or shrinking.

「浸漬」とは、何かを液中に短時間置く又は浸すプロセスを意味する。 "Immersion" means the process of placing or immersing something in a liquid for a short period of time.

「乾式保管」とは、乾燥状態、すなわち、低湿度環境中で且つ大気中の湿気がない状態で保管するプロセスを意味する。 "Dry storage" means a process of storage in a dry state, ie, in a low humidity environment and in the absence of atmospheric moisture.

「弾性」とは、材料又は物体に関して、伸張又は圧縮又は他の方法で変形された後に自発的にその元のサイズ及び形状を回復することができる又はそのような能力を有することを意味する。 "Elastic" means, with respect to a material or object, capable of or having the ability to spontaneously recover its original size and shape after being stretched or compressed or otherwise deformed.

「電解質」とは、イオンを含むとともに電気を伝導できる又はそのような能力を有する溶液(液体又はゲル、好ましくは液体)を意味する。 "Electrolyte" means a solution (liquid or gel, preferably liquid) that contains ions and is capable or capable of conducting electricity.

「拡張可能」とは、材料又は物体に関して、拡張によってサイズ及び/又は体積を増大させることができる又は増大するようになっていることを意味する。 "Expandable" means, in reference to a material or object, capable of or adapted to increase in size and/or volume by expansion.

「疎水性」とは、材料に関して、水を(引きつけたり吸収したりするのとは対照的に)はじくことができる又はそのような能力を有することを意味する。 By "hydrophobic" is meant, for a material, capable of or having the ability to repel (as opposed to attract or absorb) water.

「機械的に再充電可能」とは、燃料電池又はバッテリに関して、消費されたアノードの交換を意味し、例えばマグネシウムアノードの場合、マグネシウム材料は、化学反応中に放出される電子のための貯蔵媒体であり、また、マグネシウム材料はプロセスで消費される。 "Mechanically rechargeable", in relation to a fuel cell or battery, means replacement of a consumed anode, e.g. in the case of a magnesium anode, the magnesium material is a storage medium for electrons released during chemical reactions. and magnesium material is consumed in the process.

「圧力上昇」とは、気体に関して、シールシステム内又は密閉システム内でのガスに起因する圧力の上昇を意味する。 "Pressure increase", with respect to a gas, means the increase in pressure caused by the gas within a sealed system or within a closed system.

「保管寿命」とは、製品に関して、その製品がその本来の目的のための適合性を含めて使用可能であり続ける期間、長さ又は持続時間を意味する。 "Shelf-life", with respect to a product, means the period, length or duration during which the product remains usable including suitability for its intended purpose.

「通気」とは、気体に関して、例えば出口を介することを含む、シールシステム又は密閉システムから気体を放出するプロセスを意味する。 "Vent" means with respect to gas, the process of releasing gas from a seal or containment system, including, for example, through an outlet.

「廃棄物」とは、例えばマグネシウム金属空気燃料電池の場合のように、プロセスから生じる望ましくない材料又は副生成物、使用時に電池内の電気化学反応から生成される水酸化マグネシウム及び/又は水素及び塩素のようなガスを意味する。 "Waste" means undesired materials or by-products resulting from the process, magnesium hydroxide and/or hydrogen and/or means a gas such as chlorine.

「ウィッキング性」とは、毛細管作用によって液体を材料中へ又は材料を通じて吸収する又は引き込むプロセスを意味する。 "Wicking" means the process of absorbing or drawing liquid into or through a material by capillary action.

本発明に係る金属空気燃料電池の好ましい実施形態を例示する添付の図に関連して本発明を更に説明する。本発明の他の実施形態も可能であり、したがって、添付図面の詳細は、本発明の前述の説明の一般性に取って代わるものとして理解されるべきではない。 The present invention will be further described in connection with the accompanying figures which illustrate preferred embodiments of metal-air fuel cells according to the present invention. Other embodiments of the invention are possible, and thus the details of the accompanying drawings should not be taken as superseding the generality of the foregoing description of the invention.

当該技術分野において知られるような従来のマグネシウム空気(MgO)燃料電池の断面切欠き側面図を示す。1 shows a cross-sectional cutaway side view of a conventional magnesium air (MgO 2 ) fuel cell as known in the art. FIG. 本発明の一実施形態に係るマグネシウム空気燃料電池の断面部分切欠き側面図を示す。1 shows a cross-sectional partial cut-away side view of a magnesium-air fuel cell according to one embodiment of the present invention; FIG. 液体電解質に浸漬された際の吸収材料層による液体電解質(生理食塩水)の取り込み(吸収)を説明するための図1Bのマグネシウム空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。FIG. 1B shows a cross-sectional cutaway side view of the magnesium-air fuel cell of FIG. 使用時の電池のガス蓄積(燃料電池反応副生成物)及び排出プロセスを説明するための図1Aの従来のMgO電池の断面切欠き側面図を示す。FIG. 1B shows a cross-sectional cutaway side view of the conventional MgO 2 cell of FIG. 使用時の電池のガス蓄積(燃料電池反応副生成物)及び排出プロセスを説明するための図1Bの金属空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。FIG. 1B shows a cross-sectional cutaway side view of the metal-air fuel cell of FIG. 使用からのカソード上の腐食性マグネシウムアノード廃棄沈殿物(燃料電池反応副生成物)の蓄積を説明するための図1AのMgO電池の断面切欠き側面図を示す。FIG. 1B shows a cross-sectional cutaway side view of the MgO 2 cell of FIG. 使用からのカソード上の腐食性マグネシウムアノード廃棄沈殿物(燃料電池反応副生成物)の防止又は低減を説明するための図1Bの金属空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。1B shows a cross-sectional cutaway side view of the metal-air fuel cell of FIG. 1B to illustrate the prevention or reduction of corrosive magnesium anode waste deposits (fuel cell reaction by-products) on the cathode from use. FIG. 使用中の電池内のマグネシウムアノード廃棄沈殿物(燃料電池反応副生成物)の堆積及び蓄積のプロセスを説明するための図1AのMgO電池の断面切欠き側面図を示す。FIG. 1B shows a cross-sectional cutaway side view of the MgO 2 cell of FIG. 使用中の電池内の吸収材料によるマグネシウムアノード廃棄物の捕捉又は封じ込めを説明するための図1Bの金属空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。1B shows a cross-sectional cutaway side view of the metal-air fuel cell of FIG. 1B to illustrate the capture or containment of magnesium anode waste by the absorbent material within the cell during use. FIG. 吸収された液体電解質の取り込み/吸収(又は消耗)時及び/又は使用を通じた経時的なアノード廃棄沈殿物の収集時に吸収材料層の拡張(及び収縮)に対応するために(弾性Oリング又はメッシュなどの)弾性空気カソード位置決め手段を用いて適所に保持され又は位置された内部アノードロッド、中間吸収材料層、紙セパレータ層及び外部空気カソード層の同心層状(同軸配置)構造を説明するための本発明に係る金属空気燃料電池の斜視図を示す。(elastic O-rings or mesh A book for describing a concentric layered (coaxial arrangement) structure of an inner anode rod, an intermediate absorbent material layer, a paper separator layer and an outer air cathode layer held or positioned in place using resilient air cathode positioning means such as 1 shows a perspective view of a metal-air fuel cell according to the invention; FIG. 吸収材料層の膨張前の同心層状(同軸)構造を説明するための図6Aの燃料電池の断面切欠き正面図を示す。Figure 6B shows a cross-sectional cutaway front view of the fuel cell of Figure 6A to illustrate the concentric layered (coaxial) structure prior to expansion of the absorbent material layer; 吸収材料層の拡張後の同心層状(同軸)構造を説明するための図6Aの燃料電池の断面切欠き正面図を示す。6B shows a cross-sectional cutaway front view of the fuel cell of FIG. 6A to illustrate the concentric layered (coaxial) structure after expansion of the absorbent material layer; FIG. 本発明の一実施形態に係るマグネシウム空気燃料電池の分解図を該電池の様々な構成要素を例示するべく示す。An exploded view of a magnesium-air fuel cell according to one embodiment of the invention is shown to illustrate the various components of the cell. 本発明の一実施形態に係る吸収材料層を説明するためのマグネシウム空気燃料電池の断面切欠き正面図を示す。1 shows a cross-sectional cutaway front view of a magnesium-air fuel cell to illustrate an absorbent material layer according to one embodiment of the present invention; FIG. 約750時間にわたる本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池1,2,3の耐久性(ミリアンペア)試験結果を与える(例1、実験1)。Durability (milliampere) test results for prototype batteries 1, 2, 3 according to one embodiment of the present invention over approximately 750 hours are given (Example 1, Experiment 1). 約500動作時間にわたる従来のMgO電池及び本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池に関する比較電力(ミリアンペア)試験結果を与える(例1、実験2)。Comparative power (milliampere) test results for a conventional MgO2 battery and a prototype battery according to one embodiment of the present invention over about 500 hours of operation are given (Example 1, Experiment 2). 約500時間にわたる本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池1、2、3の性能試験結果(ミリアンペア)を与える(例1、実験3)。Performance test results (in milliamps) for prototype cells 1, 2, 3 according to one embodiment of the present invention over about 500 hours are given (Example 1, Experiment 3).

図1Aは、当該技術分野において知られている伝統的なMgO電池を示す。MgO電池は、水性電解質(3)を収容する密閉容器(2)内の中央に位置されるMgアノード(1)を備え、アノードが水性電解質(3)中へと吊り下げられる。外部雰囲気との酸化還元反応が起こることにより電解質を介してアノードとカソードとの間でイオン交換が行なわれるように空気カソード(4)が容器の外壁に組み込まれる。 FIG. 1A shows a traditional MgO 2 battery known in the art. The MgO 2 cell comprises a Mg anode (1) centrally located within a closed container (2) containing an aqueous electrolyte (3), the anode suspended into the aqueous electrolyte (3). An air cathode (4) is incorporated into the outer wall of the vessel such that redox reactions with the external atmosphere take place to effect ion exchange between the anode and cathode via the electrolyte.

図3Aに示されるように、図1AのMgO電池により生成されるガス副生成物は、密閉システム内の空隙(12)内に蓄積する。これらのガス副生成物は、ガスが放出できるようにするが電解質(3)の漏れを防止する通気孔(14)を通じて大気中に排出されなければならない(13)。 As shown in FIG. 3A, the gas by-products produced by the MgO 2 cell of FIG. 1A accumulate within the air gap (12) within the closed system. These gaseous by-products must be vented to the atmosphere (13) through a vent (14) that allows the gas to escape but prevents leakage of the electrolyte (3).

図4Aは、図1AのMgO電池のアノード(16)の劣化及び対応するアノード廃棄沈殿物(例えば、水酸化マグネシウム)のカソード(4)上への蓄積(17)を示す。 FIG. 4A shows the degradation of the anode (16) of the MgO 2 cell of FIG. 1A and the corresponding accumulation (17) of anode waste deposits (eg magnesium hydroxide) on the cathode (4).

図1Aとは対照的に、図1Bは、マグネシウムアノード(5)が1つ以上の通気孔(7)を備える開放容器(6)内に位置されて吸収材料層(8)によって取り囲まれる本発明の一実施形態に係る金属空気燃料電池を示し、吸収材料層(8)は空気カソード(9)によって取り囲まれる。 In contrast to FIG. 1A, FIG. 1B shows the present invention in which a magnesium anode (5) is positioned in an open container (6) with one or more vents (7) and surrounded by an absorbent material layer (8). shows a metal-air fuel cell according to an embodiment of , wherein the absorbent material layer (8) is surrounded by an air cathode (9).

図2は、図1Bの金属空気燃料電池による液体電解質(10)の取り込みを示す。電解質(10)は、吸収材料が電解質中に浸漬される際に矢印(11)の方向のウィッキング作用を介して吸収材料層(8)により吸収される。 FIG. 2 shows the uptake of liquid electrolyte (10) by the metal-air fuel cell of FIG. 1B. The electrolyte (10) is absorbed by the absorbent material layer (8) via a wicking action in the direction of arrow (11) when the absorbent material is immersed in the electrolyte.

図3Bに示されるように、図1Bの金属空気燃料電池は、矢印の(15)の方向でのガス交換(酸素吸入を含む)及びガス副生成物の排出を可能にする通気孔(7)を有する開放型ハウジングユニット(6)を備える。 As shown in FIG. 3B, the metal-air fuel cell of FIG. It comprises an open housing unit (6) having a .

アノード(5)はマグネシウムアノードとして記載されるが、適切なアノードをもたらすための代替金属、合金又は合金の組み合わせが一般に当業者に知られている。適切な代替金属としては、Li、Ca、Al、Zn及びFeが挙げられる。好ましくは、アノードは、以下の組成を有する「AZ31 B」などのマグネシウム合金を備える。
アルミニウム:2.5-3.5
銅:最大0.05
鉄:最大0.005
マグネシウム:バランス
マンガン:0.2分
ニッケル:最大0.005
シリコン:最大0.1
亜鉛:0.6-1.4
Anode (5) is described as a magnesium anode, but alternative metals, alloys or combinations of alloys are generally known to those skilled in the art to provide suitable anodes. Suitable alternative metals include Li, Ca, Al, Zn and Fe. Preferably, the anode comprises a magnesium alloy such as "AZ31 B" having the following composition.
Aluminum: 2.5-3.5
Copper: max 0.05
Iron: max 0.005
Magnesium: Balance Manganese: 0.2 minutes Nickel: Maximum 0.005
Silicon: max 0.1
Zinc: 0.6-1.4

アノード(5)は、金属空気燃料電池内に内部的に、好ましくは中央に位置されるようになっていてもよいため、アノードは、一般に、ロッド又は円筒の形状に形成されてもよく、押し出し成形により形成され得る。金属空気燃料電池がサンドイッチ層状(すなわち、積層体)配置を成して代替的に構成される場合には、アノード、吸収材料層、及び、空気カソードがそれぞれ略平坦な層として設けられてもよい。この形態は、既存の9Vバッテリなどの特定の矩形バッテリの形状に取って代わる際に特に望ましい場合がある。 Since the anode (5) may be adapted to be located internally, preferably centrally, within the metal-air fuel cell, the anode may generally be formed in the shape of a rod or cylinder and may be extruded. It can be formed by molding. If the metal-air fuel cell is alternatively constructed in a sandwich layered (i.e., laminate) arrangement, the anode, absorbent material layer, and air cathode may each be provided as substantially planar layers. . This configuration may be particularly desirable when replacing certain rectangular battery shapes, such as existing 9V batteries.

本発明の金属空気燃料電池で用いるのに適し得る空気カソード(9)は一般に当業者に知られている。空気カソード(9)の適切な特性は、疎水性及び空気透過性を含む。好ましくは、空気カソード(9)は、拡張時及び収縮時の吸収材料層(8)の体積の変化に対応するようになっているシート層の形態を成す。好ましくは、空気カソード(9)は、疎水性且つ空気透過性があり、層状テフロン(登録商標)材料を備える。更により好ましくは、空気カソード(9)は、層状テフロン材料、カーボン、及び、ニッケルメッキワイヤを備えてもよい。 Air cathodes (9) that may be suitable for use in the metal-air fuel cell of the present invention are generally known to those skilled in the art. Suitable properties of the air cathode (9) include hydrophobicity and air permeability. Preferably, the air cathode (9) is in the form of a sheet layer adapted to accommodate changes in volume of the layer of absorbent material (8) upon expansion and contraction. Preferably, the air cathode (9) is hydrophobic and air permeable and comprises a layered Teflon material. Even more preferably, the air cathode (9) may comprise layered Teflon material, carbon and nickel plated wire.

吸収材料層(8)は、電解質を吸収して吸収量の電解質を保持するのに適するようにする特性を有する材料であってもよい。吸収材料層(8)は、本質的に、吸収量の電解質中のイオンを空気カソードとアノードとの間に輸送するように機能する。したがって、吸収材料層は、電池の動作に必要とされるイオン架橋系(又はイオン移動橋)として作用すると考えられる。 The absorbent material layer (8) may be a material having properties that make it suitable for absorbing electrolyte and retaining an absorbed amount of electrolyte. The absorbent material layer (8) essentially functions to transport ions in the electrolyte in an absorbent amount between the air cathode and the anode. Thus, the absorbent material layer is believed to act as the ionic cross-linking system (or ionic transfer bridge) required for battery operation.

吸収材料層(8)は、ウィッキング、引き込み、毛細管作用などのプロセスによって電解質を吸収する及び保持する又はとどめることができる吸収材料から形成されてもよい。吸収材料は、それが以下の特性のうちの1つ以上、好ましくは全てを有することに基づいて選択されてもよい。
・ウィッキング性及び電解質保持能力;
・液体電解質の吸収及び/又はアノード廃棄物の保持に起因する体積の増大に対応するように拡張する能力;
・固形廃棄物を捕捉する及び/又は保持するために固形粒子を封入する能力;
・「イオン架橋」として機能する能力、及び/又は、
・ガスの交換又は拡散を可能にする能力(すなわち、電池の動作中の酸素ガス拡散プロセス及びガス副生成物の放出のため)。
The absorbent material layer (8) may be formed from an absorbent material capable of absorbing and retaining or retaining electrolytes by processes such as wicking, entrainment, capillary action. The absorbent material may be selected based on it having one or more, preferably all, of the following properties.
- wicking and electrolyte retention capacity;
- Ability to expand to accommodate increased volume due to absorption of liquid electrolyte and/or retention of anode waste;
- Ability to encapsulate solid particles to capture and/or retain solid waste;
- the ability to function as an "ionic bridge"; and/or
• Ability to allow gas exchange or diffusion (ie, for the oxygen gas diffusion process and release of gas by-products during cell operation).

吸収材料層(8)は、通気吸水性、親水性及び/又は疎水性の材料の組み合わせから形成されてもよく、導電性又は非導電性であってもよい。適切な材料としては、マイクロファイバ、レーヨン、コットン、コットンウール、麻、ウール、ヘシアン、天然繊維木材パルプ、エアロゲル複合材料、竹繊維パルプ、及び/又は、それらの任意の適切な組み合わせから製造される織布又は不織布材料又はそれらの任意の適した組み合わせを挙げることができる。好ましくは、吸収材料層は、繊維状セルロース、竹繊維パルプ、又は、それらの組み合わせを備える。 The absorbent material layer (8) may be formed from a combination of breathable water-absorbing, hydrophilic and/or hydrophobic materials and may be conductive or non-conductive. Suitable materials are made from microfiber, rayon, cotton, cotton wool, hemp, wool, hessian, natural fiber wood pulp, airgel composites, bamboo fiber pulp, and/or any suitable combination thereof. Woven or nonwoven materials or any suitable combination thereof may be included. Preferably, the absorbent material layer comprises fibrous cellulose, bamboo fiber pulp, or a combination thereof.

吸収材料層(8)の性能は、例えば、ミズゴケ及びポリアクリレートの添加、並びに、当業者にはよく知られている石油由来の他の超吸収性ゲルの添加など、添加剤を用いて向上されてもよい。 The performance of the absorbent material layer (8) is enhanced using additives, such as the addition of sphagnum moss and polyacrylates, as well as other petroleum-derived superabsorbent gels well known to those skilled in the art. may

電池は、吸収材料層が吸収量の電解質を備えるときに使用のために活性化又は再活性化されてもよい。吸収材料層(8)は、(吸収材料層にイオンが予め含浸される場合には)電解質又は水の吸収後に吸収量の電解質を備えてもよい。吸収材料層の好ましい代替的配置は、更に詳しく後述される図8に関連して提示されて説明される。 The battery may be activated or reactivated for use when the absorbent material layer comprises an absorbent amount of electrolyte. The absorbent material layer (8) may comprise an electrolyte (if the absorbent material layer is pre-impregnated with ions) or an absorbent amount of electrolyte after absorption of water. A preferred alternative arrangement of the layers of absorbent material is presented and described in connection with FIG. 8 described in more detail below.

本発明の金属空気燃料電池に使用するのに適し得る電解質の種類は、当業者には一般的に知られている。適切な例としては、NaClなどのイオン(例えば、塩水、海水及び生理食塩水)を含む水溶液、電解質(例えば、スポーツドリンク)、尿、及び、アルカリ溶液(例えば、KOH)、並びに、水(例えば、吸収材料にイオンが予め含浸されるとき)を挙げることができる。 The types of electrolytes that may be suitable for use in the metal-air fuel cells of the invention are generally known to those skilled in the art. Suitable examples include aqueous solutions containing ions such as NaCl (e.g., salt water, seawater, and saline), electrolytes (e.g., sports drinks), urine, and alkaline solutions (e.g., KOH), and water (e.g., , when the absorbing material is pre-impregnated with ions).

図4Bに示されるように、アノード廃棄沈殿物(18)は、図1Bの金属空気燃料電池の吸収材料層(8)内に捕捉されて、空気カソード(9)と直接接触しないようにされる。このプロセスは図5A及び図5Bのそれぞれにも同様に示され、この場合、図5Aは、図1AのMgO電池のカソード(4)上へのアノード廃棄沈殿物の蓄積(17)を示し、一方、図5Bは、図1Bの金属空気燃料電池の吸収材料層(8)内のアノード廃棄沈殿物(18)の捕捉を示す。 As shown in FIG. 4B, the anode waste precipitate (18) is trapped within the absorbent material layer (8) of the metal-air fuel cell of FIG. 1B and prevented from direct contact with the air cathode (9). . This process is also illustrated in FIGS. 5A and 5B, respectively, where FIG. 5A shows the accumulation of anode waste precipitate (17) on the cathode (4) of the MgO2 cell of FIG. 1A, FIG. 5B, on the other hand, shows the capture of the anode waste precipitate (18) within the absorbent material layer (8) of the metal-air fuel cell of FIG. 1B.

図6Aは、吸収材料層(20)によって実質的に取り囲まれる内部アノードロッド(19)の同軸配置を与える本発明に係る金属空気燃料電池を与え、吸収材料層(20)は紙セパレータ層(20A)によって実質的に取り囲まれる。また、紙セパレータ層(20A)は、空気カソード層(21)によって実質的に取り囲まれる。空気カソード層(21)は、吸収材料層(20)との接触を保つために、弾性Oリング又はメッシュなどの弾性空気カソード位置決め手段(22)によって位置決めされる。したがって、金属空気燃料電池は、液体電解質の取り込み(又は消耗)時及び/又は経時的なアノード廃棄沈殿物の収集時の吸収材料層の拡張(及び収縮)に対応することができる。別の構成では、例えば弾性材料を空気カソードに織り込むことなどすることによって、弾性空気カソード位置決め手段を空気カソード層に組み込むことができる。 Figure 6A provides a metal-air fuel cell according to the invention providing a coaxial arrangement of the internal anode rods (19) substantially surrounded by a layer of absorbent material (20), the layer of absorbent material (20) comprising a paper separator layer (20A). ). The paper separator layer (20A) is also substantially surrounded by an air cathode layer (21). The air cathode layer (21) is positioned by a resilient air cathode positioning means (22) such as a resilient O-ring or mesh to maintain contact with the absorbent material layer (20). Thus, the metal-air fuel cell can accommodate expansion (and contraction) of the absorbent material layer upon uptake (or depletion) of liquid electrolyte and/or upon collection of anode waste deposits over time. In another configuration, the elastic air cathode positioning means can be incorporated into the air cathode layer, such as by weaving an elastic material into the air cathode.

図6Aの燃料電池の断面図も、拡張前(図6B)及び拡張後(図6C)の吸収材料層(20)を示すために与えられる。図6B及び図6Cに示されるように、空気カソード層(21)は、弾性空気カソード位置決め手段によって、吸収材料層(20)及び紙セパレータ層(20A)と接触して位置決めされたままである。 A cross-sectional view of the fuel cell of Figure 6A is also provided to show the absorbent material layer (20) before (Figure 6B) and after (Figure 6C) expansion. As shown in Figures 6B and 6C, the air cathode layer (21) remains positioned in contact with the absorbent material layer (20) and the paper separator layer (20A) by the resilient air cathode positioning means.

図7は、その様々な構成要素の幾つかを説明するための本発明に係る金属空気燃料電池の分解図を示す。マグネシウムアノード(28)、吸収材料層(29)、紙セパレータ層(29A)、及び、空気カソード(30)は、空気カソード(30)が紙セパレータ層(29A)を取り囲むように同軸に配置され、紙セパレータ層(29A)は吸収材料層(29)を取り囲み、吸収材料層(29)はマグネシウムアノード(28)を取り囲む。本実施形態ではOリングで形成される弾性空気カソード位置決め手段(27)が、空気カソード(30)と吸収材料層(29)との間の接触を確保する。電極の同軸配列は通気孔付きハウジング(32)内に位置される。通気孔付きハウジング(32)は、それぞれがアノード(28)に固定されるねじ(24)により所定位置に保持される上蓋(25)及び底蓋(33)によってそれぞれの端部で閉じられる。上蓋(25)の外側に位置される接触リング(23)が、空気カソード(30)からの端子を備えており、接触タブ(31)によって空気カソード(30)に接続される。ゴム製又はプラスチック製のOリング(27A)及びプラスチック製ワッシャ(26)が、電極配列の各端部及びその中に保持され電解質を他の構成要素からシールして腐食から保護する。 FIG. 7 shows an exploded view of a metal-air fuel cell according to the invention to illustrate some of its various components. a magnesium anode (28), an absorbent material layer (29), a paper separator layer (29A) and an air cathode (30) are coaxially arranged such that the air cathode (30) surrounds the paper separator layer (29A); A paper separator layer (29A) surrounds the absorbent material layer (29), which surrounds the magnesium anode (28). A resilient air cathode positioning means (27), formed in this embodiment by an O-ring, ensures contact between the air cathode (30) and the absorbent material layer (29). A coaxial array of electrodes is located within a vented housing (32). The vented housing (32) is closed at each end by a top lid (25) and a bottom lid (33) held in place by screws (24) each fixed to the anode (28). A contact ring (23) located outside the top lid (25) carries terminals from the air cathode (30) and is connected to the air cathode (30) by contact tabs (31). Rubber or plastic O-rings (27A) and plastic washers (26) are retained at and within each end of the electrode array to seal the electrolyte from other components and protect it from corrosion.

図7によって実証されるように、金属空気燃料電池の構成要素は、電極の配列にアクセスするために上蓋(25)又は底蓋(33)のいずれかを所定位置に保持するねじ(24)のうちの1つを緩めることによって容易に交換され得る。したがって、マグネシウムアノード(28)(及び空気カソード(30))を容易に交換することができ、それにより、簡単な方法で機械的に再充電され得るエネルギー源を提供できる。 As demonstrated by FIG. 7, the metal-air fuel cell components consist of screws (24) that hold either the top lid (25) or the bottom lid (33) in place to access the electrode array. They can be easily replaced by loosening one of them. Thus, the magnesium anode (28) (and air cathode (30)) can be easily replaced, thereby providing an energy source that can be mechanically recharged in a simple manner.

図8は、吸収材料層の好ましい実施形態を説明するための本発明の金属空気燃料電池の断面図を示す。金属空気燃料電池は、外周から内側に順に向かって、空気カソード位置決め手段35と、空気カソード34と、吸収材料層を支持して収容するとともにアノード廃棄沈殿物からカソードを隔離して保護するための紙セパレータ層36と、吸収材料層の予め含侵された副層37(イオンが予め含浸されている)と、吸収材料層の非含浸副層38(イオンが予め含浸されていない)と、アノード39とを備える。 FIG. 8 shows a cross-sectional view of the metal-air fuel cell of the present invention to illustrate the preferred embodiment of the absorbent material layer. The metal-air fuel cell comprises, in order from the perimeter inwards, an air cathode positioning means 35, an air cathode 34, and an air cathode locating means 35, an air cathode 34, and a liner for supporting and containing a layer of absorbent material and for isolating and protecting the cathode from anode waste deposits. A paper separator layer 36, a pre-impregnated sub-layer 37 of the absorbent material layer (pre-impregnated with ions), a non-impregnated sub-layer 38 of the absorbent material layer (not pre-impregnated with ions), and the anode. 39.

図示の好ましい実施形態によれば、吸収材料の形態は、保持された電解質へのイオンの溶解の制御を可能にする。これにより、イオンが溶液に溶解されるときに生じる溶液の熱の散逸又は集中などの事態の制御を行なうことができる。また、この形態は、特に例えば予め含浸されたイオンが遅い溶解速度を有する場合に、吸収材料層の副層内の電解質の組成の制御も可能にし得る。これにより、カソードとアノードとの間の酸化還元反応が典型的には発熱性であることに留意すると、吸収材料層内及び金属空気燃料電池内の反応速度及び温度の制御を行なうことができる。このようにして、暴走する酸化還元反応により引き起こされるより高い温度は、暴走する酸化還元反応を制限するべくより大きな蒸発冷却及びそれに伴う電解質含有量の減少を可能にする吸収材料層の特定の領域内又は副層(例えば、図8に示される実施形態において与えられる副層37)内に含まれ得る。 According to the illustrated preferred embodiment, the morphology of the absorbent material allows for controlled dissolution of ions into the retained electrolyte. This allows for control of events such as dissipation or concentration of solution heat that occurs when ions are dissolved in solution. This morphology may also allow control of the composition of the electrolyte within the sub-layers of the absorbent material layer, particularly if, for example, the pre-impregnated ions have a slow dissolution rate. This allows control of reaction rates and temperatures within the absorbent material layer and within the metal-air fuel cell, keeping in mind that redox reactions between the cathode and anode are typically exothermic. In this way, the higher temperature caused by the runaway redox reaction will allow for greater evaporative cooling and concomitant reduction of the electrolyte content in specific regions of the absorbent material layer to limit the runaway redox reaction. It may be included within or within a sublayer (eg, sublayer 37 provided in the embodiment shown in FIG. 8).

図面及び前述の説明によって示唆されるように、本発明の金属空気燃料電池は、好適には、電解質の吸収/放出時に及び/又はアノード廃棄物の捕捉時に吸収材料層の拡張及び収縮を可能にする。更に、本発明の潜在的な利点としては以下を挙げることができる。
・金属空気燃料電池は、吸収材料を電解質に浸すことによって要求に応じて簡単且つ都合よく活性化及び再活性化され得るとともに、使用間で乾燥できるようにすることにより非活性化され得る。これは、金属空気燃料電池に、構成要素が消費されない「休止」モード、及び、電池の性能出力の顕著な又は著しい損失を伴わずに長い保管寿命における関連する可能性をもたらす。
・電解質用の新規な吸上げ及び保持システムを提供することによって、かさばる水槽を回避し、電解質をより少なく必要とする構成を可能にし、それによって、例えば転倒による電解質漏れの可能性を排除しながら電池の重量を減らす直立位置からの燃料電池。
・開放型ハウジングユニット内に金属空気燃料電池を設けることによって、本発明は、ガス圧上昇及び電解質の効果的なシールなどの密閉型金属空気燃料電池システムに存在する欠点を克服できる一方で、酸素取り入れ及び副生成物の排出も改善できる。
・構成要素の便利な交換及びリサイクル。アノード、吸収材料層、及び、空気カソードは、環境に優しい機械的に再充電可能な装置を提供するために簡単且つ便利に交換及び再利用され得る、及び/又は、
・電解質用の新規なウィッキング・保持システムは、暴走する発熱反応を防ぐための熱制御の向上を可能にし得る。金属空気燃料電池は、アノードとカソードとの間に発熱酸化還元反応を生じさせることによって機能する。伝統的な金属空気燃料電池では、これにより、暴走する発熱反応の可能性がもたらされ、この発熱反応では、電池内の圧力及び熱が危険なレベルまで上昇する場合がある。本発明の吸収材料層は、電池内の温度が上昇するにつれて電解質の蒸発及び排出を改善できるようにする。これは、蒸発により利用可能な電解質を減少させることによって暴走する反応を制御し、それによって反応を遅くすることができる。電池内のいかなる酸化還元反応も電解質が完全に蒸発すると完全に停止し得る。
As suggested by the drawings and the foregoing description, the metal-air fuel cell of the present invention preferably allows expansion and contraction of the absorbent material layer upon absorption/desorption of electrolyte and/or upon capture of anode waste. do. Further potential advantages of the present invention include:
• Metal-air fuel cells can be simply and conveniently activated and reactivated on demand by soaking the absorbent material in the electrolyte, and deactivated by allowing it to dry between uses. This gives metal-air fuel cells the associated potential in a "dormant" mode in which no components are consumed, and a long shelf life without significant or appreciable loss of performance output of the cell.
By providing a novel wicking and retention system for the electrolyte, avoiding bulky water baths and allowing configurations requiring less electrolyte, thereby eliminating the possibility of electrolyte leakage due to, for example, tipping over Fuel cells from an upright position which reduces the weight of the battery.
By providing the metal-air fuel cell in an open housing unit, the present invention overcomes the drawbacks present in closed metal-air fuel cell systems such as gas pressure build-up and effective sealing of the electrolyte, while oxygen Intake and by-product emissions can also be improved.
• Convenient replacement and recycling of components. The anode, absorbent material layer and air cathode can be easily and conveniently replaced and reused to provide an environmentally friendly mechanically rechargeable device and/or
• A novel wicking and retention system for the electrolyte may enable improved thermal control to prevent runaway exothermic reactions. Metal-air fuel cells function by producing an exothermic redox reaction between an anode and a cathode. In traditional metal-air fuel cells, this creates the potential for a runaway exothermic reaction, which can build pressure and heat within the cell to dangerous levels. The absorbent material layer of the present invention allows for improved electrolyte evaporation and drainage as the temperature within the battery increases. This can control runaway reactions by reducing available electrolyte by evaporation, thereby slowing down the reaction. Any redox reaction in the battery can stop completely when the electrolyte is completely evaporated.

本出願の金属空気燃料電池は、それらのサイズに応じて、90~100個の伝統的な単3電池の使用に相当する電源を潜在的にもたらすと考えられるこれは、標準的な炭素単3形乾電池と比較した材料の既知の蓄電量に基づく。単3標準炭素バッテリは、1ワット時(Wh)未満のエネルギー蓄積能力を有する(例えば、2016年12月19日にアクセスされたウェブサイトhttp://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.html参照)。
表:単3電池のエネルギー蓄積(2016年12月19日にアクセスされたウェブサイトhttp://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.htmlから再現された表)。

Figure 0007191039000001
The metal-air fuel cells of the present application are believed to potentially provide a power source equivalent to using 90-100 traditional AA batteries, depending on their size. Based on the known storage capacity of the material compared to dry cell batteries. AA standard carbon batteries have an energy storage capacity of less than 1 Watt-hour (Wh) (eg, website http://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.html, accessed December 19, 2016). reference).
Table: Energy storage of AA batteries (Table reproduced from website http://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.html, accessed December 19, 2016).
Figure 0007191039000001

使用されるマグネシウム合金は、材料1グラムの重量当たり1ワット時(Wh)の蓄積能力を有する。したがって、50gのマグネシウム合金ロッドは50ワット時の潜在的な蓄積をもたらすが、より重い又はより大きいマグネシウムロッド、例えば150グラムは150ワット時の蓄積をもたらす。マグネシウムガルバニックエネルギー密度に関する基準は以下の通りである。

Figure 0007191039000002
The magnesium alloy used has a storage capacity of 1 Watt-hour (Wh) per gram weight of material. Thus, a 50 g magnesium alloy rod provides 50 watt hours of potential storage, while a heavier or larger magnesium rod, eg, 150 grams, provides 150 watt hours of storage. The criteria for magnesium galvanic energy density are:
Figure 0007191039000002


本発明に係る金属空気燃料電池の性能を試験するために、本発明に従って構成されたプロトタイプ電池を用いて一連の実験が行なわれた。実験1では、プロトタイプ電池を単独で試験した。実験2及び3では、実質的に図1A、図3A及び図4Aに従って構成された伝統的なMgO燃料電池に対してプロトタイプ電池を試験した。
EXAMPLES To test the performance of metal-air fuel cells according to the present invention, a series of experiments were conducted using prototype cells constructed in accordance with the present invention. In Experiment 1, the prototype cell was tested alone. Experiments 2 and 3 tested prototype cells against traditional MgO 2 fuel cells constructed substantially according to FIGS. 1A, 3A and 4A.

実験パラメータ
全ての試験において同一のアノード材料及びカソード材料が使用された。
Experimental Parameters Identical anode and cathode materials were used in all tests.

マグネシウムアノード
以下の組成を有する押出マグネシウムAZ31 Bロッド(アノード)は、約(典型的には)純度96%のマグネシウムのマグネシウムアノード組成をもたらす。
アルミニウム:2.5-3.5
銅:最大0.05
鉄:最大0.005
マグネシウム:バランス
マンガン:0.2分
ニッケル:最大0.005
シリコン:最大0.1
亜鉛:0.6-1.4
Magnesium Anode An extruded magnesium AZ31 B rod (anode) with the following composition yields a magnesium anode composition of approximately (typically) 96% pure magnesium.
Aluminum: 2.5-3.5
Copper: max 0.05
Iron: max 0.005
Magnesium: Balance Manganese: 0.2 minutes Nickel: Maximum 0.005
Silicon: max 0.1
Zinc: 0.6-1.4

空気カソード
層状テフロン材、カーボン、及び、ニッケルメッキワイヤから成る十分な疎水性を有する空気カソード
Air Cathode Sufficiently hydrophobic air cathode consisting of layered Teflon material, carbon, and nickel-plated wire

従来のMgO燃料電池の形態
従来のMgO電池は、マグネシウムアノードが5%食塩水溶液電解質の容器内に収容されて、空気カソードが容器壁構造の一部を形成するように一般的に理解されている構成であった。
Conventional MgO2 Fuel Cell Morphology A conventional MgO2 cell is generally understood as having a magnesium anode housed within a container of 5% saline solution electrolyte and an air cathode forming part of the container wall structure. It was a configuration that

プロトタイプ電池の形態
プロトタイプ電池は、45グラムのマグネシウムアノードと、層状テフロン材料、カーボン及びニッケルメッキワイヤから成る空気カソードとから成っていた。アノードが吸収材料(綿状の織布材料を巻いてマット状の物質に織り込んだもの)に封入された。空気カソードが吸収材料の周囲に巻き付けられて拡張を可能にするべく弾性Oリングで固定された。
Prototype Cell Morphology The prototype cell consisted of a 45 gram magnesium anode and an air cathode consisting of layered Teflon material, carbon and nickel plated wire. The anode was encapsulated in an absorbent material (wool-like woven material rolled and woven into a mat-like substance). An air cathode was wrapped around the absorbent material and secured with an elastic O-ring to allow expansion.

試験方法論
電子測定は、気候制御された環境で保管された周知の電圧及びアンペア数測定精度(一般的には1%以内)の携帯型マルチメーターを使用して行なわれた。測定を開始する前に機器がウォームアップできるようにされた。
Test Methodology Electronic measurements were made using hand-held multimeters of known voltage and amperage measurement accuracy (generally within 1%) stored in a climate-controlled environment. The instrument was allowed to warm up before starting measurements.

試験は、一般に湿度65%、25℃の一定の空気温度で気候制御された実験室内において24時間ベースで行なわれた。伝統的なMgO電池は、24時間ごとに食塩水電解質を注意深く空にして交換することによって維持され、一方、プロトタイプ電池は、24時間ごとに同じ食塩水に約10秒間浸された。 The tests were conducted on a 24 hour basis in a climate-controlled laboratory with a constant air temperature of typically 65% humidity and 25°C. Traditional MgO2 cells were maintained by carefully emptying and replacing the saline electrolyte every 24 h, while prototype cells were immersed in the same saline solution for about 10 s every 24 h.

3つのLEDに給電する高効率DC-DCコンバータ回路の形態を成す電子負荷が使用された。この回路は、LEDの輝度を最大にしつつ、常に電池に作用する負荷を最大にするように特に設計された。 An electronic load in the form of a high efficiency DC-DC converter circuit was used to feed three LEDs. This circuit was specifically designed to maximize the load on the battery at all times while maximizing the brightness of the LEDs.

実験1:金属空気燃料電池の寿命と性能の向上(又は耐久試験)
実験は、電池1、電池2、及び、電池3とラベル付けされた3つの同一に構成されたプロトタイプ電池を用いて行なわれた。目標は、(一定の電気負荷下で)1.2ボルトを超えて250時間(製品で要求されている実行時間)にわたって少なくとも250ミリアンペアを生成することであった。
Experiment 1: Improvement of Life and Performance of Metal-Air Fuel Cells (or Endurance Test)
Experiments were conducted with three identically configured prototype batteries, labeled Battery 1, Battery 2, and Battery 3. The goal was to exceed 1.2 volts (under constant electrical load) and produce at least 250 milliamps for 250 hours (running time required by the product).

電池1及び電池2は連続的な電気負荷(すなわち1日24時間)を有し、一方、対照電池3は電気負荷下で1日4時間にわたって作動した。 Cells 1 and 2 had a continuous electrical load (ie 24 hours a day), while Control Cell 3 operated under electrical load for 4 hours a day.

各電池の電圧は毎日記録されたのではなく、定期的にランダムに記録された。全ての電池は試験の持続期間中1.2Vを超えて、一般に1.3V~1.65Vに維持された。 The voltage of each cell was not recorded daily, but randomly recorded at regular intervals. All cells remained above 1.2V for the duration of the test, typically between 1.3V and 1.65V.

結果
結果が以下の表1及び図9で与えられる。
表1:約750時間にわたる本発明の実施形態に係る電池1、2、3の耐久性試験結果(ミリアンペア)。

Figure 0007191039000003
Results Results are given in Table 1 below and in FIG.
Table 1: Endurance test results (milliamps) for batteries 1, 2, 3 according to embodiments of the present invention over about 750 hours.
Figure 0007191039000003

以下のように、結果は、プロトタイプ電池が264時間後に250ミリアンペア標的閾値を超えたことを示す。
電池1:440mA
電池2:360mA
電池3:350mA
As follows, the results show that the prototype cell exceeded the 250 milliamp target threshold after 264 hours.
Battery 1: 440mA
Battery 2: 360mA
Battery 3: 350mA

試験持続期間が延ばされ、504時間後に再び250mA閾値を以下のように超えた。
電池1:280mA
電池2:490mA
電池3:580mA
The test duration was extended and the 250 mA threshold was crossed again after 504 hours as follows.
Battery 1: 280mA
Battery 2: 490mA
Battery 3: 580mA

電池2、3は引き続き性能向上を示した。 Cells 2 and 3 continued to show improved performance.

以下のように、740時間の時点で、3つの電池のうちの2つが依然として250mA標的出力閾値を超えた。
電池1:180mA
電池2:340mA
電池3:280mA
At 740 hours, two of the three cells still exceeded the 250 mA target output threshold, as follows.
Battery 1: 180mA
Battery 2: 340mA
Battery 3: 280mA

同様の観察及び結果を伴う実験を数回繰り返した後、電池がライフサイクル耐久性予想(すなわち、250mA標的)を3倍上回ったと結論付けられた。 After several repeated experiments with similar observations and results, it was concluded that the battery exceeded the life cycle endurance prediction (ie, 250 mA target) by a factor of 3.

これらの結果に基づき、電池が殆どの用途において少なくとも250時間、多くの場合500時間を超えて、250mA及び1.2ボルトを超える満足に又は標的の出力で機能を果たすと予想される。 Based on these results, it is expected that the cell will perform satisfactorily or at target outputs above 250 mA and 1.2 volts for at least 250 hours and often over 500 hours in most applications.

実験2:カソードの寿命及び性能の向上
カソードの寿命及び性能を試験するために、同一に構成されたプロトタイプ電池(プロトタイプ電池1及びプロトタイプ電池2としてラベル付けされている)及び同一に構成された伝統的なMgO電池(伝統的電池1及び伝統的電池2としてラベル付けされている)を用いて比較実験が行なわれた。
Experiment 2: Improving Cathode Life and Performance Identically configured prototype cells (labeled as prototype cell 1 and prototype cell 2) and identically configured traditional cells were used to test cathode life and performance. Comparative experiments were performed using conventional MgO 2 batteries (labeled as Traditional Battery 1 and Traditional Battery 2).

結果
結果が以下の表2及び図10で与えられる。
表2:約500動作時間にわたる伝統的なMgO電池と本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池との比較出力(ミリアンペア)。

Figure 0007191039000004
Results Results are given in Table 2 below and in FIG.
Table 2: Comparative power output (in milliamps) of a traditional MgO2 battery and a prototype battery according to one embodiment of the present invention over about 500 hours of operation.
Figure 0007191039000004

結果は、一般的に観察された初期の最初の活性化出力ピークの後、MgOの伝統的な電池が電気的性能を急速に低下させた後に安定したペースで劣化し続けたことを示す。500時間の連続動作後、伝統的なMgO電池は、当初の初期電力出力の10%を超える出力を生成できなかった。 The results show that after the commonly observed initial initial activation power peak, MgO traditional batteries continued to degrade at a steady pace after rapidly declining electrical performance. After 500 hours of continuous operation, the traditional MgO2 battery could not generate more than 10% of the original initial power output.

対照的に、500時間の連続動作の後、プロトタイプ電池は、ある場合には元の電力出力の70%を超える出力を維持することができ、他の場合には出力の100%を超えて維持することができた-初期の最初の活性化出力を遥かに上回る出力の向上を明らかに示している。 In contrast, after 500 hours of continuous operation, the prototype battery can maintain more than 70% of its original power output in some cases, and more than 100% of its output in other cases. We were able to - clearly showing an improvement in power output far beyond the initial first activation power.

Mg-Air電池の空気カソードの細孔が放電中及びマグネシウムの消費中に生じる沈殿物(例えば、水酸化マグネシウム沈殿物)によって益々塞がれるようになることはよく知られている。これは、次に酸素ガス拡散に悪影響を及ぼし、それにより、反応が低下して、空気-カソード性能が経時的に低下する。したがって、炭素系空気-カソード材料の微細構造及び空気透過性は、MgO電池の電気化学的性能に影響を及ぼす重要な因子である。 It is well known that the air cathode pores of Mg-Air cells become increasingly clogged with precipitates (eg, magnesium hydroxide precipitates) that form during discharge and consumption of magnesium. This, in turn, adversely affects oxygen gas diffusion, thereby degrading reaction and degrading air-cathode performance over time. Therefore, the microstructure and air permeability of carbon-based air-cathode materials are important factors affecting the electrochemical performance of MgO 2 cells.

検討すると、伝統的なMgO電池の空気-カソードは、完全に劣化されて、固体の白色材料(固化した水酸化マグネシウム)で覆われるとともに、ひどく腐食され、したがってもはや使用できないことが観察された。 Upon examination, it was observed that the air-cathode of a traditional MgO2 cell was completely degraded, covered with a solid white material (solidified magnesium hydroxide), and severely corroded and thus no longer usable. .

対照的に、プロトタイプ電池の空気カソードは正常に見え、性能を殆ど又は全く損なうことなく今後の実験のために再利用された。 In contrast, the air cathode of the prototype cell appeared normal and was reused for future experiments with little or no loss of performance.

同一の観察及び同一の結果を伴う幾つかの反復実験の後、伝統的なMgO電池形態とは対照的に、プロトタイプ電池が改善された寿命及びカソードの性能を実証したと結論付けられた。 After several repeated experiments with identical observations and identical results, it was concluded that the prototype cell demonstrated improved lifetime and cathode performance in contrast to the traditional MgO2 cell morphology.

実験3:吸収材料層中への廃棄物の蓄積に伴う金属空気燃料電池の性能の向上
本願の電池に組み込まれる廃棄物管理システムの利点及び有効性を特徴付けるために一連の実験及び試験が行なわれた。
Experiment 3: Improving Metal-Air Fuel Cell Performance with Waste Accumulation in Absorbent Layer A series of experiments and tests were conducted to characterize the benefits and effectiveness of the waste management system incorporated into the cell of the present application. rice field.

本発明の実施形態に従って試験された各電池用の吸収材料層は、女性用生理用品と同様の稠度を有する繊維状セルロース/竹材料から構成される。拡張可能なアノード封入吸収材料層は、数日まで続くことがあるイオン反応を開始して持続するために電解質溶液(塩水)中に浸漬した後にアノードとカソードとの間に「イオン架橋」をもたらすように機能した。以下の結果により実証されるように、イオン交換プロセスは、反応の副生成物として生成されるアノード廃棄物(水酸化マグネシウム)の蓄積を伴って経時的に電池において改善することが観察された。 The absorbent material layer for each battery tested according to embodiments of the present invention was composed of a fibrous cellulose/bamboo material with a similar consistency to feminine hygiene products. The expandable layer of anode-encapsulated absorbent material provides an "ionic bridge" between the anode and cathode after immersion in an electrolyte solution (brine) to initiate and sustain ionic reactions that can last up to several days. It worked like The ion exchange process was observed to improve in the cell over time with the accumulation of anode waste (magnesium hydroxide) produced as a by-product of the reaction, as demonstrated by the results below.

結果
結果が以下の表3及び図11で与えられる。
表3:約500時間にわたる本発明の一実施形態に係る電池1、2、3の性能試験結果(ミリアンペア)。

Figure 0007191039000005
Results Results are given in Table 3 below and in FIG.
Table 3: Performance test results (in milliamps) for batteries 1, 2, 3 according to one embodiment of the invention over about 500 hours.
Figure 0007191039000005

結果は、水酸化マグネシウム「廃棄物」が蓄積するにつれて、マグネシウムアノード材料が完全に消費されるまで電池の電気的性能(電気出力)が実際に改善されることを示している。これは、実行された100時間にわたる全ての試験から明らかである。すなわち、電力の初期の低下が安定になった時点で、結果は、電池出力がその後に次第に改善する結果として電気的性能(電力出力)が向上することを示す。 The results show that as the magnesium hydroxide "waste" accumulates, the electrical performance (electrical output) of the cell actually improves until the magnesium anode material is completely consumed. This is evident from all tests over 100 hours that have been performed. That is, once the initial drop in power stabilizes, the results show improved electrical performance (power output) as a result of subsequent gradual improvement in battery output.

理論に拘束されることを望まないが、本発明者らは、この予想外の現象が以下のいずれか又は全ての結果として起こり得ると考える。
・吸収材料層内に経時的に捕捉されるアノード廃棄物は、反応を促進するためのより良好な導電性経路又はイオン経路をもたらす;
・廃棄物の蓄積中に電池が拡張するにつれて、より多くの電解質が吸収材料によって吸着されて反応に利用可能になる;
・反応が起こっている電池の表面積が増大され、それにより、反応を増大させることができる、及び/又は
・空気カソードの細孔が水酸化マグネシウムの沈殿物から保護され、それにより、酸素ガス拡散が大きく損なわれることがない。
Without wishing to be bound by theory, the inventors believe that this unexpected phenomenon may result from any or all of the following.
- Anode waste trapped over time in the absorbent material layer provides better conductive or ionic pathways to facilitate the reaction;
- As the battery expands during waste accumulation, more electrolyte becomes available for reaction, adsorbed by the absorbent material;
- the surface area of the cell over which the reaction is taking place is increased, which can increase the reaction; and/or - the pores of the air cathode are protected from magnesium hydroxide precipitation, thereby allowing oxygen gas diffusion is not significantly damaged.

実験及び観察の結果に基づいて、本発明に係る金属空気燃料電池の独特の形態、エンジニアリング、及び、動作は、吸収材料内のアノード廃棄沈殿物を濾過及び/又は捕捉できるようにし、それにより、
・空気カソード内で見出される細孔を廃棄微粒子による閉塞から保護し、その結果、空気カソードを横切る重要な酸素ガス拡散を可能にする;
・さもなければ空気カソードを劣化させる廃棄沈殿物を効果的に防止し、塩の侵入又は腐食(例えば、「塩クリープ」に起因する塩の移動、すなわち、塩の侵入及び/又は腐食をもたらす塩の結晶の移動)により、カソード並びに接点、配線及び/又は電子機器などの他の電池構成要素の寿命も潜在的に改善される;
・蓄積された廃棄物を除去するための電池の定期的な内部洗浄を不要にする、及び/又は、
・廃棄沈殿物が吸収材料内に集まる又は捕捉されるにつれて電池の性能を実際に高めることができる。
と考えられた。
Based on the results of experiments and observations, the unique configuration, engineering, and operation of the metal-air fuel cell according to the present invention allows the anode waste precipitate to be filtered and/or captured within the absorbent material, thereby
- Protects the pores found within the air cathode from blockage by waste particulates, thus allowing significant oxygen gas diffusion across the air cathode;
- effective prevention of waste deposits that would otherwise degrade the air cathode, salt migration due to salt ingress or corrosion (e.g. salt creep, i.e. salt ingress and/or corrosion); crystal migration) also potentially improves the life of the cathode and other battery components such as contacts, wiring and/or electronics;
Eliminates the need for periodic internal cleaning of the battery to remove accumulated waste and/or
• The performance of the battery can actually increase as the waste sediment collects or becomes trapped within the absorbent material.
It was considered.

本発明に係る金属空気燃料電池は、発展途上国で使用するための手頃な価格で低コストの電源を提供することができる。そのような金属空気燃料は、最初の年の0.05ドル/日の費用(装置の初期費用を含む)より少ない費用で1日当たり約5時間の軽い使用量をもたらすことができると予期される。これはその後の数年間で0.01USD/日まで減少し得る。全ての構成部品が交換可能且つ代替可能である(第三世界の用途において理想的)とともに、短絡であってもアノード金属の消費以外に有害な影響を及ぼさないため、電池全体が本質的に安全であることに更に留意されたい。 A metal-air fuel cell according to the present invention can provide an affordable, low-cost power source for use in developing countries. It is expected that such metal air fuels can provide about 5 hours of light usage per day for less than the first year cost of $0.05/day (including the initial cost of the equipment). . This could decrease to 0.01 USD/day in subsequent years. The entire battery is intrinsically safe as all components are replaceable and interchangeable (ideal for third world applications) and short circuits have no detrimental effect other than consumption of anode metal Note further that .

したがって、本発明に係る金属空気燃料電池は、持ち運び可能で軽量な(すなわち、大型の水槽及び/又は容器を回避する軽量で頑丈なユニット構造)、環境に優しい、交換可能で強力な(すなわち、特定の既知の金属空気燃料電池を用いるとこれまで不可能であった無数の電気的アプリケーションを駆動させるのに十分に強力となり得る)、スケーラブル且つ小型化された直流発電機(すなわち、単1電池及び他のバッテリなどのフォームファクタのみの「古典的」な以前は電池が支配していた領域で使用されるように小型化され得る)を提供し得る、及び/又は、製品及び装置のための(例えば、構成部品としての伝統的なバッテリ、太陽電池及び灯油と比較したときに)環境に優しい又は「無公害の」電源の可能性を与えることができるようになる。これは、構成部品が環境に優しく一般的に入手可能であり、それにより、装置全体の優れたリサイクル性が得られ、カソード自体も取り外し可能でリサイクルに適しているからである。 Therefore, the metal-air fuel cell according to the present invention is portable, lightweight (i.e. lightweight and robust unit construction avoiding large water tanks and/or vessels), environmentally friendly, replaceable and powerful (i.e. Certain known metal-air fuel cells can be powerful enough to power a myriad of electrical applications heretofore not possible), scalable and miniaturized direct current generators (i.e. D cell and other form factors such as batteries, which can be miniaturized for use in areas previously dominated by "classic" batteries, and/or for products and devices It provides the potential for environmentally friendly or "pollution free" power sources (eg, when compared to traditional batteries, solar cells and kerosene as components). This is because the components are environmentally friendly and commonly available, which provides excellent recyclability of the entire device, and the cathode itself is removable and suitable for recycling.

当業者に明らかであると思われるような修正及び変形は、添付の特許請求の範囲に請求される本発明の範囲内に含まれる。 Such modifications and variations as would be obvious to a person skilled in the art are included within the scope of the invention as claimed in the appended claims.

文脈上別段の要求がない限り、「位置」は、動詞として使用される場合、何かを新しい場所または形状に配置または配置することを意味し、「位置決め」および「位置決め可能」はそれに応じて解釈されるべきである。Unless the context requires otherwise, "locate", when used as a verb, means to place or put something into a new location or shape, and "locate" and "positionable" accordingly. should be interpreted.

Claims (19)

(a)アノードと、
(b)位置決め可能な空気カソードと、
(c)吸収材料層であって、前記吸収材料層は使用中の電解質に前記吸収材料層を沈めることなく水性の電解質およびアノード廃棄沈殿物を保持するように構成され、前記吸収材料層はそれが前記アノードと接触するように前記アノードと前記空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
(d)前記電解液とアノード廃棄沈殿物の保持による前記吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ前記空気カソードが前記吸収材料層と接触したままとなるようにするべく前記空気カソードを位置決めするように構成される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
前記吸収材料層は、前記電解質を保持することによって前記アノードと前記カソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池。
(a) an anode;
(b) a positionable air cathode;
(c ) a layer of absorbent material, said layer of absorbent material configured to retain aqueous electrolyte and anode waste sediments without submerging said layer of absorbent material in the electrolyte during use, said layer of absorbent material a layer of absorbent material positioned intermediate the anode and the air cathode such that a is in contact with the anode;
(d) the air cathode to remain in contact with the absorbent material layer while accommodating any changes in the volume of the absorbent material layer due to retention of the electrolyte and anode waste deposits ; a resilient air cathode positioning means configured to position;
with
A metal-air fuel cell, wherein the absorbent material layer acts as an ion transfer bridge between the anode and the cathode by retaining the electrolyte.
前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードは、前記空気カソードが前記吸収材料層を実質的に取り囲むとともに前記吸収材料層が前記アノードを実質的に取り囲むように同軸に配置される請求項1に記載の金属空気燃料電池。 3. The anode, the layer of absorbent material and the air cathode are coaxially arranged such that the air cathode substantially surrounds the layer of absorbent material and the layer of absorbent material substantially surrounds the anode. 2. The metal-air fuel cell according to 1. 前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードが積層配置を成して設けられる請求項1に記載の金属空気燃料電池。 2. The metal-air fuel cell of claim 1, wherein said anode, said layer of absorbent material, and said air cathode are provided in a stacked arrangement. 前記弾性空気カソード位置決め手段が前記電池の断面周長にわたって位置される請求項1から3のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 4. A metal-air fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein said resilient air cathode positioning means are positioned around the cross-sectional perimeter of said cell. 前記弾性空気カソード位置決め手段は、前記空気カソード内に組み込まれる又は前記空気カソードとは別個に設けられるとともに、Oリング、変形可能な高分子材料、弾性(又はゴム)バンド、又は、拡張可能なメッシュから選択される請求項1から4のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 The resilient air cathode positioning means may be incorporated within the air cathode or provided separately from the air cathode and may be an O-ring, a deformable polymeric material, an elastic (or rubber) band, or an expandable mesh. 5. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-4, selected from: 前記金属空気燃料電池が開放型ハウジングユニット内に収容される請求項1から5のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 6. A metal-air fuel cell according to any preceding claim, wherein the metal-air fuel cell is housed within an open housing unit. 前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層が電解質を保持できるようにすることによって使用のために活性化又は再活性化される請求項1から6のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 7. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-6, wherein the metal-air fuel cell is activated or reactivated for use by allowing the layer of absorbent material to retain electrolyte. . 前記吸収材料層が水分を保持するときに電解質を形成するために前記吸収材料層にイオンが予め含浸される請求項1から7のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 8. A metal-air fuel cell according to any one of the preceding claims, wherein the absorbent material layer is pre-impregnated with ions to form an electrolyte when the absorbent material layer retains moisture. 前記吸収材料層は、イオンが予め含浸された第1の吸収材料副層と、イオンが予め含浸されていない第2の吸収材料副層とを備える請求項1から8のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 9. A layer of absorbent material according to any one of the preceding claims, wherein the layer of absorbent material comprises a first sublayer of absorbent material pre-impregnated with ions and a second sublayer of absorbent material not pre-impregnated with ions. metal-air fuel cell. 前記金属空気燃料電池は、電解質を保持するように金属空気燃料電池を液体中に浸漬することによって使用のために活性化又は再活性化される請求項1から9のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 10. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-9, wherein the metal-air fuel cell is activated or reactivated for use by immersing the metal-air fuel cell in a liquid to retain the electrolyte. Metal air fuel cell. 前記吸収材料層は、保持される電解質又は水の吸着又は消耗時及び/又はアノード廃棄物の捕捉時に体積を変化させる請求項1から10のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 11. A metal-air fuel cell according to any one of the preceding claims, wherein the layer of absorbent material changes volume upon adsorption or depletion of retained electrolyte or water and/or capture of anode waste. 前記吸収材料層が織布又は不織布の繊維材料或いはそれらの組み合わせを備える請求項1から11のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 12. A metal-air fuel cell according to any one of the preceding claims, wherein the layer of absorbent material comprises a woven or non-woven fibrous material or a combination thereof. 前記吸収材料層が繊維状セルロース、竹繊維、又は、それらの組み合わせを備える請求項1から12のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 13. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-12, wherein the absorbent material layer comprises fibrous cellulose, bamboo fibers, or a combination thereof. 前記アノードがマグネシウム合金を備える請求項1から13のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 14. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-13, wherein the anode comprises a magnesium alloy. 前記空気カソードがシート層を備える請求項1から14のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 15. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-14, wherein the air cathode comprises a sheet layer. 前記空気カソードは、疎水性で通気性を有するとともに層状テフロン材料を備える請求項1から15のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 16. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-15, wherein the air cathode is hydrophobic, breathable and comprises a layered Teflon material. 前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層と前記空気カソードとの間に位置されて前記吸収材料層を支持して収容する及び/又は吸収材料層中に捕捉されるアノード廃棄沈殿物から前記カソードを更に分離して保護する紙セパレータ層を更に備える請求項1から16のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 The metal-air fuel cell is positioned between the layer of absorbent material and the air cathode to support and contain the layer of absorbent material and/or remove anode waste deposits trapped in the layer of absorbent material from the cathode. 17. The metal-air fuel cell of any one of claims 1-16, further comprising a paper separator layer to further separate and protect the . 使用時に製品又は装置の動作に電力を供給するために用いる直流電源をもたらす請求項1から17のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。 18. A metal-air fuel cell according to any one of the preceding claims, which in use provides a DC power source used to power the operation of a product or device. 前記製品又は装置は、
懐中電灯、マグライト、及びペンライトを含む、トーチ、
グローブライト、LEDライト、ストロボライト、及び、クリスマスライトを含む、ライト及び照明製品又は装置、
道路工事を含む、安全性又は一時的な照明用途、
キャンプ用ランタン及びちょうちんを含む、ランタン、
懐中電灯としての動作とランタンとしての動作との間で変換可能な懐中電灯-ランタン組み合わせを含む、組み合わせ製品、
電動歯ブラシ及びシェーバーを含む、家庭用製品、
EPIRB及び指向性ファインダーを含む、緊急ビーコン、
アナログ及びデジタルの両方の、ラジオ、
ラジオ、CBラジオ、及び、小型オーディオ機器を含む、通信機器、
バッテリ給電式を含む、玩具、及び
充電式製品用の電源バンク、USBデバイス用の充電ドック、及び、携帯電話、タブレット、及びオーディオ機器を含む小型電子製品用の充電ドック
から成るグループから選択される請求項18に記載の金属空気燃料電池。
Said product or device:
torches, including flashlights, maglites, and penlights;
Lights and lighting products or devices, including globe lights, LED lights, strobe lights and Christmas lights;
safety or temporary lighting applications, including road construction;
lanterns, including camping lanterns and paper lanterns;
combination products, including flashlight-lantern combinations convertible between operating as flashlights and operating as lanterns;
household products, including electric toothbrushes and shavers;
emergency beacons, including EPIRBs and directional finders;
radio, both analog and digital
communication equipment, including radios, CB radios and small audio equipment;
Power banks for toys and rechargeable products, including battery-powered, charging docks for USB devices, and charging docks for small electronic products, including mobile phones, tablets and audio equipment. 19. The metal-air fuel cell of claim 18.
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