JPH0638347B2 - 金属／空気電池 - Google Patents

金属／空気電池

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JPH0638347B2
JPH0638347B2 JP63240620A JP24062088A JPH0638347B2 JP H0638347 B2 JPH0638347 B2 JP H0638347B2 JP 63240620 A JP63240620 A JP 63240620A JP 24062088 A JP24062088 A JP 24062088A JP H0638347 B2 JPH0638347 B2 JP H0638347B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は金属／空気電池、特に電解液循環型金属／空気
電池に関するものである。
（従来技術とその問題点） 金属／空気電池はセル内の電解液を介して反応性金属ア
ノードと空気カソードとを電気化学的に結合して電気を
生成するもので、空気カソードは一般にシート状部材で
あり、雰囲気とセルの電解液に露出する反対側面を有し
ている。セル作動中は酸素はカソード内で還元される一
方、アノード金属は酸化され、アノードとカソードとを
接続する外部回路を通して使用可能な電流を提供する。
この空気カソードはエアに対して透過性でなければなら
ないが、電解液に対しては実質的に不透過性で、外部回
路に接続可能な導電部材を備える必要がある。現在の市
販空気カソードは解離促進触媒の存在または不存在の下
微分割疎水性高分子材料で結合した活性炭素により通常
構成され、導電部材として金属スクリーンを組み込んで
ある。アノード金属としては種々の金属が使用され、ま
たは提案されている。その中で、アルミニウム合金およ
びマグネシウム合金が低コスト、軽量、種々の電解液を
使用する金属／空気電池のアノード機能能力の点で特に
有利である。
通常、金属／空気セルは電解液と、該電解液に一方の面
が露出し、他方の面が空気に露出するシート状空気カソ
ードと、カソードの電解液への露出面に対し間隔をおい
て対面し、電解液中に浸漬する例えば、平坦なプレート
のアルミニウム合金アノード部材からなる。
金属／空気電池の電解液は基本的に２種類あり、即ち、
中性pH電解液と高アルカリ電解液がある。中性pH電解液
は通常、ハロゲン化塩を含み、それが比較的導電性が低
いため、そしてその中にアルミニウムが実質的に不溶解
であるため、比較的低い電力の適用に用いられている。
高アルカリ電解液は通常、NaOHまたはKOH溶液を有し、中
性電解液よりも高いセル電圧を与える。
中性pH電解液中では、セルの放電反応は次の通りであ
る。
4Al+3O2+6H2O 4Al(OH)3(固体) アルカリ電解液中では、セルの放電反応は次の通りであ
る。
4Al+3O3+6H2O+4KOH 4Al(OH)- 4(溶液) 次に、溶解したアルミン酸カリウムまたはナトリウムが
飽和濃度が越えると、 4Al(OH)- 4+4K+ 4Al(OH)3(固体)+4KOH 上記酸素還元反応に加え、次のようにアルミニウムは両
者の電解液において水素を形成する望ましくない、不利
益な反応を起こす。
4Al+6H2O 2Al(OH)3+3H2(気体) 電気供給ラインが存在しない地域における緊急電力源と
して使用するために金属/空気電池の需要がある。かかる
電池は高いエネルギー容量と高い電力密度を有し、高い
負荷の下で長時間使用できる必要がある。電池は高負荷
の下で使用されると、電解液中に多量の水酸化アルミニ
ウムが蓄積するだけでなく、電解液の表面から多量の水
素が発生する。他の蓄電地と同様にこの水素は容易に爆
発濃度に達する。また、かなりの熱も発生して電解液は
蒸発して減少する。
緊急用電力源としての蓄電地が1984年12月25日発行の米
国特許第4,490,443号に記載されている。この蓄電地は
遠心または推進ポンプによりセルを通して循環させる電
解液を使用する多数の金属空気セルを用いている。この
蓄電地は高負荷の下で作動させることができるが、アノ
ードが消耗すると、各セルを交換するのが容易でなく、
また、集積する固体を操作する手段がなく、蓄電地全体
が単一のポンプに依存しているため、電解液貯蔵器内に
発生する水素を満足に排出することができないという問
題点がある。
（発明の目的） 本発明は上記不利益を有さず、高負荷の下で長時間作動
可能は電地を提供することを課題とする。
（発明の要旨） 本発明に係る電池は独立して取り出し可能な多数の金属
空気セルを収容するハウジング内に電解液を供給する貯
蔵器を有することを特徴とする。
支持パネルが電解液貯蔵器の真上に装着され、独立して
取り出し可能な金属空気セルが互いにエアギャップをお
いて支持パネル上に並列して装着されている。各セルは
一対の平坦な側壁を間隔をおいて側方端部、上部および
底部を結合してなる。平坦な側壁は空気カソードを含
み、該カソード面を含む平坦な側壁間にカソード面に間
隔をおいて対向するように金属アノードを装着してな
る。
各セルは、アノード底部下方位置の電解液入口接続部及
び電解液出口接続部を含み、これら入口・出口接続部は
取り外し可能に支持パネルの開口を介して延びるように
なっている。入口コネクタは貯蔵器からの電解液をポン
プするポンプ手段に接続されたフローであり、出口コネ
クタは電解液が貯蔵器に還流するようになっている。電
池は、セル相互間及びセルと外部ロードとを連続して接
続する回路手段を備えることにより完成する。
本発明にかかる好ましい特徴のひとつは、電解液入口コ
ネクタ及び出口コネクタは短い管状部材で、それは支持
パネル中の孔を介して延びることである。入口チューブ
は好ましくはＯリングを含んでいて、支持パネル中の孔
と一致し、支持パネル真下に位置するマニホールド室へ
と延びる。このマニホールド室へはポンプ手段により供
給され、マニホールドを充填し、電解液を入口チューブ
を介して金属／空気セルに向けて上方に強制する。
出口チューブはマニホールド背後の位置において支持パ
ネルを介し延びるようになっていて、還流する電解液が
出口チューブから電解液貯蔵器へ直接流入することがで
きるようになっている。
本発明に係るいまひとつの好ましい特徴は、金属／空気
セルの構造であり、好ましくは、各セルは底面から上端
面下方近傍に至って延びる分割壁を含んでいる。この分
割壁は、電解液入口チューブに接続された電解液室と、
電解液出口チューブに接続されたオーバーフロー室を形
成する。分割壁の上端は電解液オーバーフロー堰を形成
し、金属アノード上端にあるいはその上方に位置する。
この配置では、電解液は金属／空気セルを介して上方に
流れ、強く流動し、アノードとカソードの間の空間に生
成された金属水酸化物反応生成物を除去する。このよう
に、金属水酸化物生成物は上方に運ばれ、放出用オーバ
ーフロー堰を越え、貯蔵器に戻る。この反応生成物は貯
蔵器底部に留どまり、貯蔵器底部から収集された固体反
応生成物の除去を要するまでのかなり長時間、電池を作
動可能とする。貯蔵器にＡl(ＯＨ)3を種結晶として播種
することが望ましい。
本発明に係る電池のもうひとつの特徴は、電解液貯蔵器
も分解壁を含んでいることであり、この分割壁は貯蔵器
の上部を上方に延ばし、オーバーフロー堰を形成してい
る。貯蔵器の内部堰を越えて流れる電解液には実質的に
固体反応生成物が存在せず、ポンプ入口は堰下流側の貯
蔵器内に位置することである。
電解液ポンプは単一ポンプの形状でもよく、また複数の
小型遠心ポンプを使用してもよい。複数の小型遠心ポン
プを使用することにより、電池をよりコンパクトに製造
することが可能で、さらに有利な点は、ひとつのポンプ
が破損しても電池を切ってしまわないことである。これ
らのポンプは好ましくは水沈または潜航可能な遠心ポン
プであり、堰下流側の貯蔵器内に載置される。またこれ
らのポンプは、好ましくは第１保持タンクあるいは金属
／空気セルへの入口下方に位置するマニホールドに接続
された複数のコネクタラインが延びるマニホールドへと
放出するようになっている。全てではないが、いくらか
のポンプ出口ラインがチェックバルブを含み、電解液の
逆流を防止するのが好ましい。
単一ポンプを使用する場合は、電解液中で潜航した羽根
車と電解液上に載置したモータを有する柱形状のポンプ
が好ましい。単一ポンプは単一の比較的大きな放出パイ
プを使用することができ、マニホールドを使用する必要
はない。
金属／空気セル間のギャップへの空気供給を強めるため
に、好ましくはセル近隣にブロア及びエア分配器を備え
てギャップ間にエアを吹き入れるのがよい。好ましい特
徴では、この空気は貯蔵器中の電解液面を押流すという
第二義的の目的のために使用される。この種の高負荷電
池においては電解液面上に水素が蓄積して、これが爆発
限界に達するようになるからである。この問題を避け、
貯蔵器内の水素濃度を稀釈するために、ブロアから離れ
たセル側に存する金属／空気セル間の支持パネルに開口
が設けられるのが好ましい。この方法で、セル間のギャ
ップを通って一方向に通過する空気は、支持パネルの開
口を通過するように下方へ流れ、逆方向では電解液面を
横切り、そこで水素を稀釈する。この空気は、除霧器及
び空冷コンデンサーを介して大気中に放出される。
また、電解液温度を制御するために、熱交換器を備えて
もよく、これを介して電解液を貯蔵器から再循環させ
る。高出力が電池に要求される場合、コンデンサーを第
２熱交換器に替え可能で、空気が直接大気中に放出する
ことができる。
以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づいて詳細に
説明する。
（実施例） 図面において、側壁１３を有するハウジング１０は、ポ
リプロピレンあるいは３１６ステンレススチール等の温
度９５℃まで苛性アルカリ溶液に対して耐性のある適切
な材料から構成され、電解液貯蔵器として機能する。支
持パネル、すなわちプラットフォーム１１は、ハウジン
グ１０内部の上方領域を横に延びる。ハウジングの一側
には、支持パネル上にギャップ３６を設け、電解液貯蔵
器へ通じる空気開口を供与している。
複数の金属／空気セル１２はその間にエアギャップを有
していて、支持パネル１１から上方に延びかつ支持パネ
ルに支持されている。これらセル１２は、長く平坦な長
方形状をしていて、空気カソード２２を保持する窓開口
を持った側壁２１を有する。
空気カソード２２は、一般的に長方形のシート部材であ
って、活性炭から形成され、ワイヤメッシュ等の導電性
材料が組み込まれている。各カソード２２は壁２１の開
口全体に及んで延び、その端は開口周囲の該壁の内部面
と密に付設している。２つの側壁上のカソードは電気的
に接続され、その間に位置するアノードを取り巻く単一
カソードを効果的に形成するようにする。カソードは静
水圧変形しやすく、アノードとカソード間のギャップに
影響を与える。この問題を解決するため、壁２１上の開
口を横切って支持グリッド７１を設置し、小突出物７２
をグリッド７１の外端上に設ける。これら突出物７２
は、セルの隣接対にある突出物が相互に係合するように
配置され、これにより強固な構造とする一方、セル間に
おいて空気が自由に流れることを可能にする。
側壁２１は、取り外し可能な上蓋２３、１対の端面壁２
４と底壁２５により結合され、上蓋２３は壁２１，２４
内で密にシールされる。アノード２６は蓋２３のスロッ
トを介して上方に突出する垂直に延びるタブ７５を有
し、また、カソードは２つのカソードが結合される側部
から延びるコネクタリード７６を有する。このタブ７５
およびリード７６は図示しない適当な回路手段により接
続され、互いにセルを直列接続するとともに外部負荷に
接続する。
分割壁３０はある端部壁２４近傍の側壁２１間に形成さ
れ、側部端に隣接して狭い排出路３２を形成する。この
分割壁３０はセル上端下方近傍の上端３１で終わり、該
端部３１はオーバーフロー堰を形成している。上記分解
壁３０および側壁２４には垂直なスロットを備え、アル
ミニウムアノード２６を保持している。このアノードは
分割壁３０の上端３１の僅か下方で終了している。この
アノード２６下方の底部２５には入口チューブ２７が接
続し、上記排出路３２の直下底部２５には出口チューブ
３３が接続し、これらはそれぞれ支持パネルの孔２９、
２９aを通っている。入口チューブ２７はＯリング２８
を有する環状溝を備え、孔２９内にきっちりとシール嵌
合している。排出チューブ３３は孔２９aよりやや小さ
いので、金属／空気セル１２に挿入し、取り付けるのが
容易である。孔２９aからの空気洩れを防止するため
に、パネル１１上に孔２９aを覆って薄いフォームまた
はゴムパッドを配置してもよい。このパッドの小孔を通
して比較的大きな孔２９aに通す。
上記入口チューブ２７の直ぐ下方には支持パネル１２の
下方を横切って延びるマニホールド１５が設けられる。
２つのマニホールドを有する分割壁５０があるのがよ
い。第３図に示すように、４つの入口チューブ１６はマ
ニホールド１５に連通するが、その２つはマニホールド
の一方の半分に、残り２つは他の半分に連通する。４つ
のチューブ１６の入口端は第２マニホールド１７に接続
し、出口ライン１８により潜航遠心ポンプ１９に接続し
ている。３つの出口ライン１８の２つは逆流防止弁４９
を備える。ポンプ１９は入口２０を有し、該入口は電解
液貯蔵器の底部上方に位置するのが好ましい。すべての
チューブ、コネクタ、マニホールドは起こりうる分流電
流は減少させるために非導電性材料で形成されるのが好
ましい。
電解液貯蔵器はオーバーフロー堰を形成する上端１４a
を有する分割壁１４を有するのが好ましい。第１図から
分かるように、排出時間が過ぎると、電解液は堰の右側
では高いレベルに、左側は低いレベルになる。一部浄化
された電解液が堰の右側から左側にオーバーフローす
る。
ポンプ１９の入り口２０は貯蔵器の下流側に位置し、一
部浄化された電解液をマニホールド１７および１５並び
に金属／空気セル１２を介して汲み上げる。この電解液
はマニホールドからアノードとカソードのギャップを通
して上方に移動すると同時に、ギャップに形成されるす
べての反応生成物を押しあげる。反応生成物を伴う電解
液は堰３１を越え、排出路３２および出口３３を下り、
電解液貯蔵器の上流側に戻る。この上流側底部に反応生
成物が蓄積し、部分的に浄化された電解液は堰は越え、
金属／空気セルを通して循環することになる。
セル間のギャップに対向する開口を備える金属／空気セ
ルに隣接してエア分配壁３５を設け、ギャップを通して
エアを排出する。ブロア３４は分配壁３５にエアを供給
するもので、電池出力を用いて作動させる。作動中、支
持パネル１１上のエア入口６６とギャップ３６を除い
て、第２図に示すように、金属／空気セルの区画をカバ
ー内に密封する。この区画カバーはエア分配壁３５と、
一対の側壁５６と、壁３５の対向壁５７と取り外し可能
な蓋５８を備える。上記壁３５、５６および５７は共に
きっちりととシールされ、４つのの壁の底端はハウジン
グ１０上部にきっちりとシールされる。他方、蓋５８は
４つの壁の上端にきっちりと接続させる。また、蓋５８
は上記壁にシールされてもよく、全区画カバーを取り外
すようにしてもよい。このようにしてブロア３４を作動
させると、エアはセル間のギャップを通して吸引され、
支持パネル開口３６を通して貯蔵器内に入る。その後、
エアは貯蔵器の電解液表面を反対方向に横切って流れ、
水素を捕集してコンデンサ３７の複数の金属チューブ３
８を通して上方の大気に放出される。コンデンサ内の熱
交換はファン４１からエアが吸引される時に通過する複
数の機械結合した金属フィン３９にて向上する。また、
コンデンサは水冷としてもよい。
貯蔵器を横切る湿ったエアは苛性アルカリミストおよび
水素を収容する。エアがコンデンサチューブ３８に入る
前に苛性アルカリミストを除去するのが好ましく、電解
液上方の貯蔵器を横切って吊下がる除湿カーテン７０と
除湿ユニット４０とにより除湿される。除湿ユニット４
０はコンデンサチューブ３８の入り口直下に位置し、プ
ラスチックファイバーパッドの層からなる。このパッド
は捕集した苛性ミストが貯蔵器に滴下して戻るように傾
斜して装着される。
電解液は熱交換器４２により冷却されるのがよく、エア
ファン４８により金属チューブと金属フィン間において
行なわれる。電解液はポンプ４５によりチューブ４６を
介して上方に汲み上げられ、熱交換器を通り、排出ライ
ン４７を介して貯蔵器に戻される。熱交換器ファンの作
動は所定の温度にセットされたサーマルスイッチにより
制御される。
コンデンサおよび熱交換器は第３図に示すように、カバ
ー６０により保護されるのがよく、該カバーは２側壁６
１と１端部壁６３と上部壁６４とから構成される。側壁
６１はコンデンサ、熱交換器および循環エアブロアの廻
りでエアが自由に流れるように開口６２を有する。上部
壁６４はコンデンサチューブ３８からの排気用として機
能する出口６５を有する。この出口は排気ベントに接続
されるのがよい。
本発明に係る電池のスタート用として小さな補助電池が
使用され、ポンプ１９に接続される。このようにしてポ
ンプ１９を作動させると、マニホールド１７および１５
を介して上方に電解液が汲み上げられる。ガスがマニホ
ールド内に蓄積する場合があるので、マニホールド１５
の側壁５１の上部域に小孔を設けて金属／空気セルを介
して上方に通過する前にガスを排気するようにするのが
好ましい。ガスをマニホールドから充分に除去した後、
この孔を通して僅かな電解液を流す。電解液がアノード
およびカソードに接触するやいなや電気が発生するの
で、最早補助電池は必要でなくなる。ポンプ１９および
４５、ブロア３４およびファン４１，４８はすべて本発
明の電池の過剰な電力により駆動される。手動ポンプ装
置を設けてこの電池を始動させ、補助電池の必要をなく
してもよい。
３つのポンプ１９は充分過剰な流量を供給する能力を備
え、３つの内２つが故障しても充分な電解液を供給し、
セル内を電解液で充たし、電池の作動が断続できるよう
になっている。故障したポンプを通しての流れの回路シ
ョートを避けるために、１つのポンプを除いてすべてに
逆流防止弁４９が設けてある。
セルの交換のような理由により電池を停止するのが望ま
しいときは、ポンプを停止し、それによりセルから電解
液を流出させ、セルを取り替えるようにする。このよう
にして電池は即時運転の再開に移ることができるととも
に、各セルを開放して随時アノードを変換することがで
きる。
システム内を交換するために、一方向排出弁出口を反応
生成物固体５の許容される蓄積最高位置上方で、堰１４
aレベル下方に設けるのがよい。このようにして開放位
置の一方向弁を用いると、水は電解液貯蔵器のポンプ側
に供給することができ、そしてポンプおよびセルを介し
て循環し、電解液貯蔵器の上流側に入る。同時に、液は
貯蔵器から一方向弁を通って流出する。このように、固
体付着物Ｓ内に保持される苛性アルカリのすべては電池
から放出することができる。
第１図〜第８図に示す形式の電池は２０の取り外し可能
なアルミニウム／空気セルから製造することができ、各
アルミニウムアノードは厚み１３mm、高さ１８．２mm、
幅１１．１mmをなす。カソードはエレクトロメデイア・
インコーポレション製ＡＥ−２０ガス拡散カソードが使
用される。各セルの厚みは１.7cm、高さ２３．０cm、幅１
３．０cmをなす。電解液は5M KOH(0.005M 錫酸ナトリウ
ム)で、セルを介して１５リットル／分の流量で流し、
空気はセル間と貯蔵器を通して２８リットル／分で循環
させた。この電池は出力電池１９Ａで、６０時間以上連
続して５００Ｗを越えた。また、電池重量kg当たり３０
０ＷＨを越えるネットエネルギー出力を得た。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る電池のカバーを取った斜視図、第
２図は電池カバーの斜視図、第３図はコンデンサおよび
熱交換器のカバーの斜視図、第４図は本発明に係る電池
の他の実施例の斜視図、第５図はそのカバーを取った上
部平面部、第６図は除湿器の断面図、第７図はセル内部
の断面図、第８図は第７図のVIII−VIII線断面図、第９
図はセル入口の断面詳細図、第１０図はマニホールド入
口の断面詳細図である。 １０……ハウジング、１１……支持パネル １２……セル、１９……ポンプ、 ２２……カソード、２６……アノード

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】(a)電解液用貯蔵器をなすタンクと、(b)電
    解液用貯蔵器上方のタンク内に装着した支持パネルと、
    (c)該支持パネル上にエアギャップをおいて並列して装
    着された独立の移動可能な複数の金属空気セルと、(d)上
    記セルを外部ロードに接続するための回路手段とを有し
    てなり、上記各セルが端面、上面および底面により接合し
    た間隔を有する一対の側壁を有し、該側壁が空気カソー
    ドを含み、該側壁間に側壁とは間隔をおいて装着された
    金属アノードが装着され、該アノード下端下方の電解液
    入口コネクタ、送出口コネクタを含み、該コネクタが上記
    支持パネルの開口を通して取り外し可能に延びるように
    なっており、該出口コネクタが上記貯蔵器に電解液を戻
    すようになっている金属/空気電池。
  2. 【請求項２】各金属空気セルが底面から上面下方近くに
    至って延びる内部分割壁を含み、該分割壁が電解液入口
    コネクタに接続する電解液室と電解液出口コネクタと接
    続するオーバーフロー室を形成している前記第１項記載
    の電池。
  3. 【請求項３】分割壁の上端が電解液オーバーフロー堰を
    形成し、金属アノードの上端上方に位置する前記第２項
    記載の電池。
  4. 【請求項４】電解液入口および出口コネクタがセル底面
    から下方に延びるチューブである前記第３項記載の電
    池。
  5. 【請求項５】支持パネル下方に装着され、上記入口チュ
    ーブに接続する電解液マニホールドを有する前記第４項
    記載の電池。
  6. 【請求項６】電解液貯蔵器がオーバーフロー堰を形成す
    る分割壁を含み、セル出口が堰上流側の貯蔵器に注ぐよ
    うに位置している前記第５項記載の電池。
  7. 【請求項７】ポンプ手段が堰下流側の貯蔵器の装着され
    た潜航可能な複数の遠心ポンプからなる前記第６項記載
    の電池。
  8. 【請求項８】上記ポンプの少なくともいくつかの出口ラ
    インが流量チェックバルブを有する前記第７項記載の電
    池。
  9. 【請求項９】ブロア手段およびエア分配器を備え、上記
    エアギャップを通り、上記支持パネルの開口を通って下
    降し、電解液上部の貯蔵器を横切って、コンデンサーか
    らエアを放出する前記第１項記載の電池。
  10. 【請求項１０】上記コンデンサーが堰の下流側の貯蔵器
    上方の支持パネルに装着された空冷コンデンサーである
    前記第９項記載の電池。
  11. 【請求項１１】コンデンサーに入るエアから腐食性ミス
    トを除去する除霧器を有する前記第１０項記載の電池。
  12. 【請求項１２】電解液を冷却する熱交換器を備える前記
    第９項記載の電池。
  13. 【請求項１３】熱交換器が堰の下流側の貯蔵器上方の支
    持パネルに装着された空冷熱交換器である前記第１２項
    記載の電池。
  14. 【請求項１４】各空気カソードが上記側壁の開口内に該
    開口を横切って延びるカソード支持グリッドにより封止
    されたシート形態をなし、該グリッドはやや外側に突出
    し、隣接するセルの突出部が互いに噛み合ってカソード
    の剛性支持体を構成する一方、セル間にエアの自由流れ
    を許容するようになっている前記第１項記載の電池。
  15. 【請求項１５】(a)電解液用貯蔵器をなすとタンクと、 (b)電解液用貯蔵器上方のタンクに装着した支持パネル
    と、 (c)該支持パネル上にエアギャップをおいて並列して装
    着された複数の金属空気セルと、 (d)上記セルを外部ロードに接続するための回路手段と
    を有してなり、 上記各セルが端面、上面および底面を接合した間隔を有
    する一対の側壁を有し、該側壁が空気カソードを含み、該
    側壁間に側壁とは間隔をおいて金属アノードが装着さ
    れ、上記底面からは垂直な内部分割壁が上面やや下方ま
    で延び、その１側には電解液室を、他側にはオーバーフ
    ロー室を形成し、該電解液室の底部には電解液入口コネ
    クタを、上記オーバーフロー室の底部には電解液出口コ
    ネクタを備え、該コネクタが上記支持パネルの開口を通
    して延び、該出口コネクタが上記貯蔵器に電解液を戻す
    ようになっている金属/空気電池。
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