JPS5924503B2 - 電気化学的セル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この出願は米国特許第３，７９１，８７１号に開示され
た基本的な電気化学的セルにおけるある改良に関する。

上記特許に記載されたセルの基本的な機構はこの出願中
に参照されている。

簡単に説明すると、上記のセルは、水溶性の電解液と非
常に反応しやすくかつ水の存在下において陰極上に自然
に形成される電気的絶縁膜によつて陽極から隔離される
ような反応性金属の陰極を用いている。この薄膜により
陽極を陰極に対して直接接触させるように配置すること
ができる。それにより陽極と陰極との間の間隔を上記薄
膜の厚さより大きくない距離まで減少させることにより
、さもなくば生じるであろうＩ２Ｒ損失を著しく減少さ
せ、その結果電気的出力及びエネルギ密度を増大させる
ことができる。陽極及び陰極は、有効な電気化学的反応
を持続させる水溶性電解液中で作動する。米国特許第４
，０５７，６７５号に開示されているように、この陽極
は、ほマ陰極の全作用表面上において陰極と接触できる
ような外形を有する広い網の目の金属スクリーンを用い
て有効に形成されている。上記セルの作動中、電解液の
モル濃度は増大し、その結果電気的出力は減少する。ま
た過度の熱は電解液から除去しなければならない。さも
ないと効率の低下を招く。同様に、陽極に発生する水素
ノガスを取除くことにより、セルの減極作用を達成しな
ければならない。

したがつて、電解液から熱を除去し、電解液に酸化剤を
加えて所望のモル濃度を維持し、かつ水素を取除くため
に、通常電解液はセルを通してポンプで送られる。この
目的のために、機械式ポンプや熱交換器を使用すること
は、煩わしいことであり、また電力を消費しかつ騒音を
発するので、それらはすべて望ましくない。約言すると
、本発明は、機械的ポンプ及び熱交換器を必要とせず、
電気化学反応による生成物を用いて自己ポンプ作用を行
ない、かつそのポンプ力はセルの作動により発生する廃
熱及び水素ガスによつてまかなわれるようにされた構成
を提案する。この構成は、さらに普通ならば電解液にさ
らされることによる無用な廃食作用を受けるであろう有
効な作用をしない陰極端面を減少させるという別の利点
を有する。さらに詳述すれば、本発明によれば、反応性
陰極は管状ケーシングの内面に接着され、コイル状の金
属スクリーン陽極はケーシングの内部に配置されている
。

電池の寿命期間中、コイル状のスクリーン陽極は連続的
に陰極の作用表面を押圧している。陰極の円形構造は、
管端部における上端及び下端の小さい合わせ目以外は何
ら有効な作用をしない露出端部を持たないので、無用な
廃食作用を最小にすることができる。セルの作動中、ケ
ーシングの内部の空所の中におけるリチウムの電解液と
の反応により電解液が加熱され、そのためセル内部に温
度勾配を生じる。この温度勾配及び陽極に発生した水素
ガスの浮力により、セルを通る電解液の流れが生じ、そ
れにより水素ガスを含む高温電解液はセルの頂部から出
て行き、新鮮な酸化剤がセルの底部に導入される。本発
明の種々の特徴及び利点は、好適実施例を図解した添付
図面を参照する以下記載の説明によつて、明らかとなる
であろう。

第１図及び第２図を通じて、互いに対応する部材には同
様な符号が付されている。

この実施例においては、共通のリザーバ３によつて作動
する本発明に係る２個のセル１及び２が示されている。
反応性金属陰極４は、例えば金属加工の手法により、管
状金属ケーシング５の内壁に接合されている。陰極４の
上に自然に形成される絶縁膜６は、膨張するコイル状金
属スクリーン陽極７から陰極４を電気的に絶縁する。作
動中、陰極４が消耗すると、陽極７は膨張して陰極４と
の接触を維持する。陽極電流集電電極８は各スクリーン
陽極７に接着されており、他方、陰極コネクタ９は各セ
ルケーシング５の外面に接着されている。図示の実施例
においては、２個のセル１及び２はパイプ１０及び１１
により中央のリザーバ３に連通されている。

上方パイプ１０は循環する電解液１２のセルよりの出口
の作用をし、下方パイプ１１は電解液１２のセル内への
入口の作用をする。外界への熱の放出を増進するために
、図示のセル１及び２と中央のリザーバ３とは、水槽等
の液体槽中に浸漬してもよい。そのとき、もし液体槽中
の液体が導電性液体ならば、金属ケーシング５の外部表
面を、例えば図示しない絶縁性エポキシ塗料により電気
的に絶縁する。勿論、中央のリザーバに対して、図示の
ような２個のセルの代わりに、唯１個のセル又は２個以
上のセルを連通させてもよい。セルの作動時には、電解
液１２は冷却されるにつれてリザーバ３内を通り下方に
向かつて流れ、随伴水素を放出し、パイプ１１を経てセ
ル１及び２に入る。

放出された水素は逃し弁１３を経て排出される。酸化剤
（通常は水）は必要に応じて入口パイプ１４を経て供給
され、セルの所望電力レベルにおける作動を持続させる
。米国特許第３，７９１，８７１号に記載されたように
、セルの電気的出力を制御するために、電解液のモル濃
度を変えることができるら従来の電池においては、放電
中に電圧及び電力の双方が減少し、作用物質が消耗する
前゛に許容できない低電圧の点に達する。

しかしながら本発明に係るセルの電圧及び電力は、陰極
の寿命期間を通じて所望のレベルに維持される。本発明
に係るセルの電圧及び単位面積当りの出力は第一に電解
液の濃度と温度とに依存する。本発明のセルの構成によ
り、電解液の温度は比較的に一定に保持される。したが
つて、本発明のセルの電圧と電力との制御は電解液のモ
ル濃度を変えることにより達成される。本発明に係るセ
ルは、作動中に陰極に反応性金属水酸化物を発生し、そ
の濃度が容易に較正できる最適モル濃度を超過すると電
気的出力は減少する傾向がある。したがつて、モル濃度
を制御するため、すなわち水酸化物濃度を減少させるた
めに、酸化剤、代表的には水、を電解液に加える。電気
的出力を制御するために用いられる制御関数は全セル電
圧である。所望レベルより上又は下への電圧変化は電子
式センサにより検知され、同センサはソレノイド弁を駆
動し、同ソレノイド弁は入口パイプ１４を通つて電解液
に加えられる水の量を制御する。そのような酸化剤の供
給によつて生じた過剰の電解液は逃し弁１３を経て排出
される。陰極４はナトリウム又はリチウムのような反応
性金属で形成され、これらの金属は水と強く反応し、か
つ水の存在下においてその表面上に保護絶縁膜を自然に
形成する。

そのようなアルカリ金属及びその他の反応性金属の合金
及び化合物は、それらがナトリウム及びリチウムとほぼ
同程度の水との反応性を有し、かつナトリウム及びリチ
ウムと共通して水の存在下において連続的な絶縁膜を自
然に形成するものである限り、同様に陰極としての使用
が可能である。前述の米国特許第４，０５７，６７５号
にて説明されている−ように、広い開口の網の目のスク
リーン陽極は、水と反応せずかつセルの作動中水の電気
化学的還元を許すような任意の適当な導電性材料ででき
たものでよい。

実例として、鉄及びニツケルは好適な材料である。プラ
チナ黒及びニツケル黒の使用は、高い価格と短い耐用期
間という不利をがまんすれば高い効率を得ることを可能
にする。スクリーンの最小寸法は、電解液を陰極表面に
到達させることの必要性と、陰極表面から反応生成物を
除去することの必要性とによつて制限を受ける。他方、
スクリーンの最大寸法は、陰極表面のすべての部分をで
きるだけ陽極の近くに保ちたいという要望により制限を
受ける。実例として、１２．７ＣｒＩＬ（５インチ）×
２７．９ｃＴｎ（１１インチ）の寸法の陰極表面に対し
ては、０．０８ｍ１！（０．００３インチ）の金属で作
られ２．５１Ｌｍ（０．１インチ）×１．２７ｍｍ（０
．０５インチ）の開口を有する金属スクリーンを用いて
優れた結果を得た。本発明に係るセルは、作動中にある
種の金属水酸化物を発生するが、その金属は陰極の組成
に依存する。

したがつて、セルの作動を容易にするためには、電解質
水溶液としては、反応性金属と水との反応によつて生じ
る電解質水溶液と同じであることが好ましい。しかしな
がら、必要条件である膜形成特性を有する電解液である
限り、他の多種の水溶液のどれでも出発電解液として同
様に使用可能である。乾電池が要求されるときには、リ
ザーバ３の中に水酸化リチウム一水化物のような適当な
乾式電解質を満たしておき、そしてこのリザーバに水を
注入することによつてセルの反応を開始させることがで
きる。中央のリザーバは単一のセル又は多数のセルの作
動のために特に必要ではないが、多数のセルの作動のた
めには、リザーバの使用は、すべてのセルに均一なモル
濃度及び温度の電解液を供給することにより多数のセル
間の電気的バランスを維持するのに役立つという点で望
ましいと考えられる。

実例として、４個の管状セルであつて、その長さが１５
．２ａば６インチ）、直径が２５．４闘（１インチ）で
あり、かつ１４Ｃｍ（５％インチ）の長さに亘つて上記
の管のおのおのの内壁に厚さ３．２ｍ罵（％インチ）の
リチウムを接着したものを、塩化リチウム（ＬｌＣｔ）
中に１．０モルの水酸化リチウムを含む電解液を入れた
中央リザーバに連結し、５０ワツトの電力レベルで２時
間作動させた。このとき電解液の温度は２８゜Ｃであつ
た。またこのユニツトは水の媒体中では温度２５゜Ｃで
作動した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、共通のリザーバによつて作動する本発明に係
る２個の自己ポンプ式セルの上面図である。 第２図は、第１図図示のセルの断面図である。１，２・
・・・・・セル、３・・・７・・リザーバ、４・・・・
・・陰極、５・・・・・・管状ケーシング、４７・・・
・・・コイル状金属スクリーン陽極、８・・・・・陽極
電流集電電極、９・・・・・・陰極コネクタ、１０・・
・・・・上方パイプ、１１・・・・・・下方パイプ、１
２・・・・・・電解液、１３・・・・・・逃し弁、１４
・・・・・・入口パイプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応性金属陰極と水溶性電解液とを有する自己ポン
   プ式電気化学的セルであつて、直立した中空管状ケーシ
   ングと、 前記中空管状ケーシングの内面に接着され水の存在下に
   おいてその表面上に保護絶縁膜を自然に形成する前記反
   応性金属陰極と、可膨張性のコイル状網目を形成した金
   属スクリーンの陽極であつて、前記中空管状ケーシング
   の内部に配置され、前記陽極と対向する前記陰極の実質
   的に全表面上において前記絶縁膜と接触し、かつ前記電
   気化学的セルの作動中前記絶縁膜を絶えず押圧する前記
   金属スクリーン陽極と、前記中空管状ケーシングの内部
   空所を満たし、かつ前記電気化学的セルの作動中に前記
   中空管状ケーシングの内部に発生する熱及びガスの作用
   のみにより前記中空管状ケーシングの内部空所を通りそ
   の底部から頂部へ流動する前記水溶性電解液と、を本質
   的に包含しており、 前記電気化学的セルは更に、前記中空管状ケーシングの
   中の前記水溶性電解液が還流するように前記中空管状ケ
   ーシングの頂部及び底部とそれぞれ両端部が連通した外
   部の水溶性電解液還流路であつて、前記中空管状ケーシ
   ングの内部で発生し前記水溶性電解液により運ばれる熱
   を除去するための手段と、同じくガスを排出するための
   手段と、前記水溶性電解液のモル濃度を制御し同時に前
   記中空管状ケーシングの内部空所が前記水溶性電解液に
   より満たされている状態を保持するように前記電気化学
   的セルへ水を供給するための手段とを備えた前記水溶性
   電解液還流路に連結されていること、を特徴とする前記
   自己ポンプ式電気化学的セル。 ２ 反応性金属陰極と水溶性電解液とを有する自己ポン
   プ式電気化学的セルにおいて、直立した中空管状ケーシ
   ングと、 前記中空管状ケーシングの内面に接着され水の存在下に
   おいてその表面上に保護絶縁膜を自然に形成する前記反
   応性金属陰極と、可膨張性のコイル状網目を形成した金
   属スクリーンの陽極であつて、前記中空管状ケーシング
   の内部に配置され、前記陽極と対向する前記陰極の実質
   的に全表面上において前記絶縁膜と接触し、かつ前記電
   気化学的セルの作動中前記絶縁膜を絶えず押圧する前記
   金属スクリーン陽極と、前記中空管状ケーシングの内部
   空所を満たし、かつ前記電気化学的セルの作動中に前記
   中空管状ケーシングの内部に発生する熱及びガスの作用
   のみにより前記中空管状ケーシングの内部空所を通りそ
   の底部から頂部へ流動する前記水溶性電解液とを本質的
   に包含した少なくとも１つの前記電気化学的セルであつ
   て、前記電気化学的セルはさらに、前記中空管状ケーシ
   ングの内部との間に前記水溶性電解液が還流するように
   前記中空管状ケーシングと頂部及び底部同士がそれぞれ
   互いに連通している外部の水溶性電解液リザーバであつ
   て、前記中空管状ケーシングの内部で発生し前記水溶性
   電解液により運ばれる熱を除去するための手段と、同じ
   くガスを排出するための手段と、前記水溶性電解液の濃
   度を、所望のモル濃度を維持するように制御するための
   手段とを備えた前記水溶性電解液リザーバに連結されて
   いること、を特徴とする前記自己ポンプ式電気化学的セ
   ル。