JPS5942420B2 - アルカリ金属の陰極板と水性電解液とを用いた電気化学電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気化学電池に□すＬ６ 従来技術として開示された電気化学電池においては、水
の存在において陰極板上に自然に形成される電気絶縁性
薄膜によつて□極板から隔てられたアルカリ金属陰極板
（水に対して高い反応性を持つ）を使用していι・一
−Ｃの導膜は、陽極板が陰極板と直接接触状態に置かれ
ることを許容する。

その結果、陽極板と陰極板との間禰をこの陰極板上の薄
膜の厚さに等しい大きさに減少できるので、そうでない
場合に存在する４′２Ｒ損失を非常に減少し、出力とエ
ネルギ□巌め讃加を来たす。陽極板と陰極板とは、水性
電解液中に浸漬されていて、この水性電解液は好ましく
はアルがリ金属水酸化物の液状水溶液である、 −’゜
゛、’、−・■’゛゛−本発明の目的は、陽極板の物理
的位置が、絶縁薄膜がなければ、陰極板全面め全動作表
面にわたつて陰極板と直接接触するという一電池におい
て起こる困難を克服する構造を提供す番ｃとである。本
発明による改良された構灘−５れＩｔ−・最大量の陰極
板表面を陽極板に対をで露癲一きせるように構成するこ
とができる。従つて、本発明はアルカリ金属の陰極板と
水性電解液とを用いた電気化学電池を提供し、同電気化
学電池において、前記陰極板は水の存在において保護絶
縁薄膜をその表面上に自然に形成し、前記電池は、陽極
板に対向する陰極板表面の実質的に全面にわたつて前記
絶縁薄膜と直接接触する開口網目の導電性のスクリーン
陽極装置を含み、前記陽極装置はそれによつて、その動
作中陽極電極と陰極板との間隔を極めて小さい大きさに
保持しつつ、同時に前記電解液および前記陽極装置に露
出した最適の大きさの陰極板表面を与える。

更に詳細に述べれば、本発明によれば、これらの相容れ
ない要求は、実質的に陰極板の全動作表面にわたつて陰
極板に接触する形状を持つ開口網目の金属スクリーンを
陽極装置として使用することによつて満たされる。本発
明の複極電池においては、陽極スクリーンは、実質的に
陰極板の全動作表面にわたつて陰極板に接触する形状を
有し、上記陽極装置の当て板（Ｂａｃｋｐｌａｔｅ）の
上に形成されるかまたはそれに取付けられた複数個のリ
ブの上に支持されており、それらのリブは、陽極スクリ
ーンと陽極当て板との間に電解液溝を形成している。リ
ブ付の陽極当て板は単極電池においても使用できるであ
ろうけれども、複極電池とは異なり、単極電池は、元来
、その内部で両極板と電池ケースの壁との間に電解液溝
を設置してあるので、リブ付の陽極当て板を使用する必
要はない。ここで、本願明細書の中で使用される「単極
電池（ＵｎｉｐＯｌａｒｃｅｌｌ又は（自）ＮＯｐＯｌ
ａｒｃｅｌｌ）」と「複極電池（ＢｉｐＯｌａｒｃｅｌ
ｌ）」なる用語の意味を説明しておく。まず、単極電池
の基本形態は、１個の正電極と１個の負電極との間にの
みイオン電導が行なわれる第１図，第２Ａ図及び第２Ｂ
図に示された形態で示され、特に、それらの図面に示さ
れたように、単極電池がただ１つの単位電池のみにより
構成されているときは、それは単電池（Ｕｎｉｔｃｅｌ
ｌ）とも呼ばれる。単極電池は、更にいくつかの単電池
が同じ極性の電極を共通にして電気導体により並列接続
された形態をも含み、その場合には並列に接続される電
極の数が増すにつれて、発生電圧は変わらないが、アン
ペア．アワ一容量は増加する。次に、複極電池とは、第
３Ａ図及び第３Ｂ図に示されたように、単電池が１つの
容器の中に直列に積み重ねて収容された形態のものであ
る。そして１つの単電池を形成する２つの電極の中の１
つの極性の電極は直列に隣接する他の単電池の他の極性
の電極と電気的に接続される。直列に積み重ねられた単
電池の数が増せば得られる複極電池の発生電圧は増加す
るが、そのアンペア．アワ一容量は、直列に積み重ねら
れた単電池と並列に別の同様な直列に積み重ねられた単
電池が接続されない限り増加しない。単極電池および複
極電池の両方において、電解液は陰極板からはなれて陽
極面のそばを流れ、開口網目の金属スクリーンによつて
陰極に接近する。

用語［網目スクリーン」は、ひろげられた金属、孔をあ
けた板、織つたマツト、多重リブその他の任意の関連し
た形状を包含するものとする。陰極板が電気化学反応の
進行とともに消耗するにつれて、陽極装置と陰極板との
接触を維持するための装置が本発明の電池に設けられる
．この技術は、陰極板が消耗するに従つて陽極．陰極組
立体の形状が次第に圧縮されるようにし、それによつて
陰極板が消耗し終るまで電池が最大の出力と能率で動作
できるようにする。本発明の種々の特徴および利点は、
本発明の好適実施例を示す添付図面を参照して以下に説
明することによつて明らかとなるであろう。

まず、本発明による複極電池を構成する単電池の構成及
び作用の原理についての理解を与えるためへ第１図，第
２Ａ図および第２Ｂ図に示した単極電池の構成及び作用
について説明する。

これらの図面を通じて、同様の参照符号は同様の部品を
示している．第１図，第２Ａ図および第２Ｂ図には、単
極電池電極とそれらの電極を使用した単極電池とが示さ
れている。陰極板１は、その表面．に絶縁薄膜２を有し
、ばね４ｖｒ−よつて２個のスクリーン陽極３の間に保
持されている。この組立体は、絶縁容器５の中に入れら
れ、この容器を通して電解液６は循環され、電気化学反
応のための新しい燃料（Ｆｕｅｌ）を導入し、また反応
生成物を運び出す。陰極板が消耗するにつれて、ばね４
は陽極スクリーン３を陰極板表面に緊密に圧着して保持
する。電気エネルギは絶縁された陰極導体７と非絶縁の
陽極導体８とを通つて電池の外に導き出される。陰極板
１は、ナトリウムまたはリチウムなどのアルカリ金属で
形成される。

このアルカリ金属は、水との高い反応性を有し、水の存
在のもとでその表面に保護絶縁薄膜を自然に形成する◆
電解液のモル濃度（ＭＯｌａｒｌｔｙ）は、電池の出力
を制御するために変更される。アルカリ金属以外のその
他の反応性金属の合金および化合物も、それらがナトリ
ウムやリチウムと同様に実質的に水との反応性を有し、
かつ更にナトリウムやリチウムと同様に水の存在におい
て連続的な絶縁薄膜を自然に形成するものであれば、陰
極板としての使用に適する。開口網目のスクリーンより
成る陽極は、任意の適当な導電材料で作られるが、その
材料は、水と反応せず、電池の動作中に水の電気化学的
還元を許容するものである．種々の材料の水の還元を行
なう効率が、価格、入手性、耐久性などの付加的要因と
ともに陽極材料の選択時の要因である。

これらの考慮に基づくと、鉄およびニツケルは、高価と
、減少した耐久性とのぎせいにおいて増加された効率を
与える白金黒またはニツケル黒などの材料とともに好適
な材料である。開口網目スクリーンの最小寸法は、電解
液を陰極板面に送るという要求と、反応生成物を陰極板
面から除去するという要求とによつて支配される０スク
リ＝ンの最大寸法は、陰極板表面のすさての部分を陽極
のあ３る部分ＩＩＣ．対してできるだけ近く保持する青
いう要求によつて支配される。これらの制限内において
、当業者は、考慮中の特定の電池に対して最通の特定の
寸法を容易に選定することができる。例えば、１２．７
ｃ！ｎ（５１ｎ．）Ｘ２８ＯＯ−（１１１］ｉ・１、】
の陰極板表面に対しては、０．０７６ｍ（０．００３１
ｎ５．）の金属と２．５１ｎ！（０．１１ｎ．）×１．
２７ｍ（０４０５ｉｎ．）の開口とを有する拡張金属ス
クリーン（ｅ準Ｎｄｅｄｍｅｔａｌｓｃｒｅｅｎ）が優
秀な成績を示した。比較として、１．５７Ｔｆｍ（０．
０６２１ｎ．）の金属と９．５３ｗｎ（０．コ７５１ｎ
．）の開口を有する拡張金属では、約３０％出力が減少
した．上記の電池において、ばね４によつてスク・リー
ン陽極と陰極板との間の接触を維持するように考慮され
ている。

但し、このばね４は、同様Ｑ目的を達成するための多数
の有用な手段のうちの一つにすぎないことは当業者には
明らかである．上記の単極電池または本発明による複極
電池り電極を使用する電池においては、電解液処理装置
はその好適実施例において本質的に同一である。共通電
解液源からの電解液は、電池の中にポンプにより送り込
まれ、電池を循環して、中央の電解液源にもどされる．
これはモル濃度および温度の均一性を保証し、それによ
り電圧と出力との均一性、特に電池の個々の単電池間に
おける均一性を改善する．電解液は、循環中に必要に応
じて水を追加して冷却されかつ希釈されて、所望の出力
を維持することができる．温度、または希釈、またはそ
の両者は、制御パラメ゜一タとして変えることができる
。水素ガス、反応熱および過剰の電解液は、電解液の循
環に際し排出される。電池は、放電する間に電圧及び電
力の両々とも低下し、その活動物質が消耗しつくされる
より大分以前に、許容し得ないほど低い電圧の点に達す
る。

しかし、上記の単極電池および本発明による複極電池に
おいては陰極板の寿命がつきるまで、電圧および電力は
希望のレベルＶＣ．雑持される◆本発明によるアルカｖ
金属の陰極板と水性電解液とを用いた電気化学電池の単
位面積当りの電圧と電力とは、第１ｒＣ電解液の濃度と
温度とに依存する。温度は、通常は比較的一定に保たれ
、電圧および電力の制御は、電解液に水を追加する速度
を変えることによつて連成される。電池出力を制御する
ために使用される制御作用入力は、全電池電圧である。
特定の電圧・レベルの上または下への電池電圧の変動は
、電解液への水ｂ追加連直を変えるための入力信号とし
て使用Ｅれ潟２本発明０電池の動作の停止は、電池から
電解液を排曲することによつて達成される。冷たい水に
対して．は、電解液はその凍結温度を低下させるために
犀チレン７．グリコールなどの任意の知られ夫不凍剤を
含むことが望蓉しい。使用される不凍剤の量は、その電
池の電気化学的反応に要する水の使用量のみによつて制
限され、その量は、必要な水の使用量を不都合に減少さ
せないためには、体積で電解液の５０％までである。好
ましい電解液は、水性アルカリ金属水酸化物であるけれ
ども、その他の多数の水性溶液のうちの任意のものも同
様に使用できるが、ただ、それらの水性電解液は陰極板
の表面上において必要とされる薄膜形成特性を備えてい
なければならない。例示的に、下記の特性を有する１２
個の単電池を含む単極電池が使用された。

電池寸法 ３３傭Ｘ３３ｃｕ×２５．４―（Ｂａｔ
ｔｅｒｙＳｉｚｅ） （１３１ｎ．×１３１ｎ．×１０
１ｎ．）単電池寸法 １５．２ｃｍＸ３０．５ｃｍＸ１
．２７ｃｍ（ＣｅｌｌＳｉｚｅ） （６１ｎ．×１２１
ｎ．×０．５１ｎ．）単電池面積 ９２９ｄ（１４
４１ｎ．２）（ＣｅｌｌＡｒｅａ）．電流密度 ０
．１８３Ａ／Ｃｄ （１．１８Ａ／Ｉｎ．２） 電解液 ３．０モル水酸化リチウム溶液 温 度 ２０乃至２２℃ 流速 １１．４ｔ／分 （ＦｌＯｗＲａｔｅ）（３ガロン／分） 最大出力 ２０４０Ｗ 単電池数 １２ 次に第３Ａ図および第３Ｂ図を参照すると、同様の参照
符号はこれらの図面を通じて同様の部品を示しており、
本発明による複極電池が示されている。

これらの電池は、内部で直列に接続された複数個の複極
電池電極を含んでいる。前述の単極電池と同様に陽極装
置と陰極板とは直接に接触していて、陰極板はその表面
に保護絶縁薄膜が形成 ｚされる．各極板を通つて電解
液を循環させ、隣接極板と電気的接触させるために後述
するような装置が設けられている。陽極装置、陰極板お
よび電解液に使用される材料は、前述の単極電池につい
ての説明と同様であり、また複極電池に対する電圧及び
電力の制御装置についても同様である。電気絶縁性容器
１０は、単電池の積み重ね（Ｓｔａｃｋ）を収容し、希
望する場合には、電気化学電池の電気化学反応の進行と
ともに陰極板が消耗するにつれて陽極．陰極間の接触を
維持するように、第３Ａ図及び第３Ｂ図には図示しない
が第１図，第２Ａ図及び第２Ｂ図に図解した、あるいは
同様の目的の達成に適した別の積み重ね圧縮機構を備え
、電解液１１の分配のための流入室および流出室を備え
、また電気的出力を接続体１２により電池の外部へ導く
ための開口を持つている。

複極電池電極１３は、アルカリ金属陰極板１７と、電気
導体材料で作られた陽極当て板１６の上に形成されるか
またはそれに取付けられたリブ１５の上に支持された開
口網目の陽極スクリーン１４とを含んでいる。アルカリ
金属陰極板１７は、陽極当て板１６の反対側に接合され
、その表面は絶縁薄膜１８で覆われている。端部の単位
電池の極板１９は、アルカリ金属陰極板１７を含み、そ
れは、その表面には絶縁薄膜１８を持ち、陰極当て板２
０ｉｆＣ接合され、この陰極当て板２０はアルカリ金属
陰極板１７を支持して、電気エネルギを接続体１２ｉｆ
Ｃ導く。端部陽極装置２１は、陽極当て板１６の上に形
成されるかまたはそれに取付けられたリブ１５によつて
支持された陽極スクリーン１４を含む。電解液１１は、
容器１０の底から流入室に入り、陽極スクリーン１４と
陽極当て板１６との間にリブ１５ＶＣよつて形成された
電解液溝２２を通つて上昇し、容器１０の頂部の流出室
から出て行く。上記の構成において、陽極当て板１６は
、アルカリ金属陰極板１７と陽極スクリース１４との間
に配設され、電気導体材料により構成され、両者に対し
良好な電気的接触を与えるための電気接続導体として働
き、更にそのリブ１５によつて陽極スクリーン１４との
間に電解液溝２２を形成し、それにより電解液１１が容
器１０の底部の下部流入室に流入し電解液溝２２の中を
上昇し容器１０の頂部の上部流出室より流出して循環す
るための流路を与えることにより、新しい電解液１１を
次次に陽極スクリーン１４を通してアルカリ金属陰極板
１７に接近させて容器１０内における電解液１１のモル
濃度及び温度を均一に保ち、それにより複極電池の電圧
及び出力の均一性、特に個々の単電池間における均一性
を改善する働きをする。

更に、電解液溝２２の中を通る電解液１１の上昇流によ
り、電気化学反応により生じる反応生成物の水素ガスと
反応熱とを有効に運び出す作用を行なわせる．例示的に
、下記の特性を持つ本発明による３個の単電池を持つ複
極電池が使用された。

電池寸法 ２．５４ｃｍＸ１５．２ｃｍ×７ｃ１ｎ（
１１ｎ．×６１ｎ．×２．７５１ｎ．）５．７２ｃｍ×
１０．２ｃｍ×０．６３５ｃｍ（２．２５１ｎ．Ｘ４１
ｎ．×０．２５１ｎ．）５８ｄ（９１ｎ．２）０．２７
９Ａ／ｃ＃ｉ（１．８Ａ／Ｉｎ．２）３．５モル水酸化
リチウム溶液２０℃ ５３ｔ／時（１４ガロン／時） ３ボルトにおいて４８Ｗ 単電池寸法 単電池面積 電流密度 電解液 温度 流速 最大出力 単電池数

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による複極電池を構成する単電池の構
成の一例を示しかつその作用の原理的説明に供するため
に、単極電池の構成を示した斜視図である。 第２Ａ図は、第１図に図示の電極を使用した単極電池の
横断面図である。第２Ｂ図は、第２Ａ図図示の単極電池
の縦断面図である。第３Ａ図は、本発明による複極電池
の横断面図である。第３Ｂ図は、第３Ａ図図示の本発明
による複極電池の縦断面図である。１・・・陰極板、２
・・・絶縁薄膜、３・・・陽極スクリーン、４・・・ば
ね、５・・・絶縁容器、６・・・電解液。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アルカリ金属の陰極板と水性電解液とを用いた電気
   化学電池であって、直列に接続された複数の複極電池電
   極の積み重ねにより形成された複極電池を構成するため
   に前記アルカリ金属の陰極板を含む複数の電極を有し、
   前記複極電池電極のおのおのは、開口網目の導電性陽極
   スクリーンと、電気導体材料より成り前記陽極スクリー
   ンを支持するための複数のリブを一方の側に設けた本体
   を有する陽極当て板であつて、前記リブにより前記陽極
   スクリーンと前記陽極当て板の本体との間に連続した電
   解液溝を形成する前記陽極当て板と、前記陽極当て板の
   前記本体の前記リブが設けられた側とは反対の側に接合
   された前記のアルカリ金属の陰極板であつて、前記陰極
   板の表面は水の存在のもとで前記陰極板上に自然に形成
   される保護絶縁薄膜によりおおわれる前記のアルカリ金
   属の陰極板とを含んでおり、前記電気化学電池は、電気
   化学反応の進行とともに、前記陰極板が消耗するとき、
   前記複極電池電極の前記陽極スクリーンと前記陰極板と
   の間の良好な電気的接触を保持するように前記複極電池
   電極の積み重ねを圧縮するための圧縮手段を更に包含す
   るアルカリ金属の陰極板と水性電解液とを用いた電気化
   学電池。