WO1990001812A1 - Air cell - Google Patents

Description

明 空 気 電 池 技 術 分 野

本発明は、 空気電池に関する。

背 景 技 術

たとえば模型飛行機にモータを取付けた場合、 この乇 一夕を駆動する電池と しては小型軽量であるこ とが必要 である。 一般に、 ニッケル · 力 ドミ ゥム電池が使用され ている。

たとえば、 ある模型ヘリ コプターに単 3型のニッケル • カ ドミ ウム電池を 7本 （約 1 7 0 g ) 使用した場^、 飛行時間は 2分程度である。

上記の様な模型飛行機を農薬散布や測量、 写真撮影等 に実用化するには、 その飛行時間をさ らに長く したいと いう要望がある。 この場合、 既存の電池では単位茧 S 3 りの出力が小さ く 、 多量に搭載できないので、 飛行 間 が短い。

また、 模型ヘリ コプターに限らず、 大きな電力を要す る駆動電源と しても上記と同様に、 ^位重量当りの^力 が少なく 、 従来より も長時間、 使用したいという要望を 満足することができないという問題がある。 — 一

発明の開示

本発明は、 小型かつ軽量で高出力の空気電池を提洪す ることを目的とするものである。

本発明の空気電池は、 負極と正極との間であって、 該 正極と接触するように集電体を設置してなることを特徴 とする ものである。

更に本発明の空気電池の他の態様においては、 正極を 複数に分割した構成、 または正極に少なく とも 1つの透 孔を設けた構成と したことを特徵とするものである。

上記のように、 本発明においては、 負極と正.極との間 にあって、 上記正極と接触するように集電体を設置した ので、 空気電池が小型軽量で高出力で、 内部抵抗が小さ く、 高電流の取出しに適している。

また、 本発明の別の態様においては、 IE極を複数に分 割した搆成、 または正極に少なく とも 1つの透孔を設け た構成と したので、 空気電池が小型軽量でしかも a出力 である。

図面の簡単な説明

笫 1 A図は、 本発明の一 ¾施例を示す縦断 [ίυ'図である 第 1 Β図は、 上記类施例の構成部材を分解して した 図である。

第 2図は、 上記実施例における止極 [ ·に対する出力 密度を示すグラフである。

第 3図は、 上記実施例における正極 2 ϋの製^ 法の 一例の説明図である。

第 4図は、 上記実施例における石油系黒鉛粉末屮の活 性炭の量に対する出力密度を示すグラ フである。

第 5 A図は、 本発明の他の実施例を示す縦断面図であ る。

第 5 B図は、 第 5 A図に示す実施例の構成部材を分解 して示した図である。

第 6図は、 上記実施例における放電曲線を示す図であ 第 7図は、 本発明の他の実施例を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態

第 1 A図は、 本発明の空気電池の概要を示す縦断 ώ図 でめる ₀

第 1 Β図は、 第 1 Α図に示す空気電池 1 の半分につい て、 その各構成部材を左右方向に分離して示した囟であ 本発明の実施例である空気電池 1 は、 グラ スべ一バ一 1 0 と、 正極 2 ◦ と、 集電体 3 0 と、 セパータ 4 0 と、 負極 5 0と、 K C 1 液 6 1 を蓄える液溜め 6 0 とを す る。

グラスぺーパ 1 ◦は、 正極 2 0の台板であり、 撥水処 理が施されている。

正極 2 0は、 石油系黒鉛粉末を主成分とする膜である c 第 1 B図に示すよ う に、 グラスペーパー 1 し—）の負極 5 0側に正極 20を密着させ、 この正極 20を複数に分割 してある。

集電体 3◦は、 ニッケル、 銅等の金属で構成された 200〜 300メ ッ シュの金網 （空気液が素通りできる ように網にしてある） であり、 正極 20と負極 50との 間に設置され、 正極 20と密着している。

セパレータ 40は、 撥水処理を行つていないグラスべ 一 等の吸水材等で構成され、 集電体 30と負極 50 とを電気的に絶縁するとともに、 K C 1液や N a C 1液 (電解液） 6 1を毛細管現象によって浸透させ、 正極 20と負極 50とを湿らせるものである。 なお、 セパレ —タ 40としては、 グラスペーパーの代りに紙べ一パー を使用してもよい。

負極 50は、 マグネシウム合金、 または亜鉛合金、 ま たはアルミニゥム合金等で構成されている。 これらの合 金はその 1つによって負極 5◦を構成してもよく 、 その うちの複数の合金によつて負極 50を構成するようにし てもよい。

ところで、 正極 2◦では次の反応が起こる。

1 /2 0 + H ₂0 + 2 e— → 20 H~ または、

O + H 9 O + 2 e 0 H + 0 H

0 H O H + 1 / 2 0つ

方、 負極 50では M g合金を使用した場 、 次の反 応が起こる。

M g + 20 H" — M g O + Hつ 0 + 2 e—

M g + 2 H 0-M g (O H) + H † (副反応） 上記の反応は、 一般の電池と同様であり、 空気電池 1 に負荷を接続すると、 負荷 50に発生した電子 e— が負 荷を経由して正極 2◦に到達し、 その正極 2 0において 上記のように電子 e— が消滅する。 このようにして、 ¾ 流が正極から負極 50に流れる。

上記実施例において、 正極 20を複数に分割してある ので、 正極 2◦は、 集電体 30に接触する平面部 2 1 と、 角部 22とを有する。 そして、 ある正極 20の ft部 22 と隣りの正極 20の角部 22との間に空間がある。

ところで、 一般に、 ガスの透過量を Qと し、 ガスの透 過係数を Pと し、 ガスの圧力差を Δ Ρと し、 止極 2 し）の 断面積を Aと し、 正極 20の膜圧を と し、 温度を t と すると、 次の （ I ) 式が成立する。

Q = P ♦ (厶 P Z ? ) ♦ t · A … （ I ) 式 また、 ガスの拡散係数を Dと し、 溶解度を Sとすると、 P - D ， S … （ Π ) 式 が成立する。

上記実施例において、 正極 20の平面部 2 〗 における 上記拡散係数 Dより も、 角部 22における上記拡散係数 Dの方が大きいので、 上記 （Π) 式によって、 拡散係数 Dが大きい角部 22におけるガス透過係数 Pが人き く な る。 したがって、 （ i ) 式によって、 ガスの透過 a Qは、 平面部 2 1 より も角部 2 2における透過 Sが多く なる。 角部 2 2において上記ガスの透過 fiが多いという ことは、 角部 2 2において酸素の透過量が多いことである。

このために、 正極 2 0を 1枚の平板で構成するより も、 正極 2 0を複数に分割した平板で構成した方が、 酸素の 透過量が多く なり、 したがって、 起電 （発電） に寄与す る正極反応が加速され、 起電量 （発電量） が多く なる。 なお、 正極 2 0を複数に分割する代りに、 正極 2 0を 1枚の平板で構成し、 それに少なく とも 1つの透孔を設 ければ、 上記と同様に、 単位重量当りの発生電力が大き く なる。

また、 上記実施例において、 正極 2 0の負極 5 U側に 集電体 3 0を密着させてあるので、 負極 5 0で允生した 電子が正極 2 0を通過する必要が無い。 このために、 空 気電池 1 の内部電圧降下が少なく て済む。 つま り、 従来 は、 空気電池の中央部に負極を設置し、 その外側に正極 を設置し、 正極の外側にニッケル等の金網を配置し、 こ の金網を集電体と して使用している。 この場合、 正極の 負極側 （正極の内側） で上記反応が発生するので、 電子 が集電体から正極に移動し、 その正極を通過し、 上記 子が正極を通過するときに 0 . 1 Ω程度の電気抵抗が牛- じる。 そして、 1 0 Α程度の大電流を流すと、 このとき の電圧降下は 1 Vになる。 ところが、 上記本発明においては、 正極 2 0の： a極

5 ◦側に集電体 3 0を密着させてあるので、 上 §d反応が 発生している部分 （正極 2 0の負極 5 0側の部分） に集 電体 3 0が設置してあり、 負極 5 0で発生した^子が正 極 2 0を通過せずに直接反応部分に到達することができ る。 したがって、 正極を通過することによって発生する 内部電圧降下が少なく なる。 この構造は、 大電流の場 A に特に効果的である。

第 2図は、 上記実施例において正極 2 0の面積を変化 させた場合における出力密度を示す図である。

この则定条件は、 電解質が 2 0 % K C 1 であり、 膜圧 力《 1 8 0 mであり、 温度が 2 4 °Cである。 笫 2図に示 すように、 正極面積が大きい場台における単位面楨 3り の発生電力より も、 正極 2 0の面積が適度に小さい場 £ の方が単位面積当りの出力電力が大き く なる。 ί¾ 2図に おいては、 1つの正極 2 ϋの大きさを： cii程度に したと きに、 単位面積当りの出力電力が最も大き く なる。

第- 3図は、 第 1 B図に示すように正極 2 0を複数に分 割して製造する方法の説明図である。

まず、 上記石油系黒鉛粉末に活性炭を約 6 ： 4の割 A で混合し、 ポリテ トラフルオルエチレン分散液を加えて 混合する。 この混合物が正極 2 0の S材である。 なお、 上記活性炭は触媒と して使用される。

一方、 正極 2 0の台板と して使用するグラスべーぺ一 一

1 0を撥水処理し、 その上に型枠 6 0を載せる。 そ して、 上記正極 2 0の基材を流し込み、 ローラで転圧する。

その後、 スク レーバで、 枠型 6 0からはみ出した上記 正極基材を除去し、 型枠 6 ◦を取除き、 約 3 8 CTCで加 熱する。 このようにすることによって、 笫 1 B図に示す ように、 グラスペーパー 1 0に複数の正極 2 0が接^配 置される。

なお、 型枠 6 0と して多数の四角形の型を用いると、 正極が縞状に分割された構成になり、 高出力の空 ¾池 を得ることができる。 また、 型枠 6 0と して、 三角形、 五角形あるいは丸型等、 四角形以外の型を用いてもよい。

第 4図は、 上記実施例において、 石油系黒鉛粉末屮の 活性炭の量を変化させた場合における出力密度 （ 'ί位面 積当りの出力電力） の例を示すグラフである。

第 4図に示す試験条件は、 温度が 3 4 °C、 ΪΕ極 2 0の 寸法が 5 cm X 1 cm X 1 8 0 mであり、 ポ リ テ 卜 ラフル オルエチレン分散液 （ 1 4 % ) の添加量はそれらの 4倍 希釈 4滴 （ 0 . 2 cc) 、 水 4滴 （ 0 . 2 cc) であり、 電 解質溶液は 5 % N a C l である。

また、 第 4図中の Aは、 石油系黒鉛粉末 Aを使川した 場合であり、 Bは、 石油系黒鉛粉末 Bを使用した場台で あり、 B ' は、 上記石油系黒鉛粉末 Bを触媒処理した場 合であり、 A 1は、 上記石油系黒鉛粉末 Aを 2 0 °-ο

K C 1 中でテス 卜 した場合である。 第 4図に示すように、 活性炭が 3 0〜 7 0 %の場台に、 単位面積当りの出力電力が大き く なる。 活性炭の≤は、 好ま し く は 3 0 ~ 5 0 %で、 より好ま しく は 3 5〜 4 5 %である。

また、 上記実施例を、 自動車用バッテリーの性能が低 下したときの非常用電源、 模型用の動力源、 キヤ ンプ、 釣り等のレジャー用と して使用すれば、 小型、 軽 n、 ,¾ 出力の電池であり、 便利である。 また、 通常は、 極 2 0、 負極 5 0等には電解液 K C 1 を接触させず、 使用 開始時に接触させる。 このよう にすれば、 電池使 ffl前に 自然放電等による電力低下が生じないので、 保存性が非 常に良好になり、 非常用の電源と しても ^ fflである。

上記実施例において、 電解液と して K C 1 液を使 fflし たが、 海水や他の食塩水等の電解液を使用するようにし てもよい。

第 1 B図に示すように正極 2 0を複数に分割する代り に、 1つの平板状の正極に多数の透孔を有する ものであ つてもよい。

第 5 A図は、 本発明の他の実施例を示す図である。

第 5 B図は、 第 5 A図に示す実施例の分解図である。 なお、 第 1 A図に示す部材と同一の部材については、 同一の符号を付してある。

第 5 A図に示す空気電池 1 a は、 1枚の平板で構成さ れた正極 2 0 aを使用し、 透孔 5 】 が複数、 設けられた 負極 5 0 aを使用している。 また、 負極 5 0 aを 1 つだ け設置してある。

このよ う に、 透孔 5 1を複数、 設けてあるので、 発電 のときに副反応として発生した水素が負極 5 0 aから離 れ易く なる。 水素が負極 5 0 aから離れ易く なれば、 反 応速度の低下を防止でき、 発生電力の低下を少なくする ことができる。 また、 負極 5◦ a力《 1つだけであるので、 空気電池 1 aの全体の重量が軽く なる。

なお、 この透孔 5 1を大きくすることによって、 负極 5 0を櫛型にするようにしてもよい。

第 6図は、 上記 2つの実施例と従来の小型電池とにつ いて、 放電曲線を示したものである。

この場合、 負荷抵抗が 1 Ωであり、 測定開始時の ^圧 を約 1 . 2 Vとしてある。 したがって、 出力電圧が Ί V であれば、 そのときの出力電流は 1 Αである。

第 6図において、 マンガン乾電池は、 数分で 1 Vより も低下し、 N i — C d電池は、 2 0数分で I Vより も低 下する。 一方、 第 1図に示す空気電池 1 は、 電池全体の 重量が 1 2 gでありながら、 7 ◦分を経過して初めて 1 Vより も低く なり、 第 5図に示す空気電池 1 a は、 電池 全体の重量が 1 2 gでありながら、 5 0分 S度 II過後に、 初めて 1 Vより も低く なる。

第 7図は、 本発明の他の実施例を示す説明図である。 この例は、 複数の空気電池 1、 1、 ……に ¾解液を kJ 時に供給する例であり、 槽 7 2に複数の空気電池 1、 1、 ……を立て、 K C 1 液 7 1を収容するタ ンク 7 ϋを逆に して立てたものである。 このようにすれば、 タ ンク 7 ϋ 内に K C 1 液 7 1が残つている限り、 K C 1 液 7 1 が常 に空気電池 1、 1、 ……に供給される。 したがって、 ¾ 池を使用できる時間が長く なる。 なお、 タ ンク 7 (〕を 2 つ以上設置できるようにしてもよいし、 空気 ¾池 1 、 ュ 、 ……を直列接続しても並列接続してもよい。

このように、 上記実施例は、 非常に軽量でありながら、 高電力を長時間発生することができる。 また、 上^灾施 例は、 そこに使用されているマグネシウムは海水にも含 まれているものであり無害であり、 N i — C d電池にお ける力 ドミ ゥム等のような有害な物質を aまない。

なお、 第 6図において、 空気電池 1、 l a の が次 第に低下し、 ある時点で電圧が上昇する。 この電 1 上昇 は、 そのときに K C 1 液 6 1を補充したために起こる現 象である。 K C 1 液 6 1 は、 電池を使用しているときに 蒸発する ものであり、 その蒸発によって失った分を適宜 補充することにより、 電圧をある程度回復させる こ とが できる。

上記実施例は、 複数の正極 2 ϋを作る場 、 第 3 1^1に 示す工程を実行すれば、 その製造が容 であり、 第 6囟 に示すように特性が安定し、 しかも使用材料が安 iffiであ るので、 空気電池全休のコス トが低い。 また、 第 3図に — -

示すような工程を実行すれば品質のムラが少ない。

なお、 上記実施例において石油系 ¾鉛粉末を ιΕ極と し て使用した場合について説明してある。 しかし、 油系 黒鉛粉末以外の原料黒鉛を正極として使 fflした場 Aにも その正極を複数に分割すれば、 単位重量当りの発電 'eg力 が増加する。 また、 石油系黒鉛粉末以外の原料黒鉛を正 極として使用した場合にも、 負極と正極との問であって 上記正極と接触するように集電体を設置するこ とにより 単位重量当りの発電電力が増加させることができる。

産業上の利用可能性

本発明に係る空気電池は、 模型飛行機の駆.動用電池あ るいは非常用電源など、 小型かつ軽量で高出力が要求さ れる電源用電池と して広く使用され得る。

Claims

1 . 負極と正極との間であって、 該正極と接触する ように集電体を設置したことを特徴とする空気電池。

2 . 負極を構成する導体の形状を櫛形にしたこ とを 特徴とする、 請求項π- 1冑の空気電池。

3 . 前記正極、 セパレ一タおよび負極を濡らす注水 の

タイプであることを特徴とする、 請求項 1 の空 電池。

4 . 電解質溶液を連続的に補給囲する液溜めを有する ことを特徴とする、 請求項 1 の空気電池。

5 . 正極を複数に分割した構成、 または正極に少な く とも 1つの透孔を設けた構成と したことを特徴とする 空気電池。

6 . 前記正極が、 撥水性を有する多孔質休に^定さ れていることを特徴とする、 請求項 1 または 5の空気 ¾ 池。

7 . 空気電池の正極を製造するにあたり、 ¾鉛粉未 に活性炭を加え、 これにポ リ テ ト ラフルオルェチ レ ン分 散液を加えて混合し、 型枠をガラスぺーパの IE極台板の 上に載置し、 前記混合物を前記型枠に流し込み、 ス ク レ 一パーで前記混合物を除去し、 前記型^を除いて加熱す るこ とによって、 正極を形成することを特徴とする、 空 気電池の製造方法。