JP2016085789A - 金属燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池容器や正極を、容易に再利用することが可能な金属燃料電池を提供する。
【解決手段】電池容器に電解液が収容される。正極端子に電気的に接続された空気極が、電池容器内の電解液に接触している。負極端子に電気的に接続された金属負極が、電池容器内の電解液に浸漬されている。捕獲構造物が、電池容器に対して着脱可能に取り付けられている。捕獲構造物は、金属負極の酸化反応によって生成される固体の反応生成物を捕獲し、捕獲された反応生成物とともに、電池容器から取り外される。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を正極活物質として利用する金属燃料電池に関する。

リチウムイオン電池に代わる次世代高容量電池として、マグネシウム燃料電池（マグネシウム空気電池）が注目されている。下記の特許文献１に開示されたマグネシウム燃料電池においては、金属負極として、アルミニウムとカルシウムとを含むマグネシウム合金が用いられる。これにより、負極材の自己放電を防止できる。

特開２０１２−３３４７９９号公報

マグネシウム燃料電池の正極及び負極で酸化還元反応が進むと、マグネシウムからなる負極が電解液中に溶解する。従って、反応が進むにしたがって、負極が小さくなる。小さくなった負極を電池容器から取り出し、新たな負極を挿入することにより、発電を継続することができる。必要に応じて、負極とともに電解液も交換される。電池容器、正極等は再利用することが可能である。

負極の金属マグネシウムが酸化されると、水酸化マグネシウム等の反応生成物が生成される。一部の反応生成物は、微粒子状またはゲル状になって電解液内に沈殿する。反応後の負極を電解液から取り出しても、反応生成物はそのまま電解液中に残存する。電池容器や正極を再利用するためには、電解液に残存する反応生成物を、洗浄して除去しなければならない。

本発明の目的は、電池容器や正極を、容易に再利用することが可能な金属燃料電池を提供することである。

本発明の一観点によると、
電解液を収容する電池容器と、
正極端子及び負極端子と、
前記電池容器内の前記電解液に接触し、前記正極端子に電気的に接続された空気極と、
前記電池容器内の前記電解液に浸漬され、前記負極端子に電気的に接続された金属負極と、
前記電池容器に対して着脱可能に取り付けられた捕獲構造物と
を有し、
前記捕獲構造物は、前記金属負極の酸化反応によって生成される固体の反応生成物を捕獲し、捕獲された前記反応生成物とともに、前記電池容器から取り外される金属燃料電池が提供される。

捕獲構造物を電池容器から取り外すことにより、捕獲構造物に捕獲されている反応生成物を、電池容器内の電解液から容易に分離することができる。このため、電池容器や空気極を、容易に再利用することが可能である。

図１は、実施例による金属燃料電池の断面図である。 図２Ａは、酸化還元反応が進んだ状態の金属燃料電池の断面図であり、図２Ｂは、支持部材を電池容器から取り外した状態の金属燃料電池の断面図である。 図３Ａは、他の実施例による金属燃料電池の断面図であり、図３Ｂは、酸化還元反応が進んだ状態の金属燃料電池の断面図である。 図３Ｃは、支持部材を電池容器から取り外した状態の金属燃料電池の断面図であり、図３Ｄは、捕獲構造物を電池容器から取り外した状態の金属燃料電池の断面図である。 図４Ａは、さらに他の実施例による金属燃料電池の断面図であり、図４Ｂ及び図４Ｃは、反応生成物を電解液から分離するときの金属燃料電池の断面図である。 図５は、実施例による金属燃料電池の断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、反応生成物を電解液から分離するときの金属燃料電池の断面図である。

図１に、実施例による金属燃料電池の断面図を示す。電池容器１０の側面に開口部１１が設けられている。開口部１１が、空気極（カソード）１２で塞がれており、空気極１２は電池容器１０の外部に露出している。電池容器１０内に電解液１４が収容されており、空気極１２は、電解液１４に接触する。電解液１４に、金属負極（アノード）１３が浸漬されている。電池容器１０の上方の開口部が蓋１５で塞がれている。金属負極１３が、取付具１６によって蓋１５に固定されている。蓋１５及び取付具１６からなる支持部材２０によって、金属負極１３が電池容器１０に対して支持されている。

取付具１６は金属等の導電性材料で形成されており、支持部材２０の一部を構成するとともに、電流経路としても機能する。負極端子１８が取付具１６に接続されることにより、金属負極１３に電気的に接続される。正極端子１７が空気極１２に電気的に接続される。

金属負極１３は捕獲構造物１９に収容されている。捕獲構造物１９は金属負極１３とともに電解液１４に浸漬される。捕獲構造物１９として、例えば上方が開放された袋が用いられる。金属負極１３は、この開放部から袋内に挿入される。捕獲構造物１９は、電解液１４及び電解液中のイオンを透過させる濾過膜（フィルタ）で形成されており、支持部材２０によって電池容器１０に支持されている。濾過膜として、例えば紙、プラスチック用のメッシュ、布地等が用いられる。捕獲構造物１９は、支持部材２０とともに、電池容器１０に対して着脱可能に取り付けられている。

金属負極１３には、例えばマグネシウムを５０重量％以上含むマグネシウム合金が用いられる。使用されるマグネシウム合金として、マグネシウム（Ｍｇ）−アルミニウム（Ａｌ）合金、マグネシウム−アルミニウム−カルシウム（Ｃａ）合金、マグネシウム−マンガン（Ｍｎ）合金、マグネシウム−亜鉛（Ｚｎ）合金、マグネシウム−アルミニウム−亜鉛合金、マグネシウム−亜鉛−ジルコニウム（Ｚｒ）合金等が挙げられる。金属負極１３として、その他に、電解液と反応して生成される反応生成物が電解液中に沈殿するような材料を用いてもよい。

空気極１２には、導体層、絶縁性多孔質層、及び網状支持層を含む積層体が用いられる。網状支持層が最も外側に配置され、導体層が最も内側に配置される。導体層は、例えば発泡ニッケルからなる集電体に導電材料スラリーを塗布した後、乾燥及び焼成することにより形成される。一例として、導電材料スラリーの導電材料として、ケッチェンブラックが用いられ、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンが用いられる。絶縁性多孔質層は、酸素を透過させ、水分を透過させない。網状支持体は、絶縁性多孔質層及び導体層を支持する。電解液１４には、例えば塩化ナトリウム水溶液（食塩水）が用いられる。なお、電解液１４として、水酸化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、過炭酸ナトリウム水溶液等を用いてもよい。

金属負極１３で、下記の主反応が生じる。
Ｍｇ→Ｍｇ^２＋＋２ｅ⁻
さらに、下記の副反応が生じる。
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２
空気極１２で、下記の反応が生じる。
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４（ＯＨ）⁻
金属負極１３の主反応で発生する電子が、負極端子１８と正極端子１７とに接続される外部回路を流れて、空気極１２で消費される。これにより、外部回路に電流が流れる。

図２Ａに、酸化還元反応が進んだ状態の金属燃料電池の断面図を示す。正極端子１７と負極端子１８との間に、電気負荷２５が接続されている。金属負極１３で酸化反応が生じ、マグネシウムイオンが電解液１４中に溶解する。マグネシウムが溶解することにより、金属負極１３が小さくなるとともに、固体の反応生成物２６が生成される。反応生成物２６は、捕獲構造物１９内に沈殿し、捕獲構造物１９に捕獲される。このため、反応生成物２６が電解液１４内に広く拡散することが防止される。

図２Ｂに、支持部材２０を電池容器１０から取り外した状態の金属燃料電池の断面図を示す。支持部材２０に取り付けられた金属負極１３及び捕獲構造物１９が、電池容器１０から取り出される。電解液１４が捕獲構造物１９を透過するため、電解液１４は電池容器１０内に残る。反応生成物２６は、捕獲構造物１９に捕獲された状態で、電池容器１０から取り出される。

上記実施例による金属燃料電池においては、反応生成物２６を電解液１４から容易に分離することができる。電池容器１０内の電解液１４は、再利用してもよいし、廃棄してもよい。電解液１４を廃棄した後、電池容器１０内に反応生成物２６が残っていないため、電池容器１０の洗浄の手間を軽減することができる。捕獲構造物１９は支持部材２０から取り外して廃棄される。反応生成物２６は、捕獲構造物１９とともに廃棄してもよいし、還元処理することにより金属マグネシウムを生成してもよい。

次に、図３Ａ〜図３Ｄを参照して、他の実施例による金属燃料電池について説明する。図３Ａ〜図３Ｄに示した実施例では、捕獲構造物１９の構成が、図１〜図２Ｂに示した実施例の捕獲構造物１９と異なる。以下、図１〜図２Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図３Ａに、本実施例による金属燃料電池の断面図を示す。電池容器１０内に捕獲構造物１９が挿入されている。捕獲構造物１９は、形状保持性を持つ材料で形成されており、電池容器１０の内壁に沿う形状を有する。図１〜図２Ｂに示した実施例の場合と同様に、捕獲構造物１９は、電解液１４及び電解液１４中のイオンを透過させる。捕獲構造物１９として、例えばプラスチック製のメッシュが用いられる。

図３Ｂに、酸化還元反応が進んだ状態の金属燃料電池の断面図を示す。反応生成物２６が、捕獲構造物１９内に沈殿し、捕獲構造物１９に捕獲される。捕獲構造物１９が電池容器１０の内壁に沿っているため、反応生成物２６は電解液１４内に広く拡散する。

図３Ｃに、支持部材２０を電池容器１０から取り外した状態の金属燃料電池の断面図を示す。金属負極１３は、支持部材２０とともに電池容器１０から取り出される。捕獲構造物１９及び反応生成物２６は、電池容器１０内に残ったままである。

図３Ｄに、捕獲構造物１９を電池容器１０から取り外した状態の金属燃料電池の断面図を示す。反応生成物２６が捕獲構造物１９に捕獲されて電池容器１０から取り出される。電解液１４は電池容器１０内に残ったままである。

図３Ａ〜図３Ｄに示した実施例においても、図１〜図２Ｂに示した実施例と同様に、反応生成物２６を電解液１４から容易に分離することができる。捕獲構造物１９は、洗浄した後に再利用することができる。

次に、図４Ａ〜図４Ｃを参照して、さらに他の実施例による金属燃料電池について説明する。図４Ａ〜図４Ｃに示した実施例では、捕獲構造物１９の構成が、図１〜図２Ｂに示した実施例の捕獲構造物１９と異なる。以下、図１〜図２Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図４Ａに、実施例による金属燃料電池の断面図を示す。電池容器１０が、下方に向かって開放されている。この開放部分が、上方に向かって開放された捕獲容器３０で塞がれている。電池容器１０の下端に、開放部分の縁に沿って周回するＯリング３１が装着されている。捕獲容器３０の上端に、開放部分の縁に沿って周回するＯリング３２が装着されている。２つのＯリング３１、３２が密着することにより、電解液１４の漏れが防止される。反応生成物２６は、捕獲容器３０内に捕獲される。

図４Ｂに示すように、反応生成物２６を電解液１４から分離するときには、電池容器１０と捕獲容器３０との間に分離板３３を挿入する。より具体的には、電池容器１０側のＯリング３１と、捕獲容器３０側のＯリング３２との間に、分離板３３を挿入する。反応生成物２６は、分離板３３より下の捕獲容器３０内に保持される。捕獲容器３０及び分離板３３が、反応生成物２６を電解液１４から分離するための捕獲構造物１９としての役割を担う。

図４Ｃに示すように、分離板３３を電池容器１０側のＯリング３１に密着させたまま、捕獲容器３０を分離板３３から引き離す。電池容器１０の下方の開放部分が分離板３３で塞がれているため、電池容器１０内に電解液１４が保持される。反応生成物２６及び一部の電解液１４は、捕獲容器３０内に収容されて、電池容器１０内の電解液１４から分離される。

図４Ａ〜図４Ｃに示した実施例においては、分離板３３は、電池容器１０内の電解液１４の流出を防止する流出防止構造として機能する。本実施例においても、反応生成物２６を、電池容器１０内の電解液１４から容易に分離することができる。

次に、図５、及び図６Ａ〜図６Ｂを参照して、さらに他の実施例による金属燃料電池について説明する。図５、図６Ａ〜図６Ｂに示した実施例では、捕獲構造物１９の構成が、図１〜図２Ｂに示した実施例の捕獲構造物１９と異なる。以下、図１〜図２Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図５に、本実施例による金属燃料電池の断面図を示す。電池容器１０が、下方に向かって開放されている。電池容器１０の下方に、捕獲容器３５が配置されている。捕獲容器３５は、上方に向かって開放されている。ゴム等の弾性材料からなる接続バンド３６が、電池容器１０の下端と、捕獲容器３５の上端とを接続する。捕獲容器３５及び接続バンド３６が、反応生成物２６を捕獲する捕獲構造物１９としての役割を担う。反応生成物２６は、捕獲容器３５に捕獲される。

図６Ａに示すように、反応生成物２６を電解液１４から分離するときには、接続バンド３６をクランパ３７で挟むことにより、捕獲容器３５内の空間を、電池容器１０内の空間から隔離する。

図６Ｂに示すように、捕獲容器３５を接続バンド３６から取り外す。接続バンド３６がクランパ３７で挟まれているため、電解液１４は、電池容器１０内に保持される。反応生成物２６は、捕獲容器３５内に収容されて、電池容器１０内の電解液１４から分離される。本実施例においても、反応生成物２６を、電池容器１０内の電解液１４から容易に分離することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 電池容器
１１ 開口部
１２ 空気極（カソード）
１３ 金属負極（アノード）
１４ 電解液
１５ 蓋
１６ 取付具
１７ 正極端子
１８ 負極端子
１９ 捕獲構造物
２０ 支持部材
２５ 電気負荷
２６ 反応生成物
３０ 捕獲容器
３１、３２ Ｏリング
３３ 分離板
３５ 捕獲容器
３６ 接続バンド
３７ クランパ

Claims (5)

1. 電解液を収容する電池容器と、
   正極端子及び負極端子と、
   前記電池容器内の前記電解液に接触し、前記正極端子に電気的に接続された空気極と、
   前記電池容器内の前記電解液に浸漬され、前記負極端子に電気的に接続された金属負極と、
   前記電池容器に対して着脱可能に取り付けられた捕獲構造物と
   を有し、
   前記捕獲構造物は、前記金属負極の酸化反応によって生成される固体の反応生成物を捕獲し、捕獲された前記反応生成物とともに、前記電池容器から取り外される金属燃料電池。
2. 前記金属負極は、前記反応生成物が前記電解液中に沈殿する金属で形成されている請求項１に記載の金属燃料電池。
3. 前記捕獲構造物は、前記金属負極を収容し、前記金属負極とともに前記電解液に浸漬され、前記電解液中のイオンを透過させるが、前記反応生成物を透過させない濾過膜を含む請求項１または２に記載の金属燃料電池。
4. さらに、前記金属負極を前記電池容器に支持する支持部材を有し、
   前記捕獲構造物は前記支持部材に取り付けられて、前記支持部材及び前記金属負極とともに、前記電池容器から取り外される請求項３に記載の金属燃料電池。
5. 前記電池容器が下方に向かって開放されており、
   前記捕獲構造物は、
   前記電池容器の下方の開放部分を塞いで、前記電池容器とともに前記電解液を収容する捕獲容器と、
   前記捕獲容器を前記電池容器から取り外した状態で、前記電池容器から前記電解液の流出を防止する流出防止構造と
   を有する請求項１または２に記載の金属燃料電池。

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