JP2016105356A - 金属空気電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 正極が電解液に浸った状態となることを防止可能であり、正極に大気中の酸素を供給し続けることが可能となる金属空気電池を提供すること。【解決手段】容器１０と、電解部１２Ａと、正極１４と、負極１６と、によって金属空気電池１Ａを形成し、容器１０は、プラスチック製とし、容器１０の側面の一部をシート状の活性炭１７によって形成して正極１４となし、正極１４の表側面１８を大気中に露出する露出面となし、容器１０内に挿入した板状のマグネシウムを負極１６となし、容器１０中に、水分を吸収してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムが収めて電解部１２Ａとなし、電解部１２Ａのポリアクリル酸ナトリウムに吸収されている水分の量を、このポリアクリル酸ナトリウムに外部からの圧力等を加えなければ、ポリアクリル酸ナトリウムから外に水分が漏れ出ることがない量とする。【選択図】 図１

Description

本発明は金属空気電池に関する。

近年、正極活物質として大気中の酸素を炭素からなる正極より取り込むとともに、負極活物質として金属を負極に用いる金属空気電池が提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。
かかる金属空気電池が有する基本的構成を以下に示す。

金属空気電池は、負極と、正極と、負極と正極の間に位置する電解液と、を有し、これらが外装体に収容されている。負極は、多孔質の炭素によって形成されており、正極は、マグネシウムによって形成されている。そして、正極の一部分が大気と接触するとともに、正極の他の部分が電解液と接触している。
かかる金属空気電池にあっては、全体として（１）式に示す反応が生じる。

（化１）
２Ｍｇ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ→２Ｍｇ（ＯＨ）_２↓ ・・・（１）

このとき、負極においては、（２）式に示す酸化反応が生じ、イオン化したマグネシウムが、負極から電解液中に溶出するとともに、マグネシウムがイオン化することによって放出された電子が、負極から負荷を通って正極へ流れる。

（化２）
Ｍｇ→Ｍｇ^２＋＋２ｅ⁻ ・・・（２）

また、正極においては、大気中の酸素が取り入れられて、（３）式に示す還元反応が生じる。

（化３）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（３）

特開２０１３−２４３１１８号公報

しかしながら、前述の金属空気電池にあっては、以下の問題が生じる。
正極の一部が、液体の電解液と接触している。このため、時間が経つと、多孔質の炭素における毛細管現象によって、正極が電解液に浸かった状態となってしまう。この結果、正極へ大気からの酸素の供給が妨げられてしまう。そして、正極に酸素が供給されないために、正極では、（３）式の還元反応が生じる替わりに、（４）式に示す還元反応が生じることになる。

（化４）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ ・・・（４）

正極で（４）式の還元反応が生じる場合には、金属空気電池全体として（５）式に示す反応が生じることとなる。

（化５）
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２↓＋Ｈ_２ ・・・（５）

金属空気電池において、（１）式の反応が生じている場合には、水素は発生しない。
しかし、金属空気電池において、（５）式の反応が生じる場合には、水素が正極で発生する。正極で発生する水素は、いわゆる分極の原因となる。正極で発生した水素は、気泡となって正極表面を覆い、正極における（３）式の還元反応を妨げ、正極で水酸イオンが生じることを妨げ、金属空気電池における放電を妨げてしまう。また、正極表面近傍において、（６）式に示す酸化反応を生じるため、水素が電子を放出して水素イオンに戻ってしまう。この酸化反応によっても、金属空気電池の放電が妨げられてしまう。

（化６）
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（６）

本発明は、上記問題を解決するものであり、その目的とするところは、正極が電解液に浸った状態となることを防止可能であり、正極に大気中の酸素を供給可能であり、正極での水素発生を防止可能な金属空気電池を提供することである。

本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明に係る金属空気電池は、大気中に露出する露出面を有して当該露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成された炭素からなる正極と、当該負極と当該正極との間に存在し、水分を吸収してゲル状をなす電解部と、を備えることを特徴とする。

電解部が吸収した水分が、金属空気電池における電解液をなす。そして、本願発明者の知見と考察によれば、水分を吸収した電解部は、ゲル状をなしているため、電解液を、自分自身（すなわち、電解部）の中に保持し続けることが可能であり、正極が電解液に浸った状態になることを防止可能である。また、電解部と正極との接触部においては、電解部から正極へ水を供給し続けることが可能である。同時に、正極が、その露出面から大気中の酸素を取り入れることも可能である。

ゲル状をなす電解部が吸収している水分の量は、この電解部に外部から圧力等の力を加えなければ、電解部から外に水分が漏れ出ることがない量である。あるいは、電解部に吸収されている水分は、この電解部のみを、例えば、平坦なガラス板上に静置しておいても、電解部から外に水分が漏れ出ることがない量である。

かかる金属空気電池であれば、（３）式の還元反応を正極で連続して生じさせることが可能であり、（４）式の還元反応が正極で生じることを防止可能であり、正極で水素が発生することを防止可能である。また、正極で（６）式の反応が生じることをも防止可能でもある。そして、負極においては、（２）式の酸化反応が生じる。したがって、全体として、（１）式の反応を連続して生じさせることが可能であり、（５）式の反応が生じることを防止可能である。

本願発明者の知見と考察によれば、電解部が吸収した水分は、電解部を形成する物質に応じて、電解質を含んでいれば良い。例えば、電解部が、電解質を含まない水のみを吸収した場合に、その電解部が、電気伝導性を有しないか、あるいは、電気伝導性が低ければ、電解部が吸収する水分は、電解質を含んでいる必要がある。

また、電解部が、電解質を含まない水のみを吸収した場合に、その電解部が、電気伝導性を有していれば、電解部が吸収する水分は、電解質を含んでいても良いし、含んでいても良いなくても良い。
金属空気電池において放電が起こると、マグネシウムイオンが、電解部に吸収された水分中に負極から溶出する。マグネシウムイオンの溶出に伴って、負極は脆くなったり、負極の形状が崩れる等しやすくなる。例えば、負極が、外部の負荷等につながる導線から電解液中に吊り下がっている状態にあるならば、負極の脆さの増大に伴って、負極が導線から切り離されてしまうおそれが大きくなる。

ここで、負極が導線から切り離されると、負極が導線から切り離されて電解液中に落下してしまう。電解液中に落下した負極においては、（５）式の反応が生じる。そして、電解液中に落下した負極から、水酸化マグネシウムが電解液中に拡散し、電解液が汚染するとともに、水素が発生し、金属空気電池の放電が妨げられてしまう。

しかし、負極が、ゲル状の電解部によって周囲から支承されているので、負極の脆さが増大しても、負極が導線から切り離されてしまうことを防止可能である。
また、電解部は水分を吸収してゲル状をなしているので、ゲル状の電解部に含まれる電解質は、電解部中に保持された状態にあり、電解質が負極や正極に接続された導線近傍に析出することが防止されている。これにより、導線近傍に析出する電解質によって、導線が損傷することが防止されている。

電解部が水分を吸収しておらず、電解部が乾燥した状態であれば、負極では、（２）式の酸化反応が生じず、正極では、（３）式の還元反応が生じない。したがって、金属空気電池を使う必要がある場合にだけ、電解部に水分を吸収させれば、金属空気電池は放電開始可能な状態になる。

なお、Ｏ_２の標準電極電位は０．４０１Ｖ、Ｈ_２の標準電極電位は０Ｖ、Ｈ_２Ｏの標準電極電位は−０．８２８Ｖ、Ｍｇの標準電極電位は−２．３６３Ｖである。これらの値に基づいて本願発明者が行った計算によれば、全体として（１）式に示す反応を生じる金属空気電池において、この金属空気電池の起電力は、１．９３６Ｖとなる。一方で、全体として（５）式に示す反応を生じる金属空気電池において、この金属空気電池の起電力は、１．５３５Ｖとなる。

したがって、全体として（１）式に示す反応を生じる金属空気電池と、全体として（５）式に示す反応を生じる金属空気電池と、を比較すると、前者の金属空気電池の起電力は、後者の金属空気電池の起電力よりも大きい。
また、本願発明者が行った計算によれば、全体として（１）式に示す反応を生じる金属空気電池において、この金属空気電池の重量エネルギー密度は、４．２６Ｗｈ／ｇである。一方で、全体として（５）式に示す反応を生じる金属空気電池において、この金属空気電池の重量エネルギー密度は、３．３８Ｗｈ／ｇである。なお、重量エネルギー密度は、単位重量当たりの金属空気電池の容量を示す。

したがって、全体として（１）式に示す反応を生じる金属空気電池と、全体として（５）式に示す反応を生じる金属空気電池と、を比較すると、前者の金属空気電池の重量エネルギー密度は、後者の金属空気電池の重量エネルギー密度よりも大きい。
さらに、本願発明者が行った計算によれば、全体として（１）式に示す反応を生じる金属空気電池において、この金属空気電池の体積エネルギー密度は７．３６Ｗｈ／ｃｃである。一方で、全体として（５）式に示す反応を生じる金属空気電池において、この金属空気電池の体積エネルギー密度は５．８３Ｗｈ／ｃｃである。なお、体積エネルギー密度は、単位体積当たりの金属空気電池の容量を示す。

したがって、全体として（１）式に示す反応を生じる金属空気電池と、全体として（５）式に示す反応を生じる金属空気電池と、を比較すると、前者の体積エネルギー密度は、後者の体積エネルギー密度よりも大きい。

請求項２の発明に係る金属空気電池は、請求項１に記載の金属空気電池であって、請求項１に記載の金属空気電池であって、前記電解部は、ナトリウム又はカリウムが結合したカルボキシル基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂によって形成されていることを特徴とする。

ナトリウム又はカリウムが結合したカルボキシル基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂は、水分を吸収してゲル状をなす。電解部がかかる弱酸性陽イオン交換樹脂を有している場合、電解部が吸収した水分中には、カルボキシル基から電離したナトリウムイオン又はカリウムイオンが存在する。

本願発明者の知見と考察によれば、電解部が、電解質を含まない水分を吸収している場合であっても、電解部は電気伝導性を有することとなる。したがって、電解部が吸収する水分は、電解質を含んでいても良いし、電解質を含んでいなくても良い。
また、本願発明者の知見と考察によれば、電解部を、スルホン酸基を有する強酸性陽イオン交換樹脂によって形成することは好ましくない。

強酸性陽イオン交換樹脂のイオン選択性は、Ｈ^＋＜Ｎａ^＋＜ＮＨ_４ ^＋＜Ｋ^＋＜Ｍｇ^２＋＜Ｃａ^２＋の順番で大きくなっている。このため、強酸性陽イオン交換樹脂から水素イオンが放出されることになり、負極や正極に水素が生じてしまうからである。この水素は、気泡となって正極や負極の表面を覆うこととなり、電流の流れを妨げる。また、正極表面近傍において、水素が電子を放出して水素イオンに戻る現象を引き起こし、電流の流れが妨げられてしまう。

一方、電解部を、ナトリウム又はカリウムが結合したカルボキシル基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂によって形成することは、負極や正極に水素が生じることを防止するうえで好ましい。弱酸性陽イオン交換樹脂のイオン選択性は、Ｎａ^＋＜Ｋ^＋＜Ｍｇ^２＋＜Ｃａ^２＋＜Ｈ^＋の順番で大きくなっているので、水素イオンが弱酸性陽イオン交換樹脂に捕まり、負極や正極に水素が生じないからである。すなわち、弱酸性陽イオン交換樹脂は、減極剤として働いているのである。

請求項３の発明に係る金属空気電池は、請求項１に記載の金属空気電池であって、請求項１に記載の金属空気電池であって、前記電解部は、強塩基性陰イオン交換樹脂と、寒天と、ゼラチンと、のうちのいずれかによって形成されており、前記電解部が吸収した水分は、電解質を含んでいることを特徴とする。

強塩基性陰イオン交換樹脂、寒天、あるいは、ゼラチンは、水分を吸収してゲル状をなし、電解部を形成可能である。本願発明者の知見と考察によれば、強塩基性陰イオン交換樹脂、寒天、あるいは、ゼラチンが、水分を吸収してゲル状になって電解部をなす場合、この電解部が吸収する水分は、電解質を含んでいる必要がある。

なお、強塩基性陰イオン交換樹脂のイオン選択性は、ＯＨ⁻＜ＨＳｉＯ_３ ⁻＜ＨＣＯ_３ ⁻＜Ｃｌ⁻＜ＮＯ_３ ⁻＜ＳＯ_４ ^２−の順番で大きくなる。このため、強塩基性陰イオン交換樹脂は、容易に水酸イオンを離すことができる。
正極では、（３）式の還元反応により水酸イオンが生じている。本願発明者の知見と考察によれば、強塩基性陰イオン交換樹脂が電解部を形成している場合、正極で生じた水酸イオンは、強塩基性陰イオン交換樹脂を通って負極側へ移動する。そして、イオン選択性が最も小さな水酸イオンは、強塩基性陰イオン交換樹脂から離れ、電解部が吸収した水分の中のマグネシウムイオンと結合し、水酸化マグネシウムが負極に析出する。

電解部が吸収した水分の中のマグネシウムイオンは、水酸化マグネシウムとなってしまうので、電解部が吸収した水分の中のマグネシウムイオン濃度が飽和濃度に達することはなく、負極から、マグネシウムイオンが、電解部が吸収した水分の中に溶出し続けることになる。

なお、弱塩基性陰イオン交換樹脂のイオン選択性は、ＨＣＯ_３ ⁻＜Ｃｌ⁻＜ＳＯ_４ ^２−＜ＯＨ⁻の順番で大きくなる。本願発明者の知見と考察によれば、水分を吸収してゲル状をなす弱塩基性陰イオン交換樹脂によって電解部を形成するとすれば、正極で生じた水酸イオンは、弱塩基性陰イオン交換樹脂に捕まっており、負極から溶出したマグネシウムイオンと結合できない。

この結果、水分を吸収してゲル状をなす弱塩基性陰イオン交換樹脂を電解部とした場合、電解部が吸収した水分の中のマグネシウムイオンは、すぐに飽和濃度に達し、負極からのマグネシウムイオンの溶出が止まってしまう。
したがって、水分を吸収してゲル状をなす弱塩基性陰イオン交換樹脂を電解部とすることは、金属空気電池の放電がすぐに停止することになってしまい、好ましくない。

上記のような金属空気電池であるので、正極が電解液に浸った状態となることを防止可能であり、正極に大気中の酸素を供給可能であり、正極での水素発生を防止可能である。

第１の実施の形態に係る金属空気電池の内部において生じる反応の説明図である。 第２の実施の形態に係る金属空気電池の内部において生じる反応の説明図である。 第３の実施の形態に係る金属空気電池の内部において生じる反応の説明図である。

本発明の第１の実施の形態に係る金属空気電池１Ａを、図１を参照しつつ以下に説明する。
金属空気電池１Ａは、容器１０と、電解部１２Ａと、正極１４と、負極１６と、を有している。

容器１０は、プラスチックにより形成されている。容器１０中に、水分を吸収してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムが収められている。この水分を吸収してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムが、電解部１２Ａを形成している。
なお、ポリアクリル酸ナトリウムは、弱酸性陽イオン交換樹脂であり、そのイオン選択性は、Ｎａ^＋＜Ｋ^＋＜Ｍｇ^２＋＜Ｃａ^２＋＜Ｈ^＋である。

電解部１２Ａのポリアクリル酸ナトリウムに吸収されている水分の量は、このポリアクリル酸ナトリウムに外部からの圧力等の力を加えなければ、ポリアクリル酸ナトリウムから外に水分が漏れ出ることがない量である。あるいは、電解部１２Ａのポリアクリル酸ナトリウムに吸収されている水分の量は、この水分を吸収したポリアクリル酸ナトリウムのみを、例えば、平坦なガラス板上に静置しておいても、ポリアクリル酸ナトリウムから外に水分が漏れ出ることがない量である。

電解部１２Ａのポリアクリル酸ナトリウムが吸収する水分は、単なる水でありさえすれば良く、電解質を含んでいる必要はない。すなわち、ポリアクリル酸ナトリウムに、電解質を含まない水を吸収させることで、電解部１２Ａを形成することができる。
容器１０の側面の一部は、シート状の活性炭１７によって形成されており、この活性炭１７が正極１４をなしている。活性炭１７の表側面１８は容器１０の外側に露出して露出面をなし、活性炭１７の裏側面１９は容器１０の内側に面している。容器１０の内側において、活性炭１７の裏側面１９は、電解部１２Ａに接触している。

容器１０の外から容器１０内に、板状のマグネシウムが挿入されており、このマグネシウムが負極１６をなしている。容器１０内において、負極１６の周囲は、電解部１２Ａに接触しており、負極１６の周囲を電解部１２Ａが支承している。また、負極１６は、正極１４の活性炭１７に直接接触してはいない。

正極１４は、容器１０外へ伸びる導線２１Ａに接続されている。負極１６は、容器１０外へ伸びる別の導線２１Ｂに接続されている。そして、容器１０外において、導線２１Ａと導線２１Ｂとは、負荷２２を介して互いに接続されている。
以上が、金属空気電池１Ａの構成である。

次に、本願発明者が試行錯誤を経て得た知見と考察を交えて、金属空気電池１Ａが奏する作用効果について説明する。
電解部１２Ａのポリアクリル酸ナトリウムが水分を吸収しており、電解部１２Ａに吸収された水分はポリアクリル酸ナトリウムの構造中に捕捉されている。ポリアクリル酸ナトリウムの構造中に捕捉された水分は、水素イオンと水酸イオンとに分かれている。

また、ポリアクリル酸ナトリウムにおいて、ナトリウムが結合していたカルボキシル基から、ナトリウムイオンが、ポリアクリル酸ナトリウムに吸収された水分の中に放出される。電解部１２Ａが吸収している水分が、金属空気電池１Ａにおける電解液の役割を果たしている。

電解部１２Ａにおいて、ナトリウムイオンを放出して負に帯電したカルボキシル基には、電解部１２Ａに吸収された水分が分解してできた水素イオンが結合し、ポリアクリル酸を生じる。これは、ポリアクリル酸ナトリウムのイオン選択性が、Ｎａ^＋＜Ｋ^＋＜Ｍｇ^２＋＜Ｃａ^２＋＜Ｈ^＋の順番で大きくなっているので、水素イオンがただちに吸着され、ポリアクリル酸を生じると考えられる。

負極１６において、（２）式の酸化反応が生じ、マグネシウムイオンが、電解部１２Ａに吸収されている水分中へ溶出する。マグネシウムのイオン化に伴って、電子が、負極１６から導線２１Ａへ流れる。導線２１Ａへ流れた電子は、さらに負荷２２と導線２１Ｂを通って正極１４へ流れる。

まず、電解部１２Ａに吸収されている水分中において、負極１６から溶出したマグネシウムイオンは、電解部１２Ａに吸収されている水分が分解してできた水酸イオンと、結合し、水酸化マグネシウムが形成される。この水酸化マグネシウムが、負極１６上に析出する。なお、本願発明者は、負極１６上に析出した水酸化マグネシウムが、負極１６における（２）式の酸化反応の妨げにはならないことを、確認している。

また、負極１６から溶出したマグネシウムイオンは、弱酸性陽イオン交換樹脂であるポリアクリル酸ナトリウムを通って、正極１４側へ移動する。
正極１４では、活性炭１７の表側面１８から、大気中の酸素が取り入れられる。また、正極１４では、活性炭１７の裏側面１９に接触する電解部１２Ａから、電解部１２Ａに吸収されていた水分が取り入れられる。

なお、電解部１２Ａに吸収されている水分の量は、外部から圧力等が働かなければ、電解部１２Ａから外に漏れ出ることがない量である。このため、正極１４が、電解部１２Ａに吸収されている水分に浸った状態となることは防止されており、正極１４に大気中の酸素が取り入れることが、妨げられることはない。

正極１４に取り入れられた酸素及び水分と、導線２１Ｂを通って正極１４へ流れる電子と、によって、（３）式の還元反応が生じ、水酸イオンが生じる。このとき、（４）式の還元反応は生じないので、正極１４において、水素が発生することは防止されており、正極１４での水素による放電の妨げも防止されている。

正極１４で生じた水酸イオンの一部は、電解部１２Ａのポリアクリル酸ナトリウムから放出されたナトリウムイオンと結合し、水酸化ナトリウム水溶液となる。この水酸化ナトリウム水溶液が、金属空気電池１Ａにおける電解液となる。
また、弱酸性陽イオン交換樹脂としてのポリアクリル酸ナトリウムを通って負極１６から正極１４へ移動してきたマグネシウムイオンは、（３）式の還元反応によって生じた水酸イオンと結合し、水酸化マグネシウムを形成する。この結果として、水酸化マグネシウムが、正極１４の活性炭１７の裏側面１９上に析出する。

本願発明者は、活性炭１７の裏側面１９上に析出する水酸化マグネシウムが、正極１４における（３）式の還元反応の妨げにはならないことを、確認している。
以上述べたことからわかるように、金属空気電池１Ａの負極１６においては、（２）式の酸化反応が生じる。また、正極１４においては、（３）式の還元反応が生じる。そして、全体として（１）式の反応が生じる。金属空気電池１Ａは、負極１６のマグネシウムが存在し、電解部１２Ａが水分を含んでいる限り、放電し続ける。

また、負極１６におけるマグネシウムの溶出が進行し、負極１６が脆く崩壊等しやすくなる。さらに、導線２１Ａや導線２１Ｂを流れる電流密度が大きくなると、導線２１Ａや導線２１Ｂに大きな負担がかかり、負極１６と導線２１Ｂの接続部分にも大きな負担がかかってしまう。

しかし、金属空気電池１Ａにあっては、負極１６がゲル状の電解部１２Ａに支承されており、負極１６と導線２１Ｂとの接合部に、負極１６と導線２１Ｂとの接続を切り離すような力が働きにくい。したがって、負極１６におけるマグネシウムの溶出が進行し、負極１６が脆く崩壊等しやすくなっても、負極１６と導線２１Ｂとの接続が、負極１６に働く外力等によって切れてしまうことは防止される。あるいは、導線２１Ａや導線２１Ｂを流れる電流密度が大きくなっても、負極１６と導線２１Ｂとの接続が、負極１６に働く外力等によって切れてしまうことは防止される。

電解部１２Ａに吸収される水分は、電解質を含まない純粋な水であっても良い。したがって、電解質として塩化ナトリウムが、電解部１２Ａに吸収される水分に含まれていなくても良く、塩化ナトリウムが、正極１４と導線２１Ａとの接合部近傍や、負極１６と導線２１Ｂとの接合部近傍に析出することを防止できる。この結果、析出した塩化ナトリウムによって導線２１Ａや導線２１Ｂが腐食・損傷することを防止できる。

金属空気電池１Ａにおける放電が完了し、金属空気電池１Ａ内に存在していた水分が蒸発してしまうと、後には粉状物質が残る。この粉状物質は、酸化ナトリウム、酸化マグネシウム、ポリアクリル酸の混合物である。残った粉状物質を水酸化ナトリウム水溶液で洗浄すると、酸化ナトリウムは水酸化ナトリウムとなって洗い流される。そして、後に酸化マグネシウムとポリアクリル酸ナトリウムが残る。

酸化マグネシウムとポリアクリル酸ナトリウムを分離すれば、それぞれを有効利用することができ、資源の有効活用が図られる。例えば、分離した酸化マグネシウムを分解してマグネシウムを取り出し、負極１６を再び形成することが可能である。また、分離したポリアクリル酸ナトリウムを電解部１２Ａとして再び利用することも可能である。

なお、本願発明者が得た知見によれば、電解部１２Ａにおいて、ポリアクリル酸ナトリウムの替わりに、カリウムが結合したカルボキシル基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂を用いることも可能である。この場合も、正極１４が、電解部１２Ａに吸収されている水分に浸った状態となることは防止され、正極１４に大気中の酸素を供給し続けることが可能であり、正極１４で（４）式の還元反応は生じず、正極１４において水素が発生することもない。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る金属空気電池１Ｂを、図２を参照しつつ以下に説明する。
金属空気電池１Ｂは、容器１０と、電解部１２Ｂと、正極１４と、負極１６と、を有する。金属空気電池１Ｂが有する容器１０、正極１４、負極１６の構成は、金属空気電池１Ａと同じであり、重複する説明を省略する。

電解部１２Ｂは以下の構成を有する。
容器１０中には、電解部１２Ｂとして、水分を吸収してゲル状をなす強塩基性陰イオン交換樹脂が収められている。
強塩基性陰イオン交換樹脂は、第４級アンモニウム基を有し、そのイオン選択性の大きさは、ＯＨ⁻＜ＨＳｉＯ_３ ⁻＜ＨＣＯ_３ ⁻＜Ｃｌ⁻＜ＮＯ_３ ⁻＜ＳＯ_４ ^２−である。

電解部１２Ｂの強塩基性陰イオン交換樹脂に吸収されている水分の量は、この強塩基性陰イオン交換樹脂に外部からの圧力等を加えなければ、強塩基性陰イオン交換樹脂から外に水分が漏れ出ることがない量である。あるいは、電解部１２Ｂの強塩基性陰イオン交換樹脂に吸収されている水分は、この強塩基性陰イオン交換樹脂のみを、例えば、平坦なガラス板上に静置しておいても、強塩基性陰イオン交換樹脂から外に水分が漏れ出ることがない量である。

電解部１２Ｂが吸収している水分は、電解質（例えば、塩化ナトリウム）を含んでいる必要がある。強塩基性陰イオン交換樹脂に、例えば、塩化ナトリウム水溶液を吸収させることで、電解部１２Ｂが形成されている。電解部１２Ｂが吸収している電解質を含んだ水分が、金属空気電池１Ｂにおける電解液の役割を果たす。

容器１０内において、負極１６の周囲は、電解部１２Ｂに接触しており、負極１６の周囲を電解部１２Ｂが支承している。また、負極１６は、正極１４の活性炭１７に直接接触してはいない。
以上が、金属空気電池１Ｂの構成である。

次に、本願発明者が試行錯誤を経て得た知見と考察を交えて、金属空気電池１Ｂが奏する作用効果について説明する。
電解部１２Ｂの強塩基性陰イオン交換樹脂が水分を吸収しており、強塩基性陰イオン交換樹脂に吸収された水分は、強塩基性陰イオン交換樹脂の構造中に捕捉されている。この構造中に捕捉された水分は、水素イオンと水酸イオンとに分かれている。

負極１６において、（２）式の酸化反応が生じ、マグネシウムイオンが、電解部１２Ｂに吸収された水分中へ溶出する。そして、マグネシウムがイオン化することによって、電子が負極１６から導線２１Ｂへ流れる。導線２１Ｂへ流れた電子は、負荷２２と導線２１Ａを通って正極１４へ流れる。

正極１４では、大気中の酸素が、活性炭１７の表側面１８から取り入れられる。また、正極１４では、電解部１２Ｂに吸収されている水分が、活性炭１７の裏側面１９に接触する電解部１２Ｂから取り入れられる。
なお、電解部１２Ｂに吸収されている水分は、外部からの圧力等を加えなければ、電解部１２Ｂから外に漏れ出ることがない量であるので、正極１４が、電解部１２Ｂに吸収されている水分に浸った状態となることは防止されている。

したがって、正極１４では、正極１４に取り入れられた酸素及び水分と、導線２１Ａを通って正極１４へ流れる電子と、によって、（３）式の還元反応が生じる。そして、水酸イオンが、電解部１２Ｂに吸収されている水分中に放出される。このとき、（４）式の還元反応は生じないので、正極１４近傍で水素が発生することはない。

正極１４で生じた水酸イオンは、電解部１２Ｂの強塩基性陰イオン交換樹脂を通って負極１６近傍へ移動し、負極１６から溶出したマグネシウムイオンと結合し、水酸化マグネシウムを形成する。この結果、水酸化マグネシウムが、負極１６上に析出する。
負極１６から溶出するマグネシウムイオンは、正極１４で生じた水酸イオンと、結合し、水酸化マグネシウムを形成していく。このため、電解部１２Ｂに吸収されている水分中で、負極１６から溶出したマグネシウムイオンが飽和することはなく、負極１６からのマグネシウムイオンの溶出が止まることもない。なお、本願発明者は、負極１６上に析出する水酸化マグネシウムが、負極１６における（２）式の酸化反応の妨げにはならないことを、確認している。

以上述べたことからわかるように、金属空気電池１Ｂの負極１６においては、（２）式の酸化反応が生じる。また、正極１４においては、（３）式の還元反応が生じる。そして、全体として（１）式の反応が生じる。金属空気電池１Ｂは、負極１６のマグネシウムが存在し、電解部１２Ｂが水分を含んでいる限り、放電し続ける。

また、金属空気電池１Ｂにあっては、負極１６がゲル状の電解部１２Ｂに支承されており、負極１６と導線２１Ｂとの接合部に、負極１６と導線２１Ｂとの接続を切り離すような力が働きにくい。したがって、負極１６におけるマグネシウムの溶出が進行し、負極１６が脆く崩壊等しやすくなっても、負極１６と導線２１Ｂとの接続が、負極１６に働く外力等によって切れてしまうことは防止される。あるいは、導線２１Ａや導線２１Ｂを流れる電流密度が大きくなっても、負極１６と導線２１Ｂとの接続が、負極１６に働く外力等によって切れてしまうことは防止される。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る金属空気電池１Ｃを、図３を参照しつつ以下に説明する。
金属空気電池１Ｃは、容器１０と、電解部１２Ｂと、正極１４と、負極１６と、を有する。金属空気電池１Ｃが有する容器１０、正極１４、負極１６の構成は、金属空気電池１Ａと同じであり、重複する説明を省略する。

電解部１２Ｃは以下の構成を有する。
容器１０中には、電解部１２Ｃとして、水分を吸収してゲル状をなす寒天が収められている。
電解部１２Ｃのゲル状をなす寒天に吸収されている水分の量は、この寒天に外部からの圧力等を加えなければ、寒天から外に水分が漏れ出ることがない量である。あるいは、電解部１２Ｃのゲル状をなす寒天に吸収されている水分は、この寒天のみを、例えば、平坦なガラス板上に静置しておいても、寒天から外に水分が漏れ出ることがない量である。

電解部１２Ｃが吸収している水分は、電解質（例えば、塩化ナトリウム）を含んでいる必要がある。寒天に、例えば、塩化ナトリウム水溶液を吸収させることで、電解部１２Ｃが形成される。電解部１２Ｃが吸収している電解質を含んだ水分が、金属空気電池１Ｃにおける電解液の役割を果たす。

容器１０内において、負極１６の周囲は、電解部１２Ｃに接触しており、負極１６の周囲を電解部１２Ｃが支承している。また、負極１６は、正極１４の活性炭１７に直接接触してはいない。
以上が、金属空気電池１Ｃの構成である。

次に、本願発明者が試行錯誤を経て得た知見と考察を交えて、金属空気電池１Ｃが奏する作用効果について説明する。
負極１６において、（２）式の酸化反応が生じ、マグネシウムイオンが、電解部１２Ｃに吸収された水分中へ溶出する。同時に、マグネシウムがイオン化することによって、電子が負極１６から導線２１Ｂへ流れる。導線２１Ｂへ流れた電子は、さらに負荷２２と導線２１Ａを通って正極１４へ流れる。

正極１４では、大気中の酸素が、活性炭１７の表側面１８から取り入れられる。また、正極１４では、電解部１２Ｂに吸収されている水分が、活性炭１７の裏側面１９に接触する電解部１２Ｂから取り入れられる。
なお、電解部１２Ｃのゲル状をなす寒天に吸収されている水分は、外部からの圧力等を加えなければ、電解部１２Ｃのゲル状をなす寒天から外に漏れ出ることがない量である。すなわち、正極１４が、電解部１２Ｃのゲル状をなす寒天に吸収されている水分に浸った状態となることは防止されている。

したがって、正極１４に取り入れられた酸素及び水分と、導線２１Ａを通って正極１４へ流れる電子と、によって、（３）式の還元反応が生じ、水酸イオンが生じる。このとき、（４）式の還元反応は生じないので、正極１４近傍で水素が発生することはない。
正極１４で生じた水酸イオンは、電解部１２Ｃが吸収した水分を通って負極１６近傍へ移動し、負極１６から溶出したマグネシウムイオンと結合し、水酸化マグネシウムを形成する。なお、本願発明者は、負極１６上に析出する水酸化マグネシウムが、負極１６における（２）式の酸化反応の妨げにはならないことを、確認している。

以上述べたことからわかるように、金属空気電池１Ｃの負極１６においては、（２）式の酸化反応が生じる。また、正極１４においては、（３）式の還元反応が生じる。そして、全体として（１）式の反応が生じる。金属空気電池１Ｃは、負極１６のマグネシウムが存在し、電解部１２Ｃが水分を含んでいる限り、放電し続ける。

また、金属空気電池１Ｃにあっては、負極１６がゲル状の電解部１２Ｃに支承されており、負極１６と導線２１Ｂとの接合部に、負極１６と導線２１Ｂとの接続を切り離すような力が働きにくい。したがって、負極１６におけるマグネシウムの溶出が進行し、負極１６が脆く崩壊等しやすくなっても、負極１６と導線２１Ｂとの接続が、負極１６に働く外力等によって切れてしまうことは防止される。あるいは、導線２１Ａや導線２１Ｂを流れる電流密度が大きくなっても、負極１６と導線２１Ｂとの接続が、負極１６に働く外力等によって切れてしまうことは防止される。

金属空気電池１Ｃにおいて、電解部１２Ｃが、電解質を含んだ水分を吸収した寒天によって形成されているとした。これに替えて、電解部１２Ｃが、電解質を含んだ水分を吸収したゼラチンによって形成されても良いことを、本願発明者は確認している。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 金属空気電池
１０ 容器
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 電解部
１４ 正極
１６ 負極
１７ 活性炭
１８ 活性炭の表側面
１９ 活性炭の裏側面
２１Ａ、２１Ｂ 導線
２２ 負荷

Claims (3)

1. 大気中に露出する露出面を有して当該露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成された炭素からなる正極と、
   マグネシウムからなる負極と、
   当該負極と当該正極との間に存在し、水分を吸収してゲル状をなす電解部と、を備えることを特徴とする金属空気電池。
2. 前記電解部は、ナトリウム又はカリウムが結合したカルボキシル基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池。
3. 前記電解部は、強塩基性陰イオン交換樹脂と、寒天と、ゼラチンと、のうちのいずれかによって形成されており、
   前記電解部が吸収した水分は、電解質を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池。
   

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