JP2017098188A - Air battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気電池に関するものである。 The present invention relates to an air battery.
正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として金属を用いる空気電池は、高いエネルギー密度を有するため、次世代の電池として注目されている。 Air batteries that use oxygen in the air as the positive electrode active material and metal as the negative electrode active material have attracted attention as the next-generation battery because of their high energy density.
空気電池は、正極活物質が空気中の酸素であるため、正極活物質を充填する容器を必要としない。そのため、電池全体の容積を小さくすることができ、単位容積あたりのエネルギー密度を大きくすることができる。 The air battery does not require a container filled with the positive electrode active material because the positive electrode active material is oxygen in the air. Therefore, the volume of the entire battery can be reduced, and the energy density per unit volume can be increased.
特許文献１には、金属電極を浸漬した第１電解液槽と、第１電解液槽１に連通する第２電解液槽とを備える空気電池が開示されている。 Patent Literature 1 discloses an air battery including a first electrolyte bath in which a metal electrode is immersed and a second electrolyte bath communicating with the first electrolyte bath 1.
特許文献１に開示された空気電池においては、第２電解液槽の中で、金属イオンから金属化合物を析出させる。この金属化合物（反応生成物）は、第２電解液槽の下方に設置された脱液機構によって、電解液と分離される。分離された電解液は、未使用の電解液が格納されている電解液タンクに戻されることによって、再利用される。 In the air battery disclosed in Patent Document 1, a metal compound is deposited from metal ions in a second electrolyte bath. This metal compound (reaction product) is separated from the electrolytic solution by a liquid removal mechanism installed below the second electrolytic solution tank. The separated electrolytic solution is reused by returning it to the electrolytic solution tank in which the unused electrolytic solution is stored.
特許文献１に開示された空気電池においては、電解液タンクと第２電解液槽とが、それぞれ別に、設置されている。 In the air battery disclosed in Patent Document 1, an electrolytic solution tank and a second electrolytic solution tank are separately provided.
これにより、本発明者らは、特許文献１に開示された空気電池においては、電解液タンクと第２電解液槽が別々に設置されているため、空気電池全体が大型化する、という課題を見出した。 Thereby, in the air battery disclosed in Patent Document 1, the present inventors have a problem that the entire air battery is enlarged because the electrolyte tank and the second electrolyte tank are separately installed. I found it.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、未使用の電解液と反応によって発生した生成物とを、場所を取らずに格納することにより、小型化された空気電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a compact air battery by storing unused electrolytic solution and product generated by reaction without taking up space. The purpose is to do.
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本発明を完成させた。その要旨は、次のとおりである。
〈１〉水系電解液中で、正極活物質としての空気中の酸素と負極活物質としての金属とが反応して、反応生成物を生じるとともに、電流を発生させる空気電池であって、
前記反応が起こる少なくとも１つの反応室と、
前記反応室の入口側に連結されている第１タンクと、
前記反応室の出口側に連結されている第２タンクと、
前記第２タンクの内部を第１室と第２室とに区分する隔壁と、
一端が前記第１室に連結されており、かつ、他端が前記反応室の入口側に連結されている第１供給路と、
一端が前記第２室に連結されており、かつ、他端が前記第１供給路の途中の接続点に連結されている第２供給路と、
前記第２供給路の途中に設置されているフィルタと、
前記第１供給路の途中で、前記接続点と前記反応室の入口側との間に設置されているポンプと、
を備え、
前記第１室と前記第２室のうち、前記第２室が前記反応室の出口側に連結され、
前記第１タンクに、前記金属が格納され、
前記第１室に、水系電解液が格納され、
前記第２室に、前記反応後の水系電解液と前記反応生成物との混合液が格納され、
前記フィルタが、前記混合液中の水系電解液と前記反応生成物とを分離し、かつ、
前記隔壁が、前記第１室内の水系電解液と前記第２室内の前記混合液との体積比率によって、自在に変形可能である、
空気電池。
In order to achieve the above object, the present inventors have made extensive studies and completed the present invention. The summary is as follows.
<1> An air battery in which oxygen in the air as a positive electrode active material and a metal as a negative electrode active material react with each other in a water-based electrolytic solution to generate a reaction product and generate a current,
At least one reaction chamber in which the reaction takes place;
A first tank connected to the inlet side of the reaction chamber;
A second tank connected to the outlet side of the reaction chamber;
A partition partitioning the interior of the second tank into a first chamber and a second chamber;
A first supply path having one end connected to the first chamber and the other end connected to the inlet side of the reaction chamber;
A second supply path having one end connected to the second chamber and the other end connected to a connection point in the middle of the first supply path;
A filter installed in the middle of the second supply path;
In the middle of the first supply path, a pump installed between the connection point and the inlet side of the reaction chamber;
With
Of the first chamber and the second chamber, the second chamber is connected to the outlet side of the reaction chamber,
The metal is stored in the first tank,
An aqueous electrolyte is stored in the first chamber,
In the second chamber, a mixed liquid of the aqueous electrolyte solution after the reaction and the reaction product is stored,
The filter separates the aqueous electrolyte solution and the reaction product in the mixed solution; and
The partition wall can be freely deformed according to the volume ratio of the aqueous electrolyte in the first chamber and the mixed solution in the second chamber.
Air battery.
本発明によれば、未使用の電解液と反応によって発生した生成物とを、場所を取らずに格納することにより、小型化された空気電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the air battery reduced in size can be provided by storing an unused electrolyte solution and the product produced | generated by reaction, without taking up space.
以下、本発明に係る空気電池の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of an air battery according to the present invention will be described in detail. In addition, embodiment shown below does not limit this invention.
本発明の空気電池は、水系電解液中で、正極活物質としての空気中の酸素と負極活物質としての金属とが反応して、反応生成物を生じるとともに、電流を発生させる。 In the air battery of the present invention, oxygen in the air as the positive electrode active material reacts with the metal as the negative electrode active material in the aqueous electrolyte to generate a reaction product and generate an electric current.
図１は、本発明に係る空気電池の実施形態の一例を示す縦断面模式図である。図２は、図１の破線で囲まれた部分の拡大図である。 FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing an example of an embodiment of an air battery according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG.
図１に示したように、本発明の空気電池１００は、反応室５、第１タンク１０、第２タンク２０、隔壁２４、第１供給路５０、第２供給路６０、フィルタ６２、及びポンプ７０を備えている。 As shown in FIG. 1, the air battery 100 of the present invention includes a reaction chamber 5, a first tank 10, a second tank 20, a partition wall 24, a first supply path 50, a second supply path 60, a filter 62, and a pump. 70.
（反応室）
酸素と金属の反応は、反応室５の内部で起こる。反応室５は、少なくとも１つあればよく、図１に示したように、反応室５が複数あってもよい。反応室５の数は、所望する電圧及び電気エネルギー量によって、適宜決定すればよい。
(Reaction room)
The reaction between oxygen and metal takes place inside the reaction chamber 5. There may be at least one reaction chamber 5, and there may be a plurality of reaction chambers 5 as shown in FIG. The number of reaction chambers 5 may be appropriately determined depending on the desired voltage and electric energy.
反応室５の構造は、水系電解液中で、正極活物質としての空気中の酸素と負極活物質としての金属とが反応して、電流を発生させることができれば、特に制限はない。例えば、反応室５の内部（図示しない）には、触媒層、触媒層の支持体、撥水膜、及びセパレータ等を備えていてよい。 The structure of the reaction chamber 5 is not particularly limited as long as oxygen in the air as the positive electrode active material can react with the metal as the negative electrode active material to generate a current in the aqueous electrolyte. For example, the reaction chamber 5 (not shown) may include a catalyst layer, a support for the catalyst layer, a water-repellent film, a separator, and the like.
触媒層を構成する物質としては、酸化還元反応に対する触媒活性を有していれば、特に制限はない。例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）及びケッチェンブラック（ＫＢ）等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、並びにペロブスカイト型酸化物等が挙げられる。これらに、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びパラジウム（Ｐｄ）から選ばれる１種以上の触媒が担持されていてもよい。 The substance constituting the catalyst layer is not particularly limited as long as it has catalytic activity for redox reaction. Examples thereof include carbon blacks such as acetylene black (AB) and ketjen black (KB), carbon nanotubes, carbon nanofibers, and perovskite oxides. One or more kinds of catalysts selected from platinum (Pt), ruthenium (Ru), and palladium (Pd) may be supported on these.
触媒層の支持体としては、水系電解液に対して安定であれば、特に制限はない。例えば、カーボンペーパ及び金属体等が挙げられる。金属体としては、発泡金属、並びにメッシュ加工又は穴あけ加工された金属等が挙げられる。金属体は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（クロム）、並びにアルミニウム（Ａｌ）から選ばれる１種以上を含んでいてもよいし、これらの金属を金属体の表面に被覆してもよい。 The support for the catalyst layer is not particularly limited as long as it is stable with respect to the aqueous electrolyte. For example, a carbon paper, a metal body, etc. are mentioned. Examples of the metal body include foam metal and metal that has been meshed or perforated. The metal body may contain one or more selected from nickel (Ni), chromium (chromium), and aluminum (Al), and these metals may be coated on the surface of the metal body.
撥水膜としては、水系電解液を透過せず、かつ、空気が透過可能であれば、特に制限はない。例えば、多孔性のフッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）シート等が挙げられる。多孔性セルロースのシートに撥水処理を施してもよい。 The water repellent film is not particularly limited as long as it does not permeate the aqueous electrolyte and allows air to permeate. For example, a porous fluororesin (PTFE etc.) sheet etc. are mentioned. The porous cellulose sheet may be subjected to a water-repellent treatment.
セパレータとしては、アルカリ電池に用いることができるセパレータであれば、特に制限はない。例えば、セルロース系のシート等が挙げられる。 The separator is not particularly limited as long as it can be used for alkaline batteries. For example, a cellulose-type sheet | seat etc. are mentioned.
反応室５の材質としては、水系電解液に対して安定であれば、特に制限はない。反応室５が金属である場合には、金属体は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（クロム）、及びアルミニウム（Ａｌ）から選ばれる１種以上を含んでいてもよいし、これらの金属を金属体の表面に被覆してもよい。反応室５が樹脂である場合には、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びアクリル等が挙げられる。 The material of the reaction chamber 5 is not particularly limited as long as it is stable with respect to the aqueous electrolyte. When the reaction chamber 5 is a metal, the metal body may contain, for example, one or more selected from nickel (Ni), chromium (chromium), and aluminum (Al). The surface of the metal body may be coated. In the case where the reaction chamber 5 is a resin, examples thereof include polypropylene, polyethylene, and acrylic.
（第１タンク）
第１タンク１０は、反応室５の入口側に連結されている。第１タンク１０には、負極活物質としての金属１２が格納される。
(First tank)
The first tank 10 is connected to the inlet side of the reaction chamber 5. The first tank 10 stores a metal 12 as a negative electrode active material.
金属１２は、空気電池１００の負極活物質となり得る金属であれば、特に制限はない。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、及び鉄（Ｆｅ）等が挙げられる。また、これらの金属それぞれを組み合せてもよい。 The metal 12 is not particularly limited as long as it can be a negative electrode active material of the air battery 100. For example, aluminum (Al), zinc (Zn), magnesium (Mg), lithium (Li), iron (Fe), etc. are mentioned. Moreover, you may combine each of these metals.
金属１２は、第１タンク１０から反応室５へ供給されやすい形態であることが好ましい。例えば、金属１２は粉末であってよい。第１タンク１０は、反応室５の入口側に直接連結されていてもよいし、図１に示したように、入口側連結路１４を介して反応室５の入口側に連結されていてもよい。 The metal 12 is preferably in a form that is easily supplied from the first tank 10 to the reaction chamber 5. For example, the metal 12 may be a powder. The first tank 10 may be directly connected to the inlet side of the reaction chamber 5, or may be connected to the inlet side of the reaction chamber 5 via the inlet side connection path 14 as shown in FIG. 1. Good.
（第２タンク）
第２タンク２０は、反応室５の出口側に連結されている。そして、第２タンク２０は、第１室２１と第２室２２を有する。
(Second tank)
The second tank 20 is connected to the outlet side of the reaction chamber 5. The second tank 20 has a first chamber 21 and a second chamber 22.
（隔壁）
隔壁２４は、第２タンク２０を、第１室２１と第２室２２に区分する。第１室２１には、水系電解液３１が格納される。第２室２２には混合液３２が格納される。第１室２１と第２室２２のうち、第２室２２が反応室５の出口側に連結されている。混合液３２は、反応室５の出口側から第２室２２に流入する。第２室２２は、図１に示したように、出口側連結路２８を介して連結されていてもよい。この場合、混合液３２は、出口側連結路２８から第２室２２に流入する。混合液３２は、反応後の水系電解液と反応生成物を含む。
(Partition wall)
The partition wall 24 divides the second tank 20 into a first chamber 21 and a second chamber 22. A water-based electrolyte 31 is stored in the first chamber 21. A mixed liquid 32 is stored in the second chamber 22. Of the first chamber 21 and the second chamber 22, the second chamber 22 is connected to the outlet side of the reaction chamber 5. The mixed liquid 32 flows into the second chamber 22 from the outlet side of the reaction chamber 5. As shown in FIG. 1, the second chamber 22 may be connected via an outlet side connection path 28. In this case, the liquid mixture 32 flows into the second chamber 22 from the outlet side connection path 28. The mixed solution 32 includes a water-based electrolytic solution after reaction and a reaction product.
隔壁２４によって、未使用の水系電解液３１と反応生成物が混ざり合わないようにすることができる。そして、反応生成物が混入した状態で、再度、水系電解液が反応室５に供給されて循環されて、反応性を損なうことを防止する。また、循環中の水系電解液に反応生成物が混入して、循環経路及び／又は反応室５の内部で、反応生成物が沈殿し、詰まりを生じることも抑制できる。なお、混合液３２に含まれる水系電解液は、フィルタ６２で反応生成物と分離され、再利用される。この点については、後ほど、詳しく述べる。 The partition wall 24 can prevent the unused aqueous electrolyte 31 and the reaction product from being mixed. Then, in the state where the reaction product is mixed, the aqueous electrolyte is supplied again to the reaction chamber 5 and circulated to prevent the reactivity from being impaired. It is also possible to suppress the reaction product from being mixed into the circulating aqueous electrolyte and causing the reaction product to settle and clog in the circulation path and / or the reaction chamber 5. The aqueous electrolyte contained in the mixed solution 32 is separated from the reaction product by the filter 62 and reused. This will be described in detail later.
空気電池を使用するにしたがい、第１室２１内の水系電解液３１は、反応室５へ供給される。また、反応室５内での反応で生じた混合液３２は、第２室２２内に流入する。すなわち、空気電池を使用するにしたがい、水系電解液３１の量（体積）は減少し、混合液３２の量（体積）は増加する。 As the air battery is used, the aqueous electrolyte solution 31 in the first chamber 21 is supplied to the reaction chamber 5. In addition, the liquid mixture 32 generated by the reaction in the reaction chamber 5 flows into the second chamber 22. That is, as the air battery is used, the amount (volume) of the aqueous electrolyte 31 decreases and the amount (volume) of the mixed solution 32 increases.
隔壁２４は、これらの体積変化に伴い、自在に変形可能である。すなわち、隔壁２４は、第１室２１内の水系電解液３１と第２室２２内の混合液３２の体積比率によって、自在に変形可能である。 The partition wall 24 can be freely deformed with these volume changes. That is, the partition wall 24 can be freely deformed according to the volume ratio of the aqueous electrolyte solution 31 in the first chamber 21 and the mixed solution 32 in the second chamber 22.
図３Ａは、図１の空気電池における放電開始直後の状態を示す縦断面模式図である。図３Ｂは、図１の空気電池における放電中の状態を示す縦断面模式図である。図３Ｃは、図１の空気電池における放電終了直前の状態を示す縦断面模式図である。 3A is a schematic longitudinal sectional view showing a state immediately after the start of discharge in the air battery of FIG. FIG. 3B is a schematic longitudinal sectional view showing a state during discharge in the air battery of FIG. 1. 3C is a schematic longitudinal sectional view showing a state immediately before the end of discharge in the air battery of FIG.
放電開始から放電終了までの間に、水系電解液３１の体積が減少するのに伴い、隔壁２４が変形して、第１室２１の容積が減少する。一方、混合液３２の体積が増加するのに伴い、隔壁２４が変形して、第２室２２の容積が増加する。 As the volume of the aqueous electrolyte 31 decreases from the start of discharge to the end of discharge, the partition wall 24 is deformed and the volume of the first chamber 21 decreases. On the other hand, as the volume of the mixed liquid 32 increases, the partition wall 24 is deformed and the volume of the second chamber 22 increases.
隔壁２４の材質としては、水系電解質に対する耐性があり、反応生成物を透過させず、かつ、上述したように変形可能であれば、特に制限はない。例えば、ゴム系材料及び樹脂系材料等が挙げられる。 The material of the partition wall 24 is not particularly limited as long as it has resistance to an aqueous electrolyte, does not allow the reaction product to permeate, and can be deformed as described above. For example, rubber materials and resin materials can be used.
ゴム系材料としては、例えば、天然ゴム（ＮＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、及びフッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＰＭ）等が挙げられる。 Examples of rubber materials include natural rubber (NR), butadiene rubber (BR), styrene butadiene rubber (SBR), butyl rubber (IIR), ethylene / propylene rubber (EPM, EPDM), nitrile rubber (NBR), and fluorine. Examples thereof include rubber (FKM, FPM).
樹脂系材料としては、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、及びフッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ）が挙げられる。 Examples of the resin material include polyamide (PA), ABS resin, polyethylene (PE), polypropylene (PP), and fluororesin (PTFE, ETFE).
水系電解液３１としては、空気電池１００の電解液として、上述した金属１２と組み合わせることができる電解液であれば、特に制限はない。例えば、アルカリ水溶液が挙げられ、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が好ましい。 The aqueous electrolyte solution 31 is not particularly limited as long as it is an electrolyte solution that can be combined with the metal 12 described above as the electrolyte solution of the air battery 100. For example, alkaline aqueous solution is mentioned, A potassium hydroxide (KOH) aqueous solution and a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution are preferable.
（第１供給路）
第１供給路５０は、一端が第１室２１に連結されており、かつ、他端が反応室５の入口側に連結されている。そして、第１供給路５０の途中には、ポンプ７０が設置されている。ポンプ７０の設置位置については、後ほど、詳しく述べる。
(First supply path)
The first supply path 50 has one end connected to the first chamber 21 and the other end connected to the inlet side of the reaction chamber 5. A pump 70 is installed in the middle of the first supply path 50. The installation position of the pump 70 will be described in detail later.
第１室２１内の水系電解液３１は、ポンプ７０の作用により、反応室５の入口側へ供給される。図１に示したように、入口側連結路１４に金属１２を供給して、入口側連結路１４の中で、金属１２と水系電解液３１とを混合して、これを反応室５の入口側に供給してもよい。あるいは、第１室２１及び第１供給路それぞれを、別途、第１室２１の入口側に連結し、金属１２及び水系電解液３１それぞれを、反応室５に供給してもよい。 The aqueous electrolyte solution 31 in the first chamber 21 is supplied to the inlet side of the reaction chamber 5 by the action of the pump 70. As shown in FIG. 1, the metal 12 is supplied to the inlet side connecting path 14, and the metal 12 and the aqueous electrolyte 31 are mixed in the inlet side connecting path 14, and this is mixed with the inlet of the reaction chamber 5. You may supply to the side. Alternatively, the first chamber 21 and the first supply path may be separately connected to the inlet side of the first chamber 21, and the metal 12 and the aqueous electrolyte 31 may be supplied to the reaction chamber 5.
（第２供給路）
第２供給路６０は、一端が第２室２２に連結されており、かつ、他端が第１供給路５０の途中の接続点５５に連結されている。
(Second supply path)
The second supply path 60 has one end connected to the second chamber 22 and the other end connected to a connection point 55 in the middle of the first supply path 50.
（フィルタ）
フィルタ６２は、図２に示したように、第２供給路６０の途中に設置されている。接続点５５の先に設置されているポンプ７０の作用により、第２室２２内の混合液３２は、フィルタ６２を通過し、接続点５５に達する。
(filter)
As shown in FIG. 2, the filter 62 is installed in the middle of the second supply path 60. The mixed liquid 32 in the second chamber 22 passes through the filter 62 and reaches the connection point 55 by the action of the pump 70 installed at the end of the connection point 55.
反応室５の内部の温度は、酸素と金属の反応によって、反応室５の外部よりも温度が高くなっている。したがって、反応室５から排出され、第２室２２に流入した混合液３２の温度は低下する。この温度低下によって、反応生成物の溶解度も低下し、反応生成物が水系電解液の中で沈殿する。 The temperature inside the reaction chamber 5 is higher than that outside the reaction chamber 5 due to the reaction between oxygen and metal. Accordingly, the temperature of the mixed liquid 32 discharged from the reaction chamber 5 and flowing into the second chamber 22 decreases. Due to this temperature decrease, the solubility of the reaction product also decreases, and the reaction product precipitates in the aqueous electrolyte.
フィルタ６２は、混合液３２の中の水系電解液と沈殿した反応生成物とを分離する。そして、沈殿した反応生成物は第２室２２内に残留する。 The filter 62 separates the aqueous electrolytic solution in the mixed solution 32 and the precipitated reaction product. The precipitated reaction product remains in the second chamber 22.
沈殿した反応生成物を第２室２２内に残留をさせるため、フィルタ６２の設置位置は、第２供給路６０の中で、できるだけ第２室２２に近いことが好ましい。このようにすることで、第２供給路６０の中に、沈殿した反応生成物が残留して、第２供給路６０が詰まることを抑制できる。フィルタ６２の一部が、第２室２２の内部にあってもよい。 In order to allow the precipitated reaction product to remain in the second chamber 22, the installation position of the filter 62 is preferably as close as possible to the second chamber 22 in the second supply path 60. By doing in this way, it can suppress that the reaction product which settled in the 2nd supply path 60 remains, and the 2nd supply path 60 is blocked. A part of the filter 62 may be inside the second chamber 22.
フィルタ６２としては、水系電解液３１に対して耐性があり、かつ、水系電解液３１と沈殿した反応生成物とを分離できる構造体であれば、特に制限はない。例えば、多孔質体、セラミックフォームフィルタ、セラミックファイバ、及び発泡金属等が挙げられる。フィルタ６２の開口率については、沈殿した反応生成物の粒子の大きさと圧力損失との関係で適宜決定すればよい。このようなフィルタとしては、例えば、セルロース製で、孔径が０．８μｍの円柱型フィルタが挙げられる。 The filter 62 is not particularly limited as long as it is resistant to the aqueous electrolyte solution 31 and is a structure that can separate the aqueous electrolyte solution 31 and the precipitated reaction product. Examples thereof include a porous body, a ceramic foam filter, a ceramic fiber, and a foam metal. The aperture ratio of the filter 62 may be appropriately determined depending on the relationship between the size of the precipitated reaction product particles and the pressure loss. Examples of such a filter include a cylindrical filter made of cellulose and having a pore diameter of 0.8 μm.
（ポンプ）
ポンプ７０は、図１に示したように、第１供給路５０の途中で、接続点５５と反応室５の入口側との間に設置される。このような位置に設置することで、第１室２１からは、未使用の水系電解液３１を、第２室２２からは、フィルタ６２で混合液３２と分離された水系電解液を、反応室５の入口側に供給することができる。
(pump)
As shown in FIG. 1, the pump 70 is installed between the connection point 55 and the inlet side of the reaction chamber 5 in the middle of the first supply path 50. By installing in such a position, the unused aqueous electrolytic solution 31 from the first chamber 21, and the aqueous electrolytic solution separated from the mixed solution 32 by the filter 62 from the second chamber 22, 5 can be supplied to the inlet side.
ポンプ７０としては、水系溶液を移送でき、かつ、水系電解液に対して耐性があるポンプであれば、特に制限はない。ステンレス製遠心式ポンプ、繊維強化プラスチック（ＦＰＲ）製マグネットポンプ、及びポリプロピレン製ダイヤフラム型ポンプ等が挙げられる。 The pump 70 is not particularly limited as long as it is a pump that can transfer an aqueous solution and is resistant to an aqueous electrolyte. Examples include stainless centrifugal pumps, fiber reinforced plastic (FPR) magnet pumps, and polypropylene diaphragm pumps.
（放電前後の物質収支）
金属１２をＭとし、水系電解液中でＭがＭｘ＋になるとしたとき、空気電池全体の反応は、次のように表される。
４Ｍ＋ｘＯ２＋２ｘＨ２Ｏ → ４Ｍ（ＯＨ）ｘ ・・・（１）
(Material balance before and after discharge)
When the metal 12 is M and M is M x + in the aqueous electrolyte, the reaction of the entire air battery is expressed as follows.
4M + xO 2 + 2xH 2 O → 4M (OH) x (1)
式（１）は、例えば、ＭがそれぞれＡｌ及びＺｎの場合、次のようになる。
４Ａｌ＋３Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ → ４Ａｌ（ＯＨ）３
２Ｚｎ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ → ２Ｚｎ（ＯＨ）２
Formula (1) is as follows, for example, when M is Al and Zn, respectively.
4Al + 3O 2 + 6H 2 O → 4Al (OH) 3
2Zn + O 2 + 2H 2 O → 2Zn (OH) 2
式（１）から分かるように、水系電解質中のＨ２Ｏが金属Ｍと反応して、Ｍ（ＯＨ）ｘが生成される。 As can be seen from the formula (1), H 2 O in the aqueous electrolyte reacts with the metal M to generate M (OH) x .
第１室２１内の水系電解液３１のうち、酸素と金属の反応で消費されたＨ２Ｏの体積分だけ、第１室２１の容積が減少する。この容積減少分だけ、反応生成物であるＭ（ＯＨ）ｘが第２室２２に格納される。したがって、長時間にわたって空気電池を使用する場合等、反応生成物が多くなるときは、空気電池使用前（放電開始前）の第２室２２の容積を大きくしておく。すなわち、何も入っていない第２室２２の容積（空容積）を大きくしておく。 Of the aqueous electrolyte 31 in the first chamber 21, the volume of the first chamber 21 is reduced by the volume fraction of H 2 O consumed by the reaction between oxygen and metal. The reaction product M (OH) x is stored in the second chamber 22 by this volume reduction. Therefore, when the amount of reaction products increases, such as when an air battery is used for a long time, the volume of the second chamber 22 before using the air battery (before starting discharge) is increased. That is, the volume (empty volume) of the second chamber 22 containing nothing is increased.
（混合液冷却装置）
第２タンク２０には、さらに、混合液冷却装置（図示しない）を加えてもよい。上述したように、酸素と金属の反応の反応熱により、反応室５の内部の温度は、反応室５の外部の温度よりも高い。したがって、混合液冷却装置がなくても、第２タンク２０の第２室２２に流入した混合液３２は自然冷却される。この自然冷却によって、反応生成物の溶解度が下がり、反応生成物を沈殿させことができる。しかし、混合液冷却装置を加えることによって、反応生成物を、一層迅速に沈殿させることができる。
(Mixed liquid cooling device)
A mixed liquid cooling device (not shown) may be further added to the second tank 20. As described above, the temperature inside the reaction chamber 5 is higher than the temperature outside the reaction chamber 5 due to the reaction heat of the reaction between oxygen and metal. Therefore, even if there is no mixed liquid cooling device, the mixed liquid 32 flowing into the second chamber 22 of the second tank 20 is naturally cooled. By this natural cooling, the solubility of the reaction product is lowered, and the reaction product can be precipitated. However, the reaction product can be precipitated more quickly by adding a mixture cooling device.
例えば、純度が９９．９％で、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのアルミニウム板を、濃度が１モル／Ｌで、２０ｍＬの水酸化ナトリウム水溶液に装入し、その溶液の表面に揮発防止用のパラフィルムをかけ、一晩放置する。なお、パラフィルムには水素ガス抜き用に***を設けておく。すると、アルミニウム板は水酸化ナトリウム水溶液に溶解する。 For example, a 10 mm × 10 mm × 1 mm aluminum plate with a purity of 99.9% is charged into a 20 mL aqueous solution of sodium hydroxide at a concentration of 1 mol / L, and a parafilm for preventing volatilization is formed on the surface of the solution. And leave overnight. A small hole is provided in the parafilm for removing hydrogen gas. Then, the aluminum plate is dissolved in the sodium hydroxide aqueous solution.
図４Ａは、水酸化ナトリウム水溶液にアルミニウム板を溶解した溶液の室温（２５℃）における状態を示す図である。図４Ｂは、図４Ａの溶液を０℃に冷却したときの状態を示す図である。 FIG. 4A is a diagram showing a state at room temperature (25 ° C.) of a solution in which an aluminum plate is dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution. FIG. 4B is a diagram showing a state when the solution of FIG. 4A is cooled to 0 ° C.
図４Ａ及び図４Ｂから分かるように、溶液の温度を室温（２５℃）から０℃に下げることによって、アルミン酸ナトリウムの溶解度が下がり、アルミン酸ナトリウムが懸濁物として沈殿する。 As can be seen from FIGS. 4A and 4B, by lowering the temperature of the solution from room temperature (25 ° C.) to 0 ° C., the solubility of sodium aluminate decreases and sodium aluminate precipitates as a suspension.
このような沈殿現象を、第２室２２の内部で迅速に行うために、混合液冷却装置を、第２タンク２０に付加してもよい。 A mixed liquid cooling device may be added to the second tank 20 in order to quickly perform such a precipitation phenomenon inside the second chamber 22.
以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本発明は、これらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. Note that the present invention is not limited to these.
濃度が１モル／Ｌである水酸化ナトリウム水溶液を第１室２１に格納し、空気電池１００を放電させた。金属１２はアルミニウムとした。なお、放電開始時の第２室２２の容積（空容積）は０．２Ｌであった。 An aqueous sodium hydroxide solution having a concentration of 1 mol / L was stored in the first chamber 21, and the air battery 100 was discharged. The metal 12 was aluminum. Note that the volume (empty volume) of the second chamber 22 at the start of discharge was 0.2 L.
放電終了時の反応物と生成物の収支を表１に示す。なお、表１中、Ｈ２Ｏは、第１室２１に格納した水酸化ナトリウム水溶液のうち、Ｈ２Ｏの占める重量及び体積を示す。 The balance of reactants and products at the end of discharge is shown in Table 1. In Table 1, H 2 O indicates the weight and volume occupied by H 2 O in the sodium hydroxide aqueous solution stored in the first chamber 21.
表１からわかるように、Ｈ２Ｏの消費量（体積）０．１Ｌ分だけ、第１室２１の容積が減少し、その容積減少分０．１Ｌと放電開始時の第２室２２の容積（空容積）０．２Ｌとで、０．３ＬのＡｌ（ＯＨ）３を、第２室２２に格納できたことを確認した。なお、表１中、放電後のＡｌ（ＯＨ）３の体積は０．１２Ｌであるが、これは、Ａｌ（ＯＨ）３の真密度で換算した体積であり、実際のＡｌ（ＯＨ）３の格納には、０．３Ｌの容積が必要であった。 As can be seen from Table 1, the volume of the first chamber 21 is reduced by the amount of consumption (volume) of H 2 O of 0.1 L, and the volume reduction of the volume of the second chamber 22 at the start of discharge is 0.1 L. It was confirmed that 0.3 L of Al (OH) 3 could be stored in the second chamber 22 with an (empty volume) of 0.2 L. In Table 1, although the volume of Al (OH) 3 after discharge is 0.12 L, which is the volume that is converted at the true density of Al (OH) 3, the actual Al (OH) 3 of The storage required a volume of 0.3L.
以上の結果から、本発明の効果を確認できた。 From the above results, the effect of the present invention was confirmed.
５ 反応室
１０ 第１タンク
１２ 金属
１４ 入口側連結路
２０ 第２タンク
２１ 第１室
２２ 第２室
２４ 隔壁
２８ 出口側連結路
３１ 水系電解液
３２ 混合液
５０ 第１供給路
５５ 接続点
６０ 第２供給路
６２ フィルタ
７０ ポンプ
１００ 空気電池
5 reaction chamber 10 first tank 12 metal 14 inlet side connection path 20 second tank 21 first chamber 22 second chamber 24 partition wall 28 outlet side connection path 31 aqueous electrolyte 32 mixed solution 50 first supply path 55 connection point 60 2 supply path 62 filter 70 pump 100 air battery
Claims (1)
前記反応が起こる少なくとも１つの反応室と、
前記反応室の入口側に連結されている第１タンクと、
前記反応室の出口側に連結されている第２タンクと、
前記第２タンクの内部を第１室と第２室とに区分する隔壁と、
一端が前記第１室に連結されており、かつ、他端が前記反応室の入口側に連結されている第１供給路と、
一端が前記第２室に連結されており、かつ、他端が前記第１供給路の途中の接続点に連結されている第２供給路と、
前記第２供給路の途中に設置されているフィルタと、
前記第１供給路の途中で、前記接続点と前記反応室の入口側との間に設置されているポンプと、
を備え、
前記第１室と前記第２室のうち、前記第２室が前記反応室の出口側に連結され、
前記第１タンクに、前記金属が格納され、
前記第１室に、水系電解液が格納され、
前記第２室に、前記反応後の水系電解液と前記反応生成物との混合液が格納され、
前記フィルタが、前記混合液中の水系電解液と前記反応生成物とを分離し、かつ、
前記隔壁が、前記第１室内の水系電解液と前記第２室内の前記混合液との体積比率によって、自在に変形可能である、
空気電池。 In an aqueous electrolyte, oxygen in the air as a positive electrode active material reacts with a metal as a negative electrode active material to generate a reaction product and generate an electric current,
At least one reaction chamber in which the reaction takes place;
A first tank connected to the inlet side of the reaction chamber;
A second tank connected to the outlet side of the reaction chamber;
A partition partitioning the interior of the second tank into a first chamber and a second chamber;
A first supply path having one end connected to the first chamber and the other end connected to the inlet side of the reaction chamber;
A second supply path having one end connected to the second chamber and the other end connected to a connection point in the middle of the first supply path;
A filter installed in the middle of the second supply path;
In the middle of the first supply path, a pump installed between the connection point and the inlet side of the reaction chamber;
With
Of the first chamber and the second chamber, the second chamber is connected to the outlet side of the reaction chamber,
The metal is stored in the first tank,
An aqueous electrolyte is stored in the first chamber,
In the second chamber, a mixed liquid of the aqueous electrolyte solution after the reaction and the reaction product is stored,
The filter separates the aqueous electrolyte solution and the reaction product in the mixed solution; and
The partition wall can be freely deformed according to the volume ratio of the aqueous electrolyte in the first chamber and the mixed solution in the second chamber.
Air battery.
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|---|---|---|---|---|
| CN109301403A (en) * | 2018-10-11 | 2019-02-01 | 东北大学 | A kind of metal-gas cell system |
| JPWO2019225050A1 (en) * | 2018-05-21 | 2020-05-28 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Flow battery |
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