JP5034014B2

JP5034014B2 - マグネシウム電池及びシステム

Info

Publication number: JP5034014B2
Application number: JP2010151897A
Authority: JP
Inventors: 孝矢部
Original assignee: 合同会社矢部学術振興会
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: JP2012015013A

Description

本発明は、マグネシウム電池及びシステムに関し、特に、カートリッジタイプのマグネシウム電池及びシステムに関する。

特許文献１には、加水分解で水素ガスを発生させ水素需要体が発電をする系と、電極とイオンの酸化・還元による化学反応から発電をする系の二系統を有する発電装置が開示されている。この発電装置は、機能物質を容器内部に装着したもの、あるいは負極および陽極に機能物質を装着して電解質からなる電池要素を容器内部に設けた水素発生容器による水素放出手段と、機能物質と水または水溶液（電解液）とを反応させる加水分解および加水分解による機能物質の変質から結晶間に定着している水素原子の結合による双方からの水素ガスを発生させる液体容器を含む水素発生手段と、水素発生容器の電池要素が起電する第一の起電手段と、水素発生容器の発生水素ガスによって水素需要体が起電する第二の起電手段と、第一の起電手段による電力を負荷装置に通電して負荷による電流量によって水素発生手段の水素ガスの発生量を制御する制御手段とで構成している。

再表２００８／０１５８４４号公報

しかし、特許文献１に開示されている発電装置は、大規模なものであり、その利用分野が限定的である。

そこで、本発明は、簡易な構成のマグネシウム電池及びシステムを提供することを課題とする。

本発明は、空気を正極活物質とし、特定物質を負極活物質とする電池システムにおいて、
前記特定物質の薄膜と、
前記薄膜に各端部が接続されている一対のリールと、
前記各リール間における薄膜の経路近傍に位置する電極と、
を備える。

前記電極の下流に位置していて発電時に酸化した特定物質を融解する融解液が入った容器を備えてもよい。また、一例を示せば、特定物質としてはマグネシウム、亜鉛、リチウム、鉄、炭素、ナトリウム、ベリリウム、アルミニウム、カドミウム、イオウ、鉛などを用いることができ、電極としては銅、炭素、二酸化マンガン、アルミニウム、金、銀、ベリリウム、マグネシウムを用いることができ、融解液の成分としては希塩酸、希硫酸、酢酸、硝酸、ステアリン酸、ギ酸、クエン酸、アンモニア水、水酸化ナトリウム、塩化カルシウム、炭酸ナトリウム、塩化アンモニウム、エタノール、ベンジルアルコール、シクロヘキサノール、エチレングリコール、アセトン、ベンゼン、アニリン、トルエン、シクロヘキサノン、四塩化炭素、トリクロルエチレン、ひまし油、合成洗剤などを用いることができる。

また、本発明のマグネシウム電池は、上記薄膜が接続されている一対のリールを備え、これをカートリッジタイプとすることもできる。

本発明の実施形態のマグネシウム電池システムの模式的な構成図である。

１０第１リール
２０マグネシウム薄膜
３１〜４０ガイド部
５０支持部
６０電極
７０容器
８０融解液
９０第２リール
１００カートリッジ
１０００マグネシウム電池システム

発明の実施の形態

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態のマグネシウム電池システム１０００の模式的な構成図である。図１には、以下説明する、第１リール１０と、マグネシウム薄膜２０と、ガイド部３１〜４０と、支持部５０と、電極６０と、容器７０と、融解液８０と、第２リール９０と、カートリッジ１００とを示している。

第１リール１０は、マグネシウム薄膜２０が巻かれているものである。第１リール１０は、図示しない軸を中心に回転可能に構成されている。第１リール１０は、例えば、プラスチックなどの樹脂製とすることができる。

マグネシウム薄膜２０は、マグネシウム電池における負極活物質であり、一端が第１リール１０に接続され、他端が第２リール９０に接続されている。マグネシウム薄膜２０は、カートリッジ１００の大きさ、或いは、カートリッジ１００の着脱先の空間の大きさなどに応じて、任意の厚さ、幅及び長さとすることができる。マグネシウム薄膜２０の製造方法については、限定的ではない例示を幾つかする。

第１に、フィルムの両面又は片面にマグネシウムを塗布することによって、マグネシウム薄膜２０を製造することができる。係る場合のフィルムは、融解液８０が浸透可能であるが、融解液８０とは反応しない材料であればよい（例えば、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE, Ultra High
Molecular Weight Polyethylene)）。こうすると、当該フィルムに強度を持たせれば、マグネシウム薄膜２０におけるマグネシウムが反応によって消滅して行っても、フィルム自体が残るため、マグネシウム薄膜２０自体の断裂を防止できる。

第２に、マグネシウム箔の表裏面を、フィルムでラミネート加工することによって、マグネシウム薄膜２０を製造することができる。こうすると、上記第１の場合の利点に加えて、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウムがフィルム膜間に保持されるため、マグネシウム薄膜２０の反応生成物回収が容易となる。

なお、マグネシウム薄膜２０を構成するマグネシウム自体は、どのように取得してもよいが、一例としては、酸化マグネシウムと炭素などとの混合物又は化合物に対してレーザを照射することによって、酸化マグネシウムから酸素を脱理させることによって生成したマグネシウムとすればよい。

ガイド部３１〜４０は、マグネシウム薄膜２０の進行位置を規定するものである。ガイド部３１〜４０は、マグネシウム薄膜２０を傷つけないようなものであれば、どのような材料としてもよい。具体的には、マグネシウム薄膜２０を、マグネシウムを塗布したフィルムから構成する場合には、当該フィルムからマグネシウムが剥離しないような摺動性を備えるものとすればよい。ガイド部３１〜４０は、一例としては、ステンレス製とすることができ、その表面は、必要に応じて摺動性向上のための加工を施してもよい。

支持部５０は、電極６０とともに、マグネシウム薄膜２０を挟みこむものである。支持部５０は、マグネシウム薄膜２０を傷つけないようなものであれば、どのような材料としてもよい。一例としては、銅製とすることができる。そうすると、支持部５０も電極効果を備えることになり、発電効率が向上する。

電極６０は、マグネシウム薄膜２０のマグネシウム及び正極活物質であるところの空気中の酸素と協働して発電するものである。図示しない駆動部によって、図面左右方向に移動される。具体的には、電極６０は、発電時に支持部５０側に向けて移動し、カートリッジ１００の交換時を含むそれ以外の時にそれと半谷側に向けて移動する。駆動部は、一例としては、ねじ巻きばねとすることができ、これを巻いた状態から元に戻ろうとする過程を利用して電極６０を利用することもできる。電極６０は、例えば銅製とすることができるが、マグネシウムとの間で発電反応が可能なものであれば、銅製に限定されるものではなく、炭素製、二酸化マンガン製などを用いることもできる。係る場合には、支持部５０も電極６０の材料に応じて変更することもできる。

容器７０は、融解液８０が入れられるものである。例えば、ガラス製とすることができる。もっとも、容器７０は、融解液８０に溶解しないものであれば、ガラス製に限定されるものではない。

融解液８０は、発電によって表面が酸化したマグネシウム薄膜２０、すなわち、酸化マグネシウムと反応可能なものである。融解液８０には、希塩酸液、希硫酸液、酢酸液などを用いることができる。融解液８０として希塩酸液を用いた場合には、酸素、水素、水、塩化マグネシウムを発生させるものである。

第２リール９０は、マグネシウム薄膜２０を巻き取るものである。第２リール９０は、図示しない軸を中心に回転可能に構成されている。第２リール９０は、例えば、プラスチックなどの樹脂製とすることができる。

カートリッジ１００は、第１リール１０と、マグネシウム薄膜２０と、ガイド部３１〜４０と、支持部５０と、容器７０と、融解液８０と、第２リール９０とが収容されたものである。カートリッジ１００は、例えば、プラスチックなどの樹脂製とすることができる。なお、カートリッジ１００の収容対象は、図１に示すものに限定されず、例えば、容器７０及び融解液８０は、カートリッジ１００が取り付けられる側、すなわち、電極６０側に設けてもよい。

つぎに、本実施形態のマグネシウム電池システム１０００の原理について説明する。
まず、電極６０近傍のマグネシウム薄膜２０と空気中の酸素とによって、
２Ｍｇ＋Ｏ_２→２ＭｇＯ
という化学反応が生じる。このため、マグネシウム薄膜２０は、電極６０の下流では、一部が酸化マグネシウム薄膜となる。

マグネシウム薄膜２０は、容器７０内の融解液８０であるところの希塩酸液に接触すると、
ＭｇＯ＋２ＨＣｌ→ＭｇＣｌ_２＋Ｈ_２Ｏ
という化学反応が生じる。

さらに、マグネシウム薄膜２０は、容器７０内の融解液８０であるところの希塩酸液に接触すると、酸化しなかった部分は、容器７０内の融解液８０であるところの希塩酸液に接触すると、
Ｍｇ＋２ＨＣｌ→ＭｇＣｌ_２＋Ｈ_２
という化学反応が生じる。

ここで、融解液８０が入った容器７０を、電極６０の下流に位置させる理由は、上記Ｈ_２ガスが電極６０であるところの銅に接触することによって発生する水素脆化によって発電効率が低下することを防止するためである。本実施形態では、必須ではないが、容器７０と電極６０とを、図示しない隔離部材によって隔離している。

つぎに、マグネシウム薄膜２０の長さ等の一例を示すとともに、第２リール９０の回転速度などについて説明する。

本実施形態のマグネシウム電池システム１０００を、自動車の燃料電池システムとして利用する場合には、マグネシウム薄膜２０は、厚さを数１０〜数１００μｍ、幅を５〜１０ｃｍ、長さを１００〜２００ｍ程度とすることが考えられる。

なお、このような厚さ、長さの条件のマグネシウム薄膜２０は、
マグネシウム薄膜２０の半径の２乗×３．１４＝テープの厚さ×長さ
という関係式が成立するので、第１リール１０に巻かれた状態では、半径が約８ｃｍであり、従来の自動車用燃料電池システムに比して、非常に小型となる。

普通乗用車を、約５００ｋｍ走行させたい場合には、例えば、長さ１００μｍ、幅１０ｃｍ、２００ｍ長さとしたマグネシウム薄膜２０を備えるカートリッジ１００を、理論的には４つ用意すればよい。この根拠とは、次のとおりである。まず、５００ｋｍの走行のためには、約１００ｋＷｈのエネルギーが必要である。これは、１００ｋＷに１時間、つまり３６００秒を乗じて、３６０ＭＪと表すことができる。

一方、マグネシウム発生熱は、２５ｋＪ／ｇである。そうすると、５００ｋｍの走行のために必要なマグネシウム量は、３６０ＭＪを２５ｋＪで除した値、つまり、１４．４ｋｇとなる。

そして、１００μｍの厚さ、１０ｃｍの幅、２００ｍの長さのマグネシウム薄膜２０におけるマグネシウム量は、３．４ｋｇとなるから、上記のように、この条件のマグネシウム薄膜２０を備えるカートリッジ１００を、４つ用意すればよいことになる。

もっとも、変換効率が必ずしも１００％となるわけではないので、実際には、普通乗用車を、約５００ｋｍ走行させたい場合には、用意すべきカートリッジ１００は、６〜８程度とも予想される。

また、本実施形態のマグネシウム電池システム１０００を、自動車の燃料電池システムとして利用する場合には、第２リール９０のマグネシウム薄膜２０の巻き取り速度は、５ｍｍ／秒程度でよい。この根拠としては、自動車が例えば時速５０ｋｍで５００ｋｍ走るとしたならば、走行時間は１０時間となるので、２００ｍの長さのマグネシウム薄膜２０は、１０時間で巻き取られることになる。

もっとも、マグネシウム薄膜２０は、電極６０付近を一回通過しただけでは、全てのマグネシウムが反応するわけではないので、数回通過するように、第２リール９０側から第１リール１０側へも巻き取られるようにするとよい。係る場合には、融解液８０入りの容器７０を、電極６０と第１リール１０との間にも設けるとよい。

また、このように、マグネシウム薄膜２０が電極６０に対して往復可能に構成する場合には、第１リール１０及び第２リール９０のマグネシウム薄膜２０の巻き取り速度は、上記例の２〜３倍の速度で巻き取ればよい。

本発明は、自動車などの電池分野で利用可能である。

Claims

空気を正極活物質とし、特定物質を負極活物質とする電池システムにおいて、
前記特定物質の薄膜と、
前記薄膜に各端部が接続されている一対のリールと、
前記各リール間における薄膜の経路近傍に位置する電極と、
を備える電池システム。
前記電極の下流に位置していて発電時に酸化した特定物質を融解する融解液が入った容器を備える、
請求項１記載の電池システム。
前記特定物質は、マグネシウム、亜鉛、リチウム、鉄、炭素、ナトリウム、ベリリウム、アルミニウム、カドミウム、イオウ、鉛のいずれかであり、
前記電極は、銅、炭素、二酸化マンガン、アルミニウム、金、銀、ベリリウム、マグネシウムのいずれかを用いており、
融解液の成分は、塩酸、硫酸、酢酸、硝酸、ステアリン酸、ギ酸、クエン酸、アンモニア水、水酸化ナトリウム、塩化カルシウム、炭酸ナトリウム、塩化アンモニウム、エタノール、ベンジルアルコール、シクロヘキサノール、エチレングリコール、アセトン、ベンゼン、アニリン、トルエン、シクロヘキサノン、四塩化炭素、トリクロルエチレン、ひまし油、合成洗剤のいずれかを含む、
請求項１記載の電池システム。
前記リールは、前記電極に対してカートリッジタイプで構成されている、
請求項１記載の電池システム。