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技術 金属空気電池

出願人 NaturaPax.EI合同会社
発明者 川畑俊彦
出願日 2018年9月14日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-172175
公開日 2020年3月26日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-047362
状態 未査定
技術分野 無消耗性電極 電池の注液・補液 混成電池 電池用電極の担体または集電体
主要キーワード 給水層 給水部材 開き目 酸塩基触媒 メッシュ形状 金属空気電池 毛管現象 水蒸気処理
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

電解質の劣化や負極の腐食対処可能であり、放電消費する水を補充可能な金属空気電池を提供すること。

解決手段

賦活処理を施した活性炭からなる正極11Aと、マグネシウムからなる負極21Aと、ポリアクリル酸ナトリウムからなる電解質部31Aと、を有する金属空気電池1Aにおいて、正極11Aと電解質部31Aとの間に、給水部材41Aを配置し、負極21Aと、電解質部31Aと、給水部材41Aと、により一体化したカートリッジ62Aを形成し、給水部材41Aが毛管現象により吸い上げた水源の水を正極材料12Aと電解質部31Aに供給する。

概要

背景

近年、大気中の酸素を取り込む炭素からなる正極と、マグネシウムからなる負極と、ポリアクリル酸ナトリウムからなる電解質と、を有する金属空気電池提唱されている(例えば、特許文献1を参照)。

概要

電解質の劣化や負極の腐食対処可能であり、放電消費する水を補充可能な金属空気電池を提供すること。賦活処理を施した活性炭からなる正極11Aと、マグネシウムからなる負極21Aと、ポリアクリル酸ナトリウムからなる電解質部31Aと、を有する金属空気電池1Aにおいて、正極11Aと電解質部31Aとの間に、給水部材41Aを配置し、負極21Aと、電解質部31Aと、給水部材41Aと、により一体化したカートリッジ62Aを形成し、給水部材41Aが毛管現象により吸い上げた水源の水を正極材料12Aと電解質部31Aに供給する。

目的

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電解質の劣化や負極の腐食に対処可能であるとともに、放電により消費される水を補充可能な金属空気電池を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

酸素正極活物質とする正極と、金属を負極活物質とする負極と、前記正極と前記負極との間に介在する電解質部と、を有し、前記正極は、賦活処理が施された活性炭を、シート状に形成された正極材料として有し、前記正極は、大気露出する露出面を有し、前記正極材料は、前記露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成されており、前記正極は、前記正極材料と接触する集電体を有し、前記集電体は、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなるメッシュ形状を有し、前記負極の前記負極活物質をなす前記金属は、マグネシウムアルミニウム亜鉛、鉄、マグネシウム合金アルミニウム合金及び亜鉛合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、前記電解質部は、水を保持してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムにより形成されており、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分と、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分と、の間に、給水部材が配置されており、前記給水部材は、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分に接触し、前記給水部材は、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分に接触し、前記給水部材は、水源の水を毛管現象によって吸い上げて、吸い上げた水源の水を前記正極材料及び前記電解質部に供給可能に形成されており、前記負極と、前記電解質部と、前記給水部材と、が、一体化したカートリッジを形成していることを特徴とする金属空気電池

請求項2

酸素を正極活物質とする正極と、金属を負極活物質とする負極と、前記正極と前記負極との間に介在する電解質部と、を有し、前記正極は、賦活処理が施された粒子状の活性炭を、正極材料として有し、前記正極は、大気に露出する露出面を有し、前記正極材料は、前記露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成されており、前記正極は、前記正極材料と接触する集電体を有し、前記集電体は、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなるメッシュ形状を有し、前記負極の前記負極活物質をなす前記金属は、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、前記電解質部は、水を保持してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムにより形成されており、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分と、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分と、の間に、給水部材が配置されており、前記給水部材は、第1の給水層と、第2の給水層と、を有し、前記第1の給水層は、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分に接触し、前記第2の給水層は、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分に接触し、前記第1の給水層のうちの前記正極材料に対向する部分は、前記第2の給水層のうちの前記電解質部に対向する部分に接触し、前記給水部材は、水源の水を毛管現象によって吸い上げて、吸い上げた水源の水を前記正極材料及び前記電解質部に供給可能に形成されており、前記負極と、前記電解質部と、前記第1の給水層と、が、一体化したカートリッジを形成していることを特徴とする金属空気電池。

技術分野

0001

本発明は、金属空気電池に関する。

背景技術

0002

近年、大気中の酸素を取り込む炭素からなる正極と、マグネシウムからなる負極と、ポリアクリル酸ナトリウムからなる電解質と、を有す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)。

先行技術

0003

特開2016−105356号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1の金属空気電池は、放電に伴って、負極から負極を生じ、電解質が劣化するとともに、負極が酸化反応腐食する。また、放電に伴って、電解質から水が消費されていき、やがて、放電が止まってしまう。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電解質の劣化や負極の腐食に対処可能であるとともに、放電により消費される水を補充可能な金属空気電池を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0005

上記目的を達成するために、本発明に係る金属空気電池は、酸素を正極活物質とする正極と、金属を負極活物質とする負極と、前記正極と前記負極との間に介在する電解質部と、を有し、前記正極は、賦活処理が施された活性炭を、シート状に形成された正極材料として有し、前記正極は、大気に露出する露出面を有し、前記正極材料は、前記露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成されており、前記正極は、前記正極材料と接触する集電体を有し、前記集電体は、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなるメッシュ形状を有し、前記負極の前記負極活物質をなす前記金属は、マグネシウム、アルミニウム亜鉛、鉄、マグネシウム合金アルミニウム合金及び亜鉛合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、前記電解質部は、水を保持してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムにより形成されており、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分と、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分と、の間に、給水部材が配置されており、前記給水部材は、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分に接触し、前記給水部材は、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分に接触し、前記給水部材は、水源の水を毛管現象によって吸い上げて、吸い上げた水源の水を前記正極材料及び前記電解質部に供給可能に形成されており、前記負極と、前記電解質部と、前記給水部材と、が、一体化したカートリッジを形成していることを特徴とする。

0006

本発明に係る金属空気電池は、酸素を正極活物質とする正極と、金属を負極活物質とする負極と、前記正極と前記負極との間に介在する電解質部と、を有し、前記正極は、賦活処理が施された粒子状の活性炭を、正極材料として有し、前記正極は、大気に露出する露出面を有し、前記正極材料は、前記露出面から大気中の酸素を取り込み可能に形成されており、前記正極は、前記正極材料と接触する集電体を有し、前記集電体は、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなるメッシュ形状を有し、前記負極の前記負極活物質をなす前記金属は、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、前記電解質部は、水を保持してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムにより形成されており、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分と、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分と、の間に、給水部材が配置されており、前記給水部材は、第1の給水層と、第2の給水層と、を有し、前記第1の給水層は、前記電解質部のうちの前記正極材料に対向する部分に接触し、前記第2の給水層は、前記正極材料のうちの前記電解質部に対向する部分に接触し、前記第1の給水層のうちの前記正極材料に対向する部分は、前記第2の給水層のうちの前記電解質部に対向する部分に接触し、前記給水部材は、水源の水を毛管現象によって吸い上げて、吸い上げた水源の水を前記正極材料及び前記電解質部に供給可能に形成されており、前記負極と、前記電解質部と、前記第1の給水層と、が、一体化したカートリッジを形成していることを特徴とする。

発明の効果

0007

本発明に係る金属空気電池は、給水部材を介して、放電に伴って消費される水を補うことができ、金属空気電池の放電を継続させることができる。また、カートリッジを交換することにより、腐食した負極を腐食していない負極に取り換えることができ、劣化した電解質部を、劣化していない電解質部に取り換えることができる。さらに、腐食した負極や生じた負極泥を簡便に回収し処理できる。

図面の簡単な説明

0008

実施形態1の金属空気電池の構成図である。
実施形態2の金属空気電池の構成図である。

実施例

0009

以下に本発明の実施形態を掲げ、本発明について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

0010

[実施形態1]
図1は、本発明に係る実施形態1の金属空気電池の構成図である。
実施形態1の金属空気電池1Aは、酸素を正極活物質とする正極11Aと、金属を負極活物質とする負極21Aと、電解質部31Aと、を有する。
電解質部31Aは、正極11Aと負極21Aとの間に介在する。
正極11A、負極21A、及び電解質部31Aは、容器61Aに収容されている。
容器61Aの材質は、耐食性を有するならば特に限定されるものではないが、例えば、樹脂を挙げることができる。あるいは、金属層樹脂層との積層体であるラミネートフィルムで容器61Aを構成しても良い。また、容器61Aは、可撓性を有していても良いし、可撓性を有していなくても良い。

0011

正極11Aは、賦活処理が施された活性炭13Aを、正極材料12Aとして有する。
活性炭13Aからなる正極材料12Aは、シート状に形成されている。
正極11Aは、容器61Aの一側壁に組み込まれている。シート状をなす正極材料12Aの一方の面が、正極11Aの内側面14Aをなし、容器61Aの内側を向いている。シート状をなす正極材料12Aの他方の面が、正極11Aの外側面15Aをなし、容器61Aの外側を向いている。外側面15Aは、大気に露出する露出面16Aを形成している。正極材料12Aは、露出面16Aから大気中の酸素を取り込むことを可能に形成されている。
賦活処理が施された活性炭13Aは、水と接触して濡れると表面にカルボキシ基を生じる。

0012

活性炭13Aの賦活処理として、例えば、750℃以上の水蒸気を接触させる水蒸気処理や、アルカリを接触させるアルカリ処理が挙げられる。
正極11Aは、集電体17Aを有する。
集電体17Aは、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなるメッシュ形状を有する。
露出面16Aの全部または一部は、集電体17Aによって覆われており、集電体17Aは、正極材料12Aに接触している。露出面16Aは、集電体17Aのメッシュ開き目の隙間を通して、大気中に露出し、大気に接している。

0013

負極21Aの負極活物質をなす金属は、マグネシウム又はマグネシウム合金である。
なお、負極21Aの負極活物質をなす金属は、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属とすることが可能である。起電力の高さと電気容量の大きさの観点からは、負極21Aの負極活物質をなす金属は、マグネシウム又はマグネシウム合金であることが好ましい。
電解質部31Aは、ポリアクリル酸ナトリウムにより形成されており、水を保持してゲル状をなす。
負極21Aは、電解質部31Aに挿入されており、電解質部31Aが、負極21Aの表面の全部又は一部を覆っている。

0014

正極材料12Aのうちの電解質部31Aに対向する部分と、電解質部31Aのうちの正極材料12Aに対向する部分と、の間に、給水部材41Aが配置されている。
給水部材41Aは、電解質部31Aのうちの正極材料12Aに対向する部分に接触しており、給水部材41Aは、正極材料12Aのうちの電解質部31Aに対向する部分に接触している。すなわち、給水部材41Aは、正極11Aの内側面14Aに接触している。
そして、正極11Aの内側面14Aは、給水部材41Aに覆われている。また、正極材料12Aのうちの電解質部31Aに対向する部分は、給水部材41Aに覆われている。
給水部材41Aは、水源(図示略)の水を毛管現象によって吸い上げ、吸い上げた水源の水を正極材料12A及び電解質部31Aに供給可能に形成されている。

0015

水源をなす水タンク(図示略)は、給水部材41Aが正極材料12A及び電解質部31Aに供給する水を貯水可能に形成されている。水源をなす前記水タンクは、容器61A内に配置されていても良いし、容器61A外に配置されていても良い。あるいは、水源をなす前記水タンクを、容器61A内に配置するとともに、電解質部31Aの下方の位置に配置しても良い。
水源をなす前記水タンクへは、適時、必要に応じて水を補充可能に形成されている。
給水部材41Aは、例えば、紙、織布又は不織布である。給水部材41Aの一部が、水源をなす前記水タンクの中まで伸びており、この給水部材41Aの一部が、水源をなす前記水タンクの中の水に浸漬されている。給水部材41Aは、水源をなす前記水タンクの中の水を、毛管現象によって吸い上げることができる。

0016

正極11Aの集電体17Aと負極21Aとは、導線51Aによって電気的に接続されている。導線51Aの途中に負荷52Aが配置されている。
負極21Aと、電解質部31Aと、給水部材41Aと、が、一体化したカートリッジ62Aを形成している。水源をなす前記水タンクは、カートリッジ62Aの一部をなしていても良いし、カートリッジ62Aの一部をなしていなくても良い。

0017

発電メカニズムについて)
電解質部31Aが保持する水が、金属空気電池1Aにおける電解液をなす。電解質部31Aは、ポリアクリル酸ナトリウムであるので、水を吸収して自身の中に保持し続けることが可能であり、正極11A全体が水中に完全に水没した状態になることを防ぐことを可能としており、正極材料12Aが、露出面16Aから大気中の酸素を取り込むことを可能としている。
給水部材41Aは、水源をなす前記水タンクから水を毛管現象によって吸い上げる。給水部材41Aが吸い上げた水の一部は、給水部材41Aに接触する正極材料12Aの表面を濡らし、給水部材41Aが吸い上げる水の残部を、電解質部31Aのうち正極材料12Aに対向する部分が吸収する。

0018

正極材料12Aは、給水部材41Aから供給される水に接触すると、正極材料12Aの表面が水に濡れた状態となる。正極材料12Aの表面が水に濡れると、カルボキシ基(−COOH)を生じる。これは、正極材料12Aが、賦活処理を施した活性炭13Aであるからである。生じたカルボキシ基は、水素イオン(H+)や水酸化物イオン(OH−)を生成する酸塩基触媒として作用する。カルボキシ基は式1のように水素イオンを放出してカルボキシラートイオン(R−COO−)になり、このカルボキシラートイオンに、正極材料12Aの表面を濡らした水が接触して、式2のように水酸化物イオンが生じる。
2R−COOH → 2R−COO−+2H+ ・・・(式1)
2R−COO−+2H2O → 2R−COOH+2OH− ・・・(式2)

0019

集電体17Aの表面上では、大気中から取り込まれた酸素分子(O2)が酸素原子(2O)となり、負極21Aで生じて導線51Aを通って正極11Aに移動した電子と式3の還元反応を起こし、酸素イオン(O2−)が生じる。このとき、集電体17Aをなす金属材料のチタン又はチタン合金は、金属触媒として作用する。
O2+4e− → 2O2− ・・・(式3)
負極21Aでは、式4の酸化反応が起こり、電子を生じ、負極21Aは酸化して腐食する。
2Mg → 2Mg2++4e− ・・・〈式4)
式3で生じた酸素イオンと式1で生じた水素イオンとが反応し、正極11Aにおいて水酸化物イオンが生じる。
式5は、正極11Aでの還元反応をまとめた全反応である。
2H++O2+4e− → 2OH− ・・・(式5)

0020

正極11Aで生じた水酸化物イオンは、電解質部31Aのポリアクリル酸ナトリウムの分子間を負極21Aに向かって移動し、負極21Aが酸化して電解質部31Aが保持する水に溶解しているマグネシウムイオンと反応し、水酸化マグネシウム〈Mg(OH)2)になり、水酸化マグネシウムが負極泥として負極21Aに析出する。
式6は、金属空気電池1Aにおける全反応である。
2Mg+2H2O+O2 → 2Mg(OH)2 ・・・(式6)

0021

負極21Aが酸化して電解質部31Aが保持する水に溶解するマグネシウムイオン(Mg2+)の量が増えると、電解質部31Aが保持できる水の量が減り、電解質部31Aが保持していた水が、電解質部31Aの外に出てしまう。
また、負極21Aに析出する水酸化マグネシウムが、電解質部31Aを押圧し、この圧力により、電解質部31Aが保持していた水が、電解質部31Aの外に絞り出されてしまう。
電解質部31Aの外に出た水は、負極21Aの酸化によって消費されるとともに、正極材料12Aで生じる式2の反応によっても消費される。

0022

電解質部31Aに吸収されていた水が消費されると、電解質部31Aは、消費した水を補おうとする。このため、電解質部31Aは、正極材料12Aの表面を濡らしている水を吸水しようとするので、正極材料12Aの表面にカルボキシ基が生じることを妨げるおそれがある。
給水部材41Aを通して、前記水タンクの水を電解質部31Aに吸収させるとともに、給水部材41Aを通して、前記水タンクの水で正極材料12Aの表面を濡らすことが可能である。そして、電解質部31Aが吸収していた水の消費分を補充することが可能である。さらに、電解質部31Aが、正極材料12Aの表面を濡らしている水を吸収してしまうことを防止可能である。
結果として、金属空気電池1Aは、放電を継続することが可能になる。

0023

メカニカルチャージについて)
金属空気電池1Aが放電すると、負極21Aが酸化して腐食する。また、電解質部31Aの負極21A近傍に水酸化マグネシウムが負極泥として析出し、電解質部31Aが劣化する。
カートリッジ62Aを交換することにより、金属空気電池1Aにおいて、いわゆるメカニカルチャージを行うことができる。

0024

すなわち、カートリッジ62Aを交換して、腐食した負極21Aや、劣化した電解質部31Aを、腐食していない負極21Aや、劣化していない電解質部31Aに、容易・確実・安全に取り換えることができる。腐食した負極21A、劣化した電解質部31A、負極泥の水酸化マグネシウムの回収を容易・確実・安全に行うこともできる。
回収した負極21A、電解質部31A、負極泥から、負極活物質であるマグネシウムの再精錬を安価に行うこともできる。
カートリッジ62Aを交換するに際しては、劣化した電解質部31Aは、水を吸収してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムであり、液体ではないので、取り扱いが容易・確実・安全である。

0025

電解質部31Aの下に、給水部材41Aの一部を配置することが可能である。腐食した負極21A、劣化した電解質部31A、負極泥等が、水源をなす前記水タンクの水の中に落下することを、電解質部31Aの下に配置した給水部材41Aの一部によって防ぐことができる。このとき、腐食した負極21A、劣化した電解質部31A、負極泥等は、電解質部31Aの下に配置した給水部材41Aの一部によって、下方から支承される。
水源をなす前記水タンクの水に、電解質部31Aの一部が浸る場合であっても、腐食した負極21A、劣化した電解質部31A、負極泥等が、水源をなす前記水タンクの水の中に落下することを、電解質部31Aの下に配置した給水部材41Aの一部が、防ぐ。そして、金属空気電池1Aは、放電を続けることができる。

0026

[実施形態2]
図2は、本発明に係る実施形態2の金属空気電池の構成図である。
実施形態2の金属空気電池1Bは、酸素を正極活物質とする正極11Bと、金属を負極活物質とする負極21Bと、電解質部31Bと、を有する。
電解質部31Bは、正極11Bと負極21Bとの間に介在する。
正極11B、負極21B、及び電解質部31Bは、容器61Bに収容されている。
容器61Bの材質は、耐食性を有するならば特に限定されるものではないが、例えば、樹脂を挙げることができる。あるいは、金属層と樹脂層との積層体であるラミネートフィルムで容器61Bを構成しても良い。また、容器61Bは、可撓性を有していても良いし、可撓性を有していなくても良い。

0027

正極11Bは、正極材料12Bを有する。正極材料12Bは、賦活処理が施された粒子状の活性炭13Bからなる。活性炭13Bの粒子集合して、正極材料12Bは、シート状に形成されている。
正極11Bは、容器61Bの一側壁に組み込まれている。シート状をなす正極材料12Bの一方の面が、正極11Bの内側面14Bをなし、容器61Bの内側を向いている。シート状をなす正極材料12Bの他方の面が、正極11Bの外側面15Bをなし、容器61Bの外側を向いている。外側面15Bは、大気に露出する露出面16Bを形成している。正極材料12Bは、露出面16Bから大気中の酸素を取り込むことを可能に形成されている。
賦活処理が施された活性炭13Bは、水と接触して濡れると表面にカルボキシ基を生じる。

0028

活性炭13Bの賦活処理として、例えば、750℃以上の水蒸気を接触させる水蒸気処理や、アルカリを接触させるアルカリ処理が挙げられる。
正極11Bは、集電体17Bを有する。
集電体17Bは、チタン及びチタン合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属材料からなるメッシュ形状を有する。
露出面16Bの全部または一部は、集電体17Bによって覆われており、集電体17Bが正極材料12Bに接触している。露出面16Bは、集電体17Bのメッシュの開き目の隙間を通して、大気中に露出し、大気に接している。
集電体17Bのメッシュの開き目の大きさは、正極材料12Bをなす活性炭13Bの粒子の粒径よりも小さいことが好ましい。活性炭13Bの粒子が、集電体17Bのメッシュの開き目の隙間を通りぬけて容器61B外へこぼれ出ることを防ぐためである。

0029

負極21Bの負極活物質をなす金属は、マグネシウム又はマグネシウム合金である。
なお、負極21Bの負極活物質をなす金属は、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属とすることが可能である。起電力の高さと電気容量の大きさの観点からは、負極21Bの負極活物質をなす金属は、マグネシウム又はマグネシウム合金であることが好ましい。
電解質部31Bは、ポリアクリル酸ナトリウムにより形成されており、水を保持してゲル状をなす。
負極21Bは電解質部31Bに挿入されており、電解質部31Bが、負極21Bの表面の全部又は一部を覆っている。

0030

正極材料12Bのうちの電解質部31Bに対向する部分と、電解質部31Bのうちの正極材料12Bに対向する部分と、の間に、給水部材41Bが配置されている。
給水部材41Bは、水源(図示略)の水を毛管現象によって吸い上げ、吸い上げた水源の水を正極材料12B及び電解質部31Bに供給可能に形成されている。
給水部材41Bは、第1の給水層42Bと、第2の給水層43Bと、を有する。
第1の給水層42Bは、電解質部31Bのうちの正極材料12Bに対向する部分に接触している。
第1の給水層42Bのうちの正極材料12Bに対向する部分は、第2の給水層43Bのうちの電解質部31Bに対向する部分に接触している。
第2の給水層43Bは、正極材料12Bのうちの電解質部31Bに対向する部分に接触している。すなわち、第2の給水層43Bは、内側面14Bに接触している。
そして、正極11Bの内側面14Bは、第2の給水層43Bに覆われている。また、正極材料12Bのうちの電解質部31Bに対向する部分は、第2の給水層43Bに覆われている。

0031

水源をなす水タンク(図示略)は、給水部材41Bが正極材料12B及び電解質部31Bに供給する水を貯水可能に形成されている。水源をなす前記水タンクは、容器61B内に配置されていても良いし、容器61B外に配置されていても良い。あるいは、水源をなす前記水タンクを、容器61B内に配置するとともに、電解質部31Bの下方の位置に配置しても良い。
水源をなす前記水タンクへは、適時、必要に応じて水を補充可能に形成されている。
給水部材41Bである第1の給水層42Bと第2の給水層43Bは、例えば、紙、織布又は不織布である。給水部材41Bの一部が、水源をなす前記水タンクの中まで伸びており、この給水部材41Bの一部が、水源をなす前記水タンクの中の水に浸漬されている。給水部材41Bは、水源をなす前記水タンクの中の水を、毛管現象によって吸い上げることができる。

0032

第1の給水層42Bの一部が、水源をなす前記水タンクの中まで伸びており、この第1の給水層42Bの一部が、水源をなす前記水タンクの中の水に浸漬されていても良い。第1の給水層42Bは、水源をなす前記水タンクの中の水を、毛管現象によって吸い上げることができる。
第2の給水層43Bの一部が、水源をなす前記水タンクの中まで伸びており、この第2の給水層43Bの一部が、水源をなす前記水タンクの中の水に浸漬されていても良い。第2の給水層43Bは、水源をなす前記水タンクの中の水を、毛管現象によって吸い上げることができる。
第1の給水層42Bの一部と、第2の給水層43Bの一部と、が、ともに、水源をなす前記水タンクの中まで伸びており、この第1の給水層42Bの一部と、この第2の給水層43Bの一部と、が、水源をなす前記水タンクの中の水に浸漬されていても良い。第1の給水層42Bと第2の給水層43Bとは、水源をなす前記水タンクの中の水を、毛管現象によって吸い上げることができる。

0033

正極11Bの集電体17Bと負極21Bとは、導線51Bによって電気的に接続されている。導線51Bの途中に負荷52Bが配置されている。
負極21Bと、電解質部31Bと、第1の給水層42Bと、が、一体化したカートリッジ62Bを形成している。水源をなす前記水タンクは、カートリッジ62Bの一部をなしていても良いし、カートリッジ62Bの一部をなしていなくても良い。

0034

(発電メカニズムについて)
電解質部31Bが保持する水が、金属空気電池1Bにおける電解液をなす。電解質部31Bは、ポリアクリル酸ナトリウムであるので、水を吸収して自身の中に保持し続けることが可能であり、正極11B全体が水中に完全に水没した状態になることを防ぐことを可能とし、正極材料12Bが、露出面16Bから大気中の酸素を取り込むことを可能としている。
給水部材41Bである第1の給水層42Bと第2の給水層43Bは、水源をなす前記水タンクから水を毛管現象によって吸い上げる。
第1の給水層42Bが吸い上げる水の一部は、第2の給水層43Bを通って正極材料12Bの表面を濡らす。第1の給水層42Bが吸い上げる水の残部を、電解質部31Bのうち正極材料12Bに対向する部分が吸収する。
第2の給水層43Bが吸い上げる水の一部は、正極材料12Bの表面を濡らす。第2の給水層43Bが吸い上げる水の残部は、第1の給水層42Bを通って電解質部31Bのうち正極材料12Bに対向する部分に吸収される。

0035

正極材料12Bは、給水部材41Bから供給される水に接触すると、正極材料12Bの表面が水に濡れた状態となる。正極材料12Bの表面が水に濡れると、カルボキシ基(−COOH)を生じる。これは、正極材料12Bが賦活処理を施した活性炭13Bであるからである。生じたカルボキシ基は、水素イオン(H+)や水酸化物イオン(OH−)を生成する酸塩基触媒として作用する。カルボキシ基は式7のように水素イオンを放出してカルボキシラートイオン(R−COO−)になり、このカルボキシラートイオンに、正極材料12Bの表面を濡らした水が接触して、式8のように水酸化物イオンが生じる。
2R−COOH → 2R−COO−+2H+ ・・・(式7)
2R−COO−+2H2O → 2R−COOH+2OH− ・・・(式8)

0036

集電体17Bの表面上では、大気中から取り込まれた酸素分子(O2)が酸素原子(2O)となり、負極21Bで生じて導線51Bを介して正極11Bに移動してきた電子と式9の還元反応を起こし、酸素イオン(O2−)が生じる。このとき、集電体17Bをなす金属材料のチタン又はチタン合金は、金属触媒として作用する。
O2+4e− → 2O2− ・・・(式9)
負極21Bでは、式10の酸化反応が起こり、電子を生じ、負極21Bは酸化して腐食する。
2Mg → 2Mg2++4e− ・・・〈式10)
式9で生じた酸素イオンと式7で生じた水素イオンとが反応し、正極11Bにおいて水酸化物イオンが生じる。
式11は、正極11Bでの還元反応をまとめた全反応である。
2H++O2+4e− → 2OH− ・・・(式11)

0037

正極11Bで生じた水酸化物イオンは、電解質部31Bのポリアクリル酸ナトリウムの分子間を負極21Bに向かって移動し、負極21Bが酸化して電解質部31Bが保持する水に溶解しているマグネシウムイオン(Mg2+)と反応し、水酸化マグネシウム〈Mg(OH)2)になり、水酸化マグネシウムが負極泥として負極21Bに析出する。
式12は、金属空気電池1Bにおける全反応である。
2Mg+2H2O+O2 → 2Mg(OH)2 ・・・(式12)

0038

負極21Bが酸化して電解質部31Bが保持する水に溶解するマグネシウムイオンの量が増えると、電解質部31Bが保持できる水の量が減り、電解質部31Bが保持していた水が、電解質部31Bの外に出てしまう。
また、負極21Bに析出する水酸化マグネシウムが、電解質部31Bを押圧し、この圧力により、電解質部31Bが保持していた水が、電解質部31Bの外に絞り出されてしまう。
電解質部31Bの外に出た水は、負極21Bの酸化によって消費されるとともに、正極材料12Bで生じる式8の反応によっても消費される。

0039

電解質部31Bに吸収されていた水が消費されると、電解質部31Bは、消費した水を補おうとする。このため、電解質部31Bは、正極材料12Bの表面を濡らしている水を吸水しようとするので、正極材料12Bの表面にカルボキシ基が生じることを妨げるおそれがある。
給水部材41Bである第1の給水層42Bと第2の給水層43Bを通して、水源をなす前記水タンクの水を電解質部31Bに吸収させるとともに、給水部材41Bである第1の給水層42Bと第2の給水層43Bを通して、水源をなす前記水タンクの水で正極材料12Bの表面を濡らすことが可能である。そして、電解質部31Bが吸収していた水の消費分を補充することが可能である。さらに、電解質部31Bが、正極材料12Bの表面を濡らしている水を吸収してしまうことを防止可能である。
結果として、金属空気電池1Bは、放電を継続することが可能になる。

0040

(メカニカルチャージについて)
金属空気電池1Bが放電すると、負極21Bが酸化して腐食する。また、電解質部31Bの負極21B近傍に水酸化マグネシウムが負極泥として析出し、電解質部31Bが劣化する。
カートリッジ62Bを交換することにより、金属空気電池1Bにおいて、いわゆるメカニカルチャージを行うことができる。

0041

すなわち、カートリッジ62Bを交換して、腐食した負極21Bや、劣化した電解質部31Bを、腐食していない負極21Bや、劣化していない電解質部31Bに、容易・確実・安全に取り換えることができる。腐食した負極21B、劣化した電解質部31B、負極泥の水酸化マグネシウムの回収を容易・確実・安全に行うこともできる。
回収した負極21B、電解質部31B、負極泥から、負極活物質であるマグネシウムの再精錬を安価に行うこともできる。

0042

カートリッジ62Bを交換するに際しては、劣化した電解質部31Bは、水を吸収してゲル状をなすポリアクリル酸ナトリウムであり、液体ではないので、取り扱いが容易・確実・安全である。
第2の給水層43Bが、第1の給水層42Bのうちの正極材料12Bに対向する部分と、正極材料12Bのうちの電解質部31Bに対向する部分と、の間に配置されており、正極材料12Bに接触している。正極材料12Bをなす活性炭13Bの粒子の形状が崩れたり損傷したりしていたとしても、カートリッジ62Bを交換する際に、活性炭13Bの粒子が正極11Bの外へこぼれ出てしまうことを、第2の給水層43Bが防ぐ。すなわち、活性炭13Bの粒子が正極11Bから外へこぼれ出ることを、正極11Bの内側面14Bを覆う第2の給水層43Bが、正極11Bの内側面14Bを押さえることによって防ぐ。

0043

電解質部31Bの下に、第1の給水層42Bの一部を配置することが可能である。腐食した負極21B、劣化した電解質部31B、負極泥等が、水源をなす前記水タンクの水の中に落下することを、電解質部31Bの下に配置した第1の給水層42Bの一部によって防ぐことができる。このとき、腐食した負極21B、劣化した電解質部31B、負極泥等は、電解質部31Bの下に配置した第1の給水層42Bの一部によって、下方から支承される。
水源をなす前記水タンクの水に、電解質部31Bの一部が浸る場合であっても、腐食した負極21B、劣化した電解質部31B、負極泥等が、水源をなす前記水タンクの水の中に落下することを、電解質部31Bの下に配置した第1の給水層42Bの一部が、防ぐ。そして、金属空気電池1Bは、放電を続けることができる。

0044

1A、1B金属空気電池
11A、11B 正極
12A、12B正極材料
13A、13B活性炭
14A、14B 正極の内側面
15A、15B 正極の外側面
16A、16B露出面
17A、17B集電体
21A、21B 負極
31A、31B電解質部
41A、41B給水部材
42B 第1の給水層
43B 第2の給水層
51A、51B導線
52A、52B負荷
61A、61B容器
62A、62B カートリッジ

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