技術 マグネシウム燃料体およびマグネシウム空気電池

0001

本発明は、マグネシウム燃料体およびマグネシウム空気電池、に関する

0002

空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウムを負極活物質とするマグネシウム空気電池は、反応が進むにしたがって電気もイオンも通さない水酸化マグネシウムの被膜がマグネシウムの表面に形成され、次第に負極から大きな電流を取り出すことが難しくなる。特許文献１に記載のマグネシウム空気電池では、導電性のフィルムの上にマグネシウムを付着させてロール状にし、このロール状フィルムを回転させてその近傍に位置する正極と協働して次々に未反応部分が反応し、連続的に発電する。

0003

また、特許文献２のように、薄い板状の燃料を反応が低下したときに入れ替えることでも同様の効果を得られる。特許文献２は、薄い板状の燃料が蛇腹状に折りたたまれたセパレータ内に設置されることで、電極に対して連続した燃料の導入と引き出しを可能にしている。

0004

特許５５９８８８３号
特許５８９１５６９号

0005

特許文献１や特許文献２のような機構では、入れ替わる燃料の表面から効率的に電気を引き出す必要がある。マグネシウムの表面には短時間で酸化被膜が形成されるために、点接触で効率的に電気を引き出すことが難しい。また、燃料の製造工程が複雑になると、燃料価格の高騰を招くとともに、生産量の低下となる。

0006

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであって、簡単な構造により負極に形成される酸化被膜による電流の低下を抑制したマグネシウム燃料体、およびそのマグネシウム燃料体を備えたマグネシウム空気電池、を提供することを目的とする。

0007

上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係るマグネシウム燃料体は、
複数の切れ込みを備えた金属マグネシウムの薄板と、
外部電極との接触により電気を取り出す導通板と、
を備え、
前記切れ込みの内側と、前記導通板を折り曲げた際にできる山部分と、を接触させつつ
前記導通板が前記マグネシウム薄板の前記切れ込みに挿入される、
ことを特徴とする。

0008

本発明の第二の観点に係るマグネシウム空気電池は、
本発明の第一の観点に係るマグネシウム燃料体と、
カソードと、
電解液と、
前記電解液を含浸可能な素材により形成された電解液保持材と、
前記電解液を貯留する電解液槽と、
を備え、
前記電解液保持材によって包みこまれた前記マグネシウム燃料体が、２枚の前記カソードの間に挿入され、
前記カソードは前記電解液には浸されずに、前記電解液保持材が前記電解液に浸されて、当該電解液保持材が前記電解液を含浸することで電池反応を開始する、
ことを特徴とする。

0009

また、前記マグネシウム空気電池は、
前記マグネシウム燃料体が、前記電解液の水面に対して斜めに傾けて設置されてもよい。

0010

前記マグネシウム空気電池は、２枚の前記カソードを支持する溝と、外部と電気的に接続する導線を接続する円管部とを備える、接続端子を備えても良い。

0011

前記マグネシウム空気電池を複数備え、
それぞれが直列に接続され、
前記カソードは前記電解液に浸されず、前記電解液保持部および前記マグネシウム燃料体が当該電解液に浸されて、
直列に接続された複数の前記マグネシウム空気電池が、１つの前記電解液槽を共用することを特徴とする。

0012

また、前記マグネシウム空気電池は、近接する前記カソードどうしの間に隙間を形成して電池反応に必要な空気を取り込む枠状あるいは桁状のスペーサー、を前記カソード近辺に備えてもよい。

0013

前記マグネシウム空気電池は、
前記電解液保持材の近傍において、
内壁には通気性があり水を通さないフィルムを備え、かつ外壁には空気を取り込む通気孔を備える、容器、
に収容されてもよい。

0014

本発明によれば、簡単な構造により負極に形成される酸化被膜による電流の低下を抑制したマグネシウム燃料体、および、そのマグネシウム燃料体を備えるマグネシウム空気電池、を提供できる。

0015

マグネシウム燃料体１００の概略構成を示す側面図である。
マグネシウム燃料体１００を上から見た概略構成を示す平面図である。
マグネシウム空気電池２００の概略構成を示す側面断面図である。
接続端子２０５の一例を示す斜視図（ａ）および側面図（ｂ）である。
マグネシウム空気電池２００の概略構成を示す斜視図である。
３つの燃料体の形態（Ｃａｓｅ１、２、３）における電流[Ａ]および電気容量[Ｗｈ]の変化を記録した実験結果である。
マグネシウム空気電池３００の概略構成を示す斜視図（ａ）および側面断面図（ｂ）である。
マグネシウム空気電池３００を上からみた概略構成を示す平面図である。
容器３０３の概略構成を示す斜視図である。
容器３０３の壁面の一部の側面断面図である。
本発明のマグネシウム空気電池の一部を示す側面断面図である。
実施形態３のマグネシウム燃料体１００の構成を示す斜視概略図である。
実施形態３のマグネシウム燃料体１００の断面図である。
実施形態３のマグネシウム燃料体１００の断面図である。

0016

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。

0017

（実施形態１）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第一の観点に係るマグネシウム燃料体の概略構成を示す側面図である。マグネシウム燃料体１００は、マグネシウム薄板１０１、導通板１０３、とで構成され、マグネシウム空気電池の燃料として機能する。

0018

マグネシウム薄板１０１は、図１（ａ）に示すように、切れ込み１０２を備える金属マグネシウムの薄板である。切れ込み１０２は、図１では２カ所であるが、複数を備えてもよい。これについては後述する。

0019

導通板１０３は、導電性を有する素材で形成され、板状の形状を有し、外部電極が接触することにより電気を取り出す。導通板１０３は、例えば銅板などで形成される。導通板１０３は、図１（ａ）に示すように切れ込み１０２に差し込みつつ切れ込み１０２に合わせて折り曲げ、図１（ｂ）に示すように、マグネシウム薄板１０１と導通板１０３とが切れ込み１０２の内側においてしっかりと接するように圧着する。このとき、導通板１０３は、上から、あるいは左右からしっかり圧力を加えてマグネシウム薄板１０１の切れ込み１０２の内側と導通板１０３の折り曲げたところがしっかりと隙間なく接触させることにより、外部からの接触電極でも酸化被膜による抵抗がほとんどなく導通する。これを上から見た平面図が図２である。

0020

このように、マグネシウム燃料体１００は、導通板１０３を切れ込み１０２に差し込んで、強く圧着し、この導通板１０３に外部電極を接触させ接触電極でも酸化被膜による抵抗がほとんどなく導通する。

0021

次に、マグネシウム燃料体１００を燃料として使用するマグネシウム空気電池２００について説明する。

0022

マグネシウム空気電池２００は、電解液保持材２０１と、カソード２０２と、電解液２０３と、電解液槽２０４と、接続端子２０５と、を備え、マグネシウム燃料体１００を燃料として起電力を生じる。

0023

図３は、マグネシウム空気電池２００の概略構成を示す側面断面図である。（ただし、接続端子２０５は省略している。）電解液保持材２０１は、液体を保持する吸水性の高い材質で形成される。電解液保持材２０１は、電解液２０３を含水して保持する。それと同時に、電池反応後に形成される反応生成物（たとえば水酸化マグネシウムなど）を内部に保持することで、カソード２０２を保護する。電解液保持材２０１を形成する素材としては、例えばフェルト、不織布、炭素フェルト、ゲル等などであるが、これに限らない。電解液保持材２０１は、マグネシウム燃料体１００を、導通板１０３を露出させて包み込む。

0024

電解液２０３は、マグネシウム燃料体１００とカソード２０２との間のイオン交換を可能にする電解液である。電解液２０３は、例えば水酸化ナトリウム水溶液であるが、これに限らない。

0025

カソード２０２は、導電性を有する素材により形成され、マグネシウム空気電池２００の正極活物質である空気中の酸素に電子を供給する。カソード２０２を形成する素材としては、例えば、炭素、金属、マンガン化合物、及びこれらを組み合わせたものが考えられるが、これに限らない。酸素を還元する反応を促進するため、表面積が大きく酸素を吸着しやすいことが望ましい。カソード２０２は、マグネシウム燃料体１００を両側から挟み込むように配置される。

0026

電解液槽２０４は、内部に電解液２０３を保持し、電解液保持材２０１へ電解液を供給する槽状の形状を有する。電解液の供給は、電解液保持材２０１の吸水性により自動的に行なわれる。電解液槽２０４内部において電解液２０３は、電解液保持材２０１の下方に保持される。

0027

次に、接続端子２０５について、説明する。接続端子２０５は、導電性を有する素材により形成され、２枚のカソード２０２を接続しつつ支持し、外部との電気的な接続を行なう。接続端子２０５の形状の一例としては、図４の斜視図（ａ）および側面図（ｂ）のようなものが考えられる。図４の接続端子２０５は、上部に円管部２０５ａ、下部に２つの溝２０５ｂを備える。円管部２０５ａには中に導線を入れ周りから圧着固定し、導線は外部と電気的に接続する。外部との接続に導線を使用するのはフレキシビリティを確保するためで、これは後述する。下部の溝２０５ｂにはカソード２０２を挟み、これも圧着固定する。接続端子２０５を形成する素材としては、スズ等のやわらかく導電性の高い金属などが考えられる。

0028

次に、図５を参照して、マグネシウム燃料体１００をマグネシウム空気電池２００の燃料として使用する方法について説明する。図５は、マグネシウム空気電池２００を構成する要素を一部分解して示した斜視図である。

0029

電解液保持材２０１により導通板１０３を残して包み込まれたマグネシウム燃料体１００を、接続端子２０５により支持された２枚のカソード２０２の間に挿入する。電解液保持材２０１およびマグネシウム燃料体１００は、下方に設置された電解液槽２０４内の電解液２０３に浸される。一方、カソード２０２は、電解液２０３には接することはない。電解液保持材２０１が電解液２０３を含浸し、毛管現象によりゆっくりと自動的かつ連続的に電解液が供給される。このとき、電解液保持材２０１がセパレータとして機能し、含浸している電解液２０３によってイオン交換を行なうことで、空気中の酸素を正極活物質とし、マグネシウム燃料体１００に含まれるマグネシウムを負極活物質とする酸化還元反応が起こって起電力を生じる。接続端子２０５に圧着された導線およびマグネシウム燃料体１００に備えられた導通板１０３に接続された電極により電気を取り出す。マグネシウム燃料体１００は、マグネシウム空気電池２００に対して容易に着脱できる構造を有することで、負極に形成される酸化被膜による電流の低下が起こることなく燃料の交換を行なうことができる。

0030

ここで、本実施形態のマグネシウム燃料体１００の効果を実験結果により示す。図６は、３つの燃料体の形態（Ｃａｓｅ１、２、３）において１[Ｖ]の定電圧に設定したときの時間経過[分]に対する電流[Ａ]の変化および電気容量[Ｗｈ]を記録した実験結果を示しており、どれも右下がりのグラフが電流値、右上がりのグラフが電気容量を示している。

0031

Ｃａｓｅ１は、切れ込みを備えていないマグネシウム薄板１０１に直接外部から電極を接触させて電気を取り出す形態の燃料体である。Ｃａｓｅ２は、マグネシウム薄板に穴をあけてボルトにより導線を締めることにより電気を取り出す形態の燃料体である。Ｃａｓｅ３は、実施形態１のマグネシウム燃料体１００である。

0032

これらの結果を総括したのが、表１である。表１には、Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ３のそれぞれの実験開始１０分後の電流[Ａ]と、２時間後に達成した電気容量[Ｗｈ]を示している。本発明の実験結果を示すＣａｓｅ３が他に比較して高い電流値と電気容量を示している。Ｃａｓｅ１の場合では、実験ごとに結果が変動し、ほとんど電流が取れない場合もあったが、表１にはその中でも最も良い結果を示した。Ｃａｓｅ２の場合でも、ボルトによって導線を強く締めてはいるが、ボルトによる固定では、容易に着脱することができない。なお、本実験では、反応面積は２５ｃｍ２、厚さ１ｍｍのマグネシウムを使用しているため、この部分のマグネシウムの重量は４．３５ｇである。Ｃａｓｅ３の場合、電流密度は０．１８[Ａ／ｃｍ２]、電気容量は１．３８[Ｗｈ／ｇ]を実現している。

0033

Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ３における電流値と電気容量

0034

以上のようにして、簡単な構造により負極に形成される酸化被膜による電流の低下を抑制したマグネシウム燃料体、および、そのマグネシウム燃料体を備えるマグネシウム空気電池、を提供できる。

0035

（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１のマグネシウム空気電池２００を多数接続する。

0036

マグネシウム空気電池を多数接続するとき、並列または直列に接続するが、実施形態２のマグネシウム空気電池は、直列に接続する。電池１個の出力電圧は１[Ｖ]付近であることが多く、電流は数十[Ａ]にもなることがある。このような場合、１０個を並列に接続すると数百[Ａ]で１[Ｖ]の出力となり、これを接続する部分の抵抗は数百分の１オームよりもはるかに小さな抵抗しか許されなくなるため、接触によって電気を取ることはむずかしい。直列接続にすることで、１０個で１０[Ｖ]となり、数十[Ａ]であれば、数分の１オームと、接触抵抗の条件を緩和させることができる。

0037

実施形態２のマグネシウム空気電池３００の概略構成を図７の斜視図（ａ）および側面断面図（ｂ）に示す。（ただし、接続端子２０５は後で詳細を説明するため省略している。）各構成要素は実施形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。マグネシウム空気電池３００は、マグネシウム空気電池２００を多数並べて配置する。このとき、各マグネシウム空気電池２００は、電池反応に空気を必要とすることから、カソード２０２の空気側に隙間を作るスペーサー３０１を備える。

0038

スペーサー３０１は、ある程度の厚みをもった枠状、あるいは桁状の形状を有し、カソード２０２どうしを近接して設置しても、電池反応に必要な空気を取り込む空間を確保することができる。スペーサー３０１によって得られる隙間の幅としては、数アンペア程度の場合は２〜３ｍｍあれば十分であることが実験により分かっている。図７に示したスペーサー３０１は、ところどころに矩形の空間があいた枠状の形状を示しているが、一例であり、これに限らない。

0039

電解液槽２０４は、図７（ｂ）に示すように、直列に接続された多数のマグネシウム空気電池２００で共有する１つを備える。ところで、電解液２０３は導電性であり、電解液２０３において隣同士の電池が接触すると漏電を起こし、直列接続を実現することができないように思える。マグネシウム空気電池３００は、実施形態１と同様に、電解液２０３にはカソード２０２は接することなく、電解液保持材２０１のみを含水させる。本発明の発明者は、電解液保持材２０１と、それに包まれたマグネシウム燃料体１００のみが同一の電解液２０３に浸かっていても漏電しないことを実験により見出した。このことから、多数の燃料を直列に接続してもそれぞれを電気的に遮蔽する構造を必要とせずに共通の電解液槽を１つ配置しただけの簡単な構造にすることができる。

0040

このとき、接続端子２０５による直列接続は、図８のようなものが考えられる。図８は、多数のマグネシウム空気電池を直列に接続し、上からみた概略構成を示す平面図である。それぞれ、接続端子２０５と、隣に配置したマグネシウム空気電池２００の導通板１０３とを導線３０２で接続して直列に接続する。両端に配置されたマグネシウム空気電池の接続端子２０５および導通板１０３は、外部と接続して電気を取り出す。導線を使用することで、電池どうしを密接させた配置にすることができ、全体をコンパクトにすることができる。

0041

また、マグネシウム空気電池３００は、図９の斜視概略図に示すような容器３０３に収容して使用することで電池の下部に配置された電解液２０３の液漏れを防ぐことができる。

0042

容器３０３は、ふたのついた箱状の形状を有する。電池反応には空気を要するため、容器３０３内の電解液保持材の近傍は通気性があり水を通さない構造を備える必要がある。容器３０３における電解液保持材２０１近辺の壁面の断面図を図１０に示す。容器３０３は、電解液保持材２０１近辺の内壁に、通気性があり水を通さない素材により形成されるフィルム３０４を備え、また、外壁には空気を取り込む通気孔３０５を備える。フィルム３０４は、例えばフッ化炭素樹脂などの素材が考えられる。通気孔３０５は、電池反応により発生する熱を冷却する空気を送る、あるいは吸引する空気の通り道となる穴である。図９には、小さな穴を複数あけたものを通気孔３０５として示しているが、形状は一例であり、これに限らない。マグネシウムの電池反応は発熱性であり、マグネシウム燃料１ｇ当たり、約２０[ｋＪ]の発熱がある。この熱により電解液が蒸発する場合、水の蒸発の潜熱は２．４[ｋＪ／ｇ]であるので、この発熱が水の蒸発に使われると、マグネシウム１ｇ当たり水８ｇが蒸発することとなる。これでは、非常に多くの水が必要となる。さらには、電解液は通常塩水なので、１０％濃度の塩水でも、蒸発により０．８ｇの塩が析出する。これを防ぐには、空冷により冷やす必要がある。この通気孔３０４を備えることにより、多数の電池を密集して接続したときに発生する熱を外部から空冷することができる。空冷は、例えばファンなどを用いて穴を通して風を送ることにより行なうことが考えられる。

0043

空冷に必要な装置に必要な性能について考えるために、具体的な数字を用いて説明する。電池反応による発熱を、２０[ｋＪ／ｇ]と仮定すると、１００ｇで２０００ｋＪが２時間で発生するとすれば、１０００[ｋＪ／ｈ]である。１ｍｍ厚のマグネシウム板が１２枚直列に接続されて１００ｇになっている場合には、マグネシウムの密度が１．７４［ｇ／ｃｍ３］とすると、１枚当たり４８ｃｍ２の面積を持つので、０．１８[Ａ／ｃｍ２]の時は、電池の出力は、０．１８［Ａ／ｃｍ２］×４８[ｃｍ２]×１２[Ｖ]で約１０３[Ｗ]に相当する。一方、空気は１[ｋＪ／ｋｇ／Ｋ]の比熱を持ち、密度は約1[ｋｇ／ｍ３]なので、５０度の温度差を想定すると、５０[ｋＪ／ｍ３]の冷却能力がある。ここで、空気流量をＸ[ｍ３／ｈ]とすると、
５０Ｘ[ｋＪ／ｈ]＝１０００[ｋＪ／ｈ] ・・・（１）
すなわち、１０００[ｋＪ／ｈ]の熱を排出するには、Ｘ＝２０[ｍ３／ｈ]が必要である。市販の小型ファンは８ｃｍ×８ｃｍ開口程度のもので、３２ＣＦＭ（Ｃｕｂｉｃ Ｆｅｅｔ ｐｅｒ ｍiｎ）＝５５[ｍ３／ｈ]の能力を持ち、消費電力は１２[Ｖ]×０．１[Ａ]＝１．２Ｗ程度であるので、このようなシステムには十分である。

0044

以上のようにして、簡単な構造により負極に形成される酸化被膜による電流の低下を抑制したマグネシウム燃料体、および、そのマグネシウム燃料体を備えるマグネシウム空気電池、を提供できる。

0045

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

0046

マグネシウム燃料体１００における切れ込み１０２は、実施形態１では２つとして説明したが、複数備えることで、マグネシウム薄板１０１のサイズを大きくしても、マグネシウム薄板１０１そのものが有する抵抗による電流値の低下の影響を少なくすることができる。

0047

また、図１１は、本発明のマグネシウム空気電池においてマグネシウム燃料体１００とカソード２０２で構成された一部を示す側面からみた断面図である。実施形態１，２では、マグネシウム燃料体１００は、電解液槽２０４に対して垂直に設置されるものとして説明したが、マグネシウム燃料体１００およびカソード２０２を水平あるいは電解液２０３の水面に対して傾けてもよい。図１１（ａ）はマグネシウム燃料体１００およびカソード２０２を垂直に設置した場合を示し、図１１（ｂ）は斜めに傾けた場合を示している。図１１（a）では、毛管現象により水が吸い上げられるが、重力が下向きにはたらくことから、ある時間内に水が到達する高さが制限されてくる。この高さは実用的な電池では、５−６ｃｍとなっている。そのため、使用できる反応面積に高さの制限が入るために、どうしても横方向が長くなってしまう。マグネシウム燃料体１００およびカソード２０２を水平あるいは電解液２０３の水面に対して傾けることで、（図１１（ｂ）参照）毛管現象による水の吸い上げの高さをそのままにしても、水が吸い上げられる距離が長くなり、マグネシウム燃料体１００における反応面積を大きくすることができる。これは、実験により、たとえば水平から３０度の角度にすると、高さ方向が６ｃｍであっても、反応部分の長さは１２ｃｍとなり、２倍の出力が得られることがわかっている。

0048

（実施形態３）
図１２は、実施形態３のマグネシウム燃料体１００の構成を示す斜視概略図である。マグネシウム燃料体１００は、実施形態１と同様に、マグネシウム薄板１０１と、導通板１０３と、で構成され、マグネシウム空気電池の燃料として機能する。導通板１０３は、図１２の矢印が示すようにマグネシウム薄板１０１が備える切れ込み１０２に挿入される。

0049

マグネシウム薄板１０１は、図１２に示すように、穿孔状の切れ込み１０２、を備える金属マグネシウムの薄板である。切れ込み１０２はマグネシウム薄板１０１を貫く穿孔であり、図２では円形状だが、形状は問わない。

0050

導通板１０３は、導電性を有する素材により形成され、柱状の形状、を有する。この柱状の形状の中身は、空洞あるいは管状、であってもよい。

0051

導通板１０３は、切れ込み１０２内に挿入した状態で圧縮されて使用される。図１３、図１４はこの様子を示したマグネシウム燃料体１００の断面図であり、導通板１０３を挿入している状態（図１３）、および圧縮後（図１４）、を示す。このとき、切れ込み１０２の内壁と、導通板１０３と、が導通板１０３の柱状の形状が圧縮され押し広げられることによって、しっかりと隙間なく密着する。本実施形態のマグネシウム燃料体１００は、この密着状態により、酸化被膜による抵抗がほとんどなく導通する。

0052

本実施形態のマグネシウム燃料体１００は、実施形態１，２に示したのと同様の方法でマグネシウム空気電池の燃料として使用することができる。これについては重複するため省略する。

0053

実施形態３のマグネシウム燃料体１００を使用して、電流[Ａ]と、２時間後に達成した電気容量[Ｗｈ]を調べた実験結果は、先述した実施形態１におけるマグネシウム燃料体１００の実験結果、すなわち、表１と同じであった。

0054

以上のようにして、簡単な構造により負極に形成される酸化被膜による電流の低下を抑制したマグネシウム燃料体、および、そのマグネシウム燃料体を備えるマグネシウム空気電池、を提供できる。

0055

１００マグネシウム燃料体
１０１マグネシウム薄板
１０２切れ込み
１０３導通板
２００、３００マグネシウム空気電池
２０１電解液保持材
２０２カソード
２０３電解液
２０４電解液槽
２０５接続端子
２０５ａ円管部
２０５ｂ 溝
３０１スペーサー
３０２導線
３０３容器
３０４フィルム
３０５ 通気孔