(57)【要約】【課題】  電解質の劣化や負極の腐食に対処可能であり、放電で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。【選択図】  図１
2020047362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【発明の詳細な説明】
【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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１０５３５６号公報
【発明の概要】
【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、負極から負極泥を生じ、電解質が劣化するとともに、負極が酸化反応で腐食する。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】
【図１】実施形態１の金属空気電池の構成図である。
【図２】実施形態２の金属空気電池の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【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、金属層と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。
【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の粒子が集合して、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。
【符号の説明】
【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
【図１】
2020047362.tif 000003
【図２】
2020047362.tif 000004