(57)【要約】【課題】長時間の連続稼動が可能な、安心安全な空気アルミニウム電池を提供する。【解決手段】空気極１２と、親水性シート１４と、上方毛細管部１３ａおよび下方毛細管部１３ｂを有する保水体１３と、アルミニウム極１１とが各々略垂直に積層一体化されてなる単セル１０を任意数積層したセルスタック１７と、その上方に設けられる給水タンク２０と、下方に設けられる廃水タンク２１とで、空気アルミニウム電池１５が構成される。給水タンクに収容される強酸性水または強アルカリ性水からなる電解液は、重力および毛細管現象により、上方毛細管部を介して保水体に連続的に供給される。電池反応の進行につれてアルミニウム極の表面で水酸化アルミニウムが生成するが、余剰分の電解液と共に廃液として、重力および毛細管現象により、下方毛細管部を介して保水体から排出されて廃水タンクに収容される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極とアルミニウム極との間に保水体を介在させて各々略垂直に積層一体化されてなる単セルが任意数積層されたセルスタックと、各単セルの保水体に強酸性水または強アルカリ性水からなる電解液を供給する給水手段とを有することを特徴とする空気アルミニウム電池。
【請求項２】
電解液がｐＨ２．０以下の強酸性水またはｐＨ１２．０以上の強アルカリ性水であることを特徴とする、請求項１記載の空気アルミニウム電池。
【請求項３】
給水手段が、セルスタックの上方に配置されて電解液を収容する給水タンクと、給水タンクに収容された電解液を重力および毛細管現象を利用して保水体に供給する上方毛細管部とを有することを特徴とする、請求項１または２記載の空気アルミニウム電池。
【請求項４】
さらに、余剰分の電解液と水酸化アルミニウムとを含む廃液を重力および毛細管現象を利用して保水体から排出させる下方毛細管部と、この下方毛細管部を介して排出される該廃液を収容するべくセルスタックの下方に配置される廃液タンクとを有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか記載の空気アルミニウム電池。
【請求項５】
空気極と保水体との間に親水性シートが介在されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか記載の空気アルミニウム電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気アルミニウム電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気アルミニウム電池は、空気中の酸素をアルミニウムで反応させることにより電力を発生させる電池である。すなわち、図１に示すように、空気アルミニウム電池１は、空気極２とアルミニウム極３の間に電解液４を介在させて構成されており、空気極２では下記（１）で示される反応が生じ、アルミニウム極３では下記（２）で示される反応が生じ、全体では下記（３）で示される反応が生じて、電気的エネルギーを得ることができる。
（１）３/４Ｏ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋３ｅ−→３ＯＨ−（（Ｅ０＝０．４Ｖ）
（２）Ａｌ＋３ＯＨ−→Ａｌ（ＯＨ）３＋３ｅ−（Ｅ０＝―２．３１Ｖ）
（３）４Ａｌ＋３Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ＝４Ａｌ（ＯＨ）３＋２．７１Ｖ
【０００３】
空気アルミニウム電池は、エネルギー密度が高い（リチウムの約８倍、マグネシウムの約２倍）こと、資源的に安価であり且つ安定的な供給が可能であること、小型軽量化が可能であるなどの利点を有することから、実用化に向けた開発が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２８２８５９号公報
【特許文献２】特開２００２―１８４４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アルミニウムはイオン化傾向が弱いため、従来の空気アルミニウム電池１では、電解液４として主に水酸化ナトリウムや水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ溶液が使用されているが、これらの強アルカリ溶液は人体や環境に対する影響が懸念され、また、アルミニウムの腐食を防止するためにアルミニウム極を鉛などでコーティングしなければならないことがさらに環境汚染を深刻化させるという問題があった。
【０００６】
また、これらを空気アルミニウム電池１の電解質４として使用すると、発電量は十分に得られるが、発電を続けていくとアルミニウム極３の表面に水酸化アルミニウムの被膜が形成され、長時間発電を持続させることができないという問題があった。
【０００７】
このような問題があることから、空気アルミニウム電池は、前述したような優位性を持つにもかかわらず、自動車用燃料電池などの用途には適しないものとされ、レドックスフロー電池などの定置型発電に用いられるにすぎないのが現状である。
【０００８】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、発電効率に優れると共に長時間発電を持続させることができる新規な構造の空気アルミニウム電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために様々な考察を重ねる中で、発明者は、前記特許文献３記載の方法により製造される強酸性水または強アルカリ性水を空気アルミニウム電池の電解質に使用することに着目した。この方法により製造される強酸性水・強アルカリ性水は、人の肌に触れても全く無害であり、刺激や臭気もほとんど無いので、その保管・運搬・取扱を安全に行うことができ、処理後の廃棄による環境汚染の問題も生じない。したがって、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの強アルカリ溶液を電解質に用いた場合の不利欠点を根本的に解消させることができる。この観点からさらに実験と検討を重ねた結果、リチウムやマグネシウムなどに比べるとイオン化傾向が弱いアルミニウムであっても、このような強酸性水・強アルカリ性水を電解質に用いると共にセル構造を工夫することによって、長時間安定して発電を持続することできることを知見して、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、請求項１に係る本発明は、空気極とアルミニウム極との間に保水体を介在させて各々略垂直に積層一体化されてなる単セルが任意数積層されたセルスタックと、各単セルの保水体に強酸性水または強アルカリ性水からなる電解液を供給する給水手段とを有することを特徴とする空気アルミニウム電池である。
【００１１】
請求項２に係る本発明は、請求項１記載の空気アルミニウム電池において、電解液がｐＨ２．０以下の強酸性水またはｐＨ１２．０以上の強アルカリ性水であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る本発明は、請求項１または２記載の空気アルミニウム電池において、給水手段が、セルスタックの上方に配置されて電解液を収容する給水タンクと、給水タンクに収容された電解液を重力および毛細管現象を利用して保水体に供給する上方毛細管部とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る本発明は、請求項１ないし３のいずれか記載の空気アルミニウム電池において、さらに、余剰分の電解液と水酸化アルミニウムとを含む廃液を重力および毛細管現象を利用して保水体から排出させる下方毛細管部と、この下方毛細管部を介して排出される該廃液を収容するべくセルスタックの下方に配置される廃液タンクとを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る本発明は、請求項１ないし４のいずれか記載の空気アルミニウム電池において、空気極と保水体との間に親水性シートが介在されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る本発明によれば、空気アルミニウム電池における電解液として、人体に無害で安全な強酸性水または強アルカリ性水を使用するので、その保管・運搬・取扱を安全に行うことができ、処理後の廃棄による環境汚染の問題も生じない。
【００１６】
また、強酸性水や強アルカリ性水は、従来の空気アルミニウム電池で電解液として用いられる水酸化ナトリウムや水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ溶液とは違って、アルミニウムを腐食させたり、保水体として用いられる不織布やフェルトなどの材料を溶解ないし劣化させることがないので、本発明の空気アルミニウム電池において電解液として好適に使用することができる。
【００１７】
また、本発明の空気アルミニウム電池は、各層を略垂直に積層させた構造体であるので、保水体への電解液の供給および保水体からの余剰分の電解液の排出を重力を利用してスムーズに行うことができると共に、アルミニウム極で生成する水酸化アルミニウムを前記余剰分の電解液と共にスムーズに排出することができるので、電池反応を長時間に亘って持続させることが可能である。
【００１８】
請求項２に係る本発明によれば、電解液としてｐＨ２．０以下の強酸性水またはｐＨ１２．０以上の強アルカリ性水を用いることにより、発電効率をさらに向上させることができる。
【００１９】
請求項３に係る本発明によれば、重力と共に毛細管現象を利用して、電解液を所望の速度で安定的且つ連続的に保水体に供給することができるので、発電効率をさらに向上させると共に、長時間の連続稼働を可能にする。
【００２０】
請求項４に係る本発明によれば、余剰分の電解液とアルミニウム極表面で生成した水酸化アルミニウムを、重力と共に毛細管現象を利用してよりスムーズに排出することができる。廃液中の水酸化アルミニウムからは既知の方法でアルミニウムを回収して再利用することができる。
【００２１】
請求項５に係る本発明によれば、カーボンシートなどによる親水性シートが、空気極から電子を受け取る集電体として働くと共に空気極から取り込まれる空気（酸素）を保水体に安定供給する役割を果たすだけでなく、その親水性によって、電解液を保水体に長時間保持させることを可能にし、これにより発電効率を高めると共に発電を長時間持続させる役割をも果たす。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】空気アルミニウム電池の基本構造を示す略図である。
【図２】本発明による空気アルミニウム電池の単セル構造を模式的に示す分解図である。
【図３】図２の単セルを複数個用いたセルスタックを有して構成される本発明による空気アルミニウム電池の全体構造を模式的に示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態による空気アルミニウム電池について、添付図２および図３を参照して説明する。
【００２４】
図２は、この空気アルミニウム電池を構成する単セルの基本構造を示す。この単セル１０は、アルミニウム極１１と、空気極１２と、これらの間に配置されて電解液を保持する保水体１３とが略垂直方向に積層一体化された構造を有する。
【００２５】
アルミニウム極１１は、より高い発電エネルギーを得るために可能な限り純度の高いアルミニウムを使用することが好ましく、たとえばＡ１０５０（９９．５％Ａｌ）やＡ１０８０（９９．８％Ａｌ）などを好適に用いることができる。
【００２６】
空気極１２は、従来の空気アルミニウム電池に用いられるニッケル、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、チタンなどの金属からなるものであって良いが、電解液に強酸性水を用いる場合は、より安定的に空気中の酸素を取り込むことができるように、たとえば開口径が２〜３ｍｍ程度のメッシュ構造を有するものを用いると良い。
【００２７】
保水体１３は、この空気アルミニウム電池の単セル１０において電解液を保持してアルミニウム極１１のアルミニウム板に安定的かつ継続的に電解液を供給するために重要な役割を果たすものであり、たとえば、その上下に毛細管部１３ａ，１３ｂを有するフェルトや不織布が好適に用いられる。保水体１３の本体と上下の毛細管部１３ａ，１３ｂとを異なる材料で形成しても良い。毛細管部１３ａ，１３ｂは、上方の毛細管部１３ａを下方の毛細管部１３ｂより上下方向に長く形成することが好ましい。
【００２８】
図２に示される単セル構造では、空気極１２と保水体１３との間に、カーボンシートなどの親水性シート１４を介在させている。親水性シート１４は、空気極１２から電子を受け取る集電体として働くと共に空気極１２から取り込まれる空気（酸素）を保水体１３に安定供給する役割を果たすだけでなく、その親水性によって、電解液を保水体１３に長時間保持させることを可能にし、これにより発電効率を高めると共に発電を長時間持続させる役割をも果たす。親水性シート１４を設けることは必須ではないが、保水時間は発電効率と発電時間に略比例するので、上記の作用を果たすものとして、単セル１０の一構成要素とすることが好ましい。
【００２９】
本発明の一実施形態による空気アルミニウム電池において電解液として使用する水は、好ましくはｐＨ２．０以下、より好ましくはｐＨ１．５以下、さらに好ましくはｐＨ１．０以下の強酸性水である。このような強酸性水は多量の水素イオン（Ｈ＋）を含有するので、空気極１２を介して供給される酸素と反応して生成される水酸化物イオン（Ｈ＋＋Ｏ２−→ＯＨ−）の量も多くなり、したがって前記反応（２）が活発に行われることにより、発電量が増大する。このような強酸性水は、たとえば、従来の電解水を凍結して濃縮することによって得ることができ、きわめて強い酸性を示すが人の肌に触れても全く無害であり、刺激や臭気もほとんど無いので、その保管・運搬・取扱を安全に行うことができ、処理後の廃棄による環境汚染の問題も生じない。また、本発明の単セル構造において、従来の空気アルミニウム電池と同様に水酸化ナトリウムや水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ溶液を用いると、フェルトや不織布などからなる保水体１３を溶解させてしまうが、強酸性水はこのような溶解能力を持たないので、本発明の空気アルミニウム電池の電解液として好適に用いることができる。
【００３０】
本発明の他実施形態による空気アルミニウム電池において電解液として使用する水は、好ましくはｐＨ１２．０以上、より好ましくはｐＨ１２．５以上、さらに好ましくはｐＨ１３．０以上の強アルカリ性水である。このような強アルカリ性水は多量の水酸化イオン（ＯＨ−）を含有するので、前記反応（２）が活発に行われることにより、発電量が増大する。このような強アルカリ性水は、たとえば、従来の電解水を凍結して濃縮することによって得ることができ、きわめて強いアルカリ性を示すが人の肌に触れても全く無害であり、刺激や臭気もほとんど無いので、その保管・運搬・取扱を安全に行うことができ、処理後の廃棄による環境汚染の問題も生じない。また、本発明の単セル構造において、従来の空気アルミニウム電池と同様に水酸化ナトリウムや水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ溶液を用いると、フェルトや不織布などからなる保水体１３を溶解させてしまうが、強アルカリ性水はこのような溶解能力を持たないので、本発明の空気アルミニウム電池の電解液として好適に用いることができる。
【００３１】
本発明の空気アルミニウム電池１５は、図３に示すように、図２の構造を有する単セル１０をセパレータ１６を介して複数積層されてなるセルスタック１７と、このセルスタック１７の上方に配置される電解液タンク１８と、セルスタック１７の下方に配置される廃水タンク１９とを有して構成される。電解液タンク１８に収容された電解液２０（強酸性水または強アルカリ性水）は、各単セル１０の保水体１３の上方毛細管部１３ａを介して保水体１３に供給され、保水体１３を電解液２０で湿潤させる。電解液タンク１８から上方毛細管部１３ａを介して保水体１３に供給される電解液２０の給水速度および給水量は、上方毛細管部１３ａの寸法（長さ、幅など）や材質を適宜に選択することにより調節可能であり、一例として、約４０〜６０秒に一滴の電解液２０が保水体１３に滴下されるようにすると好適な結果が得られた。
【００３２】
保水体１３に保持された電解液２０は、アルミニウム極１１のアルミニウム板に接しているので、既述したように、強酸性水の場合はそれが含有する多量の水素イオン（Ｈ＋）が酸素と反応して水酸化物イオン（ＯＨ−）を多量に生成させ、強アルカリ性水の場合はそれ自体が多量の水酸化物イオン（ＯＨ−）を含有するので、いずれの場合もアルミニウム極１１において前述の電池反応（２）が活発に行われる。
【００３３】
アルミニウム極１１における電池反応（２）によってアルミニウム極１１では水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）が生成されるが、本発明の空気アルミニウム電池１５が採用する単セル１０構造は保水体１３を含む各セル構成要素が略垂直に設けられているので、アルミニウム極１１で水酸化アルミニウムが生成されても、従来技術のようにアルミニウム極１１の表面に付着することなく、余剰分の電解液２０と共に廃液２１として、下方毛細管部１３ｂを介して廃水タンク１９に排出される。したがって、十分な量の電解液２０が保水体１３に保持されている限り、アルミニウム極１１における電池反応が長時間に亘って継続的に行われる。保水体１３の下方毛細管部１３ｂは、その寸法（長さ、幅など）および材質を適宜に選択することにより、保水体１３から余剰分の電解液２０を生成された水酸化アルミニウムと共に排出するときの速度および量を調節することができるが、保水体１３に十分な量の電解液２０を常に保持させるために、同一の材質であれば、上方毛細管部１３ａより短くおよび／または細く形成することが好ましい。
【００３４】
なお、廃水タンク１９に収容された廃液２１中の水酸化アルミニウムは、既知の方法で処理することによってアルミニウムを回収して再利用することができる。
【００３５】
（試験例１）
図２の単セル１０を下記のようにして作製した。この試験は、本発明による空気アルミニウム電池１５の作動原理を確認することを主眼として行ったので、保水体１３から延長する毛細管部１３ａ，１３ｂは割愛し、各層を水平にして空気極１２＼親水性シート１４＼保水体１３＼アルミニウム極１１の順に積層して構成した単セル１０についてバッチ方式での発電試験を行った。
アルミニウム極１１：Ａ１０５０（住友金属工業、純度９９．５％）、厚さ０．２ｍｍ、横５０ｍｍ×縦１２０ｍｍ
空気極１２：ＳＵＳ（メッシュタイプ）、厚さ１．０ｍｍ、横５０ｍｍ×縦１２０ｍｍ
保水体１３：不織布（日本製紙）、厚さ０．５ｍｍ、横５０ｍｍ×縦１２０ｍｍ
親水性シート１４：カーボンシート（東海カーボン）、厚さ１．０ｍｍ、横５０ｍｍ×縦１２０ｍｍ
【００３６】
この単セル１０の保水体１３に、ｐＨの異なる各種の酸性水およびアルカリ性水を湿潤させ、アルミニウム極１１のアルミニウム板に密接させたところ、次の表１（酸性水の場合）および表２（アルカリ性水の場合）に示す結果が得られた。
【００３７】
【表１】
2016139543.tif 000003
【００３８】
【表２】
2016139543.tif 000004
【００３９】
この結果に示されるように、より強い酸性を示す酸性水またはより強いアルカリ性を示すアルカリ性水を電解液に用いるほど活発な発電反応が行われることが確認され、特に、酸性水の場合は、好ましくはｐＨ２．０以下、より好ましくはｐＨ１．５またはそれ以下、さらに好ましくはｐＨ１．０またはそれ以下のような強酸性水、アルカリ性水の場合は、好ましくはｐＨ１２．０以上、より好ましくはｐＨ１２．５またはそれ以上、さらに好ましくはｐＨ１３．０またはそれ以上のような強アルカリ性水を、図２の単セル構造において電解液２０として用いると良いことが確認された。
【００４０】
ただし、この水平積層構造では、保水体１３が保持できる電解液の量が制限され、且つ、従来技術に関連して既述したように、発電反応の進行によりアルミニウム極１１の表面に水酸化アルミニウムの被膜が形成されてしまうため、長時間発電を継続することができないものであった。
【００４１】
（試験例２）
次に、これら各層を垂直に配して積層一体化させることにより図２の単セル構造とし、図３に示すように、その上方に設けた給水タンク１８に約  リットルの電解液２０を入れ、これを上方毛細管部１３ａを介して重力および毛細管現象を利用して滴下させることにより保水体１３に供給すると共に、下方に廃水タンク１９を設けて、余剰分の電解液２０を、アルミニウム極１１で生成された水酸化アルミニウムと共に廃液２１として、下方毛細管部１３ｂを介して重力および毛細管現象を利用して滴下させることにより廃水タンク１９に回収する構成を採用した。これは、本発明によるアルミニウム空気電池１５が１個の単セル１０から構成される最もシンプルな実施例である。各層の材料は前述の試験例で用いたものと同じにして継続的に電池反応を行ったところ、次の表３（酸性水の場合）および表４（アルカリ性水の場合）に示す結果が得られた。
【００４２】
【表３】
2016139543.tif 000005
【００４３】
【表４】
2016139543.tif 000006
【００４４】
（試験例３）
保水体１３として不織布に代えて厚さ１．０ｍｍで同寸のＰＰフェルト（タニムラ）を用いたほかは、試験例２と同様にして継続的に電池反応を行ったところ、次の表５（酸性水の場合）および表６（アルカリ性水の場合）に示す結果が得られた。
【００４５】
【表５】
2016139543.tif 000007
【００４６】
【表６】
2016139543.tif 000008
【００４７】
これら表３ないし表６に示す結果から明らかなように、試験例１の水平積層構造による場合と比べて、試験例２および試験例３の垂直積層構造を採用することにより、さらに活発な電池反応が行われることが分かった。これは、電解液２０を上方毛細管部１３ａを介して重力および毛細管現象を利用して滴下させる構造により電解液２０を適切な速度で間断なく連続的に保水体１３に供給することができ、且つ、保水体１３が電池反応に必要な量の電解液２０を保持する役割を果たしているためであると推測される。また、試験例２と試験例３との比較から、保水体１３の材質は、不織布よりも、保水性能に優れるフェルトがより好適であることが分かった。
【００４８】
また、試験例２，３では給水タンク１８に約  リットルの電解液２０を入れて保水体１３を湿潤させることとしたため、給水タンク１８内の電解液２０をすべて消費した時点で、発電が停止した（試験例２の場合は約２時間後、試験例３の場合は約１２時間後）が、その間は継続して安定した発電が行われた。また、発電停止後に、再度給水タンク１８に電解液２０を補充したところ、数分後（電解液２０の供給がストップして乾燥してしまった保水体１３が十分に湿潤するまでに必要な時間であると推測される）には発電を再開し、安定した発電が継続した。これは、上述したように、所定の速度で連続的に供給される電解液２０を受けて十分量を保持する保水体１３の作用によると共に、アルミニウム極１１の表面で水酸化アルミニウムが生成しても該表面に付着することなく、余剰分の電解液２０と共に落下し、保水体１３の下方毛細管部１３ｂを介して廃液２１として廃水タンク１９に収容されることが大きく寄与しているものと推測される。
【００４９】
なお、保水体１３として不織布を用いた試験例２より、保水体１３としてＰＰフェルトを用いた試験例３の方が数倍の長時間連続稼動を実現できたのは、平面的な不織布より編み込みで立体的なポーラス構造体とされるフェルトの方が、保水能力がそもそも大きいことに加えて、電池反応時の発熱の影響によっても蒸発しにくく温度上昇も抑えられることや、親水性である不織布より疎水性であるフェルトの方が水酸化アルミニウムを余剰分の電解液２０と共にスムーズに排出させる作用が大きいことなどに起因するものと推測される。
【００５０】
以上の試験結果およびこれに基づく考察から、保水体１３として最適な材料を選択すると共に、上方毛細管部１３ａの寸法設定などを通じて最適な速度で電解液２０を供給し続け、下方毛細管部１３ｂの寸法設定などを通じて最適な速度で水酸化アルミニウムを含む廃液２１を排出させるように装置設計すれば、アルミニウム極１１のアルミニウム個体が完全に消費され尽くすまで、発電を持続することができるものと推認される。
【００５１】
なお、アルミニウム極１１に用いるアルミニウム板の表面積をｍ倍にすると発電される電圧は変わらないが電流がｍ倍になり、アルミニウム板の枚数をｎ倍にすると電流は変わらないが電圧がｎ倍になる。これを任意に組み合わせることにより、本発明の空気アルミニウム電池による発電能力を用途などに応じて適宜に設定することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  空気アルミニウム電池
２  空気極
３  アルミニウム極
４  電解液（強アルカリ溶液）
１０  単セル
１１  アルミニウム極
１２  空気極
１３  保水体（不織布、フェルト）
１３ａ  上方毛細管部
１３ｂ  下方毛細管部
１４  親水性シート（カーボンシート）
１５  空気アルミニウム電池
１６  セパレータ
１７  セルスタック
１８  給水タンク
１９  廃水タンク
２０  電解液（強酸性水または強アルカリ性水）
２１  廃液
【図１】
2016139543.tif 000009
【図２】
2016139543.tif 000010
【図３】
2016139543.tif 000011