JP2026008382A - Zinc fuel, zinc fuel manufacturing method, zinc fuel cell, and zinc fuel regeneration system - Google Patents

Zinc fuel, zinc fuel manufacturing method, zinc fuel cell, and zinc fuel regeneration system

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JP2026008382A JP2024109029A JP2024109029A JP2026008382A JP 2026008382 A JP2026008382 A JP 2026008382A JP 2024109029 A JP2024109029 A JP 2024109029A JP 2024109029 A JP2024109029 A JP 2024109029A JP 2026008382 A JP2026008382 A JP 2026008382A
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Abstract

【課題】酸化亜鉛の再生により製造でき、取り扱いや保管が容易で、且つ、集電体とのコンタクトを確保しやすい亜鉛燃料およびその製造方法を提案する。
【解決手段】亜鉛燃料2は、表面が集電体5により形成される粒状の支持体3と、支持体3の表面を覆う負極活物質層4を有する。負極活物質層4は、支持体3の表面に析出した亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶により形成される生成亜鉛層であり、デンドライト状結晶の一部が潰れて緻密化され、潰れたデンドライト状結晶の間に空隙を備える。亜鉛燃料2の製造は、少なくとも表面が集電体により形成される粒状の支持体3をバレル54に入れて、電解液中で回転させながら、酸化亜鉛の電気分解により支持体3の表面に亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶を析出させる方法により行う。
【選択図】図3

The present invention proposes a zinc fuel that can be produced by regenerating zinc oxide, is easy to handle and store, and easily ensures contact with a current collector, as well as a method for producing the same.
[Solution] The zinc fuel 2 has a granular support 3 whose surface is formed by a current collector 5, and an anode active material layer 4 covering the surface of the support 3. The anode active material layer 4 is a zinc layer formed by dendritic crystals of zinc or zinc alloy precipitated on the surface of the support 3, with some of the dendritic crystals crushed and densified, and gaps formed between the crushed dendritic crystals. The zinc fuel 2 is produced by placing the granular support 3, at least the surface of which is formed by a current collector, in a barrel 54, and rotating it in an electrolyte while electrolyzing zinc oxide to precipitate dendritic crystals of zinc or zinc alloy on the surface of the support 3.
[Selected Figure] Figure 3

Description

本発明は、亜鉛燃料およびその製造方法、亜鉛燃料電池、ならびに亜鉛燃料再生システムに関する。 The present invention relates to a zinc fuel and its manufacturing method, a zinc fuel cell, and a zinc fuel regeneration system.

再生可能エネルギーの利用が推奨される中で、不安定な再生可能エネルギーを一時的にストックする蓄電技術が注目されている。例えば、リチウムイオン電池が用いられているが、リチウムイオン電池は、その流通量の増加や大規模化に伴って、故障した際の二次災害の危険性が問題となっている。 As the use of renewable energy is encouraged, attention is being paid to energy storage technologies that temporarily store unstable renewable energy. For example, lithium-ion batteries are used, but as the distribution volume of lithium-ion batteries increases and they become larger in scale, the risk of secondary disasters in the event of a breakdown becomes an issue.

電解液中での金属の化学反応により電力を取り出す電池としては、各種の金属を使用するものがあるが、高いエネルギー密度を有する電池として、空気亜鉛電池が知られている。空気亜鉛電池は、正極活物質として大気中の酸素を用いるため、容器内に正極活物質を搭載する必要がない。しかしながら、空気亜鉛電池として一般的に流通しているものは一次電池であり、空気亜鉛電池を充電可能にする技術は開発されていない。そのため、蓄電システムとして用いることは難しい。 Batteries that generate electricity through chemical reactions of metals in an electrolyte include those that use a variety of metals, but zinc-air batteries are known for their high energy density. Because zinc-air batteries use oxygen from the atmosphere as the positive electrode active material, there is no need to mount the positive electrode active material inside the container. However, the zinc-air batteries commonly available are primary batteries, and no technology has been developed to make them rechargeable. This makes them difficult to use as energy storage systems.

蓄電システムの電池として空気亜鉛電池を利用するための方法として、空気亜鉛電池を充電する代わりに、外部から新たに負極活物質である亜鉛を供給する方式が提案されている。例えば、特許文献1には、亜鉛スラリー貯留槽と負極集電体とを流路により接続した亜鉛スラリー負極システムを備えるフロー式空気亜鉛電池が記載される。また、特許文献2には、負極に金属亜鉛粉末を貯蔵する貯蔵部位および供給口を設けたメカニカルチャージ方式の空気亜鉛電池が記載される。 As a method for using air-zinc batteries as batteries in power storage systems, a method has been proposed in which, instead of charging the air-zinc battery, zinc is newly supplied as the negative electrode active material from an external source. For example, Patent Document 1 describes a flow-type air-zinc battery equipped with a zinc slurry negative electrode system in which a zinc slurry storage tank and a negative electrode current collector are connected by a flow path. Furthermore, Patent Document 2 describes a mechanical charging-type air-zinc battery in which the negative electrode is equipped with a storage area for storing metallic zinc powder and a supply port.

特許文献1に記載のフロー式空気亜鉛電池は、亜鉛スラリーの供給に用いるポンプなどの付帯設備が大きく、小型化が困難である。一方、メカニカルチャージ方式は、金属亜鉛粉末の供給に付帯設備は不要であり、また、貯蔵部位のサイズは任意のサイズに設計できるため小型化が可能であり、実用的である。 The flow-type zinc-air battery described in Patent Document 1 requires large auxiliary equipment, such as a pump, to supply zinc slurry, making it difficult to miniaturize. On the other hand, the mechanical charging system does not require auxiliary equipment to supply metallic zinc powder, and the storage area can be designed to any size, making it possible to miniaturize it and making it practical.

以下の説明において、特許文献1、2のように、負極活物質である亜鉛を電池にパッケージ化せずに外部から供給できるようにした方式の電池を亜鉛燃料電池と呼ぶ。メカニカルチャージ方式の亜鉛燃料電池を利用する場合に、再生可能エネルギーの利用という観点からは、電池の放電により生成した酸化亜鉛を亜鉛燃料として再生して、再利用することが期待される。 In the following description, a battery that uses a system in which zinc, the negative electrode active material, is not packaged in the battery but can be supplied externally, as in Patent Documents 1 and 2, is referred to as a zinc fuel cell. When using a mechanical charging type zinc fuel cell, from the perspective of utilizing renewable energy, it is expected that the zinc oxide produced by discharging the battery can be regenerated and reused as zinc fuel.

特許第6290509号公報Patent No. 6290509 特許第6716308号公報Patent No. 6716308

負極活物質として亜鉛を用いる電池の放電反応により生成した酸化亜鉛を、亜鉛燃料の再生に利用する方法として、電気分解による酸化亜鉛の還元反応によって亜鉛を析出させる方法があるが、このとき亜鉛のデンドライト状結晶が生じる。しかしながら、デンドライト状結晶は脆いため、取り扱いが困難である。また、デンドライト状結晶は比表面積が
非常に大きいため、大気中で保管すると自然酸化しやすく、酸化熱による発火のおそれがある。
One method for utilizing zinc oxide produced by the discharge reaction of batteries using zinc as the negative electrode active material to regenerate zinc fuel is to precipitate zinc through a reduction reaction of zinc oxide by electrolysis. However, dendritic zinc crystals are difficult to handle due to their fragility. Furthermore, because the specific surface area of dendritic crystals is very large, they are prone to spontaneous oxidation when stored in the air, which can pose a risk of fire due to oxidation heat.

また、メカニカルチャージ方式の亜鉛燃料電池においては、外部から供給される亜鉛燃料は、負極に配置される集電体との電気的なコンタクトを確保できるようにする必要がある。例えば、特許文献2では、金属亜鉛粉末を入れる貯蔵部位の底面に集電体を配置している。しかしながら、集電体と接触できるのは底面に接触した粉末のみである。従って、集電体との電気的なコンタクトが不十分になるおそれがある。 Furthermore, in mechanical charging zinc fuel cells, the zinc fuel supplied from an external source must be able to ensure electrical contact with the current collector placed on the negative electrode. For example, in Patent Document 2, a current collector is placed on the bottom surface of a storage area where metallic zinc powder is placed. However, only the powder in contact with the bottom surface can come into contact with the current collector. Therefore, there is a risk of insufficient electrical contact with the current collector.

以上を鑑みて、本発明の課題は、酸化亜鉛から効率的に製造でき、取り扱いや保管、電池への再充填が容易で、且つ、集電体とのコンタクトを確保しやすい亜鉛燃料およびその製造方法、ならびに亜鉛燃料製造装置および亜鉛燃料再生システムを提案することにある。 In light of the above, the objective of the present invention is to provide a zinc fuel that can be efficiently produced from zinc oxide, is easy to handle, store, and refill into batteries, and ensures good contact with the current collector, a method for producing the same, a zinc fuel production device, and a zinc fuel regeneration system.

上記課題を解決するために、本発明に係る亜鉛燃料の一態様は、少なくとも表面が導電性の集電体により形成される粒状の支持体と、前記支持体の表面を覆う負極活物質層と、を有し、前記負極活物質層は、前記支持体の表面に析出した亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶により形成される生成亜鉛層であり、前記生成亜鉛層は、前記デンドライト状結晶の少なくとも一部が潰れて緻密化されており、且つ、潰れた前記デンドライト状結晶の間に空隙を備えていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, one embodiment of the zinc fuel according to the present invention comprises a granular support, at least the surface of which is formed from a conductive current collector, and a negative electrode active material layer covering the surface of the support, wherein the negative electrode active material layer is a zinc layer formed from dendritic crystals of zinc or zinc alloy precipitated on the surface of the support, and the zinc layer is characterized in that at least some of the dendritic crystals are crushed and densified, and that voids are present between the crushed dendritic crystals.

また、本発明に係る亜鉛燃料の製造方法の一態様は、少なくとも表面が導電性の集電体により形成される粒状の支持体と、前記支持体の表面を覆う負極活物質層と、を有する亜鉛燃料の製造方法であって、酸化亜鉛を含有する電解液に前記支持体を入れたバレルを浸漬して、前記バレルを回転させながら、前記酸化亜鉛を還元させて前記支持体の表面に亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶を析出させることにより生成亜鉛層を形成し、前記バレルの回転によって前記支持体をバレル内で転がすことにより、前記デンドライト状結晶の少なくとも一部を潰して緻密化することを特徴とする。 Another aspect of the method for producing zinc fuel according to the present invention is a method for producing zinc fuel having a granular support, at least the surface of which is formed by a conductive current collector, and a negative electrode active material layer covering the surface of the support, characterized in that a barrel containing the support is immersed in an electrolyte containing zinc oxide, and while rotating the barrel, the zinc oxide is reduced to precipitate dendritic crystals of zinc or a zinc alloy on the surface of the support, thereby forming a zinc layer, and the support is rolled within the barrel by rotating the barrel, thereby crushing at least a portion of the dendritic crystals and densifying them.

本発明に係る亜鉛燃料およびその製造方法は、集電体の表面に亜鉛のデンドライト状結晶を析出させて生成亜鉛層を形成する。従って、亜鉛と集電体との電気的なコンタクトを確保することができる。また、生成亜鉛層は、緻密化により結晶の密度が高まり脱落しにくくなっているので、亜鉛燃料の取り扱いや保管、および亜鉛燃料電池へのチャージが容易である。また、結晶の間に空隙が残る程度に緻密化させているので、電解液との接触面積を確保でき、反応性が高いという利点もある。さらに、生成亜鉛層の形成および緻密化は、粒状の支持体をバレルに入れて電解液中で回転させながら酸化亜鉛を還元させることによって行うことができる。従って、めっき処理の手法および装置を用いて、亜鉛燃料を効率的に製造することができる。 The zinc fuel and its manufacturing method according to the present invention form a zinc layer by precipitating zinc dendritic crystals on the surface of a current collector. This ensures electrical contact between the zinc and the current collector. Furthermore, the zinc layer is densified, increasing the crystal density and making it less likely to fall off, making the zinc fuel easy to handle, store, and charge into a zinc fuel cell. Furthermore, because the crystals are densified to the extent that voids remain between them, a sufficient contact area with the electrolyte is ensured, which also has the advantage of high reactivity. Furthermore, the zinc layer can be formed and densified by placing a granular support in a barrel and rotating it in the electrolyte while reducing zinc oxide. Therefore, zinc fuel can be efficiently manufactured using plating techniques and equipment.

なお、集電体は、少なくとも支持体の表面に設けられていればよい。従って、支持体は、各種の金属や、樹脂素材を基材として製造することが可能であり、基材の表面にめっき処理によって集電体の層を設けた構成であってもよい。基材として樹脂素材を用いる場合は、無電解めっきにより表面に集電体の層を設けることができる。 The current collector only needs to be provided on the surface of the support. Therefore, the support can be manufactured using various metals or resin materials as the base material, and the surface of the base material can be provided with a current collector layer by plating. When using a resin material as the base material, the current collector layer can be provided on the surface by electroless plating.

本発明に係る亜鉛燃料において、前記集電体は、銅、錫、鉛、インジウム、およびビスマスのうちの少なくともいずれかの金属からなることが好ましい。あるいは、これらの金属の合金であってもよい。これらの金属は、水素発生過電圧が大きく、亜鉛と同等である。従って、負極における亜鉛の水素発生型溶解反応を抑制することができ、自己放電反応の進行による電池の容量低下を抑制できる。また、これらの金属は、アルカリへの耐腐食
性が高い。従って、電解液としてアルカリ電解液を使用し、支持体を金属により構成した場合に、支持体の腐食を抑制することができる。
In the zinc fuel according to the present invention, the current collector is preferably made of at least one of copper, tin, lead, indium, and bismuth. Alternatively, it may be an alloy of these metals. These metals have a high hydrogen generation overvoltage, comparable to that of zinc. Therefore, the hydrogen generation dissolution reaction of zinc at the negative electrode can be suppressed, and the decrease in battery capacity due to the progression of the self-discharge reaction can be suppressed. Furthermore, these metals have high corrosion resistance to alkalis. Therefore, when an alkaline electrolyte is used as the electrolyte and the support is made of metal, corrosion of the support can be suppressed.

本発明に係る亜鉛燃料において、全重量に対する前記負極活物質層の重量割合は、10%以上であることが好ましい。ここで、負極活物質層の重量割合は、20%以上であればより好ましく、50%以上であればさらに好ましい。デンドライト状結晶を成長させる製造方法により、多くの亜鉛を担持させて、取り出せる電気量を大きくすることができる。従って、電気エネルギーを亜鉛の形態で蓄積する蓄電システムとして用いるのに適している。 In the zinc fuel according to the present invention, the weight ratio of the negative electrode active material layer to the total weight is preferably 10% or more. Here, the weight ratio of the negative electrode active material layer is more preferably 20% or more, and even more preferably 50% or more. By using a manufacturing method that grows dendritic crystals, it is possible to support a large amount of zinc and increase the amount of electricity that can be extracted. Therefore, it is suitable for use as an electricity storage system that stores electrical energy in the form of zinc.

本発明に係る亜鉛燃料において、前記負極活物質層は、亜鉛合金であり、銅、錫、インジウム、およびビスマスのいずれかを含有することが好ましい。上記のように、これらの金属を用いることにより、水素の発生を抑制でき、自己放電反応の進行による電池の容量低下を抑制できる。 In the zinc fuel according to the present invention, the negative electrode active material layer is preferably a zinc alloy containing copper, tin, indium, or bismuth. As described above, the use of these metals can suppress hydrogen generation and reduce the decrease in battery capacity due to the progression of the self-discharge reaction.

本発明に係る亜鉛燃料において、前記支持体は、球体であることが好ましい。また、前記支持体は、最も長い部分の寸法が10mm以下であることが好ましい。球体であれば、バレル内で転がりやすいので、生成亜鉛層が均等に緻密化される。従って、支持体の表面全体に均質な負極活物質層を設けることができる。また、支持体のサイズを小さくすることにより、負極活物質層の重量割合を大きくすることができる。さらに、亜鉛燃料のサイズを小型化できるので、亜鉛燃料電池の小型化に適している。 In the zinc fuel of the present invention, the support is preferably a sphere. Furthermore, it is preferable that the longest dimension of the support be 10 mm or less. A sphere rolls easily inside the barrel, allowing the resulting zinc layer to be uniformly densified. Therefore, a homogeneous negative electrode active material layer can be formed over the entire surface of the support. Furthermore, by reducing the size of the support, the weight proportion of the negative electrode active material layer can be increased. Furthermore, since the size of the zinc fuel can be reduced, it is suitable for miniaturizing zinc fuel cells.

本発明に係る亜鉛燃料の製造方法において、前記電解液は、アルカリ水溶液であることが好ましい。アルカリ性の電解液を用いることにより、酸化亜鉛の還元反応によるデンドライト状結晶の生成速度を高めることができる。 In the zinc fuel production method according to the present invention, the electrolyte is preferably an alkaline aqueous solution. Using an alkaline electrolyte can increase the rate at which dendritic crystals are produced by the reduction reaction of zinc oxide.

本発明に係る亜鉛燃料の製造方法において、前記電解液は、レベリング材が添加されていることが好ましい。このようにすると、生成亜鉛層の凹凸を緩和することができる。 In the zinc fuel manufacturing method according to the present invention, it is preferable that a leveling material be added to the electrolyte. This can reduce the unevenness of the resulting zinc layer.

このような亜鉛燃料を使用するために、本発明に係る亜鉛燃料電池の一態様は、電解液槽と、前記電解液槽に配置される負極および正極と、を有し、前記負極に、粒状の支持体の表面が負極活物質層により覆われている亜鉛燃料を貯留する亜鉛燃料貯留部が設けられ、前記亜鉛燃料貯留部の下方に配置される支持体回収部と、前記亜鉛燃料貯留部と前記支持体回収部とを区画する仕切り部と、を備え、前記仕切り部には、前記支持体は通過でき、前記亜鉛燃料は通過できない通過部が設けられていることを特徴とする。 In order to use such zinc fuel, one embodiment of the zinc fuel cell according to the present invention has an electrolyte tank, an anode and a cathode placed in the electrolyte tank, and the anode is provided with a zinc fuel storage section for storing zinc fuel in which the surface of a granular support is covered with a layer of anode active material; a support recovery section placed below the zinc fuel storage section; and a partition section separating the zinc fuel storage section from the support recovery section, and the partition section is provided with a passage section through which the support can pass but the zinc fuel cannot.

このようにすると、亜鉛燃料貯留部に供給された亜鉛燃料は、放電により負極活物質層が消費されたとき、残った支持体が通過部を通過して支持体回収部に落下する。従って、支持体を亜鉛燃料から効率的に分離回収することができるので、亜鉛燃料の再生を効率的に行うことができる。 In this way, when the zinc fuel supplied to the zinc fuel storage section consumes the negative electrode active material layer through discharge, the remaining support passes through the passage section and falls into the support recovery section. Therefore, the support can be efficiently separated and recovered from the zinc fuel, allowing for efficient regeneration of the zinc fuel.

この場合に、前記支持体回収部から前記支持体を取り出すための取り出し部を備えることが好ましい。これにより、支持体の分離回収、および、亜鉛燃料の再生をさらに効率的に行うことができる。また、前記正極は、空気極であることが好ましい。これにより、正極活物質の補充が不要となる。 In this case, it is preferable to provide a removal section for removing the support from the support recovery section. This allows for more efficient separation and recovery of the support and regeneration of the zinc fuel. It is also preferable that the positive electrode is an air electrode. This eliminates the need to replenish the positive electrode active material.

次に、本発明に係る亜鉛燃料再生システムの一態様は、電解液槽および前記電解液槽に配置される負極および正極を備える亜鉛燃料電池と、亜鉛燃料製造装置と、を備える亜鉛燃料再生システムであって、前記亜鉛燃料電池は、前記負極に、前記亜鉛燃料製造装置によって製造される亜鉛燃料を外部から供給可能な亜鉛燃料貯留部が設けられ、前記亜鉛燃
料製造装置は、酸化亜鉛を含有する電解液が供給される亜鉛析出槽を備え、前記亜鉛析出槽には、アノード極およびカソード極が設けられ、前記カソード極には、少なくとも表面が導電性の集電体により形成される粒状の支持体が供給されるバレルが配置されることを特徴とする。
Next, one aspect of the zinc fuel regeneration system of the present invention is a zinc fuel regeneration system comprising a zinc fuel cell having an electrolyte tank and an anode and a cathode placed in the electrolyte tank, and a zinc fuel production device, wherein the zinc fuel cell has a zinc fuel storage section at the anode that can supply zinc fuel produced by the zinc fuel production device from the outside, and the zinc fuel production device has a zinc deposition tank to which an electrolyte containing zinc oxide is supplied, and the zinc deposition tank is provided with an anode and a cathode, and the cathode is provided with a barrel to which a granular support material is supplied, the support material having at least a surface formed by a conductive current collector.

このように、メカニカルチャージ方式の亜鉛燃料電池と、放電によって生成される酸化亜鉛を含有する電解液から電気分解によって亜鉛燃料を製造することが可能な亜鉛燃料製造装置とを組み合わせることによって、亜鉛をエネルギー媒体としたエネルギー循環システムを構築することができる。また、製造される亜鉛燃料は、取り扱いや保管、および亜鉛燃料電池への投入が容易であるとともに、亜鉛と集電体とのコンタクトを確保でき、電解液中で反応性が高い。さらに、バレルめっき処理の方法および設備を利用して効率的に製造することができる。従って、亜鉛をエネルギー媒体としたエネルギー循環を効率的に行うことができる。 In this way, by combining a mechanical charging zinc fuel cell with a zinc fuel production device that can produce zinc fuel through electrolysis from an electrolyte containing zinc oxide generated by discharge, it is possible to create an energy circulation system that uses zinc as an energy carrier. Furthermore, the produced zinc fuel is easy to handle, store, and add to the zinc fuel cell, ensures contact between the zinc and the current collector, and is highly reactive in the electrolyte. Furthermore, it can be produced efficiently using barrel plating methods and equipment. Therefore, energy circulation using zinc as an energy carrier can be carried out efficiently.

本発明によれば、酸化亜鉛から容易に製造でき、取り扱いや保管、電池への再充填が容易で、且つ、集電体とのコンタクトを確保しやすい亜鉛燃料およびその製造方法を提供できる。また、亜鉛燃料の再生を効率化することができ、亜鉛をエネルギー媒体としたエネルギー循環を効率的に行うことができる。 The present invention provides a zinc fuel and a method for producing the same that can be easily produced from zinc oxide, is easy to handle, store, and refill into batteries, and ensures good contact with the current collector. Furthermore, the zinc fuel can be efficiently regenerated, enabling efficient energy circulation using zinc as an energy carrier.

亜鉛燃料再生システムを模式的に示すシステム構成図である。FIG. 1 is a system configuration diagram that schematically illustrates a zinc fuel regeneration system. 亜鉛燃料を模式的に示す側面図および断面図と、支持体の回収方法の説明図である。1A and 1B are a side view and a cross-sectional view showing a zinc fuel and an explanatory diagram of a method for recovering the support. 亜鉛燃料製造装置を模式的に示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a zinc fuel production apparatus. 緻密化された生成亜鉛層、および、亜鉛スラリーの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。1 is a scanning electron microscope (SEM) image of the resulting densified zinc layer and the zinc slurry. 放電試験に用いる空気電池セルの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an air battery cell used in a discharge test. 試験体の構成および試験結果を示す一覧表である。1 is a table showing the configuration of the test specimen and the test results.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は、亜鉛燃料を空気亜鉛電池に投入して電気を供給する形態である。なお、本発明に係る亜鉛燃料を投入して電気を供給する亜鉛燃料電池は、空気亜鉛電池に限定されない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The embodiments described below are in a form in which zinc fuel is fed into a zinc-air battery to supply electricity. Note that the zinc fuel cell according to the present invention, which supplies electricity by feeding zinc fuel into it, is not limited to zinc-air batteries.

(亜鉛燃料再生システム)
図1は、亜鉛燃料再生システム1を模式的に示すシステム構成図である。亜鉛燃料再生システム1は、亜鉛燃料電池10と、亜鉛燃料製造装置50を備える。亜鉛燃料再生システム1では、亜鉛燃料電池10において放電反応により生成された酸化亜鉛を、亜鉛燃料製造装置50において電気分解により亜鉛燃料2として再生する。亜鉛燃料2は、大気中での保管が可能であり、必要に応じて亜鉛燃料電池10に供給される。従って、亜鉛燃料再生システム1は、亜鉛をエネルギー媒体とするエネルギー循環システムである。
(Zinc fuel regeneration system)
Fig. 1 is a system configuration diagram that schematically shows a zinc fuel regeneration system 1. The zinc fuel regeneration system 1 comprises a zinc fuel cell 10 and a zinc fuel production device 50. In the zinc fuel regeneration system 1, zinc oxide produced by a discharge reaction in the zinc fuel cell 10 is regenerated as zinc fuel 2 by electrolysis in the zinc fuel production device 50. The zinc fuel 2 can be stored in the atmosphere and is supplied to the zinc fuel cell 10 as needed. Therefore, the zinc fuel regeneration system 1 is an energy circulation system that uses zinc as an energy medium.

(亜鉛燃料電池)
図1には、亜鉛燃料電池10の構成例を模式的に示す。亜鉛燃料電池10は、外部から亜鉛燃料2を補充可能な亜鉛燃料貯留部11を備える。亜鉛燃料電池10は、負極12と、正極13と、電解液槽14を備える。正極13は正極端子に接続される正極集電体を備える。負極12は負極端子に接続される負極集電体を備える。正極13は空気極である。正極13は、例えば、電解液槽14の側面に設けることができる。なお、亜鉛燃料電池10は、亜鉛燃料貯留部11を備えていればよく、図1に示す構成に限定されない。
(Zinc fuel cell)
FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of the configuration of a zinc fuel cell 10. The zinc fuel cell 10 includes a zinc fuel storage section 11 that can be replenished with zinc fuel 2 from the outside. The zinc fuel cell 10 includes a negative electrode 12, a positive electrode 13, and an electrolyte tank 14. The positive electrode 13 includes a positive electrode current collector connected to the positive electrode terminal. The negative electrode 12 includes a negative electrode current collector connected to the negative electrode terminal. The positive electrode 13 is an air electrode. The positive electrode 13 can be provided, for example, on the side of the electrolyte tank 14. Note that the zinc fuel cell 10 is not limited to the configuration shown in FIG. 1 as long as it includes a zinc fuel storage section 11.

亜鉛燃料貯留部11は、負極12に設けられている。亜鉛燃料貯留部11は、電解液に接する状態で亜鉛燃料2を保持する。例えば、亜鉛燃料貯留部11は、電解液に接する部位がメッシュ状やパンチング状の負極集電体により形成されている。 The zinc fuel reservoir 11 is provided on the negative electrode 12. The zinc fuel reservoir 11 holds the zinc fuel 2 in contact with the electrolyte. For example, the portion of the zinc fuel reservoir 11 that comes into contact with the electrolyte is formed from a mesh-like or punched negative electrode current collector.

電解液槽14において、亜鉛燃料貯留部11の下方には、支持体回収部15が設けられている。図1に示す例では、亜鉛燃料貯留部11の底部は、亜鉛燃料貯留部11と支持体回収部15とを区画する仕切り部16である。支持体回収部15および仕切り部16の詳細な構成については後述する。 In the electrolyte tank 14, a support recovery section 15 is provided below the zinc fuel storage section 11. In the example shown in Figure 1, the bottom of the zinc fuel storage section 11 is a partition section 16 that separates the zinc fuel storage section 11 from the support recovery section 15. The detailed configuration of the support recovery section 15 and the partition section 16 will be described later.

電解液槽14には、電気伝導性を有する電解液が収容される。電解液は、特に限定されないが、有機溶剤系電解液、水系電解液、あるいはこれらの混合液を用いることができる。例えば、アルカリ性の水系電解液として、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、硫酸亜鉛水溶液、硝酸亜鉛水溶液、リン酸亜鉛水溶液、酢酸亜鉛水溶液、および、これらの混合液を用いることができる。電解液は、さらに、その他の無機添加剤および有機添加剤を含んでもよい。 The electrolyte tank 14 contains an electrically conductive electrolyte. The electrolyte is not particularly limited, but an organic solvent-based electrolyte, an aqueous electrolyte, or a mixture of these can be used. For example, alkaline aqueous electrolytes include potassium hydroxide aqueous solution, sodium hydroxide aqueous solution, lithium hydroxide aqueous solution, zinc sulfate aqueous solution, zinc nitrate aqueous solution, zinc phosphate aqueous solution, zinc acetate aqueous solution, and mixtures of these. The electrolyte may further contain other inorganic and organic additives.

(亜鉛燃料およびその製造方法)
図2は、亜鉛燃料2を模式的に示す側面図および断面図と、支持体3の回収方法の説明図である。亜鉛燃料2は、支持体3と、支持体3の表面を覆う負極活物質層4を備える。負極活物質層4は、後述するように、酸化亜鉛の電気分解により析出した亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶から構成される生成亜鉛層を備える。生成亜鉛層が亜鉛合金から構成される場合、亜鉛合金は、銅、錫、インジウム、およびビスマスのいずれかを含有することが好ましい。これらの金属は、アルカリ電解液中において、亜鉛の水素発生型溶解反応を抑制できる。また、これらの金属は、アルカリへの耐腐食性が高い。従って、支持体3を金属により構成し、放電時に電解液としてアルカリ電解液を使用した場合に、支持体3の腐食を抑制することができる。
(Zinc fuel and its manufacturing method)
FIG. 2 shows a side view and a cross-sectional view of the zinc fuel 2, and an explanatory diagram of a method for recovering the support 3. The zinc fuel 2 includes a support 3 and an anode active material layer 4 covering the surface of the support 3. As described below, the anode active material layer 4 includes a zinc layer formed from dendritic crystals of zinc or a zinc alloy deposited by electrolysis of zinc oxide. When the zinc layer is formed from a zinc alloy, the zinc alloy preferably contains one of copper, tin, indium, and bismuth. These metals can suppress the hydrogen-generating dissolution reaction of zinc in an alkaline electrolyte. These metals also have high resistance to corrosion by alkali. Therefore, when the support 3 is formed from a metal and an alkaline electrolyte is used as the electrolyte during discharge, corrosion of the support 3 can be suppressed.

生成亜鉛層は、後述するように、亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶の一部が潰されて緻密化されている。潰れたデンドライト状結晶の間には空隙が残った状態になっている。本形態では、デンドライト状結晶を潰す処理は、生成亜鉛層を形成しながら同時に行う。なお、生成亜鉛層を形成した後に、デンドライト状結晶を潰す処理を行ってもよい。 As described below, the resulting zinc layer is densified by crushing some of the zinc or zinc alloy dendritic crystals. Voids remain between the crushed dendritic crystals. In this embodiment, the process of crushing the dendritic crystals is carried out simultaneously while the resulting zinc layer is being formed. It is also possible to crush the dendritic crystals after the resulting zinc layer has been formed.

支持体3は、少なくとも表面が集電体5により形成されていればよい。図2に示す例では、支持体3は、基材7の表面が集電体5の層によって覆われている。集電体5は、導電性を備えていればよいが、亜鉛と接触した状態において、電解液中において水素を発生させる反応が進行しない金属であることが好ましい。このような金属としては、銅、錫、鉛、インジウム、あるいはビスマス、もしくは、これらの金属の合金を用いることができる。例えば、集電体5の層は、単一の金属の層でもよいし、複数の金属の層を積層したものであってもよい。複数の層を積層する場合、各層は、それぞれ、上記の金属(銅、錫、鉛、インジウム、ビスマス)のうちのいずれかの金属からなるものとする。 At least the surface of the support 3 needs to be formed by the current collector 5. In the example shown in Figure 2, the surface of the support 3's substrate 7 is covered with a layer of current collector 5. The current collector 5 needs to be electrically conductive, but is preferably a metal that does not undergo a reaction that generates hydrogen in the electrolyte when in contact with zinc. Examples of such metals include copper, tin, lead, indium, or bismuth, or alloys of these metals. For example, the current collector 5 layer may be a single metal layer, or may be a laminate of multiple metal layers. When multiple layers are laminated, each layer is made of one of the above metals (copper, tin, lead, indium, or bismuth).

支持体3は、全体が集電体5により形成されていてもよいし、集電体5とは異なる金属、もしくは樹脂素材などの非金属からなる基材7の表面に集電体5の層を設けたものであってもよい。例えば、めっき処理によって表面に集電体5の層を設けることができる。樹脂素材としては、PP(ポリプロピレン)・PE(ポリエチレン)・ナイロン・PPS(ポリフェニレンサルファイド)・ABS(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)を用いることができる。基材7が樹脂素材の場合、無電解めっきにより表面に集電体5の層を設けることができる。 The support 3 may be formed entirely from the current collector 5, or may be a substrate 7 made of a metal different from the current collector 5, or a non-metal such as a resin material, with a current collector 5 layer provided on the surface. For example, the current collector 5 layer can be provided on the surface by plating. Resin materials that can be used include PP (polypropylene), PE (polyethylene), nylon, PPS (polyphenylene sulfide), and ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene). If the substrate 7 is made of a resin material, the current collector 5 layer can be provided on the surface by electroless plating.

亜鉛燃料2は、全重量に対する負極活物質層4の重量割合が10%以上である。より好ましくは、20%以上であり、更に好ましくは、50%以上である。本形態の亜鉛燃料2は、集電体5の表面にデンドライト状結晶を成長させるので、多くの亜鉛を担持させることができる。多くの亜鉛を担持させることにより、取り出せる電気量を大きくすることができる。従って、電気エネルギーを亜鉛の形態で蓄積する蓄電システムに適している。 The weight ratio of the negative electrode active material layer 4 to the total weight of the zinc fuel 2 is 10% or more. More preferably, it is 20% or more, and even more preferably, it is 50% or more. The zinc fuel 2 of this embodiment grows dendritic crystals on the surface of the current collector 5, allowing a large amount of zinc to be supported. By supporting a large amount of zinc, the amount of electricity that can be extracted can be increased. Therefore, it is suitable for an energy storage system that stores electrical energy in the form of zinc.

図2に示す例では、支持体3は、粒状である。「粒状」は、一般的に丸いものを指すこともあるが、本明細書では、「粒」は、球以外の形状を含むものとする。例えば、支持体3は、球体であることが好ましいが、球体以外の形状であってもよい。例えば、立方体、角柱や角錐、八面体などの多面体、円柱や円錐などの三次元立体形状や、任意の形状の小片、例えば、棒や剥片であってもよい。また、表面に凹凸や貫通部が設けられていてもよい。球体以外の形状の場合は、製造時に後述するバレル内で転がりやすくするため、アスペクト比が1に近い形状であることが好ましい。 In the example shown in Figure 2, the support 3 is granular. While "granular" generally refers to something round, in this specification, "granule" includes shapes other than spheres. For example, the support 3 is preferably spherical, but may be a shape other than spherical. For example, it may be a three-dimensional shape such as a cube, a prism, a pyramid, an octahedron, or other polyhedron, a cylinder, or a cone, or a small piece of any shape, such as a rod or flake. The surface may also have irregularities or perforations. In the case of a shape other than a sphere, it is preferable that the shape have an aspect ratio close to 1 to facilitate rolling inside the barrel described below during manufacturing.

支持体3のサイズは、最も寸法が大きい部分が10mm以下であることが好ましいが、5mm以下であればより好ましく、1mm以下であればさらに好ましい。球体以外の形状の場合は、最も大きい辺がこの寸法であることが好ましい。球体の場合は、10mm以下であるものが好ましく、5mm以下がより好ましく、1mm以下がさらに好ましい。製造時に後述するバレルから脱落しないようにするため、最も寸法が小さい部分が1μm以上であることが好ましい。球体の場合は、直径が1μm以上であることが好ましい。支持体3のサイズを小さくすることにより、亜鉛燃料2の全重量に対する負極活物質層4の重量割合を大きくすることができる。 The size of the support 3 is preferably 10 mm or less at its largest dimension, more preferably 5 mm or less, and even more preferably 1 mm or less. For shapes other than spheres, it is preferable that the longest side be this dimension. For spheres, it is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less, and even more preferably 1 mm or less. To prevent the support 3 from falling out of the barrel described below during manufacturing, it is preferable that the smallest dimension be 1 μm or more. For spheres, the diameter is preferably 1 μm or more. By reducing the size of the support 3, the weight ratio of the negative electrode active material layer 4 to the total weight of the zinc fuel 2 can be increased.

ここで、図2の下図を参照して、亜鉛燃料電池10に設けた支持体回収部15について説明する。亜鉛燃料電池10は、放電により亜鉛燃料2の負極活物質層4がなくなったとき、残った支持体3を回収できる構造である。上記のように、亜鉛燃料貯留部11と支持体回収部15との間に仕切り部16が設けられているが、仕切り部16には、支持体3を通過させ、亜鉛燃料2は通過できないサイズの通過部17として機能する貫通部が設けられている。従って、支持体3を支持体回収部15に落下させて回収することができる。 Now, with reference to the lower diagram of Figure 2, we will explain the support recovery section 15 provided in the zinc fuel cell 10. The zinc fuel cell 10 is designed to be able to recover the remaining support 3 when the negative electrode active material layer 4 of the zinc fuel 2 is depleted due to discharge. As described above, a partition section 16 is provided between the zinc fuel storage section 11 and the support recovery section 15, and the partition section 16 is provided with a penetration section that functions as a passage section 17 of a size that allows the support 3 to pass through but does not allow the zinc fuel 2 to pass through. Therefore, the support 3 can be dropped into the support recovery section 15 and recovered.

図2に示す例では、支持体回収部15には、回収した支持体3を外部に取り出すための取り出し部18が設けられている。例えば、取り出し部18としてドレーンを設ける。これにより、支持体回収部15に落下した支持体3をドレーンから外部に取り出すことができる。なお、図1では、通過部17および取り出し部18の図示を省略している。 In the example shown in Figure 2, the support recovery section 15 is provided with a removal section 18 for removing the recovered support 3 to the outside. For example, a drain is provided as the removal section 18. This allows the support 3 that has fallen into the support recovery section 15 to be removed to the outside through the drain. Note that the passing section 17 and removal section 18 are not shown in Figure 1.

亜鉛燃料電池10では、放電の過程において、固体の酸化亜鉛が析出する。図2に示す亜鉛燃料電池10では、支持体回収部15に落下した支持体3の表面に析出した酸化亜鉛を、支持体3と共に回収することができる。 In the zinc fuel cell 10, solid zinc oxide is precipitated during the discharge process. In the zinc fuel cell 10 shown in Figure 2, the zinc oxide precipitated on the surface of the support 3 that falls into the support recovery section 15 can be recovered together with the support 3.

(亜鉛燃料製造装置)
図3は、亜鉛燃料製造装置50を模式的に示す説明図である。亜鉛燃料製造装置50は、酸化亜鉛を含有する電解液を入れる亜鉛析出槽51と、電解液に浸漬されるアノード極52およびカソード極53と、電解液に浸漬されるバレル54を備える。カソード極53は、バレル54の内部に配置される。このような亜鉛燃料製造装置50として、バレルめっき装置を利用することができる。
(Zinc fuel production equipment)
3 is an explanatory diagram showing a schematic diagram of a zinc fuel production apparatus 50. The zinc fuel production apparatus 50 includes a zinc deposition tank 51 containing an electrolytic solution containing zinc oxide, an anode 52 and a cathode 53 immersed in the electrolytic solution, and a barrel 54 immersed in the electrolytic solution. The cathode 53 is disposed inside the barrel 54. A barrel plating machine can be used as this zinc fuel production apparatus 50.

亜鉛燃料製造装置50は、バレル54に粒状の支持体3を投入して回転させながら、カソード極53において、電気分解による酸化亜鉛の還元反応を行う。支持体3は、バレル54の内部を転がりながら、カソード極53に接触する。これにより、支持体3の表面に
は、亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶が析出して、生成亜鉛層が形成される。
In the zinc fuel production device 50, granular support 3 is placed in a barrel 54 and rotated, while a reduction reaction of zinc oxide is carried out by electrolysis at a cathode 53. The support 3 rolls inside the barrel 54 and comes into contact with the cathode 53. As a result, dendritic crystals of zinc or a zinc alloy are precipitated on the surface of the support 3, forming a zinc layer.

バレル54の内部を転がしながら生成亜鉛層を形成すると、支持体3の表面では、デンドライト状結晶が潰されながら成長するので、緻密化された生成亜鉛層が形成される。析出した亜鉛の量が目標量に達した後に、電気分解およびバレル54の回転を停止させて、バレル54から亜鉛燃料2を取り出す。取り出した亜鉛燃料2は、図示しないリンス槽に浸漬し、乾燥工程を経て、大気中に保存する。 As the zinc layer is formed while rolling inside the barrel 54, the dendrite-like crystals grow on the surface of the support 3 while being crushed, forming a dense zinc layer. Once the amount of precipitated zinc reaches the target amount, the electrolysis and rotation of the barrel 54 are stopped, and the zinc fuel 2 is removed from the barrel 54. The removed zinc fuel 2 is immersed in a rinse tank (not shown), subjected to a drying process, and then stored in the atmosphere.

亜鉛析出槽51において、電気分解による酸化亜鉛の還元反応を行う際、電解液として酸・アルカリどちらも用いることができ、亜鉛をイオンとして溶かすことができれば特に限定されない。但し、アルカリ電解液を用いた方が、酸化亜鉛の還元反応による亜鉛の生成速度を速めることができる。従って、電解液は、アルカリ水溶液であることが好ましい。また、電解液には、亜鉛の凹凸を緩和するためのレベリング材を添加することが好ましい。 When performing the reduction reaction of zinc oxide through electrolysis in the zinc deposition tank 51, either an acid or alkaline electrolyte can be used, and there are no particular restrictions as long as it can dissolve zinc as ions. However, using an alkaline electrolyte can speed up the rate at which zinc is produced by the reduction reaction of zinc oxide. Therefore, it is preferable that the electrolyte be an alkaline aqueous solution. It is also preferable to add a leveling material to the electrolyte to smooth out any unevenness in the zinc.

図4の左図は、緻密化された生成亜鉛層の走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。この画像からわかるように、緻密化された生成亜鉛層は、デンドライト状結晶が潰れており、潰れたデンドライト状結晶の間には、空隙が残っている。 The left image in Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) image of the densified zinc layer. As can be seen from this image, the densified zinc layer has crushed dendrite-like crystals, with voids remaining between the crushed dendrite-like crystals.

図4の右図は、亜鉛スラリーの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。亜鉛を負極活物質として用いる従来の電池において、負極に塗布される亜鉛スラリーは、亜鉛粉(亜鉛微粒子)に結着材(バインダ)が混合されている。 The image on the right of Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) image of zinc slurry. In conventional batteries that use zinc as the negative electrode active material, the zinc slurry applied to the negative electrode is made by mixing zinc powder (fine zinc particles) with a binder.

本形態の負極活物質層4(生成亜鉛層)は、デンドライト状結晶が潰されて緻密化された構造であるのに対して、亜鉛スラリーは、結着材の間に亜鉛粉が分散している構造であり、結晶と亜鉛粉の形状から明確に区別できる。また、生成亜鉛層には結着材がなく、空隙が埋められていない点でも区別できる。 The negative electrode active material layer 4 (produced zinc layer) in this embodiment has a structure in which dendritic crystals have been crushed and densified, whereas zinc slurry has a structure in which zinc powder is dispersed among binders, and can be clearly distinguished from the shapes of the crystals and zinc powder. The produced zinc layer can also be distinguished from the fact that it does not have binders and the voids are not filled.

(放電実験)
酸化亜鉛の再生により集電体の表面に負極活物質層を設けた試験体を製造した。これらを空気電池セルに投入して、放電試験を行い、比較例との放電容量の違いを検証した。また、大気中での保存安定性を検証した。図5は、放電試験に用いる空気電池セルの説明図である。図6は、試験体の構成および試験結果を示す一覧表である。
(Discharge experiment)
Test specimens were produced by regenerating zinc oxide and providing a negative electrode active material layer on the surface of a current collector. These were placed in air battery cells and discharge tests were conducted to verify the difference in discharge capacity compared to the comparative example. Storage stability in the atmosphere was also verified. Figure 5 is an explanatory diagram of the air battery cell used in the discharge test. Figure 6 is a table showing the configuration of the test specimens and the test results.

放電試験の試験体として、図6に示す実施例1~8を製造した。比較例1として、市販の亜鉛粒を使用した。比較例2として、緻密化処理を行っていないデンドライト状結晶からなる生成亜鉛を使用した。実施例1~8と同じ方法により、比較例3~4の製造を試みた。比較例3は製造できたが、比較例4は、生成亜鉛層を形成できなかった。 Examples 1 to 8 shown in Figure 6 were produced as test specimens for the discharge test. For Comparative Example 1, commercially available zinc particles were used. For Comparative Example 2, produced zinc consisting of dendritic crystals that had not been subjected to densification treatment was used. Using the same method as for Examples 1 to 8, attempts were made to produce Comparative Examples 3 and 4. Comparative Example 3 was successfully produced, but for Comparative Example 4, a produced zinc layer could not be formed.

実施例1~8の試験体は、以下に説明する方法で製造した。1000mLのアクリル水槽に電解液として水酸化カリウム水溶液を導入し、酸化亜鉛を15g導入した。水酸化カリウム水溶液濃度は、30wt%とした。対極として、ニッケルメッシュをアクリル水槽の外壁に沿うように配置した。水槽内には直径25mmの円筒形バレルを配置した。バレル内部には、直径1mmの球体を100個入れ、回転しながら作用極と接するように配置した。対極と作用極の間の電流を100mAとし、バレルを1分間に5回転の速度で回転させながら球体表面に亜鉛を析出させて生成亜鉛層を形成した。亜鉛の生成量は全体として1gとなるように設定した。 The test specimens for Examples 1 to 8 were manufactured using the method described below. A potassium hydroxide solution was introduced into a 1000 mL acrylic tank as the electrolyte, and 15 g of zinc oxide was added. The potassium hydroxide solution concentration was 30 wt%. A nickel mesh was placed along the outer wall of the acrylic tank as the counter electrode. A cylindrical barrel with a diameter of 25 mm was placed inside the tank. 100 spheres with a diameter of 1 mm were placed inside the barrel and placed so that they came into contact with the working electrode while rotating. A current of 100 mA was applied between the counter electrode and working electrode, and zinc was deposited on the sphere surface while the barrel was rotated at a speed of 5 rotations per minute, forming a zinc layer. The total amount of zinc produced was set to 1 g.

図6に示すように、実施例1~8は、バレルに投入する球体(すなわち、支持体3)として、少なくとも表面が銅、錫、真鍮のいずれかにより形成されたもの、すなわち、少な
くとも表面が集電体により形成されたものを使用した。その結果、実施例1~8は、全て、球体の表面に緻密化された生成亜鉛層を形成できた。
6, in Examples 1 to 8, the spheres (i.e., supports 3) to be placed in the barrel had at least the surface formed of copper, tin, or brass, i.e., at least the surface formed of a current collector. As a result, in all of Examples 1 to 8, a densified zinc layer was formed on the surface of the sphere.

図6に示すように、比較例3~4は、投入する球体が基材のみからなり、表面に集電体を設ける表面処理を行っていない。比較例3は、球体として表面処理なしの鋼球を投入した。比較例4は、球体として表面処理なしのPP(ポリプロピレン)球を投入した。その結果、比較例3は、生成亜鉛層を形成できたが、比較例4は、生成亜鉛層を形成できなかった。 As shown in Figure 6, in Comparative Examples 3 and 4, the spheres added consisted of only a substrate, and no surface treatment was performed to provide a current collector on the surface. In Comparative Example 3, steel spheres without surface treatment were added. In Comparative Example 4, PP (polypropylene) spheres without surface treatment were added. As a result, a zinc layer was formed in Comparative Example 3, but not in Comparative Example 4.

以上の実施例1~8および比較例1、3を、それぞれ、図5に示す空気電池セルの負極62に搭載して、放電試験を行った。空気電池セルは、電解液槽63の底部に、導電性カーボンで構成される空気極61が設けられている。電解液として、濃度30wt%の水酸化カリウム水溶液を用いた。電解液に亜鉛燃料2の試験体を投入して放電し、投入した試験体の亜鉛1gに対してどの程度の容量が得られるのか評価した。 The above Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 3 were each mounted on the negative electrode 62 of the air battery cell shown in Figure 5, and a discharge test was conducted. The air battery cell had an air electrode 61 made of conductive carbon at the bottom of an electrolyte tank 63. A potassium hydroxide aqueous solution with a concentration of 30 wt% was used as the electrolyte. A test specimen of zinc fuel 2 was placed in the electrolyte and discharged, and the capacity obtained per gram of zinc in the test specimen was evaluated.

図6に示す結果から、実施例1~8の試験体は、比較例1、3の試験体よりも高い容量効率を得られることを検証できた。また、大気中での保存安定性について、緻密化処理を行っていない比較例2が酸化熱による発火により燃焼してしまうのに対して、実施例1~8では燃焼せず保存安定性を確保できることが検証できた。以上より、放電容量の向上と保存安定性を両立できるのは実施例1~8であることを検証できた。 From the results shown in Figure 6, it was verified that the test specimens of Examples 1 to 8 had higher capacity efficiency than the test specimens of Comparative Examples 1 and 3. Furthermore, with regard to storage stability in the atmosphere, it was verified that Comparative Example 2, which was not subjected to densification treatment, burned due to ignition caused by oxidation heat, whereas Examples 1 to 8 did not burn and maintained storage stability. From the above, it was verified that Examples 1 to 8 were able to achieve both improved discharge capacity and storage stability.

(本形態の主な作用効果)
以上のように、本形態の亜鉛燃料2は、少なくとも表面が導電性の集電体5により形成される粒状の支持体3と、支持体3の表面を覆う負極活物質層4と、を有し、負極活物質層4は、支持体3の表面に析出した亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶により形成される生成亜鉛層であり、生成亜鉛層は、デンドライト状結晶の少なくとも一部が潰れて緻密化されており、且つ、潰れたデンドライト状結晶の間に空隙を備えている。
(Main effects of this embodiment)
As described above, the zinc fuel 2 of this embodiment has a granular support 3, at least the surface of which is formed by a conductive current collector 5, and a negative electrode active material layer 4 covering the surface of the support 3, and the negative electrode active material layer 4 is a generated zinc layer formed by dendritic crystals of zinc or zinc alloy precipitated on the surface of the support 3, and the generated zinc layer has at least some of the dendritic crystals crushed to densify, and has voids between the crushed dendritic crystals.

また、本形態の亜鉛燃料2の製造方法は、酸化亜鉛を含有する電解液に、少なくとも表面が導電性の集電体5により形成される粒状の支持体3を入れたバレル54を浸漬して、バレル54を回転させながら、酸化亜鉛を還元させて支持体3の表面に亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶を析出させることにより生成亜鉛層を形成し、バレル54の回転によって支持体3をバレル内で転がすことにより、デンドライト状結晶の少なくとも一部を潰して緻密化し、且つ、潰れたデンドライト状結晶の間に空隙を残すことにより、負極活物質層4を形成する。 In addition, the method for producing zinc fuel 2 in this embodiment involves immersing a barrel 54 containing granular support 3, at least the surface of which is formed from a conductive current collector 5, in an electrolyte containing zinc oxide, and rotating the barrel 54 to reduce the zinc oxide and precipitate dendritic crystals of zinc or a zinc alloy on the surface of the support 3, thereby forming a zinc layer. By rotating the barrel 54 and rolling the support 3 within the barrel, at least some of the dendritic crystals are crushed and densified, and voids are left between the crushed dendritic crystals, thereby forming a negative electrode active material layer 4.

本形態の亜鉛燃料2およびその製造方法は、集電体5の表面に亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶を析出させて緻密化させているので、亜鉛と集電体5との電気的なコンタクトを確保することができる。また、バレルめっきの手法および装置を用いて、効率的に製造することができる。さらに、緻密化により結晶の密度が高まり脱落しにくくなっているので、取り扱いや保管、および亜鉛燃料電池10への投入が容易である。また、潰れた結晶の間に空隙を残したので、電解液との接触面積を確保でき、反応性が高い。 The zinc fuel 2 and its manufacturing method of this embodiment deposits and densifies dendritic crystals of zinc or zinc alloy on the surface of the current collector 5, ensuring electrical contact between the zinc and the current collector 5. It can also be manufactured efficiently using barrel plating techniques and equipment. Furthermore, the densification increases the density of the crystals, making them less likely to fall off, making them easy to handle, store, and introduce into the zinc fuel cell 10. Furthermore, because voids are left between the crushed crystals, a sufficient contact area with the electrolyte is ensured, resulting in high reactivity.

本形態の亜鉛燃料2を投入する亜鉛燃料電池10は、電解液槽14と、電解液槽14に配置される負極12および正極13と、を有する。負極12に、粒状の支持体3の表面が負極活物質層4により覆われている亜鉛燃料2を貯留する亜鉛燃料貯留部11が設けられ、亜鉛燃料貯留部11の下方に配置される支持体回収部15と、亜鉛燃料貯留部11と支持体回収部15とを区画する仕切り部16と、を備え、仕切り部16には、支持体3は通過でき、亜鉛燃料2は通過できない通過部17が設けられている。 The zinc fuel cell 10 of this embodiment, into which zinc fuel 2 is input, has an electrolyte tank 14, and an anode 12 and a cathode 13 placed in the electrolyte tank 14. The anode 12 is provided with a zinc fuel storage section 11 for storing zinc fuel 2, in which the surface of a granular support 3 is covered with an anode active material layer 4. The device is also equipped with a support recovery section 15 placed below the zinc fuel storage section 11 and a partition section 16 separating the zinc fuel storage section 11 and the support recovery section 15, and the partition section 16 is provided with a passage section 17 through which the support 3 can pass but the zinc fuel 2 cannot.

本形態の亜鉛燃料電池10は、負極活物質層4が消費された支持体を亜鉛燃料から効率的に分離回収することができる。さらに、支持体回収部15に回収した支持体3を、取り出し部18から電池外に取り出すことができる。従って、回収した支持体3を用いた亜鉛燃料2の再生を効率的に行うことができる。また、正極13は空気極であるため、正極活物質の供給が不要である。 In this embodiment of the zinc fuel cell 10, the support after the negative electrode active material layer 4 has been consumed can be efficiently separated and recovered from the zinc fuel. Furthermore, the support 3 recovered in the support recovery section 15 can be removed from the cell through the removal section 18. Therefore, the zinc fuel 2 can be efficiently regenerated using the recovered support 3. Furthermore, because the positive electrode 13 is an air electrode, there is no need to supply positive electrode active material.

本形態の亜鉛燃料電池10と、亜鉛燃料製造装置50とを組み合わせることにより、亜鉛燃料再生システム1を構築することができる。これにより、亜鉛をエネルギー媒体としたエネルギー循環を効率的に行うことができる。 By combining the zinc fuel cell 10 of this embodiment with the zinc fuel production device 50, a zinc fuel regeneration system 1 can be constructed. This allows for efficient energy circulation using zinc as the energy medium.

1…亜鉛燃料再生システム、2…亜鉛燃料、3…支持体、4…負極活物質層、5…集電体、7…基材、10…亜鉛燃料電池、11…亜鉛燃料貯留部、12…負極、13…正極、14…電解液槽、15…支持体回収部、16…仕切り部、17…通過部、18…取り出し部、50…亜鉛燃料製造装置、51…亜鉛析出槽、52…アノード極、53…カソード極、54…バレル、61…空気極、62…負極、63…電解液槽

1...zinc fuel regeneration system, 2...zinc fuel, 3...support, 4...negative electrode active material layer, 5...current collector, 7...substrate, 10...zinc fuel cell, 11...zinc fuel storage section, 12...negative electrode, 13...positive electrode, 14...electrolyte tank, 15...support recovery section, 16...partition section, 17...passage section, 18...removal section, 50...zinc fuel production device, 51...zinc deposition tank, 52...anode electrode, 53...cathode electrode, 54...barrel, 61...air electrode, 62...negative electrode, 63...electrolyte tank

Claims (13)

少なくとも表面が導電性の集電体により形成される粒状の支持体と、前記支持体の表面を覆う負極活物質層と、を有し、
前記負極活物質層は、前記支持体の表面に析出した亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶により形成される生成亜鉛層であり、
前記生成亜鉛層は、前記デンドライト状結晶の少なくとも一部が潰れて緻密化されており、且つ、潰れた前記デンドライト状結晶の間に空隙を備えていることを特徴とする亜鉛燃料。
The negative electrode comprises a granular support, at least the surface of which is formed of a conductive current collector, and a negative electrode active material layer covering the surface of the support,
the negative electrode active material layer is a zinc layer formed by dendritic crystals of zinc or a zinc alloy precipitated on the surface of the support,
A zinc fuel characterized in that the produced zinc layer is densified by at least some of the dendritic crystals being crushed, and has voids between the crushed dendritic crystals.
前記集電体は、銅、錫、鉛、インジウム、およびビスマスのうちの少なくともいずれかの金属からなることを特徴とする請求項1に記載の亜鉛燃料。 The zinc fuel described in claim 1, characterized in that the current collector is made of at least one of the following metals: copper, tin, lead, indium, and bismuth. 全重量に対する前記負極活物質層の重量割合は、10%以上であることを特徴とする請求項1に記載の亜鉛燃料。 The zinc fuel described in claim 1, characterized in that the weight ratio of the negative electrode active material layer to the total weight is 10% or more. 前記負極活物質層は、亜鉛合金であり、銅、錫、インジウム、およびビスマスのいずれかを含有することを特徴とする請求項1に記載の亜鉛燃料。 The zinc fuel described in claim 1, characterized in that the negative electrode active material layer is a zinc alloy containing one of copper, tin, indium, and bismuth. 前記支持体は、球体であることを特徴とする請求項1に記載の亜鉛燃料。 The zinc fuel described in claim 1, characterized in that the support is a sphere. 前記支持体は、最も長い部分の寸法が10mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の亜鉛燃料。 The zinc fuel described in claim 1, characterized in that the support has a longest dimension of 10 mm or less. 少なくとも表面が導電性の集電体により形成される粒状の支持体と、前記支持体の表面を覆う負極活物質層と、を有する亜鉛燃料の製造方法であって、
酸化亜鉛を含有する電解液に前記支持体を入れたバレルを浸漬して、前記バレルを回転させながら、前記酸化亜鉛を還元させて前記支持体の表面に亜鉛もしくは亜鉛合金のデンドライト状結晶を析出させることにより生成亜鉛層を形成し、
前記バレルの回転によって前記支持体をバレル内で転がすことにより、前記デンドライト状結晶の少なくとも一部を潰して緻密化することを特徴とする亜鉛燃料の製造方法。
A method for producing zinc fuel, comprising: a granular support, at least the surface of which is formed by a conductive current collector; and a negative electrode active material layer covering the surface of the support,
a barrel containing the support is immersed in an electrolyte containing zinc oxide, and while rotating the barrel, the zinc oxide is reduced to precipitate dendritic crystals of zinc or a zinc alloy on the surface of the support, thereby forming a zinc layer;
A method for producing zinc fuel, characterized in that the support is rolled within the barrel by rotating the barrel, thereby crushing and densifying at least a portion of the dendritic crystals.
前記電解液は、アルカリ水溶液であることを特徴とする請求項7に記載の亜鉛燃料の製造方法。 The method for producing zinc fuel described in claim 7, characterized in that the electrolyte is an alkaline aqueous solution. 前記電解液は、レベリング材が添加されていることを特徴とする請求項7に記載の亜鉛燃料の製造方法。 The method for producing zinc fuel described in claim 7, characterized in that the electrolyte contains a leveling agent. 電解液槽と、前記電解液槽に配置される負極および正極と、を有し、
前記負極に、粒状の支持体の表面が負極活物質層により覆われている亜鉛燃料を貯留する亜鉛燃料貯留部が設けられ、
前記亜鉛燃料貯留部の下方に配置される支持体回収部と、
前記亜鉛燃料貯留部と前記支持体回収部とを区画する仕切り部と、を備え、
前記仕切り部には、前記支持体は通過でき、前記亜鉛燃料は通過できない通過部が設けられていることを特徴とする亜鉛燃料電池。
an electrolytic solution tank; and a negative electrode and a positive electrode disposed in the electrolytic solution tank;
The negative electrode is provided with a zinc fuel reservoir for storing zinc fuel, the surface of which is a granular support covered with a negative electrode active material layer,
A support recovery section disposed below the zinc fuel storage section;
A partition section that separates the zinc fuel storage section from the support recovery section,
A zinc fuel cell characterized in that the partition section is provided with a passage section through which the support can pass but the zinc fuel cannot pass.
前記支持体回収部から前記支持体を取り出すための取り出し部を備えることを特徴とする請求項10に記載の亜鉛燃料電池。 A zinc fuel cell as described in claim 10, characterized in that it is provided with an extraction section for extracting the support from the support recovery section. 前記正極は、空気極であることを特徴とする請求項10に記載の亜鉛燃料電池。 The zinc fuel cell described in claim 10, characterized in that the positive electrode is an air electrode. 電解液槽および前記電解液槽に配置される負極および正極を備える亜鉛燃料電池と、亜鉛燃料製造装置と、を備える亜鉛燃料再生システムであって、
前記亜鉛燃料電池は、前記負極に、前記亜鉛燃料製造装置によって製造される亜鉛燃料を外部から供給可能な亜鉛燃料貯留部が設けられ、
前記亜鉛燃料製造装置は、酸化亜鉛を含有する電解液が供給される亜鉛析出槽を備え、前記亜鉛析出槽には、アノード極およびカソード極が設けられ、前記カソード極には、少なくとも表面が導電性の集電体により形成される粒状の支持体が供給されるバレルが配置されることを特徴とする亜鉛燃料再生システム。
A zinc fuel regeneration system comprising: a zinc fuel cell having an electrolyte tank and an anode and a cathode disposed in the electrolyte tank; and a zinc fuel production device,
The zinc fuel cell is provided with a zinc fuel storage section at the negative electrode that can externally supply zinc fuel produced by the zinc fuel production device,
The zinc fuel production device is equipped with a zinc deposition tank to which an electrolyte containing zinc oxide is supplied, the zinc deposition tank is provided with an anode and a cathode, and the cathode is provided with a barrel to which a granular support formed of a conductive current collector is supplied, at least the surface of which is disposed.This zinc fuel regeneration system is characterized by the above.
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