JP6959067B2

JP6959067B2 - 金属空気電池、及びその使用方法

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Publication number: JP6959067B2
Application number: JP2017158163A
Authority: JP
Inventors: 高橋　昌樹; 奨成田; 由佳雨森; 阪間　寛
Original assignee: Fujikura Composites Inc
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-08-18
Also published as: JP2019036488A

Description

本発明は、金属空気電池、及びその使用方法に関する。

金属空気電池では、正極である空気極において、大気中の酸素を正極活物質として利用し、当該酸素の酸化還元反応が行われる。一方、負極である金属極において、金属の酸化還元反応が行われる。金属空気電池のエネルギー密度は高く、災害時等における非常用電源等の役割として期待されている。電解液を金属空気電池に給水する事で発電が開始される。

従来においては、様々な金属空気電池の構造が提案されている（例えば、特許文献１から特許文献４）。

特許文献１によれば、金属極と空気極とを筐体内に組み込んだセルに電解液を注入し、発電させている。

特許文献２によれば、金属極と空気極とを筐体内に組み込んだセルとは別に、電解液を入れた容器を用意し、セルを容器内に入れることで、電解液をセル内に流入させ発電させている。

特許文献３によれば、金属極と空気極を備えるセルを、電解液が注入されたタンク内に入れて、金属極及び空気極を電解液に接触させる構成が開示されている。

特許文献４によれば、複数個の金属空気電池セルを連結した金属空気電池が開示されている。各金属空気電池セルには個別に電解液を注入する。

特開２０１６−１３１０６３号公報特開２０１６−７１９８６号公報特開昭６２−１７７８７３号公報特開２０１６−１５２１３３号公報

しかしながら、従来では、金属空気電池を発電させる際、使用者自らが、電解液を用意し、その用意した電解液を金属空気電池に注入する作業が必要であった。このため、発電開始までに手間がかかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、使用者による電解液の用意及び注入の手間を省くことができ、簡単に使用することが可能な金属空気電池、及びその使用方法を提供することを目的とする。

本発明の金属空気電池は、金属空気電池本体と、電解液及び前記金属空気電池本体を収容可能なケースと、前記電解液を内包する袋状物と、を有し、前記袋状物が収容された前記ケース内に、前記金属空気電池本体を挿入して前記袋状物を破損させることで、前記電解液が、前記金属空気電池本体の電極を備えた液室内に供給され、前記金属空気電池本体の前記ケースに対する向きに応じて、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を挿入可能にし、或いは、前記袋状物を破損しないように前記金属空気電池本体の挿入高さを規制する挿入制御部が、前記金属空気電池本体と前記ケースとの間に形成されており、前記挿入制御部は、一方の対向面が溝で形成されており、他方の対向面が前記溝に対応した凸部で形成されており、前記溝と前記凸部との位相を合わせることで、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を前記ケース内に挿入可能にし、前記溝と前記凸部との位相をずらすことで、前記袋状物を破損しないように、前記金属空気電池本体の前記ケース内への挿入高さを規制することを特徴とする。
本発明の金属空気電池は、金属空気電池本体と、電解液及び前記金属空気電池本体を収容可能なケースと、前記電解液を内包する袋状物と、を有し、前記袋状物が収容された前記ケース内に、前記金属空気電池本体を挿入して前記袋状物を破損させることで、前記電解液が、前記金属空気電池本体の電極を備えた液室内に供給され、前記金属空気電池本体の前記ケースに対する向きに応じて、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を挿入可能にし、或いは、前記袋状物を破損しないように前記金属空気電池本体の挿入高さを規制する挿入制御部が、前記金属空気電池本体の外側面と、前記外側面に対面する前記ケースの内壁面との間に形成されていることを特徴とする。

本発明では、前記金属空気電池本体を、前記ケース内に直進させながら押し込み、或いは、回転させながら挿入して、前記袋状物を破損させることが好ましい。

本発明では、前記金属空気電池本体の前記ケースに対する向きに応じて、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を挿入可能にし、或いは、前記袋状物を破損しないように前記金属空気電池本体の挿入高さを規制する挿入制御部が、前記金属空気電池本体と前記ケースとの間に形成されていることが好ましい。

本発明では、前記挿入制御部は、一方の対向面が溝で形成されており、他方の対向面が前記溝に対応した凸部で形成されており、前記溝と前記凸部との位相を合わせることで、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を前記ケース内に挿入可能にし、前記溝と前記凸部との位相をずらすことで、前記袋状物を破損しないように、前記金属空気電池本体の前記ケース内への挿入高さを規制することが好ましい。

本発明では、前記挿入制御部は、前記金属空気電池本体の挿入高さを規制する状態では、前記金属空気電池本体の挿入を前記ケースの途中までは挿入可能に規制し、前記袋状物は、途中まで挿入された前記金属空気電池本体と前記ケースとの間の空間内に、破損しないように収容可能とされることが好ましい。

本発明の金属空気電池の使用方法は、金属空気電池本体と、電解液及び前記金属空気電池本体を収容可能なケースと、前記電解液を内包する袋状物と、を有する上記に記載の金属空気電池の使用方法であって、前記袋状物を前記ケース内に収容し、前記金属空気電池本体の前記ケースに対する向きを調整し、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を挿入して、前記袋状物を破損させ、前記破損により前記ケース内に放出された前記電解液が、前記金属空気電池本体の電極を備えた液室内に供給されて、発電が開始されることを特徴とする。

本発明の金属空気電池によれば、使用者による電解液の用意及び注入の手間を省くことができ、誰でも簡単に且つ素早く使用することができる。したがって、非常用電池としての利便性を従来よりも向上させることができる。

第１実施形態の金属空気電池本体をケース内に挿入する前の状態を示す金属空気電池の断面図である。第１実施形態の金属空気電池本体をケース内に挿入した状態を示す金属空気電池の断面図である。図３Ａは、第２実施形態の金属空気電池本体の上面図であり、図３Ｂは、金属空気電池本体の側面図である。図４Ａは、第２実施形態のケースの上面図であり、図４Ｂは、図４Ａに示すＡ―Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た断面図である。図５Ａは、第２実施形態の金属空気電池本体及びケースの溝と凸部との位相を異ならせて、金属空気電池本体を、ケースの途中まで挿入した状態を示す上面図であり、図５Ｂは、その側面図であり、図５Ｃは、図５Ｂに示すＢ―Ｂ線に沿って切断し矢印方向から見た断面図である。図６Ａは、第２実施形態の金属空気電池本体及びケースの溝と凸部との位相を合わせて、金属空気電池本体を、ケースの奥まで挿入した状態を示す上面図であり、図６Ｂは、その側面図であり、図６Ｃは、図６Ｂに示すＣ―Ｃ線に沿って切断し矢印方向から見た断面図である。図７Ａは、第３実施形態の金属空気電池本体及びケースの側面図であり、図７Ｂは、図７Ａに示すＤ―Ｄ線に沿って切断し矢印方向から見た断面図である。図８Ａは、第３実施形態の金属空気電池本体をケースに挿入した状態を示す上面図であり、図８Ｂは、その側面図であり、図８Ｃは、図８Ｂに示すＥ―Ｅ線に沿って切断し矢印方向から見た断面図である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態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。

図１に示すように、金属空気電池１は、金属空気電池本体２と、ケース３と、電解液を内包する袋状物４と、を有して構成される。

図１に示すように、金属空気電池本体２は、例えば、複数の金属空気電池セル２２を備える。図１では、金属空気電池セル２２の数は、３つであるが、金属空気電池セル２２の数を限定するものでなく、１つであっても、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

各金属空気電池セル２２には、空気室１０と液室１１とが設けられる。空気室１０は、例えば、上部を除いて周囲が囲まれている。一方、液室１１は、給水口１３を除いて周囲が囲まれている。図１では、給水口１３は、液室１１の下部に設けられている。空気室１０と液室１１とは隔離されており、液室１１に注入された電解液が、空気室１０に漏れ出ることがない。なお、図１に示す空気室１０及び液室１１の構造は、一例である。例えば、液室１１の給水口１３は、下部でなく、側部に設けられていてもよい。給水口１３の構成については、後で詳述する。また、図１には図示しないが、金属空気電池セル２２の上面には、天井部（蓋体）が取り付けられていてもよい。天井部には、各金属空気電池セル２２の空気室１０に通じる開口部を設けることができる。また、この天井部に、電池出力を外部へ供給する外部接続用端子を設置することもできる。外部接続用端子は、コネクタや、ＵＳＢ端子等であり、特に限定するものではない。なお、外部接続用端子の設置位置は、天井部に限定されるものでなく、設置位置を金属空気電池１に対して任意に設定することができる。

図１に示すように、各金属空気電池セル２２は、電極として、空気極６と、金属極７とを、有して構成される。空気極６及び金属極７は、夫々、金属空気電池セル２２を構成する筐体に支持されている。図１に示すように、空気極６と金属極７とは、液室１１にて対向配置されている。空気極６の一方の面は、液室１１に露出し、空気極６の他方の面は、空気室１０に露出している。

図１に示すように、金属極７は、空気極６から液室１１内に所定距離だけ離れた位置に配置されている。金属極７は、その上部が固定されるが、下部は、自由端（非固定）とされている。

図１に示すケース３は、電解液及び金属空気電池本体２を収容可能な大きさの容器である。金属空気電池１の未使用時では、例えば、図１に示すケース３を、金属空気電池本体２の上から被せておくことが可能である。或いは、ケース３内に配置された袋状物４を押し潰さないように、金属空気電池本体２をケース３の上部３ａ側から途中までしか挿入できないように規制することもできる。規制方法については後述する。

図１に示す袋状物４の内部には、食塩水等の電解液が入っている。袋状物４は、金属空気電池１の未使用状態では、電解液が漏れ出ず（経時変化が生じにくい）、金属空気電池本体２のケース３への挿入による押圧力、ねじり力、せん断力、切断力等により破損可能であり、更に、発電特性に影響を与えないものであれば、特に材質を限定するものではない。例えば、袋状物４には、プラスチックフィルム、アルミフィルム等を例示できる。

また、袋状物４は可撓性であっても、剛性を備えたものであっても破損可能な構造であればよい。

図１に示すように、袋状物４をケース３の底面に設置した状態で、ケース３の開口した上部３ａから金属空気電池本体２をケース３内に挿入する。

図２は、金属空気電池本体２をケース３の奥まで押し込み、ケース３内の袋状物４を破損させ、電解液５が各金属空気電池セル２２の液室１１内に供給された状態を示す。図２では、破損した袋状物４から電解液５がケース３内に放出し、このとき、電解液５は、各金属空気電池セル２２の給水口１３から各液室１１内に導かれる。電解液５は、給水口１３を介して各液室１１内に同時に注入される。このとき、図２に示すように、電解液５は、空気室１０に流れ込むことはない。

図２に示すように、電解液５が液室１１に供給されると、例えば、金属極７がマグネシウムであるとき、金属極７の近傍においては、下記（１）で示す酸化反応が生じる。また、空気極６においては、下記（２）で示す還元反応が生じる。マグネシウム空気電池全体としては、下記（３）に示す反応が起こり、放電が行われる。
（１）２Ｍｇ →２Ｍｇ^２＋＋４ｅ⁻
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ →４ＯＨ⁻
（３）２Ｍｇ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ →２Ｍｇ（ＯＨ）_２

なお、図２に示す実施の形態では、給水口１３を、各金属空気電池セル２２の底部に設けたが、袋状物４が給水口１３を塞ぎ、電解液５が適切に各金属空気電池セル２２の液室に入り込まないことがある場合は、給水口１３を、側部に設けてもよく、或いは、底部と側部の双方に設けてもよい。また、給水口１３を各液室１１の上部に設けることも可能であるが、その場合は、給水口１３を、空気室１０の開口部１０ａよりも下側に位置させることが必要である。

また、図示しないが、金属極７の周辺には、電池反応にて発生した水素等の生成ガスを液室１１から外部へ排出する穴が、設けられていることが好ましい。

なお、給水口１３を、各金属空気電池セル２２の底部に設けることに特に問題がない場合は、迅速な給水が可能になり好ましい。また、各金属空気電池セル２２の液室１１に対する給水口１３の数は１つでも複数であってもよい。また、給水口１３の形状を限定するものでなく、例えば、円状、楕円状、多角形、長尺状等を例示することができる。

また、図２に示すように、金属極７は、各金属空気電池セル２２の底部に設けられた給水口１３と対向して配置されることが好ましい。金属極７と空気極６の酸化還元反応の際に生じる生成物を、給水口１３を介してケース３側に放出しやすい。これにより、生成物が、各金属空気電池セル２２内に溜まることによる電極の破損や電気特性の劣化を抑制することが可能である。

また、各金属空気電池セル２２の底部以外に給水口１３を設ける場合でも、例えば、給水口１３を、金属空気電池セル２２の側部の下側に配置し、金属極７を、給水口１３と対向配置させてもよい。「側部８ｂの下側」とは、側部の高さ寸法の下半分、好ましくは、高さ寸法の１/２以下の下側部分、より好ましくは、高さ寸法の１/３以下の下側部分である。これによっても、生成物の放出効果を得ることができる。なお、金属空気電池本体２を、ケース３内に挿入して、袋状物４を破損させたことによりケース３内に放出した電解液５は、金属空気電池本体２の上部に到達することなく、電解液５を液室１１に入れることができれば、給水口１３の位置を問うものではない。

また、本実施形態では、金属極７の下部を自由端としている。これにより、金属極７を適切に給水口１３に対向して配置することができる。また、金属極７の下部を自由端とすることで、金属極７の下部を揺動させることができる。このため、空気極６と金属極７との間に生成物が堆積したときに、金属極７を撓らせることができ、生成物による押圧力を緩和でき、金属極７及び空気極６の破損を抑制することが出来る。

例えば、図１では、金属空気電池本体２をケース３内に挿入した際に、袋状物４を破損させやすくするために、金属空気電池本体２の下面には突起部２０が設けられている。これにより、金属空気電池本体２が袋状物４に接触した時点、或いは、弱い押圧力で、突起部２０が袋状物４の表面を突き破り、袋状物４を適切に破損させることができる。突起部２０は、針状であることが好ましいが、針状以外であってもよい。また、突起部２０は、１つでも複数設けられてもよい。

以下、第１実施形態とは構造が一部異なる他の実施形態について説明する。なお、他の実施形態においても、第１実施形態と同様に、金属空気電池本体２２をケース３に挿入して、袋状物４を破損させ、破損により放出した電解液５により、各金属空気電池セル２２の液室１１に電解液５が供給される点に変わりがない。また、以下の実施形態では、空気室１０、空気極６及び金属極７を詳しく図示していないが、第１実施形態と同様の構成である。

図３及び図４には、第２実施形態の金属空気電池本体２及びケース３の上面図及び側面図が示される。図３Ａ、及び図３Ｂに示すように、金属空気電池本体２の外側面には、上面から下面にまで通じる直線状の溝２１が設けられている。

一方、ケース３の内壁面には、凸条部２２が形成されている。溝２１と凸条部２２とで、「挿入制御部２４」が構成される。凸条部２２は、ケース３の内壁面の下方にのみ設けられている。すなわち、凸条部２３よりも上方の内壁面は平坦な面となっている。また、凸条部２２の幅は、溝２１の幅よりも狭い。よって、凸条部２２と溝２１との位相を合わせることで、金属空気電池本体２をケース３の底部にまで挿入することができる。一方、溝２１と凸条部２３との位相を異ならせると、金属空気電池本体２をケース３の底部にまで挿入することができない。

今、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、溝２１と凸条部２２の位相を異ならせて、金属空気電池本体２をケース３内に挿入する。ケース３の内壁面に設けられた凸条部２２の高さ位置までは、金属空気電池本体２の挿入を遮るものがないため、金属空気電池本体２をケース３内に挿入することができる。換言すれば、金属空気電池本体２は、凸条部２２の高さ位置よりも下方に挿入することはできず、金属空気電池本体２とケース３との間には、凸条部２２の高さと同程度の空間２５が形成される。この空間２５に、電解液を内包した袋状物４を配置し、溝２１と凸条部２３の位相を異ならせておけば、袋状物４は、金属空気電池本体２の挿入によっても破損することはない。なお、図５Ｃでは、袋状物４を透かして、ケース３の内壁面に形成された凸条部２２を図示した。例えば、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、ケース３内に、袋状物４を配置すると共に、溝２１と凸条部２２との位相を異ならせることで、袋状物４を、金属空気電池本体２をケース３との間に適切に保管することができる。

一方、金属空気電池１の使用時（発電時）には、図５Ａ〜図５Ｃの状態の金属空気電池本体２をケース３から抜き、金属空気電池本体２をケース３に対して相対的に９０度回転させる。これにより、溝２１と凸条部２２との位相が合う。この状態で、金属空気電池本体２をケース３内に挿入する。挿入した状態が、図６Ａ〜図６Ｃに示されている。これにより、金属空気電池本体２をケース３の奥まで押し込むことができ、ケース３内に配置された袋状物４を破損させることができる。そして、図６Ｃに示すように、破損した袋状物４から電解液５が放出され、電解液５は、金属空気電池本体２の給水口１３を通って液室１１に供給される。

凸条部２３は細長い条形状で形成されるが、例えば、長さの短い凸部が形成されていてもよい。

また、上記の第２実施形態では、金属空気電池本体２に溝２１が形成され、ケース３に凸条部２３が形成されていたが、金属空気電池本体２に凸条部２３が形成され、ケース３に溝２１が形成される構成であってもよい。この場合、凸条部２３は、金属空気電池本体２の上方部分にのみ形成され、溝２１は、ケース３の内壁面の上端から下端にかけて形成される。

また、溝２１と凸条部２３は、一組以上設けられていればよい。

上記した実施形態の金属空気電池本体２は、立方体や直方体等の多角柱形状であるが、次に示すように円柱状であってもよい。

金属空気電池本体２が多角柱形状である場合、金属空気電池本体２をケース３内に直進させながら挿入するが、円柱状の場合、金属空気電池本体２をケース３内で回転させながら挿入することができる。例えば、図７Ａ、図７Ｂに示すように、円柱状の金属空気電池本体３２には、例えば、相対向する両側に２つの凸部３４が形成されている。一方、ケース３３の内壁面には雌ねじ部３６が形成されている。雌ねじ部３６は、螺旋状の溝で形成されている。図７Ｂに示すように、ケース３３内に、電解液を包含した袋状物４を配置した状態で、金属空気電池本体３２の凸部３４を、雌ねじ部３６の溝に合わせて金属空気電池本体３２を回転させながらケース３３の奥方向に挿入する。なお、図７Ｂには、袋状物４を透かして雌ねじ部３６を図示した。

図８Ａ〜図８Ｃは、図７Ａ、図７Ｂに示す金属空気電池本体３２をケース３３内に挿入した状態を示す。このとき、ケース３３内に配置された袋状物４には、金属空気電池本体３２から、ねじり力やせん断力が加わり、袋状物４を破損させることができる。これにより、図８Ｃに示すように、破損した袋状物４から電解液５が放出され、電解液５は、金属空気電池本体３２の給水口１３を通って液室１１に供給される。

以上のように、本実施形態では、金属空気電池本体をケース内に挿入した際、電解液を内包した袋状物を破損させることで、簡単に電解液の供給が可能になる。すなわち、金属空気電池を発電させる際に、使用者自らが電解液を用意したり、電解液を、金属空気電池本体内に注入するといった手間を省くことができ、誰でも簡単に且つ素早く発電させることができる。したがって、非常用電池としての利便性を従来よりも向上させることができる。

なお、本実施の形態では、図２、図６、及び図８の発電状態から金属空気電池本体を引き上げ、各金属空気電池セルの液室１１から電解液５を、給水口１３を介して抜くことで、発電を簡単に止めることができる。

また、各金属空気電池セル２２の各電極を直列接続しても並列接続してもよく、配線方法を特に限定するものではない。

また、本実施の形態における金属空気電池１は、マグネシウム空気電池であっても他の金属空気電池であっても適用可能である。

本発明の金属空気電池によれば、金属空気電池本体をケース内に押し込むだけで、誰でも簡単に且つ素早く発電させることができる。したがって、本発明の金属空気電池を、災害時等における非常用電源等として有効に適用することが出来る。

１金属空気電池
２、３２金属空気電池本体
３、３３ケース
４袋状物
５電解液
６空気極
７金属極
８筐体
１０空気室
１１液室
１２側壁部
１３給水口
２０突起部
２１溝
２２金属空気電池セル
２３凸条部
２４挿入制御部
２５空間
３４凸部
３６雌ねじ部

Claims

金属空気電池本体と、電解液及び前記金属空気電池本体を収容可能なケースと、前記電解液を内包する袋状物と、を有し、
前記袋状物が収容された前記ケース内に、前記金属空気電池本体を挿入して前記袋状物を破損させることで、前記電解液が、前記金属空気電池本体の電極を備えた液室内に供給され、
前記金属空気電池本体の前記ケースに対する向きに応じて、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を挿入可能にし、或いは、前記袋状物を破損しないように前記金属空気電池本体の挿入高さを規制する挿入制御部が、前記金属空気電池本体と前記ケースとの間に形成されており、
前記挿入制御部は、一方の対向面が溝で形成されており、他方の対向面が前記溝に対応した凸部で形成されており、前記溝と前記凸部との位相を合わせることで、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を前記ケース内に挿入可能にし、前記溝と前記凸部との位相をずらすことで、前記袋状物を破損しないように、前記金属空気電池本体の前記ケース内への挿入高さを規制することを特徴とする金属空気電池。
金属空気電池本体と、電解液及び前記金属空気電池本体を収容可能なケースと、前記電解液を内包する袋状物と、を有し、
前記袋状物が収容された前記ケース内に、前記金属空気電池本体を挿入して前記袋状物を破損させることで、前記電解液が、前記金属空気電池本体の電極を備えた液室内に供給され、
前記金属空気電池本体の前記ケースに対する向きに応じて、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を挿入可能にし、或いは、前記袋状物を破損しないように前記金属空気電池本体の挿入高さを規制する挿入制御部が、前記金属空気電池本体の外側面と、前記外側面に対面する前記ケースの内壁面との間に形成されていることを特徴とする金属空気電池。
前記金属空気電池本体を、前記ケース内に直進させながら押し込み、或いは、回転させながら挿入して、前記袋状物を破損させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属空気電池。
前記挿入制御部は、前記金属空気電池本体の挿入高さを規制する状態では、前記金属空気電池本体の挿入を前記ケースの途中までは挿入可能に規制し、前記袋状物は、途中まで挿入された前記金属空気電池本体と前記ケースとの間の空間内に、破損しないように収容可能とされることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属空気電池。
金属空気電池本体と、電解液及び前記金属空気電池本体を収容可能なケースと、前記電解液を内包する袋状物と、を有する請求項１から請求項４のいずれかに記載の金属空気電池の使用方法であって、
前記袋状物を前記ケース内に収容し、
前記金属空気電池本体の前記ケースに対する向きを調整し、前記袋状物を破損可能な位置まで、前記金属空気電池本体を挿入して、前記袋状物を破損させ、
前記破損により前記ケース内に放出された前記電解液が、前記金属空気電池本体の電極を備えた液室内に供給されて、発電が開始されることを特徴とする金属空気電池の使用方法。