(57)【要約】【課題】  金属空気電池におけるセル間の短絡を防止しつつ、電解液組成のムラを防止して金属電極の利用効率が向上された金属空気電池筐体、及び、該金属空気電池筐体を備える金属空気電池を提供する。【解決手段】  並列に配置された複数のセルを有する金属空気電池筐体であって、上記複数のセルの各々は、電解液を保持する電解槽と、重力方向に対して平行に設けられた空気極とを有し、上記金属空気電池筐体は、上記電解槽へ上記電解液を供給する給液槽と、上記電解槽から排出された上記電解液を回収する回収槽とを有し、重力方向の上方から下方に向かって、上記給液槽、上記電解槽、上記回収槽の順に配置され、上記給液槽から上記電解槽への第一の電解液流路、及び、上記電解槽から上記回収槽への第二の電解液流路の少なくとも一方が滴下構造を有する金属空気電池筐体。【選択図】    図１
2015207492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に配置された複数のセルを有する金属空気電池筐体であって、
前記複数のセルの各々は、
電解液を保持する電解槽と、
重力方向に対して平行に設けられた空気極とを有し、
前記金属空気電池筐体は、
前記電解槽へ前記電解液を供給する給液槽と、
前記電解槽から排出された前記電解液を回収する回収槽とを有し、
重力方向の上方から下方に向かって、前記給液槽、前記電解槽、前記回収槽の順に配置され、
前記給液槽から前記電解槽への第一の電解液流路、及び、前記電解槽から前記回収槽への第二の電解液流路の少なくとも一方が滴下構造を有する
ことを特徴とする金属空気電池筐体。
【請求項２】
前記滴下構造は、流路径が拡大する拡張部を含み、
前記拡張部は、始点から終点までの長さが流路径の半分以内であり、終点の流路断面積が始点の流路断面積の４倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池筐体。
【請求項３】
前記拡張部は、流路断面積が不連続に変化した部分であることを特徴とする請求項２に記載の金属空気電池筐体。
【請求項４】
前記拡張部は、流路断面積の大きな終点側の流路内に、流路断面積の小さな始点側の流路が挿入された構造を有することを特徴とする請求項３に記載の金属空気電池筐体。
【請求項５】
前記金属空気電池筐体は、更に、前記回収槽の槽内と前記給液槽の槽内とを連通させる第三の電解液流路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属空気電池筐体。
【請求項６】
前記第三の電解液流路にポンプが付設されていることを特徴とする請求項５に記載の金属空気電池筐体。
【請求項７】
前記電解槽は、前記空気極に面する第一の領域と、前記第二の電解液流路と連通する第二の領域とを隔てる隔壁を槽内に有し、
前記隔壁は、前記電解槽の上端よりも低く、
前記隔壁の上端よりも前記重力方向の上方側で前記第一の領域と前記第二の領域とが連通していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属空気電池筐体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の金属空気電池筐体と、前記電解液と接する位置に配置された金属電極とを有す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、金属空気電池筐体、及び、金属空気電池に関する。より詳しくは、複数のセルを備える金属空気電池筐体、及び、該金属空気電池筐体を備える金属空気電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属空気電池は、金属電極によりアノードが構成され、空気極によりカソードが構成される電池であり、高いエネルギー密度を有することから、実用化に向けた開発・研究が進められている。
金属空気電池の一例として亜鉛空気電池が挙げられる。図１３は、従来の金属空気電池の構造の一例を示した模式断面図であり、図１４は、亜鉛空気電池における電池反応を説明するための模式的な断面図である。亜鉛空気電池１０は、アルカリ性の電解液１５中に亜鉛電極１１が設けられ、空気流路１３と電解液１５との間に空気極１２が設けられた構造を有し、電池反応（放電反応）が進行することにより亜鉛電極１１と空気極１２とから電力を出力する。亜鉛空気電池１０の単電池（以下、「セル」ともいう）は、電解液１５の流路１６を通じて互いに連通している。なお、空気極１２は、一般的にカーボン担体に空気極触媒を担持したものが用いられる。
【０００３】
亜鉛空気電池１０の電池反応において、亜鉛電極１１を構成する金属亜鉛が電解液１５中の水酸化物イオンと反応し、テトラヒドロキソ亜鉛酸イオンとなり、亜鉛電極１１中に電子を放出する。また、このテトラヒドロキソ亜鉛酸イオンは分解して酸化亜鉛又は水酸化亜鉛が電解液１５中に析出する。また、空気極１２において、電子と水と酸素が反応することにより水酸化物イオンが生成され、この水酸化物イオンは、電解液１５に移動する。このような電池反応が進行すると、亜鉛電極１１の金属亜鉛が消費され、電解液１５中に酸化亜鉛及び水酸化亜鉛が溜まっていくこととなる。したがって、亜鉛空気電池１０による電力の出力を維持するためには、亜鉛電極１１に金属亜鉛を供給し、電解液１５中に析出した酸化亜鉛及び水酸化亜鉛を除去する必要がある。
【０００４】
これに対して、金属空気電池内で電解液を循環させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１の段落［０１０５］には、金属空気電池のセルを重ね合わせた構造を有する金属空気バッテリシステムにおいて、セルからオーバーフローした電解液が、下層のセルの中に滴下されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１３−５３７６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した亜鉛空気電池の例のように、金属空気電池では、電池反応の進行とともに金属がイオンとして電解液に溶解し、酸化物や水酸化物として析出するため、次々刻々と電解液組成が変化する。セルの電解液槽（以下、「電解槽」ともいう）の内部で、電解液組成にムラが生じると、溶解した金属イオンの濃度が高まった領域で、析出した酸化物や水酸化物が電池反応を阻害したり、電解液のイオン伝導度がばらつくことによってイオン伝導度が高い領域に電流が集中するなどの現象が生じ、金属電極の電極面内で反応効率にムラが生じることになる。その結果、金属電極の利用効率が低下するなど、金属空気電池全体としての反応効率が低下することがあった。
【０００７】
一方、電解液組成のムラを抑制するため、ポンプ等で強制的に電解液を流動させることが考えられるが、セル間をつなぐ電解液の流路を通じてセル間に短絡電流が流れるおそれがある。セル間に短絡電流が流れると、金属電極が無駄に消費されるため金属電極の利用効率が下がる。
【０００８】
以上のように、従来の金属空気電池では、電解液組成のムラ抑制による金属電極の利用効率向上と、電解液の流路を通じたセル間の短絡防止を両立することが困難であった。
【０００９】
これに対して、特許文献１の金属空気バッテリシステムは、電解液を滴下する方式を用いているため、セル間の短絡を防止できると考えられるが、電解液組成のムラを充分に抑制できるものではなかった。例えば、金属電極及び空気極が水平方向に配置されるとともに、その間に電解液が配置される構成であるが、電解液が水平方向に流動する駆動力がないため、金属電極に対向している電解液の組成が水平方向でばらつく問題がある。更に、特許文献１の金属空気バッテリシステムは、あるセルから溢れ出た電解液を次のセルへ滴下させることから、直列に配置された複数のセルを電解液が流れる構成となっており、上流側のセルと下流側のセルの間で、電解液組成がばらついてしまうと考えられる。
【００１０】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、金属空気電池におけるセル間の短絡を防止しつつ、電解液組成のムラを防止して金属電極の利用効率が向上された金属空気電池筐体、及び、該金属空気電池筐体を備える金属空気電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、セル間の短絡を防止しつつ、電解液組成のムラを防止する方法について種々検討した結果、電解液を保持する電解槽を各セルに独立して設けるとともに、電解槽へ電解液を供給する給液槽と、電解槽から排出された電解液を回収する回収槽とをそれぞれ設け、これらの槽を、重力方向の上方から下方に向かって、給液槽、電解槽、回収槽の順に配置し、更に特定の構造を設けることによって電解槽に対する電解液の供給及び回収を滴下によって行う金属空気電池筐体の構成を見出した。このような構成によれば、並列に配置した複数のセルを互いに電気的に分離し、セル間の短絡電流を防止できるだけでなく、重力を利用して電解液を上方から下方へ流動させ、電池反応に伴う析出物を電極面近傍から速やかに移動させるとともに、電解液組成のばらつきを抑えることができるため、金属電極の電極面内で反応効率にムラが生じることを抑制できる。以上のことから、本発明者らは、上述した構成によって、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
【００１２】
すなわち、本発明の一態様は、並列に配置された複数のセルを有する金属空気電池筐体であって、上記複数のセルの各々は、電解液を保持する電解槽と、重力方向に対して平行に設けられた空気極とを有し、上記金属空気電池筐体は、上記電解槽へ上記電解液を供給する給液槽と、上記電解槽から排出された上記電解液を回収する回収槽とを有し、重力方向の上方から下方に向かって、上記給液槽、上記電解槽、上記回収槽の順に配置され、上記給液槽から上記電解槽への第一の電解液流路、及び、上記電解槽から上記回収槽への第二の電解液流路の少なくとも一方が滴下構造を有する金属空気電池筐体であってもよい。
【００１３】
本発明の別の一態様は、上記金属空気電池筐体と、上記電解液と接する位置に配置された金属電極とを有する金属空気電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の金属空気電池筐体、及び、金属空気電池は、上述した構成を有するので、並列に配置された複数のセルを互いに電気的に分離し、セル間の短絡電流を防止できるだけでなく、重力を利用して電解液を上方から下方へ流動させ、電池反応に伴う析出物を電極面近傍から速やかに移動させることができるため、金属電極の電極面内で反応効率にムラが生じることを抑制できる。その結果、セル間の短絡防止と電解液組成のムラ抑制による金属電極の利用効率向上とを両立した金属空気電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１の金属空気電池の構成を示す断面模式図である。
【図２】実施形態１の金属空気電池の構成を示す断面模式図であり、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面を示している。
【図３】実施形態１の金属空気電池の構成を示す断面模式図であり、図１中のＢ１−Ｂ２線に沿った断面を示している。
【図４】第一の拡張部近傍における第一の電解液流路の流路方向に平行な断面の例を示した模式図である。
【図５】第二の拡張部近傍における第二の電解液流路の流路方向に平行な断面の例を示した模式図である。
【図６】実施形態２の金属空気電池の構成を示す断面模式図である。
【図７】実施形態３の金属空気電池で用いられる給液槽の構成を示す断面模式図であり、図１中のＣ１−Ｃ２線に沿った断面に対応している。
【図８】実施形態３の金属空気電池の構成を示す断面模式図であり、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面に対応している。
【図９】実施形態３の金属空気電池で用いられる給液槽の構成の変形例を示す断面模式図である。
【図１０】実施形態３の金属空気電池で用いられる給液槽の構成の変形例を示す断面模式図である。
【図１１】実施形態４の金属空気電池の構成を示す断面模式図である。
【図１２】実施形態４の金属空気電池で用いられる配液槽の構成を示す断面模式図であり、図１１中のＥ１−Ｅ２線に沿った断面を示している。
【図１３】従来の金属空気電池の構造の一例を示した模式断面図である。
【図１４】亜鉛空気電池における電池反応を説明するための模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に実施形態を掲げ、本発明について図面を参照して更に詳細に説明するが、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い。なお、以下の説明において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
また、各実施形態の構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよいし、変更されてもよい。
【００１７】
［実施形態１］
図１〜３はいずれも、実施形態１の金属空気電池の構成を示す断面模式図であり、それぞれ異なる断面を示している。図２は、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面を示しており、図３は、図１中のＢ１−Ｂ２線に沿った断面を示している。
【００１８】
実施形態１の金属空気電池１００は、金属空気電池筐体と、上記金属空気電池筐体に着脱可能な金属電極１４１と、上記金属空気電池筐内を循環する電解液１８０とによって構成される。
実施形態１における金属空気電池筐体は、並列に配置された複数のセル１００Ａ、１００Ｂを有し、上記複数のセル１００Ａ、１００Ｂの各々は、電解液１８０を保持する電解槽１３０と、重力方向に対して平行に設けられた空気極１４２とを有し、上記金属空気電池筐体は、上記電解槽１３０へ上記電解液１８０を供給する給液槽１１０と、上記電解槽１３０から排出された上記電解液１８０を回収する回収槽１５０とを有し、重力方向の上方から下方に向かって、上記給液槽１１０、上記電解槽１３０、上記回収槽１５０の順に配置され、上記給液槽１１０から上記電解槽１３０への第一の電解液流路１８２、及び、上記電解槽１３０から上記回収槽１５０への第二の電解液流路１９２の少なくとも一方が滴下構造を有することを特徴とする。
また、実施形態１の金属空気電池１００は、上記した金属空気電池筐体と、上記電解液と接する位置に配置された金属電極１４１とを有することを特徴とする。
以下、本実施形態の金属空気電池１００について詳述する。
【００１９】
実施形態１の金属空気電池１００は、複数のセル（単電池）１００Ａ、１００Ｂが並列に配置された構成を有するものであり、図１に示された断面の奥行き方向（紙面に対して法線方向）に、図１に示されたセル１００Ａとは別のセル１００Ｂが配置されている。
図２、３では、同じ構成を有する２つのセル１００Ａ、１００Ｂが示されているが、本発明において、セルの数は、３以上であってもよく、各セルの構成は、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【００２０】
各セル１００Ａ、１００Ｂは、金属空気電池１００の電極を構成する空気極１４２と、電解液１８０を保持する電解槽１３０とを含む構成単位であり、各セル１００Ａ、１００Ｂに金属電極１４１を取り付けることで、各セル１００Ａ、１００Ｂにおいてそれぞれ電池反応を行うことができる。
【００２１】
金属電極１４１は、金属空気電池１００の負極（アノード）として用いられるものである。電池反応の進行とともに金属電極１４１を構成する金属が消費されることから、金属電極１４１は交換可能であることが好ましい。すなわち、金属空気電池筐体には、金属電極１４１を取り付けることができる支持部が設けられていることが好ましい。支持部の形態は特に限定されず、例えば、金属電極１４１を重力方向（図１中に白抜き矢印で示した方向）の上方から差し込むことによって電解槽１３０内で金属電極１４１が収容される部分であってもよいし、電解槽１３０中に挿入された金属電極１４１の上端を保持する留め具であってもよいし、金属電極１４１を重力方向の上方から差し込むことによって金属電極１４１を収容する収容部材と電解槽１３０中に挿入された収容部材の上端を保持する留め具との組合せであってもよい。また、支持部材は、集電体として機能するものであることが好ましく、金属電極１４１と外部回路とを電気的に接続するものであることが好ましい。
【００２２】
金属電極１４１の配置は、電解槽１３０に保持された電解液１８０に金属電極１４１が接触さえすれば特に限定されないが、金属電極１４１を金属空気電池筐体に取り付けた状態において、金属電極１４１が、電解槽１３０中に、電極面が重力方向に対して平行となるように、言い換えれば、電極面が水平方向と交差するように配置されることが、金属電極１４１と空気極１４２の電極間距離が均等、かつ、短くなり、電極間抵抗を抑えることができるため好ましい。
【００２３】
金属電極１４１を構成する材料としては、例えば、亜鉛、リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄、コバルト、カドミウム、パラジウム等の金属や、その合金が挙げられる。金属電極１４１を構成する金属は、電池の放電反応により電子を放出し、電解液１８０中に溶解した後、金属酸化物、金属水酸化物等の金属化合物になって析出する。
金属空気電池１００は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよい。
【００２４】
空気極１４２は、金属空気電池１００の正極（カソード）として用いられるものであり、大気中の酸素ガスと水と電子から水酸化物イオン（ＯＨ−）を生成する電極である。金属電極１４１と同様に、電解槽１３０中に、電極面が重力方向に対して平行となるように設けられている。金属電極１４１の電極面と空気極１４２の電極面とは、互いに対向している。
【００２５】
空気極１４２は、例えば、導電性の多孔性担体と該多孔性担体に担持された空気極触媒とを含む構成からなる。このような構成によれば、空気極触媒上に、酸素ガスと水と電子を共存させることができ、電極反応を効率よく進行させることができる。空気極触媒は、微粒子状にして多孔性担体に担持させることが好ましい。電極反応に使われる水は、大気中から供給されてもよく、電解液１８０から供給されてもよい。
【００２６】
多孔性担体としては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック；黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子；気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることができる。
多孔性担体は、その表面に陽イオン基が固定イオンとして存在するように表面処理がなされていてもよい。このことにより、多孔性担体の表面を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
また、空気極１４２は、多孔性担体に担持されたアニオン交換樹脂を有してもよい。このことにより、アニオン交換樹脂を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
【００２７】
空気極触媒としては、例えば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン等の金属；これらの金属原子を含む金属化合物；これらの金属の２種以上を含む合金を用いることができる。上記合金としては、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、例えば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金、鉄−コバルト−ニッケル合金を好適に用いることができる。
【００２８】
空気極１４２は、大気に直に接して設けられてもよいし、空気流路１４３に接して設けてもよい。空気流路１４３が設けられる場合、空気流路１４３に加湿された空気を流すことにより、空気極１４２に酸素ガスだけでなく水を供給できる。空気流路１４３の設置方法は特に限定されず、例えば、空気極１４２の電解液１８０と接する側とは反対側に集電部材（図示せず）を配置し、この集電部材に形成してもよい。集電部材を介して空気極１４２と外部回路とを電気的に接続すれば、金属空気電池１００の電力を外部回路に効率よく出力することができる。
【００２９】
空気極１４２は、電解槽１３０内の電解液１８０に接触するように設けてもよい。このことにより、空気極１４２で生成した水酸化物イオンが容易に電解液１８０へ移動することができる。また、空気極１４２における電極反応に必要な水が電解液１８０から空気極１４２に供給されやすくなる。
【００３０】
また、空気極１４２は、電解槽１３０内の電解液１８０に接触するように設けられたイオン交換部１４４と接触して設けられてもよい。イオン交換部１４４を設けることにより、空気極１４２と電解液１８０との間を移動するイオン種を限定することができる。イオン交換部１４４は、アニオン交換膜であってもよい。このことにより、空気極１４２で発生した水酸化物イオンがアニオン交換膜を伝導し、電解液１８０へ移動することができ、かつ電解液１８０中の陽イオンが空気極１４２に移動するのを防止することができる。
【００３１】
電解槽１３０は、電解液１８０が溜められる容器であることから、電解液１８０に対する耐食性を有する材料で形成されたものであることが好ましい。電解槽１３０の内部には、金属電極１４１が取り付け可能であり、電解槽１３０の外壁部には、空気極１４２が取り付け可能である。金属電極１４１及び空気極１４２の電解槽１３０に対する取り付け位置は特に限定されるものではなく、例えば、金属電極１４１の位置と空気極１４２の位置を入れ換えてもよい。
電解槽１３０は、セル１００Ａ、１００Ｂごとに独立して設けられており、これによってセル１００Ａ、１００Ｂ間の電解液１８０は分離されている。
【００３２】
電解液１８０は、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する液体である。電解液１８０の種類は、金属電極１４１を構成する金属の種類によって選択すればよく、水溶媒を用いた電解液（電解質水溶液）であってもよく、有機溶媒を用いた電解液（有機電解液）であってもよい。
例えば、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性水溶液を用いることができる。マグネシウム空気電池の場合、電解液には塩化ナトリウム水溶液等の中性水溶液を用いることができる。また、リチウム金属電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、有機電解液を用いることができる。
また、電解槽１３０が固体電解質からなる隔壁（図示せず）を有し、隔壁で仕切られた一方側に電解質水溶液が溜められ、他方側に有機電解液が溜められてもよい。
また、電解液１８０はゲル化剤を含み、ゲル化されていてもよい。ゲル化剤としては、特に限定されず、電池の分野で電解液をゲル化するために使用されるゲル化剤であれば用いることができる。
【００３３】
本実施形態においては、金属空気電池１００が、図１中の白抜き矢印の方向に沿って、電解槽１３０へ電解液１８０を供給する給液槽１１０と、電解槽１３０と、電解槽１３０から排出された電解液１８０を回収する回収槽１５０とが、順に配置された構成を有している。言い換えれば、重力方向の上方（以下では、単に「上方」ともいう）から重力方向の下方（以下では、単に「下方」ともいう）に向かって、給液槽１１０、電解槽１３０、回収槽１５０が配置されており、電解液１８０は、重力によって、給液槽１１０の下部から電解槽１３０の上部へ流れ、電解槽１３０の下部から回収槽１５０の上部へ流れる。このような構成とすることで、重力を利用して電解槽１３０における電解液１８０の注入及び排出を行うことができる。
なお、給液槽１１０、電解槽１３０及び回収槽１５０は、それぞれ独立して電解液１８０を保持できればよく、各槽がいずれかの部分で連結されていても構わない。例えば、給液槽１１０と電解槽１３０との間、及び、電解槽１３０と回収槽１５０との間は、空間（空気層）であってもよいし、シール部材１０５によって封止されていてもよい。
【００３４】
また、本実施形態において、電解液１８０は、給液槽１１０、電解槽１３０及び回収槽１５０の間で分離されている。すなわち、重力方向の下方から上方に向かって、順に、回収槽１５０内の電解液１８０の液面１８０Ａ、回収槽１５０の第一の回収槽開口１５１、電解槽１３０内の電解液１８０の液面１８０Ｂ、電解槽１３０の第二の電解槽開口１３２、給液槽１１０内の電解液１８０の液面１８０Ｃが位置する構成となっている。
【００３５】
給液槽１１０は、電解槽１３０へ投入される前の電解液１８０が溜められる容器であり、電解槽１３０へ投入される電解液１８０の量を調節する役割を有する。給液槽１１０は、電解液１８０に対する耐食性を有する材料で形成されたものであることが好ましい。給液槽１１０は、円筒状や直方体状等の電解液１８０が溜められる形状であればよく、その容積や形状は特に限定されないが、金属空気電池筐体への固定のしやすさの観点で、側面を設置面として利用できる直方体形状が好ましい。
【００３６】
また、回収槽１５０は、電解槽１３０から排出された電解液１８０が溜められる容器であり、回収された電解液１８０は、配管１７０を通じて、給液槽１１０へ供給される。回収槽１５０は、電解液１８０に対する耐食性を有する材料で形成されたものであることが好ましい。回収槽１５０は、円筒状や直方体状等の電解液１８０が溜められる形状であればよく、その形状は特に限定されないが、金属空気電池筐体への固定のしやすさの観点で、側面を設置面として利用できる直方体形状が好ましい。
【００３７】
ここで、給液槽１１０から電解槽１３０への第一の電解液流路１８２の構成について説明する。
給液槽１１０の下部には、給液槽１１０内の電解液１８０を電解槽１３０に落下させるための第一の給液槽開口１１１が設けられている。電解槽１３０の上部には、第一の給液槽開口１１１から落下した電解液１８０が通過できるように第一の電解槽開口１３１が設けられている。
【００３８】
第一の給液槽開口１１１と第一の電解槽開口１３１との間は、開放空間であってもよいし、配管によって連結されていてもよい。第一の電解槽開口１３１は、第一の給液槽開口１１１の直下に配置されることが好ましいが、配管によって連結される場合には、第一の電解槽開口１３１は、第一の給液槽開口１１１の直下に配置されなくてもよい。
【００３９】
第一の給液槽開口１１１の数は特に限定されず、１つであってもよいし、複数であってよいが、複数の場合は、電解槽１３０内の電解液１８０の組成を均一にしやすく、また、電解槽１３０への電解液１８０の供給速度を高めることができる。第一の給液槽開口１１１を複数設ける場合、それと同数の第一の電解槽開口１３１を設けてもよいし、複数の第一の給液槽開口１１１に対して、一つの第一の電解槽開口１３１を設けてもよい。
【００４０】
第一の電解液流路１８２は、滴下構造を有するものである。この滴下構造は、電解液１８０を液滴にすることができる構造であれば特に限定されるものではなく、滴下構造によって、給液槽１１０から排出された電解液１８０は液滴とされ、電解槽１３０内に滴下される。本実施形態において、第一の電解液流路１８２に設けられた滴下構造は、流路断面積が変化する第一の拡張部により構成されている。図４は、第一の拡張部近傍における第一の電解液流路の流路方向に平行な断面の例を示した模式図である。図４（ａ）は、第一の拡張部において、実質的に不連続に流路断面積が変化する例を示しており、図４（ｂ）、（ｃ）は、第一の拡張部において、不連続に流路断面積が変化する例を示している。また、図４においては、給液槽１１０と電解槽１３０とを繋ぐ配管１８３に第一の拡張部１８４が設けられた例を示している。第一の拡張部１８４は、給液槽１１０の下端、電解槽１３０の上端に設けられてもよく、その場合には、第一の給液槽開口１１１と第一の電解槽開口１３１とが直接接触して連通していてもよい。
【００４１】
第一の拡張部１８４は、第一の給液槽開口１１１から電解槽１３０内の電解液１８０の液面１８０Ｂまでの間に設けられていればよい。第一の拡張部１８４においては、始点（第一の給液槽開口１１１側）１８５から終点（液面１８０Ｂ側）１８７までの経路長が、始点１８５の流路径１８５Ｄの半分以内であり、かつ、終点１８７の流路断面積が、始点１８５の流路断面積の４倍以上とされている。なお、上記流路径は、電解液流路の断面における最長部分の長さを意味し、例えば、断面が円形であれば直径を意味し、断面が楕円形であれば長径を意味し、断面が四角形であれば対角線の長さを意味する。このような第一の拡張部１８４が存在することによって、第一の拡張部１８４の始点１８５から終点１８７を通過した電解液１８０は、液柱とならず、液滴として成長し、不連続体として、電解槽１３０内に滴下させることが可能である。
【００４２】
第一の拡張部１８４は、図４（ｂ）、（ｃ）のような不連続に流路断面積が変化する領域であってもよい。すなわち、第一の電解液流路１８２は、ある一点で、流路断面積が４倍以上に拡張された構造を有してもよい。この構造では、液滴をより成長させやすい。また、第一の電解液流路１８２は、流路断面積の大きな終点側の流路１８８内に、流路断面積の小さな始点側の流路１８６が挿入された構造を有していてもよい。この構造では、流路断面積の小さな始点側の流路１８６の先端が筒状に突出して設けられることから、液滴を更に成長させやすい。
【００４３】
第一の拡張部１８４を通過する電解液１８０の流速Ｖが１０−７ｍ３／ｓより大きい場合は、４／３π（２ｒ）３≧Ｖτの条件を満たすことが好ましい。ここで、ｒは第一の拡張部１８４における始点１８５の半径（ｍ）、Ｖは第一の拡張部１８４の始点１８５を通過する電解液１８０の速度（ｍ３／ｓ）、τは時間（ｓ）である。左辺は第一の拡張部１８４の始点１８５の半径と比べて２倍の半径を持つ球の体積を表し、右辺は第一の拡張部１８４の始点１８５を、単位時間の間に通過する電解液１８０の体積を表している。右辺が左辺を超える条件では、電解液１８０は液滴を形成せずに液柱となり、連続体として落下するが、左辺が右辺以上の条件では、電解液１８０は液滴となり、不連続体として滴下される。ここで、τは液滴の滴下時間間隔と関連付けられ、０．０５秒以上、２秒以下が好ましく、より好ましくは０．１秒以上、１秒以下である。τが２秒を超えると、電解液１８０の移動速度が遅過ぎる場合があり、τが０．０５秒未満であると、不連続体として滴下する状態と、連続体として落下する状態の間でゆらぎが生じ、安定した滴下状態を維持できない場合がある。
【００４４】
第一の拡張部１８４における始点１８５の半径ｒを大きくすると、給液槽１１０、電解槽１３０及びそれらを繋ぐ配管１８３等が大きくなるため、金属空気電池１００が大きくなってしまう。このため、始点１８５の半径ｒは小さい方がよく、１ｃｍ未満であることが好ましい。
【００４５】
第一の拡張部１８４における始点１８５の半径ｒを小さくする場合には、始点１８５を通過する電解液１８０の速度Ｖ（ｍ３／ｓ）もそれに合わせて小さくすることが好ましい。速度Ｖの調整方法としては、第一の給液槽開口１１１から液面１８０Ｂまでの第一の電解液流路１８２を複数の流路から構成されるものとし、給液槽１１０から電解槽１３０への電解液１８０の総移動速度を維持しながらも、流路の一つあたりを通過する電解液１８０の速度を小さくする方法や、第一の給液槽開口１１１から液面１８０Ｂまでの第一の電解液流路１８２において、電解液１８０を透過できる膜や、弁（バルブ）等の流量調節手段を配置する方法が挙げられる。流量調節手段を有することにより、金属空気電池１００の使用状況や電解液１８０の状態に応じて、電解液１８０の速度を自由に調整することができる。
【００４６】
なお、ゲル化した電解液１８０を用いる場合には不連続な液滴を形成しやすく、第一の拡張部１８４における始点１８５の半径ｒの大きさ及び形状に関する制約は少なくなる。
【００４７】
次に、電解槽１３０から回収槽１５０への第二の電解液流路１９２の構成について説明する。
電解槽１３０の下部には、電解槽１３０内の電解液１８０を回収槽１５０に落下させるための第二の電解槽開口１３２が設けられている。回収槽１５０の上部には、第二の電解槽開口１３２から落下した電解液１８０が通過できるように第一の回収槽開口１５１が設けられている。
【００４８】
第二の電解槽開口１３２と第一の回収槽開口１５１との間は、開放空間であってもよいし、配管によって連結されていてもよい。第一の回収槽開口１３１は、第二の電解槽開口１３２の直下に配置されることが好ましいが、配管によって連結される場合には、第一の回収槽開口１５１は、第二の電解槽開口１３２の直下に配置されなくてもよい。
【００４９】
第二の電解槽開口１３２の数は特に限定されず、１つであってもよいし、複数であってよいが、複数の場合は、回収槽１５０への電解液１８０の供給速度を高めることができる。第二の電解槽開口１３２を複数設ける場合、それと同数の第一の回収槽開口１５１を設けてもよいし、複数の第二の電解槽開口１３２に対して、一つの第一の回収槽開口１５１を設けてもよい。
【００５０】
第二の電解液流路１９２は、滴下構造を有するものであり、この滴下構造は、電解液１８０を液滴にすることができる構造であれば特に限定されるものではなく、滴下構造によって、電解槽１３０から排出された電解液１８０は液滴とされ、回収槽１５０内に滴下される。本実施形態において、第二の電解液流路１９２に設けられた滴下構造は、流路断面積が変化する第二の拡張部により構成されている。図５は、第二の拡張部近傍における第二の電解液流路の流路方向に平行な断面の例を示した模式図である。図５（ａ）は、第二の拡張部において、実質的に不連続に流路断面積が変化する例を示しており、図５（ｂ）、（ｃ）は、第二の拡張部において、不連続に流路断面積が変化する例を示している。また、図５においては、電解槽１３０と回収槽１５０とを繋ぐ配管１９３に第二の拡張部１９４が設けられた例を示している。第二の拡張部１９４は、電解槽１３０の下端、回収槽１５０の上端に設けられてもよく、その場合には、第二の電解槽開口１３２と第一の回収槽開口１５１とが直接接触して連通していてもよい。
【００５１】
第二の拡張部１９４は、第二の電解槽開口１３２から回収槽１５０内の電解液１８０の液面１８０Ａまでの間に設けられていればよい。第二の拡張部１９４においては、始点（第二の電解槽開口１３２側）１９５から終点（液面１８０Ａ側）１９７までの経路長が、始点１９５の流路径１９５Ｄの半分以内であり、かつ、終点１９７の流路断面積が、始点１９５の流路断面積の４倍以上とされている。このような第二の拡張部１９４が存在することによって、第二の拡張部１９４の始点１９５から終点１９７を通過した電解液１８０は、液柱とならず、液滴として成長し、不連続体として、回収槽１５０内に滴下させることが可能である。
【００５２】
第二の拡張部１９４は、図５（ｂ）、（ｃ）のような不連続に流路断面積が変化する領域であってもよい。すなわち、第二の電解液流路１９２は、ある一点で、流路断面積が４倍以上に拡張された構造を有してもよい。この構造では、液滴をより成長させやすい。また、第二の電解液流路１９２は、流路断面積の大きな終点側の流路１９８内に、流路断面積の小さな始点側の流路１９６が挿入された構造を有していてもよい。この構造では、流路径の小さな始点側の流路１９６の先端が筒状に突出して設けられることから、液滴を更に成長させやすい。
【００５３】
第二の拡張部１９４を通過する電解液１８０の流速Ｖが１０−７ｍ３／ｓより大きい場合は、４／３π（２ｒ）３≧Ｖτの条件を満たすことが好ましい。この条件を満たす場合、電解液１８０は連続体とならずに、液滴として滴下する。ｒは第二の拡張部１９４における始点１９５の半径（ｍ）、Ｖは第二の拡張部１９４の始点１９５を通過する電解液１８０の速度（ｍ３／ｓ）、τは時間（ｓ）である。左辺は第二の拡張部１９４の始点１９５の半径と比べて２倍の半径を持つ球の体積を表し、右辺は第二の拡張部１９４の始点１９５を、単位時間の間に通過する電解液１８０の体積を表している。右辺が左辺を超える条件では、電解液１８０は液滴を形成せずに液柱となり、連続体として落下するが、左辺が右辺以上の条件では、電解液１８０は液滴となり、不連続体として滴下される。ここで、τは液滴の滴下時間間隔と関連付けられ、０．０５秒以上、２秒以下が好ましく、より好ましくは０．１秒以上、１秒以下である。τが２秒を超えると、電解液１８０の移動速度が遅過ぎる場合があり、τが０．０５秒未満であると、不連続体として滴下する状態と、連続体として落下する状態の間でゆらぎが生じ、安定した滴下状態を維持できない場合がある。
【００５４】
第二の拡張部１９４における始点１９５の半径ｒを大きくすると、給液槽１３０、回収槽１５０及びそれらを繋ぐ配管１９３等が大きくなるため、金属空気電池１００が大きくなってしまう。このため、始点１９５の半径ｒは小さい方がよく、１ｃｍ未満であることが好ましい。
【００５５】
第二の拡張部１９４における始点１９５の半径ｒを小さくする場合には、始点１９５を通過する電解液１８０の速度Ｖ（ｍ３／ｓ）もそれに合わせて小さくすることが好ましい。速度Ｖの調整方法としては、第二の電解槽開口１３２から液面１８０Ａまでの第二の電解液流路１９２を複数の流路から構成されるものとし、電解槽１３０から回収槽１５０への電解液１８０の総移動速度を維持しながらも、流路の一つあたりを通過する電解液１８０の速度を小さくする方法や、第二の電解槽開口１３２から液面１８０Ａまでの第二の電解液流路１９２において、電解液１８０を透過できる膜や、弁（バルブ）等の流量調節手段を配置する方法が挙げられる。
【００５６】
なお、ゲル化した電解液１８０を用いる場合には不連続な液滴を形成しやすく、第二の拡張部１９４における始点１９５の半径ｒの大きさ及び形状に関する制約は少なくなる。
【００５７】
回収槽１５０内に回収された電解液１８０は、回収槽１５０に設けられた第二の回収槽開口１５２から排出され、ポンプ１７８等の動力によって配管１７０内を流れ、給液槽１１０に設けられた第二の給液槽開口１１２から給液槽１１０内に戻される。第二の回収槽開口１５２、配管１７０及び第二の給液槽開口１１２等の回収槽１５０から給液槽１１０への電解液１８０の流路（第三の電解液流路）には、電解液１８０中の電池反応に伴う析出物、不純物等を除去するための濾過装置が設けられてもよいし、流量を調節するための弁（バルブ）が設けられてもよい。また、上記流路には、新たに調製した電解液１８０を投入するための給液装置が接続されていてもよい。更に、析出物の析出を促進するために、冷却装置、加熱装置、攪拌装置等が、回収槽１５０、配管１７０等に設けられてもよい。
【００５８】
図２及び図３において、電解槽１３０は、２つのセル１００Ａ、１００Ｂに対応して２つ示されており、給液槽１１０は、電解槽１３０と同じく２つ示されており、回収槽１５０は、１つのみ示されている。本発明において、電解槽は、セル間の短絡電流を防止するために各セルに独立して設けられるものであり、セルの数に応じて複数設けられるが、給液槽及び回収槽の数は特に限定されない。給液槽１１０は、金属空気電池１００の構成を簡単なものとするために１つのみであってもよいし、電解槽１３０と同数であってもよい。回収槽１５０は、電解槽１３０と同数であってもよいが、金属空気電池１００の構成を簡単なものとする観点から、電解槽１３０よりも少なくすることが好ましく、１つのみとすることがより好ましい。給液槽１１０及び回収槽１５０の数を少なくすることによって、槽の数を少なくできるだけでなく、槽間の配管１７０を少なくすることもできる。また、給液槽１１０及び回収槽１５０の少なくとも一方が、電解槽１３０の数よりも少なくされ、複数のセルで共用されることによって、複数のセル間における電解液１８０の組成のばらつきを低減することができる。
【００５９】
また、本実施形態の金属空気電池１００において、滴下構造は、第一の電解液流路１８２及び第二の電解液流路１９２の両方に設けられているが、本発明において、滴下構造は、第一の電解液流路及び第二の電解液流路のいずれか一方のみに設けられてもよい。例えば、給液槽が各電解槽毎に設けられている構成では、必ずしも第一の電解液流路に流れる電解液を不連続にする必要はない。仮に第一の電解液流路を流れる電解液が不連続とされない場合であっても、隣接する電解槽（１）、（２）に対して、それぞれ給液槽（１）、（２）が分離して設けられている構成では、第一の電解液流路を通じた電解槽（１）、（２）間の経路は、電解槽（１）→給液槽（１）→回収槽→給液槽（２）→電解槽（２）となる。しかしながら、この経路は非常に長いため抵抗が大きく、この経路を通じて流れる短絡電流は非常小さく、無視してよい程度の大きさとなる。したがって、給液槽が電解槽毎に分離して設けられている構成では、第二の電解液流路のみに滴下構造を設けることによっても、本発明の効果を得ることができる。一方、回収槽が各電解槽毎に設けられている構成では、第一の電解液流路のみに滴下構造を設けることによっても、本発明の効果を得ることができる。
【００６０】
上述した構成を有する本実施形態の金属空気電池１００には、以下の利点がある。
（１）ポンプ１７８等の動力で回収槽１５０からくみ上げた電解液１８０は、重力により、給液槽１１０→電解槽１３０→回収槽１５０の順に流れる。このとき、電解槽１３０への電解液１８０の流入経路、及び、電解槽１３０からの電解液１８０の流出経路では、いずれも、電解液１８０が滴下される。すなわち、給液槽１１０の底面と電解槽１３０内の電解液１８０の液面１８０Ｂとの間、電解槽１３０の底面と回収槽１５０内の電解液１８０の液面１８０Ａとの間には空間が存在しており、電解液１８０は電解槽１３０内外で不連続体とされている。このような構成とすることによって、並列に配置した複数のセル１００Ａ、１００Ｂを互いに電気的に分離し、セル１００Ａ、１００Ｂ間に短絡電流が流れることを防止することができる。
【００６１】
（２）電解槽１３０内においても、重力を利用し、電解液１８０を上方から下方へと流動させる。金属電極１４１及び空気極１４２の電極面は重力方向に対して平行であることから、電解液１８０は、金属電極１４１及び空気極１４２の電極面に沿って流れることになる。このような構成とすることで、電池反応に伴う析出物を電極面近傍から速やかに移動させることができる。
また、電解液１８０の流動は、重力の他、発電に伴う発熱に起因する熱対流によっても生じ得る。電解液１８０が流動することによって、電解液１８０中に淀みを生じないので、電解液１８０の組成のムラを抑制することができる。その結果、金属電極１４１における金属の利用効率を向上させることができる。なお、図１において、二点鎖線を用いて電解液１８０の流れを概念的に表している。
【００６２】
（３）複数のセル１００Ａ、１００Ｂ（電解槽１３０）が並列に配置されているため、電解液１８０の流れは並行しており、セル１００Ａ、１００Ｂ毎の電解液組成のばらつきも生じにくい。
【００６３】
［実施形態２］
実施形態１の金属空気電池１００の構成では、各槽の電解液１８０の流入量及び流出量を一致させないと、各槽において液面が上昇したり下降したりするため、槽からの電解液１８０の溢れが生じるおそれがある。例えば、回収槽１５０中の電解液１８０の液面１８０Ａが高くなり、回収槽１５０の第一の回収槽開口１５１に達した場合や、電解槽１３０中の電解液１８０の液面１８０Ｂが高くなり、電解槽１３０の第一の電解槽開口１３１に達した場合には、槽から電解液１８０が溢れてしまう。このため、実施形態１の金属空気電池１００においては、電解液１８０の流量を厳密に制御することでバランスを取るが、第一の給液槽開口１１１や第二の電解槽開口１３２が析出物で狭まったりすると、電解液１８０の流入量及び流出量のバランスが取れなくなる可能性がある。そこで、実施形態１の金属空気電池１００の構成に対して、電解液１８０の溢れを防止するための手段を追加的に設けることが考えられる。
【００６４】
実施形態２の金属空気電池は、実施形態１の金属空気電池１００の構成に対して、電解液１８０の溢れを防止するための手段を追加的に設けたものであり、図６は、実施形態２の金属空気電池の構成を示す断面模式図である。図６中の二点鎖線は、電解液１８０の流れを概念的に表している。
以下、図６に基づき、本実施形態の金属空気電池２００について詳述するが、実施形態１の金属空気電池１００と共通する事項については、適宜説明を省略する。
【００６５】
図６に示したように、本実施形態の金属空気電池２００では、電解槽１３０は、槽内に隔壁（側壁）１３３を有し、電解槽１３０内には、金属電極１４１と空気極１４２が対向する第一の領域（反応領域）Ｒ１と、隔壁１３３によって反応領域Ｒ１から隔てられた第二の領域（溝領域）Ｒ２がある。第二の電解槽開口１３２は、溝領域Ｒ２に位置する。隔壁１３３は、電解槽１３０内の上端には達しておらず、反応領域Ｒ１と溝領域Ｒ２とは、電解槽１３０内の上方で連通している。このような構成とすることで、反応領域Ｒ１において電解液１８０の液面が隔壁１３３の上端より低いときには、電解槽１３０からの電解液１８０の排出が行われず、隔壁１３３の上端を超えたときに、電解液１８０の排出が行われる。
【００６６】
また、給液槽１１０には、第三の給液槽開口１１３が設けられており、回収槽１５０には、第三の回収槽開口１５３が設けられており、かつ、第三の給液槽開口１１３と第三の回収槽開口１５３とをつなぐ配管（第四の電解液流路）１７１が設けられている。給液槽１１０においては、配管（第四の電解液流路）１７１と連通する部分が、配管（第三の電解液流路）１７０と連通する部分よりも下方に位置する。このような構成とすることで、給液槽１１０内の電解液１８０の液面が第三の給液槽開口１１３の下端よりも高い場合には、配管１７１を介して、電解液１８０が回収槽１５０へと排出されるため、給液槽１１０内の電解液１８０の液面１８０Ｃは、第三の給液槽開口１１３の位置以上に上昇しない。
なお、配管１７０、１７１は、図７において模式的に示されており、配管１７０、１７１の具体的な配置、形状等は、その機能が損なわれなければ適宜設定してよい。また、配管１７１には、ポンプ１７８等の動力手段が設けられてもよい。
【００６７】
更に、回収槽１５０の内容積は、システムに利用している電解液１８０の総容積よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることで、回収槽１５０の液面が、第一の回収槽開口１５１まで上昇することを防ぐことができる。
【００６８】
なお、本実施形態では、隔壁１３３の設置、配管１７１の設置、及び、回収槽１５０の内容積の拡張をすべて組合せたものとしたが、本発明においては、１つのみを適用した構成であってもよいし、いずれか２つを組み合わせて適用した構成であってもよい。
【００６９】
本実施形態においては、各槽の電解液１８０の流入量及び流出量を一致させる必要はないが、各槽の電解液１８０の流入量及び流出量のバランスを考慮した設計とすることが好ましい。
まず、電解槽１３０の液面１８０Ｂが上昇しないようにするには、給液槽１１０から流入する電解液１８０の最大流量よりも、第二の電解槽開口１３２から流出する電解液１８０の最大流量の方が多くなるように制御する。この制御は、圧力損失や液圧を調整することで可能である。具体的には、給液槽１１０の底面から、第三の給液槽開口１１３までの高さを、第二の電解槽開口１３２から隔壁１３３の上端までの高さよりも、小さくすることで、第二の電解槽開口１３２にかかる液圧を、第一の給液槽開口１１１にかかる液圧よりも大きくできる。また、第一の給液槽開口１１１の総断面積を第二の電解槽開口１３２の総断面積よりも小さくすることで、第二の電解槽開口１３２の圧力損失を、第一の給液槽開口１１１の圧力損失よりも小さくすることができる。これらの液圧及び圧力損失の調整を組み合わせることで、上記した制御を実現できる。
次に、給液槽１１０の液面が上昇しないようにするには、上記と同様の考え方に基づき、第二の給液槽開口１１２より給液槽１１０へ流入する電解液１８０の最大流量よりも、第一の給液槽開口１１１から電解槽１３０へ流出する電解液１８０の最大流量の方が、小さくなるように制御することが好ましく、第二の給液槽開口１１２より給液槽１１０へ流入する電解液１８０の最大流量よりも、第三の給液槽開口１１３から流出する電解液１８０の最大流量の方が、大きくなるように制御することが好ましい。具体的には、第二の給液槽開口１１２の総断面積を、第三の給液槽開口１１３の総断面積より小さくするとともに、給液槽１１０の液が空になることを防ぐために、第二の給液槽開口１１２の総断面積を、第一の給液槽開口１１１の総断面積よりも大きくすることが好ましい。
【００７０】
本実施形態によれば、実施形態１の利点に加えて、電解液１８０の液面が過度に上昇することを防止できるという利点がある。したがって、各槽から液溢れが生じることを防止でき、金属空気電池の信頼性が向上する。また、各槽が電解液１８０で満たされることを考慮しないでよいため、各槽に設けられたシール部１０５を減らしたり、無くすことができ、部材コストや製造コストを低減することができる。
【００７１】
［実施形態３］
実施形態１の金属空気電池１００の構成では、金属電極１４１の取り付け及び取り出しを可能とするために、給液槽１１０は、電解槽１３０の真上からずらして配置されている。しかしながら、この配置では、電解槽１３０内の電解液１８０の組成が均一になるように第一の給液槽開口１１１を配置させることが困難な場合がある。特に実施形態１では、金属電極１４１の両面に対向するように空気極１４２が配置されているため、第一の給液槽開口１１１の配置によっては、金属電極１４１の両面で非対称に反応が生じることになり、金属電極１４１の両側の電解液組成が均一にできないおそれがある。そこで、実施形態１の金属空気電池１００の構成に対して、金属電極１４１の取り付け及び取り出しを容易にするための空洞を追加的に設けることが考えられる。
【００７２】
実施形態３の金属空気電池は、実施形態１の金属空気電池１００の構成に対して、給液槽１１０に金属電極１４１を挿入するための空洞を追加的に設けたものであり、図７は、実施形態３の金属空気電池で用いられる給液槽の構成を示す断面模式図であり、図１中のＣ１−Ｃ２線に沿った断面に対応している。図８は、実施形態３の金属空気電池の構成を示す断面模式図であり、図１中のＡ１−Ａ２線に沿った断面に対応している。なお、図７中に示したＤ１−Ｄ２線に沿った断面が図８の断面に相当する。
以下、図７及び図８に基づき、本実施形態の金属空気電池について詳述するが、実施形態１の金属空気電池１００と共通する事項については、適宜説明を省略する。
【００７３】
図７及び図８に示したように、本実施形態の金属空気電池では、給液槽１１０に、下方に位置する電解槽１３０への金属電極１４１の取り付け及び取り出しが容易となるように、金属電極１４１を挿入するための空洞１１５が給液槽１１０の中央部に設けられている。空洞１１５によって、電解槽１３０の真上に給液槽１１０が配置されていても、金属電極１４１を容易に交換することができる。また、空洞１１５によって、金属電極１４１を電解槽１３０の中央部に配置することができるので、空気極１４２の電極面と金属電極１４１の電極面の間の距離を、金属電極１４１の両側で均等にすることができる。その結果、金属電極１４１の両側で対称に電池反応が生じ、電解液組成がばらつくことを防止できる。
【００７４】
給液槽１１０に空洞１１５を設ける代わりに、給液槽１１０の形状を変更することも可能である。図９及び図１０は、実施形態３の金属空気電池で用いられる給液槽の構成の変形例を示す断面模式図である。図９に示したように、セル１つ当たり２つの給液槽１１０Ａ、１１０Ｂを設け、給液槽１１０Ａ、１１０Ｂ間に空隙を設けてもよく、図１０に示した略Ｕ字形状の給液槽１１０Ｃのように、屈曲した構造を有する給液槽にしてもよい。金属電極１４１の両側の電解液１８０の組成を均等にする観点からは、セル１つ当たり２つの給液槽を設けるよりも、電解液１８０を収容する領域が互いに連通した図７や図１０のような給液槽とすることが好ましい。本実施形態によっても、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００７５】
［実施形態４］
実施形態１では、電解槽１３０と同数配置された給液槽１１０を回収槽１５０に連結したが、本発明において、給液槽１１０は、給液槽１１０よりも上方に、回収槽１５０と連結された配液槽を配置し、配液槽と給液槽とを連結する構成としてもよい。実施形態４の金属空気電池は、実施形態１の金属空気電池１００の構成に対して、配液槽を追加的に設けたものである。図１１は、実施形態４の金属空気電池の構成を示す断面模式図であり、図１２は、実施形態４の金属空気電池で用いられる配液槽の構成を示す断面模式図であり、図１１中のＥ１−Ｅ２線に沿った断面を示している。図１１中の二点鎖線は、電解液１８０の流れを概念的に表している。
以下、図１１及び図１２に基づき、本実施形態の金属空気電池３００について詳述するが、実施形態１の金属空気電池１００と共通する事項については、適宜説明を省略する。
【００７６】
図１１に示したように、実施形態４の金属空気電池３００は、給液槽１１０よりも上方に１つの配液槽３１０を備える。配液槽３１０と給液槽１１０とは、配液槽３１０に設けられた第一の配液槽開口３１１、配管１７４、及び、給液槽１１０に設けられた第二の給液槽開口１１２を介して連通されている。配液槽３１０の電解液１８０を保持する空間の最高位置は、第二の給液槽開口１１２よりも上方にある。第一の配液槽開口３１１の数は、給液槽１１０の数と同数以上である。配液槽３１０と回収槽１５０とは、配液槽３１０に設けられた第二の配液槽開口３１２、配管１７２、及び、回収槽１５０に設けられた第二の回収槽開口１５２を介して連通されている。給液槽１１０には、回収槽１５０より配管１７２を通じてくみ上げられた電解液１８０が配液槽３１０及び配管１７４を介して供給される。
【００７７】
配液槽３１０は、円筒状や直方体状等の電解液１８０が溜められる形状であればよく、その容積や形状は特に限定されないが、金属空気電池筐体への固定のしやすさの観点で、側面を設置面として利用できる直方体形状が好ましい。
【００７８】
また、配液槽３１０には、第三の配液槽開口３１３が設けられており、回収槽１５０には、第三の回収槽開口１５３が設けられており、かつ、第三の配液槽開口３１３と第三の回収槽開口１５３とをつなぐ配管１７３が設けられている。配液槽３１０においては、配管１７３と連通する部分が、配管１７２と連通する部分よりも下方に位置する。このような構成とすることで、配液槽３１０内の電解液１８０の液面が第三の配液槽開口３１３の下端よりも高い場合には、配管１７３を介して、電解液１８０が回収槽１５０へと排出されるため、配液槽３１０内の電解液１８０の液面は、第三の配液槽開口３１３の位置以上に上昇しない。
【００７９】
配液槽３１０は、給液槽１１０の上方に位置することになるが、金属電極１４１の交換を妨げないよう、金属電極１４１の直上に配置させず、オフセットさせ配置することが好ましい。
配液槽３１０を設ける場合、回収槽１５０への配管（ドレン流路）１７３は、給液槽１１０に設ける必要はなく、配液槽３１０に設ければよい。配液槽３１０と給液槽１１０の間は電解液１８０で満たされていてもよい。
【００８０】
実施形態１の構成では、給液槽１１０が電解槽１３０と同数の場合、回収槽１５０と給液槽１１０を繋ぐ配管１７０を同数設ける必要があり、ポンプ１７８等の動力の消費電力が増えるとともに、各配管１７０の配管長を一定にすることが困難であるため、給液槽１１０に供給される電解液１８０の量がセル１００Ａ、１００Ｂ毎にばらつき、その結果、セル１００Ａ、１００Ｂ間の電解液組成にばらつきが生じ、金属電極１４１の利用効率が下がるおそれがあった。一方、セルが直列つなぎとなっている場合、複数あるセルのいずれかが放電できなくなると、他のセルの金属電極１４１が放電できる状態であっても、放電が止まるため、金属電極１４１の利用効率が下がる。
【００８１】
一方、本実施形態では、配液槽３１０は１つであるため、回収槽１５０からくみ上げる配管１７２は１つになるため、ポンプ１７８等の動力の消費電力を低減することができる。また、配液槽３１０から複数の給液槽１１０に重力を利用して分配するため、セル１００Ａ、１００Ｂ間の電解液組成のばらつきも抑制できる。
また、配液槽３１０を設けずに給液槽１１０を１つにすると、給液槽１１０にドレン流路用の第三の給液槽開口を設ける場合に、給液槽１１０が大きくなることから、給液槽１１０の中央を金属電極１４１が貫く構造とするためには、金属電極１４１を長くする必要性があった。配液槽３１０を設けることで、給液槽１１０にドレン流路用の第三の給液槽開口を設けることが不要となり、給液槽１１０を小型化できるとともに、金属電極１４１を短くすることが可能となり、部材コストが低減できる。
【００８２】
［付記］
以上の実施形態から、以下に示す本発明の各態様が導かれる。
本発明の一態様は、並列に配置された複数のセル１００Ａ、１００Ｂを有する金属空気電池筐体であって、上記複数のセル１００Ａ、１００Ｂの各々は、電解液１８０を保持する電解槽１３０と、重力方向に対して平行に設けられた空気極１４２とを有し、上記金属空気電池筐体は、上記電解槽１３０へ上記電解液１８０を供給する給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃと、上記電解槽１３０から排出された上記電解液１８０を回収する回収槽１５０とを有し、重力方向の上方から下方に向かって、上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、上記電解槽１３０、上記回収槽１５０の順に配置され、上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃから上記電解槽１３０への第一の電解液流路１８２、及び、上記電解槽１３０から上記回収槽１５０への第二の電解液流路１９２の少なくとも一方が滴下構造を有する金属空気電池筐体であってもよい。
【００８３】
上記態様の金属空気電池筐体によれば、電解槽１３０への電解液１８０の流入経路、及び、電解槽１３０からの電解液１８０の流出経路の少なくとも一方において、電解液１８０を液滴状にして滴下させることができるので、並列に配置した複数のセル１００Ａ、１００Ｂを互いに電気的に分離し、セル１００Ａ、１００Ｂ間に短絡電流が流れることを防止することができる。
また、重力を利用し、重力方向に対して平行な金属電極１４１及び空気極１４２の電極面に沿って、電解液１８０を上方から下方へと流動させることから、電池反応に伴う析出物を電極面近傍から速やかに移動させることができる。これによって、電解液１８０の組成のムラを抑制し、金属電極１４１における金属の利用効率を向上させることができる。
【００８４】
上記態様において、上記滴下構造は、流路径が拡大する拡張部１８４、１９４を含み、上記拡張部１８４、１９４は、始点１８５、１９５から終点１８７、１９７までの長さが流路径の半分以内であり、終点１８７、１９７の流路断面積が始点１８５、１９５の流路断面積の４倍以上であってもよい。このような構成とすることで、電解液１８０は、流路径が実質的に不連続に拡大する拡張部１８４、１９４の作用によって、液柱とならずに液滴として成長し、不連続体として重力方向下方に設置された槽内に滴下させることが可能である。
【００８５】
上記態様において、上記第一の電解液流路１８２及び上記第二の電解液流路１９２の少なくとも一方に設けられた上記拡張部１８４、１９４は、流路断面積が不連続に変化した部分であってもよい。すなわち、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）のように、始点１８５、１９５から終点１８７、１９７までの長さが実質的に零であってもよい。このような構成とすることで、流量が比較的多い場合であっても、液滴１８１を形成させることができる。また、上記第一の電解液流路１８２及び上記第二の電解液流路１９２の少なくとも一方に設けられた上記拡張部１８４、１９４は、流路断面積の大きな終点側の流路１８８、１９８内に、流路断面積の小さな始点側の流路１８６、１９６が挿入された構造を有していてもよい。このような構成とすることで、更に液滴１８１を形成しやすくすることができる。
【００８６】
上記態様において、上記第一の電解液流路１８２に設けられた上記拡張部１８４は、（１）上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの下端に設けられていてもよく、（２）上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃと上記電解槽１３０とを繋ぐ配管１８３に設けられていてもよく、（３）上記電解槽１３０の上端に設けられていてもよい。上記（１）〜（３）のいずれの構成によっても、給液槽１１０と電解槽１３０とを互いに電気的に分離することができる。
【００８７】
上記態様において、上記第二の電解液流路１９２に設けられた上記拡張部１９４は、（４）上記電解槽１３０の下端に設けられていてもよく、（５）上記電解槽１３０と上記回収槽１５０とを繋ぐ配管１９３に設けられていてもよく、（６）上記回収槽１５０の上端に設けられていてもよい。上記（４）〜（６）のいずれの構成によっても、電解槽１３０と回収槽１５０とを互いに電気的に分離することができる。
【００８８】
上記態様において、上記金属空気電池筐体は、更に、上記回収槽１５０の槽内と上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの槽内とを連通させる第三の電解液流路を有するものであってもよい。このような構成とすることで、第三の電解液流路を通じて、回収槽１５０に回収された電解液１８０を供給槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃに投入することができ、それによって、金属空気電池１００、２００、３００において、電解液１８０の組成のムラを抑制しつつ、電解液１８０を循環させて用いることができる。この場合、上記第三の電解液流路にポンプ１７８が付設されていることが好ましい。ポンプ１７８を実装することで、電解液１８０を連続的に循環できるため、電解液組成を均一な状態に維持できる。
なお、上記第三の電解液流路が設けられない場合であっても、例えば、人力によって、回収槽１５０内の電解液１８０を供給槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃに汲み上げれば、電解液１８０を循環させることは可能である。
【００８９】
上記態様において、上記金属空気電池筐体は、更に、上記回収槽１５０の槽内と上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの槽内とを連通させる第四の電解液流路１７１を有し、上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃは、上記第四の電解液流路１７１と連通する部分が、上記第三の電解液流路と連通する部分よりも下方に位置するものであってもよい。このような構成とすることで、給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ内の電解液１８０の液面１８０Ｃが第四の電解液流路１７１と連通する部分（第三の給液槽開口１１３）の下端よりも高い場合には、第四の電解液流路１７１を介して、電解液１８０が回収槽１５０へと排出されるため、液面１８０Ｃは、第三の給液槽開口１１３の位置以上に上昇せず、給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃから電解液１８０が溢れることを防止できる。
【００９０】
上記態様において、上記電解槽１３０は、上記空気極１４２に面する第一の領域Ｒ１と、上記第二の電解液流路１９２と連通する第二の領域Ｒ２とを隔てる隔壁１３３を槽内に有し、上記隔壁１３３は、上記電解槽１３０の上端よりも低く、上記隔壁１３３の上端よりも上記重力方向の上方側で上記第一の領域Ｒ１と上記第二の領域Ｒ２とが連通しているものであってもよい。このような構成とすることで、電解槽１３０における電解液１８０の流出量を制御することができ、各槽の電解液１８０の流入量及び流出量を一致させる必要がなくなる。
【００９１】
上記態様において、上記回収槽１５０の内容積は、上記金属空気電池１００、２００、３００全体に含まれる上記電解液１８０の総容積よりも大きくてもよい。このような構成とすることで、電解槽１３０の液面が過度に上昇することを防止することができる。
【００９２】
上記態様において、上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃは、上記重力方向の上方から見たときに、金属電極１４１挿入用の空洞１１５を有する。このような構成とすることで、電解槽１３０の真上に給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃを配置しても、金属電極１４１を交換することができる。
【００９３】
上記態様において、上記金属空気電池筐体は、更に、上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃよりも上記重力方向の上方に位置する少なくとも一つの配液槽３１０を有し、上記少なくとも一つの配液槽３１０の槽内は、上記回収槽１５０の槽内及び上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの槽内に連通しており、上記少なくとも一つの配液槽３１０の数は、上記給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの数よりも少ない。このような構成とすることで、ポンプ１７８等の動力の消費電力を低減することができる。また、配液槽３１０から複数の給液槽１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃに重力を利用して分配するため、セル間の電解液組成のばらつきも抑制できる。
【００９４】
本発明の別の一態様は、上記金属空気電池筐体と、上記電解液と接する位置に配置された金属電極１４１とを有する金属空気電池であってもよい。本発明の金属空気電池は、金属電極１４１が金属空気電池筐体に組み込まれた状態で電池として機能するが、金属電極１４１を構成する金属は電池反応の進行とともに消費されるため、交換可能であることが好ましい。したがって、金属空気電池筐体と金属電極１４１は分離した状態で流通することがある。本発明は、金属電極１４１が取り付けられた金属空気電池であってもよく、金属電極１４１が取り付けられていない金属空気電池筐体単体であってもよい。
【符号の説明】
【００９５】
１０：亜鉛空気電池
１１：亜鉛電極
１２：空気極
１３：空気流路
１５：電解液
１６：流路
１００、２００、３００：金属空気電池
１００Ａ、１００Ｂ：セル
１０５：シール部材
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ：給液槽
１１１：第一の給液槽開口
１１２：第二の給液槽開口
１１３：第三の給液槽開口
１１５：空洞
１３０：電解槽
１３１：第一の電解槽開口
１３２：第二の電解槽開口
１３３：隔壁
１４１：金属電極
１４２：空気極
１４３：空気流路
１４４：イオン交換部
１５０：回収槽
１５１：第一の回収槽開口
１５２：第二の回収槽開口
１５３：第三の回収槽開口
１７０、１７１、１７２、１７３、１７４：配管
１７８：ポンプ
１８０：電解液
１８０Ａ、１８０Ｂ、１８０Ｃ：電解液の液面
１８１：液滴
１８２：第一の電解液流路
１８３：給液槽と電解槽とを繋ぐ配管
１８４：第一の拡張部
１８５：第一の拡張部の始点
１８５Ｄ：第一の拡張部の始点の流路径
１８６：第一の拡張部の始点側の流路
１８７：第一の拡張部の終点
１８８：第一の拡張部の終点側の流路
１９２：第二の電解液流路
１９３：電解槽と回収槽とを繋ぐ配管
１９４：第二の拡張部
１９５：第二の拡張部の始点
１９５Ｄ：第二の拡張部の始点の流路径
１９６：第二の拡張部の始点側の流路
１９７：第二の拡張部の終点
１９８：第二の拡張部の終点側の流路
３１０：配液槽
３１１：第一の配液槽開口
３１２：第二の配液槽開口
３１３：第三の配液槽開口
Ｒ１：第一の領域（反応領域）
Ｒ２：第二の領域（溝領域）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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