(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極と、
前記空気極と対向して配置される金属極と、
前記空気極及び前記金属極を支持する筐体と、を有して構成される金属空気電池セルが複数個、並設された金属空気電池ユニットを備え、
前記空気極は、前記筐体の外面に露出しており、
各金属空気電池セルには、夫々、液室が形成されているとともに、空気室が、上部及び、前記液室から離れた側の側部を開放した形状とされており、
複数個の前記金属空気電池セルを組み合わせた前記金属空気電池ユニットには、各金属空気電池セルの間にて、隣接する金属空気電池セルの筐体で前記側部を補い上方が開放された前記空気室が形成されており、
各金属空気電池セルには、前記液室と連通して電解液を前記液室に供給すると共に、前記金属極と前記空気極との反応により生じる生成物を前記金属空気電池ユニットの外部へ放出が可能な給水口が形成されている、ことを特徴とする金属空気電池。
【請求項２】
前記給水口は、前記筐体の底部及び側部の少なくともいずれか一方に設けられることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池。
【請求項３】
前記金属極の少なくとも一部は、前記給水口と対向して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の金属空気電池。
【請求項４】
前記金属極は、下部が、自由端として前記筐体に支持されてい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。
【請求項５】
前記金属空気電池ユニットは、前記金属空気電池セルを構成する複合部品と、側壁部との２種類の部品を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の金属空気電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の金属空気電池ユニットと、電解液を収容可能なケースと、を有し、
前記金属空気電池ユニットが、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で、前記電解液を収容した前記ケース内に入れられて、前記電解液が、前記給水口を介して前記液室内に注入されることを特徴とする金属空気電池。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の金属空気電池ユニットを、電解液を収容した容器内に、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で入れて、発電を開始させることを特徴とする金属空気電池の使用方法。
【請求項８】
前記容器内に前記金属空気電池ユニットを入れた状態から引き出して、発電を停止させることを特徴とする請求項７に記載の金属空気電池の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の金属空気電池セルを備えた金属空気電池、及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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５）。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
特許文献４によれば、縦に長い筐体内を二分する一方の領域に、金属極と空気極とを配置し、一方の領域にのみ電解液を注入する。そして、筐体を上下反転させることで、電解液を他方の領域へ移動させ、電池反応を中断させることができる。【０００８】
特許文献５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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−１３１０６３号公報
【特許文献２】特開２０１６−７１９８６号公報
【特許文献３】特開昭６２−１７７８７３号公報
【特許文献４】特開２０１５−２１０９１０号公報
【特許文献５】特開２０１６−１５２１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来においては、複数の金属空気電池セルを並設した金属空気電池ユニットを、部品点数を少なく簡単な構造で形成でき、且つ、各セルに対する電解液の注入を簡略化した金属空気電池構造については開示されていない。【００１１】
特許文献１から特許文献４においては、複数のセルを並設して所望の電気出力を得ようとするものではない。【００１２】
すなわち、単セル構造を基本とし、同じ形のセルを組み合わせる構造にはなっていない。例えば、特許文献２では、金属極と空気極とが横方向を向き、上下方向に対向したセル構造である。このようなセル構造にあっては、複数のセルを直列に接続する構造が困難となる。また、例えば、特許文献３においては、内側に２つの空気極が、外側に２つの金属極が設けられたセル構造を備える。しかしながら、特許文献３に示すセルを複数並設するには、セル間の構造に工夫が必要になる等、構造の複雑化が予測される。【００１３】
いずれにしても、特許文献１から特許文献４では、複数の金属空気電池セルを並設した金属空気電池ユニットを、部品点数を少なく簡単な構造で形成できない。【００１４】
また、特許文献１から特許文献４の構造では、複数のセルを並設したときに、セル間の構造を工夫しなければならない等、大型化しやすい。更に、例えば、特許文献３では、筐体内に電解液を移動させるスペースが必要となり、筐体を、金属極と空気極とを配置するスペースの倍以上の大きさで作成しなければならない。以上により、各特許文献では、金属空気電池の小型化を適切に促進できない。【００１５】
また、電解液の注入に関し、特許文献１や特許文献４については、使用者が、セル内に直接、電解液を注入する構成であるため、注入に時間がかかる。また、注入の際に、電解液がセルからこぼれ出るのを防ぐ為、金属空気電池セルのシール性を高める複雑な構造にする必要がある。【００１６】
また、特許文献２及び特許文献３では、複数のセルを並設した構造に対し、各セル内に適切に電解液を注入できる構成を確立できない。このため、各セルの電解液に対する注入構造が複雑化したり、或いは、各セルに対し電解液の注入を適切に行うことができない。【００１７】
特許文献５については、複数の金属空気電池セルを連結させた構造となっている。しかしながら、特許文献５では、各金属空気電池セルに給水ポートが設けられており、電解液を、複数の金属空気電池セル夫々に給水しなければならず、電解液の注入に時間がかかる。また、特許文献５では、複数の金属空気電池セルの他に筐体や蓋体等が必要であることに加え、各金属空気電池セルごとに電解液を適切に注入できるように、金属空気電池は比較的大型化となる。【００１８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、複数の金属空気電池セルを並設した金属空気電池ユニットを、部品点数を少なく簡単な構造で形成でき、且つ、各セルに対する電解液の注入を簡略化できる金属空気電池、及びその使用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の金属空気電池は、空気極と、前記空気極と対向して配置される金属極と、前記空気極及び前記金属極を支持する筐体と、を有して構成される金属空気電池セルが複数個、並設された金属空気電池ユニットを備え、前記空気極は、前記筐体の外面に露出しており、各金属空気電池セルには、夫々、液室が形成されているとともに、空気室が、上部及び、前記液室から離れた側の側部を開放した形状とされており、複数個の前記金属空気電池セルを組み合わせた前記金属空気電池ユニットには、各金属空気電池セルの間にて、隣接する金属空気電池セル筐体で前記側部を補い上方が開放された前記空気室が形成されており、各金属空気電気セルには、前記液室と連通して電解液を前記液室に供給すると共に、前記金属極と前記空気極との反応により生じる生成物を前記金属空気電池ユニットの外部へ放出が可能な給水口が形成されている、ことを特徴とする。
【００２０】
本発明では、前記給水口は、前記筐体の底部及び側部の少なくともいずれか一方に設けられることが好ましい。【００２１】
本発明では、前記金属極の少なくとも一部は、前記給水口と対向して配置されていることが好ましい。【００２２】
本発明では、前記金属極は、下部が、自由端として前記筐体に支持されていることが好ましい。【００２３】
本発明では、前記金属空気電池ユニットは、前記金属空気電池セルを構成する複合部品と、側壁部との２種類の部品を組み合わせて構成されることが好ましい。【００２４】
本発明では、上記に記載の金属空気電池ユニットと、電解液を収容可能なケースと、を有し、前記金属空気電池ユニットが、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で、前記電解液を収容した前記ケース内に入れられて、前記電解液が、前記給水口を介して前記液室内に注入されることが好ましい。【００２５】
本発明の金属空気電池の使用方法は、上記に記載の金属空気電池ユニットを、電解液を収容した容器内に、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で入れて、発電を開始させることを特徴とする。【００２６】
本発明では、前記容器内に前記金属空気電池ユニットを入れた状態から引き出して、発電を停止させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の金属空気電池によれば、複数の金属空気電池セルを並設した金属空気電池ユニットを、部品点数を少なく簡単な構造で形成でき、且つ、各金属空気電池セルに対する電解液の注入を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施の形態における、金属空気電池の斜視図である。
【図２】本実施の形態における、金属空気電池の断面図である。
【図３】本実施の形態における、金属空気電池ユニットの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
図１に示すように、金属空気電池１は、金属空気電池ユニット２と、ケース３と、を有して構成される。
【００３１】
図１に示すように、金属空気電池ユニット２は、例えば、３つの金属空気電池セル２２を並設して構成される。金属空気電池セル２２の数を限定するものでなく、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。
【００３２】
金属空気電池ユニット２は、同じ構造の金属空気電池セル２２を複数組み合わせたものである。金属空気電池セル２２の構造については後で詳述する。
【００３３】
図１に示すように、３つの金属空気電池セル２２の上面には、天井部２３が取り付けられている。天井部２３には、例えば、上面２３ａに第１の開口部２４が設けられている。また、図１に示すように、天井部２３の側面（図１に示す左側面）には、第２の開口部２５が形成されている。また、図示しないが、天井部２３の裏面や右側面にも、開口部が設けられていてもよい。
【００３４】
ただし、図１に示す、第１の開口部２４及び第２の開口部２５の数や形成位置は、あくまでも一例である。すなわち、各開口部は１個でもよいし、複数でもよい。また、第１の開口部２４及び第２の開口部２５の少なくとも一方が形成されていない構成とすることもできる。また、天井部２３が設けられていなくてもよく、或いは、天井部２３に代えて、他の構成部材が設けられていてもよい。
【００３５】
図１に示す各開口部２４、２５は、空気穴であるが、例えば、第２の開口部２５の位置に、電池出力を外部へ供給する外部接続用端子（図示せず）が設置されていてもよい。外部接続用端子は、コネクタであったり、ＵＳＢ端子等であり、特に限定するものではない。外部接続用端子は複数個、設けることができる。例えば、携帯機器を、直接、金属空気電池ユニット２に設けられた外部接続用端子に接続して電力供給することができる。或いは、例えば、ＵＳＢハブ等の接続基板を金属空気電池ユニット２の外部接続用端子に接続し、接続基板を介して複数の携帯機器に電力供給する構成とすることも出来る。
【００３６】
図１に示すケース３は、後述するように、電解液を収容可能な容器として機能させることができるが、金属空気電池１を使用せずに保管の際は、例えば、図１に示すケース３を、金属空気電池ユニット２の上から被せておく。これにより、塵埃等が開口部２４、２５を介して、入り込まないように、金属空気電池ユニット２を保護することができる。
【００３７】
また、ケース３を、金属空気電池ユニット２の上から被せた際、ケース３と金属空気電池ユニット２との間が保持されて一体化される構造にできる。このとき、ケース３の外側面に取手を付けておけば、金属空気電池１の持ち運びに便利である。
【００３８】
ケース３の形状を限定するものでないが、ケース３の外形は、金属空気電池ユニット２よりも一回り大きい金属空気電池ユニット２の相似形状であることが好ましい。
【００３９】
図２は、ケース３を、図１の状態から上下逆向きにし、電解液５を収容したケース３内に、金属空気電池ユニット２を入れた状態の、金属空気電池１の断面図である。
【００４０】
図２に示すように、各金属空気電池セル２２は、空気極６と、金属極７と、筐体８とを、有して構成される。図２に示すように、空気極６及び金属極７は、夫々、筐体８に支持されている。空気極６と金属極７とは、横方向（紙面左右方向）に、所定の間隔を空けて対向配置されている。
【００４１】
図２に示すように、各金属空気電池セル２２の筐体８には、空気室１０と液室１１とが設けられる。図２に示すように、空気室１０の上部は外部に開放された開口部１０ａを構成している。なお、図２には、図１に示す天井部２３を図示していない。空気は、図１に示した天井部２３の各開口部２４、２５から図２に示す空気室１０へ導かれる。
【００４２】
なお、図２に示す実施の形態では、図示左側の金属空気電池セル２２と図示真ん中の金属空気電池セル２２の各空気室１０の右側面は、夫々、隣り合う右側の金属空気電池セル２２の筐体８の側面で構成される。このように、空気室１０の側面の一部を、隣接する金属空気電池セル２２の筐体８で補うことで、各金属空気電池セル２２を薄型化でき、金属空気電池ユニット２の小型化、ひいては、金属空気電池１の小型化を実現できる。ただし、図２に示す図示右側に位置する金属空気電池セル２２の空気室１０の右側面は、新たに側壁部１２を配置して形成する。
【００４３】
図２に示すように、空気極６は、空気室１０と液室１１との間に配置されている。このとき、空気極６は、その上部と下部、及び側部の各辺が、筐体８に固定支持されていることが好ましい。図２に示すように、空気極６は、空気室１０及び液室１１の双方に露出した状態で配置されている。
【００４４】
図２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。図２に示すように、金属極７は、その上部が筐体８に固定されるが、下部は、自由端（非固定）とされている。
【００４５】
図２に示すように、筐体８の底部８ａには、液室１１にまで通じる給水口１３が設けられている。よって、図２に示すように、金属空気電池ユニット２を、電解液５を入れたケース３内に浸すと、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の水位は、空気室１０の開口部１０ａよりも下側であり、電解液５が空気室１０内に流れ込むことはない。
【００４６】
図２に示すように、電解液５が液室１１を満たすと、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              →２Ｍｇ２＋＋４ｅ−
（２）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →４ＯＨ−
（３）２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ  →２Ｍｇ（ＯＨ）２
【００４７】
なお、図２に示す実施の形態では、給水口１３を、筐体８の底部８ａに設けたが、例えば、筐体８の側部８ｂに設けてもよく、或いは、底部８ａと側部８ｂの双方に設けてもよい。また、給水口１３を筐体８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。
【００４８】
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。
【００４９】
ただし、迅速に、各金属空気電池セル２２の液室１１に電解液５を給水するには、給水口１３を、筐体８の底部８ａに設けることが好ましい。また、図３に示すように、給水口１３を各金属空気電池セル２２の底部８ａに対して複数個、設けることができる。なお、給水口１３の個数を限定するものではない。また、給水口１３の形状を限定するものでなく、例えば、図３に示すように複数の小穴を設けた構造であっても、長穴の給水口１３を各金属空気電池セル２２に少なくも１つ設けた構成であってもよい。
【００５０】
また、図２に示すように、金属極７は、筐体８の底部８ａ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。
【００５１】
また、筐体８の底部８ａ以外でも、例えば、給水口１３を、筐体８の側部８ｂ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８ｂ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、金属空気電池ユニット２を、ケース３内に入れた際に、ケース３内の電解液５が金属空気電池ユニット２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。
【００５２】
また、図２に示すように、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。
【００５３】
本実施の形態における金属空気電池１によれば、図１に示すように、空気極６と金属極７と、筐体８とを有する、同じ構造の金属空気電池セル２２を、複数並設したものである。また、図２に示すように、各金属空気電池セル２２の空気室１０は、上部のみならず、液室１１から離れた側の側部（図示右側の側部）を開放した形状とする。そして、複数の金属空気電池セル２２を並設すると共に、一番端の金属空気電池セル２２に対して側壁部１２を配置する。このように、本実施の形態では、金属空気電池ユニット２は、金属空気電池セル２２を構成する複合部品と、側壁部１２との２種類の部品を組み合わせて構成される。なお、「複合部品」とは、金属空気電池セル２２を構成する電極及び筐体を含む複数の部材からなることを意味する。これにより、本実施の形態では、部品点数を少なく簡単な構造で金属空気電池ユニット２を形成できる。また、薄型の各金属空気電池セル２２に、上部のみが開放した空気室１０を適切に形成でき、複数の金属空気電池セル２２を備える金属空気電池ユニット２の小型化を実現できる。
【００５４】
本実施の形態では、図２に示すように、ケース３に電解液５を注水し、そして、ケース３内に金属空気電池ユニット２を浸す。このとき、電解液５は、自然と給水口１３を介して各金属空気電池セル２２の液室１１内に入り、液室１１を満たす。このように、使用者は、各金属空気電池セル２２に直接、電解液５を注入しなくてもよく、金属空気電池ユニット２を、電解液５を収容したケース３内に入れるだけでよいため、各金属空気電池セル２２に対する電解液５の注入を簡略化できる。また、本実施の形態によれば、複数の金属空気電池セル２２に対して、各液室１１へ通じる給水口１３を簡単な構造で形成できる。
【００５５】
以上により、本実施の形態の金属空気電池１によれば、複数の金属空気電池セル２２を並設した金属空気電池ユニット２を、部品点数を少なく簡単な構造で形成でき、且つ、各金属空気電池セル２２に対する電解液５の注入を簡略化できる。
【００５６】
また、本実施の形態では、図２の状態から金属空気電池ユニット２を引き上げ、各金属空気電池セル２２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。
【００５７】
本実施の形態では、図１に示すケース３は、電解液５を収容可能な容器である。よって、使用者は、図１に示すケース３をひっくり返して、ケース３内に電解液５を入れ、そして、金属空気電池ユニット２をケース３内の電解液５に浸せば発電するため、災害時等の非常時に、迅速に、金属空気電池１の使用が可能である。なお、ケース３に入れる電解液５の水位の目安となる目印を設けておくとよい。これにより、使用者は、ケース３内に適量の電解液５を入れることができる。
【００５８】
なお、電解液５を収容する容器としては、ケース３以外であってもよい。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の金属空気電池によれば、複数の金属空気電池セルを連結してもコンパクトな構成にできるとともに、電解液の注入を簡易化できる。したがって、本発明の金属空気電池ユニットを、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。【００６２】
本出願は、２０１７年２月３日出願の特願２０１７−０１８４２７に基づく。この内容は全てここに含めておく。
【図１】
0006715354.tif 000002
【図２】
0006715354.tif 000003
【図３】
0006715354.tif 000004