(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極である空気極と、
負極である燃料極と、
前記空気極および前記燃料極の間に流れる電流の媒体となる電解液と、
前記空気極、前記燃料極、および前記電解液を収容する筐体とを備えた金属空気電池であって、
前記筐体のうち、前記空気極が設置された空気取込面を正面として、水平方向の幅を筐体幅とし、高さ方向の幅を筐体高さとし、前記高さ方向に対して垂直な奥行方向の幅を筐体奥行としたとき、
前記筐体は、
前記筐体高さを前記筐体幅で除した値である第１アスペクト比と、前記筐体高さを前記筐体奥行で除した値である第２アスペクト比とが予め設定されており、
前記空気極と前記燃料極との間に設けられ、前記筐体の上面から下面へ延伸され、前記空気極と前記燃料極との間の空間を分割し、前記空気極の面方向において、前記電解液の流通を遮断する仕切壁を備えていること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項２】
請求項１に記載の金属空気電池であって、
前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、０．２以上とされていること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項３】
請求項１に記載の金属空気電池であって、
前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、０．３５以上とされていること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、１．３以下とされていること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項５】
請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、１．０以下とされていること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項６】
正極である空気極と、
負極である燃料極と、
前記空気極および前記燃料極の間に流れる電流の媒体となる電解液と、
前記空気極、前記燃料極、および前記電解液を収容する筐体とを備えた金属空気電池であって、
前記筐体のうち、前記空気極が設置された空気取込面を正面として、前記電解液の高さ方向での高さを液面高さとし、前記空気極および前記燃料極の前記高さ方向での高さを電極高さとしたとき、
前記液面高さは、前記電極高さより小さく、
前記筐体は、前記空気極と前記燃料極との間に設けられ、前記筐体の上面から下面へ延伸され、前記空気極と前記燃料極との間の空間を分割し、前記空気極の面方向において、前記電解液の流通を遮断する仕切壁を備えていること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項７】
請求項６に記載の金属空気電池であって、
前記電極高さを前記液面高さで除した値を液面比としたとき、
前記液面比は、１．０４以上であること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項８】
請求項６に記載の金属空気電池であって、
前記電極高さを前記液面高さで除した値を液面比としたとき、
前記液面比は、１．０７以上であること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
補助極を備えていること
を特徴とする金属空気電池。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の金属空気電池を複数備えた金属空気組電池であって、
前記複数の金属空気電池は、隣接する金属空気電池の正面同士が対向するように並べられていること
を特徴とする金属空気組電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の金属空気組電池であって、
水平方向の幅を組電池幅とし、高さ方向の幅を組電池高さとし、前記高さ方向に対して垂直な奥行方向の幅を組電池奥行として、前記組電池高さを前記組電池幅で除した値である第１組電池アスペクト比と、前記組電池高さを前記組電池奥行で除した値である第２組電池アスペクト比としたとき、
前記第１組電池アスペクト比および前記第２組電池アスペクト比は、１．３以下とされていること
を特徴とする金属空気組電池。
【請求項１２】
請求項１０に記載の金属空気組電池であって、
水平方向の幅を組電池幅とし、高さ方向の幅を組電池高さとし、前記高さ方向に対して垂直な奥行方向の幅を組電池奥行として、前記組電池高さを前記組電池幅で除した値である第１組電池アスペクト比と、前記組電池高さを前記組電池奥行で除した値である第２組電池アスペクト比としたとき、
前記第１組電池アスペクト比および前記第２組電池アスペクト比は、１．０以下とされていること
を特徴とする金属空気組電池。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか１つに記載の金属空気電池または金属空気組電池を備えた移動体。
【請求項１４】
請求項１３に記載の移動体であって、
前記金属空気電池の空気取込面は、進行方向と同じ向きまたは逆向きであること
を特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極および負極を収容する筐体を備えた金属空気電池、および複数の金属空気電池を接続した金属空気組電池、並びに金属空気電池を備えた移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電極用金属の化学反応を用いた様々な電池が実用化されており、その１つとして金属空気電池が挙げられる。金属空気電池は、空気極（正極）、燃料極（負極）、および電解質（または電解液）等で構成されており、電気化学的な反応により、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、およびリチウム等の金属が金属酸化物に変化する過程で得られる電気エネルギーを取り出して利用する。
【０００３】
例えば、燃料極として亜鉛を用いた金属空気電池では、放電時に燃料極および空気極において、以下のような反応が起こる。燃料極では、亜鉛と水酸化物イオンとが反応することで、水酸化亜鉛が生成されると共に、放出された電子が空気極へ流れる。生成された水酸化亜鉛は、酸化亜鉛と水とに分解され、電解液内に水が戻る。一方、空気極では、空気中に含まれる酸素と、燃料極から流れてきた電子とが、空気極触媒によって水と反応し、水酸化物イオンに変化する。水酸化物イオンは、電解液中をイオン伝導し、燃料極へ到達する。このようなサイクルにより、金属空気電池は、空気極から取り込んだ酸素を利用し、燃料極の亜鉛を燃料として酸化亜鉛を形成しながら、連続的な電力の取り出しを実現する。
【０００４】
一般的な電池は、反応に必要な正極、負極、および電解質を電池（セル）に内蔵しており、内蔵した物質から電力を取り出している。これに対し、金属空気電池は、上述したように、セル内に正極活物質である酸素を内蔵していないため、他の物質の割合を増やすなどして、エネルギー密度を大きくすることができる。理論的なエネルギー密度は、リチウムイオン電池よりも大きくできる可能性があり、現在、金属空気電池は、補聴器用のボタン電池（一次電池）等の用途で既に実用化されている。一方、二次電池に関しては、様々な研究が取り組まれているが、例えば、２極方式の場合、充電によって燃料極が再生されても空気極が酸化消耗して、耐用期間が短くなるという問題があり、充放電反応に適した安価な空気極の実現が困難である等の課題から、いまだ実用化されていない。
【０００５】
上述した充電の課題を解決するために、充電時に空気極を使わず、第３の電極を用いる３極方式の金属空気電池が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
特許文献１に記載の充電式空気電池は、空気極および金属電極に加えて、補助電極を備えた３極方式とされている。具体的には、図２５の従来の充電式空気電池を示す要部断面図のような構成とされており、充電式空気電池９１０は、電解液９１６が入れられたケース９１３と、ケース９１３の側面に設けられた空気極９１１と、電解液９１６中に配置された金属電極９１２および補助電極９１５とで電池部が構成され、電池部の外部に設けられた光電変換部９１８および負荷９１７に接続されている。負荷９１７は、空気極９１１と金属電極９１２との間に接続されており、電池部での放電反応によって電力が供給される。光電変換部９１８は、金属電極９１２と補助電極９１５との間に接続されており、光電変換部９１８と補助電極９１５との間には、ダイオード９１４が設けられている。光電変換部９１８は、光が照射されると電圧印加して、金属電極９１２と補助電極９１５との間で充電反応を行わせ、金属電極９１２の充電を行う。
【０００７】
また、３極方式とは異なる方法として、燃料極を丸ごと交換するメカニカルチャージ（機械式充電）も検討されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に記載の金属−空気電池用ケースは、空気を正極とし、かつ、負極となる金属部と、金属部が通過可能な出入口が形成された筐体と、筐体内に設けられ、金属部を収納する収納部とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１３３３２８号公報
【特許文献２】特開２００４−３６２８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
金属空気電池においては、筐体（ケース）に電解液を内蔵しているため、電解液が筐体の外部へ漏れ出すといった問題が懸念される。特に、上述した３極方式の二次電池においては、充電時に内部で発生する酸素ガスを排出するための開口部を必要としていることから、金属空気電池の構造上、電解液が漏れやすいという課題がある。
【００１０】
ところで、近年、金属空気電池は、様々な用途に利用されており、監視や介護、清掃などを行う各種ロボット、電気自動車、介護用電動車椅子、電動立ち乗り二輪車、および電動アシスト自転車などの移動体の電源として搭載されている。金属空気電池が搭載されている移動体では、路面の傾きや走行時の振動等によって電解液が漏れる虞があるため、これに対処することが重要な課題となっている。
【００１１】
また、一般的に、移動体全体において電池等が占める重量は、比率が大きいため、移動体に設置されている電池の重心が高いと、走行が不安定になったり、走行中に転倒したりするという課題がある。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、転倒や電解液の漏れといった傾きに起因する不良を防ぐことができる金属空気電池、金属空気組電池、および移動体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】
【００１３】
本発明に係る金属空気電池は、正極である空気極と、負極である燃料極と、前記空気極および前記燃料極の間に流れる電流の媒体となる電解液と、前記空気極、前記燃料極、および前記電解液を収容する筐体とを備えた金属空気電池であって、前記筐体のうち、前記空気極が設置された空気取込面を正面として、水平方向の幅を筐体幅とし、高さ方向の幅を筐体高さとし、前記高さ方向に対して垂直な奥行方向の幅を筐体奥行としたとき、前記筐体は、前記筐体高さを前記筐体幅で除した値である第１アスペクト比と、前記筐体高さを前記筐体奥行で除した値である第２アスペクト比とが予め設定されており、前記空気極と前記燃料極との間に設けられ、前記筐体の上面から下面へ延伸され、前記空気極と前記燃料極との間の空間を分割し、前記空気極の面方向において、前記電解液の流通を遮断する仕切壁を備えていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る金属空気電池では、前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、０．２以上とされている構成としてもよい。
【００１５】
本発明に係る金属空気電池では、前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、０．３５以上とされている構成としてもよい。
【００１６】
本発明に係る金属空気電池では、前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、１．３以下とされている構成としてもよい。
【００１７】
本発明に係る金属空気電池では、前記第１アスペクト比および前記第２アスペクト比は、１．０以下とされている構成としてもよい。
【００１９】
本発明に係る金属空気電池は、正極である空気極と、負極である燃料極と、前記空気極および前記燃料極の間に流れる電流の媒体となる電解液と、前記空気極、前記燃料極、および前記電解液を収容する筐体とを備えた金属空気電池であって、前記筐体のうち、前記空気極が設置された空気取込面を正面として、前記電解液の高さ方向での高さを液面高さとし、前記空気極および前記燃料極の前記高さ方向での高さを電極高さとしたとき、前記液面高さは、前記電極高さより小さく、前記筐体は、前記空気極と前記燃料極との間に設けられ、前記筐体の上面から下面へ延伸され、前記空気極と前記燃料極との間の空間を分割し、前記空気極の面方向において、前記電解液の流通を遮断する仕切壁を備えていることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る金属空気電池では、前記電極高さを前記液面高さで除した値を液面比としたとき、前記液面比は、１．０４以上である構成としてもよい。
【００２１】
本発明に係る金属空気電池では、前記電極高さを前記液面高さで除した値を液面比としたとき、前記液面比は、１．０７以上である構成としてもよい。
【００２２】
本発明に係る金属空気電池では、補助極を備えている構成としてもよい。
【００２３】
本発明に係る金属空気組電池は、本発明に係る金属空気電池を複数備えた金属空気組電池であって、前記複数の金属空気電池は、隣接する金属空気電池の正面同士が対向するように並べられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る金属空気組電池では、水平方向の幅を組電池幅とし、高さ方向の幅を組電池高さとし、前記高さ方向に対して垂直な奥行方向の幅を組電池奥行として、前記組電池高さを前記組電池幅で除した値である第１組電池アスペクト比と、前記組電池高さを前記組電池奥行で除した値である第２組電池アスペクト比としたとき、前記第１組電池アスペクト比および前記第２組電池アスペクト比は、１．３以下とされている構成としてもよい。
【００２５】
本発明に係る金属空気組電池では、水平方向の幅を組電池幅とし、高さ方向の幅を組電池高さとし、前記高さ方向に対して垂直な奥行方向の幅を組電池奥行として、前記組電池高さを前記組電池幅で除した値である第１組電池アスペクト比と、前記組電池高さを前記組電池奥行で除した値である第２組電池アスペクト比としたとき、前記第１組電池アスペクト比および前記第２組電池アスペクト比は、１．０以下とされている構成としてもよい。
【００２６】
本発明に係る移動体は、本発明に係る金属空気電池または金属空気組電池を備えていることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る移動体では、前記金属空気電池の空気取込面は、進行方向と同じ向きまたは逆向きである構成としてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、アスペクト比に応じて、筐体幅、筐体高さ、および筐体奥行を適切な寸法とすることで、転倒や電解液の漏れといった金属空気電池の傾きに起因する不良を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】切替装置の構成例を模式的に示すブロック図である。
【図２】充電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
【図３】放電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
【図４】発電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る電池セルの概略断面図である。
【図６】図５の筐体上部を拡大して示す拡大断面図である。
【図７Ａ】図５の第１取込側面の側から見た概略側面図である。
【図７Ｂ】図５の第２取込側面の側から見た概略側面図である。
【図８】空気極を拡大して示す拡大断面図である。
【図９】補助極を拡大して示す拡大側面図である。
【図１０Ａ】補助極の変形例１を拡大して示す拡大側面図である。
【図１０Ｂ】補助極の変形例２を拡大して示す拡大側面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。
【図１２】電池モジュールを上面視した状態での配線を示す説明図である。
【図１３Ａ】搭載用電池モジュールの正面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示す搭載用電池モジュールの側面図である。
【図１４Ａ】搭載用電池モジュールが搭載された移動体を示す正面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示す移動体の側面図である。
【図１５Ａ】図５の矢符Ｃ−Ｃでの断面を示す概略断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａから筐体が傾いた状態を示す概略断面図である。
【図１６】道路区分毎の設計速度と最大縦断勾配との関係を示す特性図である。
【図１７】傾斜した電池セルからの電解液漏れを評価した結果を示す特性図である。
【図１８】傾斜した電池セルの出力を評価した結果を示す特性図である。
【図１９】傾斜した電池セルの走行安定性を評価した結果を示す特性図である。
【図２０Ａ】本発明の第２実施形態に係る金属空気電池の内部の構造を示す概略断面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａから筐体が傾いた状態を示す概略断面図である。
【図２１】本発明の第３実施形態に係る電池セルの概略断面図である。
【図２２】図２１の筐体上部を拡大して示す拡大断面図である。
【図２３】図２１の取込側面の側から見た概略側面図である。
【図２４】本発明の第３実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。
【図２５】従来の充電式空気電池を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。なお、以下では、金属空気電池が１つである場合に、電池セル１、２（後述する図５参照）と呼び、複数の電池セル２が接続された金属空気組電池を、電池モジュール３０、４０（後述する図１１参照）と呼ぶことがある。金属空気電池においては、電池セル２単体で使用することもでき、複数の電池セル２を接続して、電池モジュール４０として使用することもできる。つまり、電池セル２と電池モジュール４０とは、いずれも負荷に対して接続された１つの電池とみなすことができる。このことを考慮して、以下では、電池セル２と電池モジュール４０とを併せて、金属空気二次電池と呼ぶことがある。
【００３１】
図１は、切替装置の構成例を模式的に示すブロック図である。
【００３２】
金属空気二次電池は、切替装置３００を介して外部負荷および外部電源に接続されている。切替装置３００は、金属空気二次電池の空気極１０１、燃料極１０２、および補助極１０３（詳しくは、後述する図５参照）に接続されており、また、外部負荷の正極および負極並びに外部電源の正極および負極に接続されている。切替装置３００は、切替部３０１と電池制御部３０２とを備えている。切替部３０１は、外部負荷および外部電源のそれぞれの電極に対する金属空気二次電池の接続状態を切り替える。電池制御部３０２は、切替部３０１の切り替えによる接続状態を制御する。電池制御部３０２は、人為的作業による手動切替操作および自動判定による切替処理のいずれかの機能、あるいは双方の機能を有する。金属空気二次電池は、接続状態によって、少なくとも放電モードおよび充電モードの２種類のモードを切り替えて動作し、さらに、発電モード（第３モード）に切り替えて動作する場合もある。
【００３３】
図２は、充電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
【００３４】
充電モードでは、外部電源によって金属空気二次電池を充電する接続状態であって、外部電源の正極と補助極１０３とが接続され、外部電源の負極と燃料極１０２とが接続されている。金属空気二次電池は、外部電源から電圧を印加されることで、電気分解が発生し、燃料極１０２に亜鉛が析出する形で充電が行われる。
【００３５】
図３は、放電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
【００３６】
放電モードは、金属空気二次電池から外部負荷に対して電力を供給する接続状態であって、外部負荷の正極と空気極１０１とが接続され、外部負荷の負極と燃料極１０２とが接続されている。燃料極１０２では、放電によって亜鉛の酸化反応が生じる。
【００３７】
図４は、発電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。
【００３８】
発電モードは、燃料極１０２の換わりに補助極１０３を用いて外部負荷に電力を供給する接続状態であって、外部負荷の正極と空気極１０１とが接続され、外部負荷の負極と補助極１０３とが接続されている。つまり、図３に示す放電モードなどで、溜めていた電力を使いきった際、燃料極１０２から補助極１０３へ接続を切り替えることで、外部負荷への電力供給が可能になる。
【００３９】
次に、本発明の第１実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。
【００４０】
図５は、本発明の第１実施形態に係る電池セルの概略断面図であって、図６は、図５の筐体上部を拡大して示す拡大断面図であって、図７Ａは、図５の第１取込側面の側から見た概略側面図であって、図７Ｂは、図５の第２取込側面の側から見た概略側面図である。なお、図５は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略し、筐体１０を透視して示している。また、図６は、図７Ａの矢符Ｂ−Ｂでの断面に相当する。
【００４１】
電池セル２は、筐体１０の内部に、空気極１０１、燃料極１０２、補助極１０３、および電解液２０が収納された構成とされている。なお、以下では説明の簡略化のため、空気極１０１、燃料極１０２、および補助極１０３を併せて電極と呼ぶことがある。
【００４２】
具体的に、電池セル２には、それぞれ２つの空気極１０１および補助極１０３が筐体１０の互いに対向する側面に配置され、その中央部に燃料極１０２が配置されている。
【００４３】
筐体１０は、アクリル、ＰＯＭ（ポリアセタール）、およびＡＢＳ等の耐アルカリ性を有する樹脂で形成され、内部が空洞とされた直方体状とされている。筐体１０については、空気極１０１が設置された空気取込面（第１取込側面１１ａまたは第２取込側面１１ｂ）を正面として、水平方向Ｘの幅を筐体幅Ｗｃ（後述する図１５Ａ参照）と呼び、高さ方向Ｚの幅を筐体高さＨｃ（後述する図１５Ａ参照）と呼び、高さ方向Ｚに対して垂直な奥行方向Ｙの幅を筐体奥行Ｄｃ（後述する図１３Ｂ参照）と呼ぶことがある。筐体１０は、幅方向（水平方向Ｘ）および高さ方向Ｚに対して、厚さ方向Ｙでのサイズが小さく形成されている。具体的には、筐体１０のサイズは、水平方向Ｘ（横）が１５０ｍｍ（筐体幅Ｗｃ）で、厚さ方向Ｙ（奥行）が１２ｍｍ（筐体奥行Ｄｃ）で、高さ方向Ｚ（縦）が９５ｍｍ（筐体高さＨｃ）である。なお、電池セル１は、容量が１７１ｃｍ3で、重量が２４６ｇである。また、筐体１０の側面は、水平方向Ｘで第１横側面１６（図７Ａでは、左側）と第２横側面１７（図７Ａでは、右側）とが対向し、厚さ方向Ｙで第１取込側面１１ａ（図５では、左側）と第２取込側面１１ｂ（図５では、右側）とが対向している。第１取込側面１１ａおよび第２取込側面１１ｂには、矩形状の空気取込口１３が内部を開口するように形成されている。つまり、電池セル２は、空気取込口１３を介して内部に空気を取り込む。空気取込口１３は、水平方向Ｘまたは高さ方向Ｚに沿って設けられた複数の桟１４によって格子状に区切られている。複数の桟１４は、電解液２０の圧力で空気極１０１が外側へ膨らむのを抑制する。筐体１０の上面には、２つの電解液投入口１５がそれぞれ内部まで貫通形成されており、電解液投入口１５を介して内部に電解液２０を補充することができる。２つの電解液投入口１５は、水平方向Ｘで離間して設けられており、第１横側面１６近傍と第２横側面１７近傍とに設けられている。
【００４４】
空気極１０１は、例えば、基材として多孔質の炭素材料が使用され、表面をフッ素系撥水材でコーティングして形成されたものや、炭素材料と混合分散して形成されたものである。なお、空気極１０１については、後述する図８を参照して、詳細に説明する。空気極１０１は、取込側面１１の内面に沿って設けられ、空気取込口１３を覆っている。空気極１０１のサイズは、高さ方向Ｚが８０ｍｍで、水平方向Ｘが１３５ｍｍであり、補助極１０３および燃料極１０２に対向する面の有効面積が１０８００ｍｍ2である。
【００４５】
燃料極１０２は、０．１〜４．０ｍｍ厚の平板状とされており、例えば、ステンレス、銅、鉄、ニッケル、およびアルミニウム等の金属で形成されている。燃料極１０２は、表面に燃料金属である亜鉛を有することで放電用の燃料極として使用でき、予めメッキなどで表面に亜鉛が付与されていてもよいし、充電によって表面に亜鉛が析出していてもよい。本実施の形態では、燃料極１０２として厚さ０．５ｍｍのニッケル板を用いている。燃料極１０２のサイズは、空気極１０１と同じで、高さ方向Ｚが８０ｍｍ（後述する図１５Ａの電極高さＨｅ）で、水平方向Ｘが１３５ｍｍであり、補助極１０３および空気極１０１に対向する面の有効面積が１０８００ｍｍ2である。
【００４６】
補助極１０３は、平板状とされ、例えば、ニッケル製の多孔質体や、ニッケル／ニッケル合金／ＳＵＳ板といった非酸化性の多孔質金属材料で形成されている。本実施の形態では、補助極１０３として厚さ０．５ｍｍのニッケル板を用いており、打ち抜き加工によって複数の連絡孔１０３ａが形成されている。電解液２０は、連絡孔１０３ａを通って空気極１０１と燃料極１０２との間を円滑に流れる。なお、連絡孔１０３ａの形状については、後述する図９を参照して、詳細に説明する。補助極１０３のサイズは、空気極１０１と同様に、高さ方向Ｚが８０ｍｍで、水平方向Ｘが１３５ｍｍであり、燃料極１０２および空気極１０１に対向する面の有効面積が１０８００ｍｍ2である。補助極１０３は、空気極１０１の内側の面に沿って設けられ、空気極１０１を介して、取込側面１１を補強している。
【００４７】
電解液２０は、強アルカリ水溶液を用いることができ、本実施の形態では、ｐＨ１４の水酸化カリウム水溶液を用いており、筐体１０の内部に充填されている。
【００４８】
電池セル２は、さらに、空気極１０１に接続された空気極端子２０１、燃料極１０２に接続された燃料極端子２０２、および補助極１０３に接続された補助極端子２０３を備えている。なお、以下では説明の簡略化のため、空気極端子２０１、燃料極端子２０２、および補助極端子２０３を併せて端子と呼ぶことがある。空気極端子２０１、燃料極端子２０２、および補助極端子２０３は、それぞれ電池セル１の上面より突出して設けられており、端子を介して電極同士が電気的に接続される。つまり、電極に接続された端子同士を、電池セル１の同じ上面側に設けることで、端子間の距離を近づけて、配線を短くすることができる。また、電池セル１の上面であれば、電池セル１の電解質を液体とした場合に、端子が濡れてショートしたり腐食したりすることを防止できる。本実施の形態では、空気極端子２０１、燃料極端子２０２、および補助極端子２０３は、銅で形成され、アルカリ水溶液による腐食を防止するためのメッキ処理が施されている。また、図５に示すように、２つの空気極１０１は、それぞれ同じ空気極端子２０１に接続されており、２つの補助極１０３は、それぞれ同じ補助極端子２０３に接続されている。したがって、空気極１０１および補助極１０３をそれぞれ２つ設けた場合であっても、それぞれ端子が１つとされていることから、複数の電池セル２を接続する際の配線が容易となる。端子については、図７に示すように、水平方向Ｘで第１横側面１６の側から燃料極端子２０２、補助極端子２０３、空気極端子２０１の順に配置されている。
【００４９】
図８は、空気極を拡大して示す拡大断面図である。なお、図８は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略している。
【００５０】
空気極１０１は、ガス拡散層１０１ａ、撥水層１０１ｂ、触媒層１０１ｃ、およびセパレータ１０１ｅの順に積層された構造とされており、ガス拡散層１０１ａが外部に露出して空気に接する側（図８では、左側）に設けられ、セパレータ１０１ｅが電解液２０および補助極１０３に接する側（図８では、右側）に設けられている。ガス拡散層１０１ａは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製の不織布で形成され、厚さが１００μｍとされている。撥水層１０１ｂは、多孔質フッ素樹脂で形成され、厚さが３μｍとされている。触媒層１０１ｃは、多孔質の炭素材料と、触媒である白金と、バインダー（接着剤）であるＰＴＦＥとを混合分散して形成され、厚さが０．４ｍｍとされている。触媒層１０１ｃの内部には、金属メッシュ（本実施の形態では、Ｎｉメッシュ）で形成された集電体１０１ｄが埋め込まれており、集電体１０１ｄによって発生した電流を流す。セパレータ１０１ｅは、ポリエステル製の不織布で形成され、厚さが１００μｍとされており、補助極１０３と空気極１０１とを電気的に絶縁する。
【００５１】
図９は、補助極を拡大して示す拡大側面図である。
【００５２】
図９に示すように、連絡孔１０３ａは矩形状とされている。つまり、補助極１０３は、複数の多孔状の連絡孔１０３ａが形成されたメッシュ状とされている。なお、連絡孔１０３ａの形状は、これに限定されず、他の形状としてもよい。例えば、図１０Ａに示す補助極１０３の変形例１のように、連絡孔１０３ａは円形状としてもよい。また、図１０Ｂに示す補助極１０３の変形例２のように、連絡孔１０３ａは六角形状としてもよい。つまり、補助極１０３は、複数の連絡孔１０３ａが形成されたハニカム状とされていてもよい。
【００５３】
次に、複数の電池セルを接続した電池モジュールについて、図面を参照して説明する。
【００５４】
図１１は、本発明の第１実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。なお、図１１は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略している。
【００５５】
電池モジュール４０は、複数の電池セル２を接続した構成とされ、本実施の形態では、４つの電池セル２を接続している。以下では、４つの電池セル２は、それぞれを区別する場合、第１両面セル２ａ（図１６では左側）、第２両面セル２ｂ、第３両面セル２ｃ、または第４両面セル２ｄ（図１６では、右側）と呼ぶことがある。なお、本実施の形態では、４つの電池セル２を接続して電池モジュール４０としたが、これに限定されず、接続する電池セル２の数は、適宜選択することができる。
【００５６】
４つの電池セル２は、絶縁性を有する樹脂製のバンド（図示しない）を巻き掛けて一体に固定されている。電池モジュール４０の下方には、樹脂製の受皿３１が設置されており、受皿３１によって、電池セル２から漏れ出した電解液２０を受けることができる。電池モジュール４０は、隣り合う電池セル２の空気取込口１３を互いに向かい合わせた配置とされている。また、電池モジュール３０では、筐体１０の側面のうち、いずれか１つを第１隣接側面とし、第１隣接側面と対向する側面を第２隣接側面として設定されている。本実施の形態では、電池セル２において、第１取込側面１１ａが第１隣接側面とされ、第２取込側面１１ｂが第２隣接側面とされている。本実施の形態において、第１両面セル２ａと第２両面セル２ｂとは、互いの第２取込側面１１ｂ同士が対面し、第２両面セル２ｂと第３両面セル２ｃとは、互いの第１取込側面１１ａ同士が対面し、第３両面セル２ｃと第４両面セル２ｄとは、互いの第２取込側面１１ｂ同士が対面した状態とされている。本実施の形態では、厚さ方向Ｙで対向する側面（第１取込側面１１ａおよび第２取込側面１１ｂ）の両方に空気取込口１３が設けられているため、隣り合う電池セル２同士の間に空気を取り込む隙間が設けられていることが望ましい。
【００５７】
図１２は、電池モジュールを上面視した状態での配線を示す説明図である。
【００５８】
電池モジュール４０は、第１両面セル２ａ、第２両面セル２ｂ、第３両面セル２ｃ、第４両面セル２ｄの順に直列に接続されている。そして、第１両面セル２ａの燃料極端子２０２は、アース線２０６に接続されており、第４両面セル２ｄの空気極端子２０１は、放電回路２０７に接続されており、第４両面セル２ｄの補助極端子２０３は、充電回路２０８に接続されている。放電回路２０７および充電回路２０８は、上述した切替装置３００の一部であって、電池制御部３０２によって適宜接続状態を切り替えられる。なお、図１２に示す接続状態は一例であって、上述した放電モード、充電モード、および発電モードに応じて、適宜接続する端子を調整すればよい。
【００５９】
電池モジュール３０において、隣接する電池セル２同士は、充放電切換素子２０４を介して接続されている。具体的に、第１両面セル２ａと第２両面セル２ｂとの間に設けられた充放電切換素子２０４は、第２両面セル２ｂの燃料極端子２０２に接続され、第１両面セル２ａの空気極端子２０１および補助極端子２０３に対して接続を切り換えるように設けられている。図１１は、放電時の接続状態を示しており、充放電切換素子２０４は空気極端子２０１に接続されている。なお、充電時には、充放電切換素子２０４は補助極端子２０３に接続される。また、充放電切換素子２０４は、隣り合う電池セル２同士の上部に跨って設置されている。つまり、３極方式の金属空気電池では、充電時と放電時とで補助極１０３または空気極１０１に対して接続を切り換える必要があり、充放電切換素子２０４を設けることで円滑に接続を切り換えることができる。また、隣り合う電池セル２同士の上部であれば、電池セル１同士の間隔を空けずに、充放電切換素子２０４の配置スペースを容易に確保することができる。
【００６０】
電池セル２は、燃料極端子２０２と補助極端子２０３とが切り離し素子２０５を介して接続されている。複数の電池セル２で構成される電池モジュール４０では、各電池モジュール４０が直列に接続されているため、いずれかの電池セル２の特性が劣化したり、電解液２０漏れ等によって抵抗値が上昇したりするなどの不具合が発生すると、電池モジュール４０全体の性能に影響を及ぼしたり、不具合が発生した電池セル２が過充電や過放電によって発火するなどの危険な状態になるという課題がある。そこで、切り離し素子２０５を設けていれば、電池セル２に不具合が発生した際、不具合が発生した電池セル２の切り離し素子２０５によって燃料極端子２０２と補助極端子２０３とを短絡させると同時に、充放電切換素子２０４を補助極端子２０３側に切り換えることで、隣り合う電池セル２の燃料極端子２０２と不具合が発生した電池セル２とが短絡され、不具合が発生した電池セル２を電池モジュール４０から切り離すことができる。
【００６１】
次に、移動体に搭載される搭載用電池モジュールについて、図面を参照して説明する。
【００６２】
図１３Ａは、搭載用電池モジュールの正面図であって、図１３Ｂは、図１３Ａに示す搭載用電池モジュールの側面図である。
【００６３】
搭載用電池モジュール４１は、図１１に示す電池モジュール４０と同様に、複数の電池セル２を接続した構成とされている。具体的に、搭載用電池モジュール４１において、複数の電池セル２は、隣接する電池セル２の正面同士が対向するように並べられている。本実施の形態において、接続された電池セル２の数は２４である。なお、図１３Ｂでは、図面の簡略化のため、電池セル２の一部を省略しており、数が異なるが、これに限定されず、接続する電池セル２の数は、適宜選択することができる。
【００６４】
搭載用電池モジュール４１は、複数の電池セル２に加えて、電解液受皿３１、セル接続ユニット３２ａ、および本体接続ユニット３２ｂを備えている。セル接続ユニット３２ａは、全ての電池セル２の上に跨って配置されており、複数の電池セル２を接続している。従って、セル接続ユニット３２ａは、端子など電池セル２の上面に設けられた部材を収容している。本体接続ユニット３２ｂは、並べられた電池セル２のうち、いずれか一方の端に配置された電池セル２の取込面（正面）に対向して設けられている。本体接続ユニット３２ｂは、後述する移動体５０と電気的に接続され、移動体５０に電力を供給したり、移動体５０との間で制御信号をやり取りしたりする。
【００６５】
搭載用電池モジュール４１のサイズは、水平方向Ｘが１６０ｍｍ（組電池幅Ｗｍ）とされ、奥行方向Ｙが３００ｍｍ（組電池奥行Ｄｍ）とされ、高さ方向Ｚが１２０ｍｍ（組電池高さＨｍ）とされている。本実施の形態では、電解液受皿３１、セル接続ユニット３２ａ、および本体接続ユニット３２ｂを合わせたサイズとされているが、電解液受皿３１、セル接続ユニット３２ａ、および本体接続ユニット３２ｂを除いて、複数の電池セル２だけのサイズを、組電池幅Ｗｍ、組電池高さＨｍ、および組電池奥行Ｄｍと見なしてもよい。つまり、搭載用電池モジュール４１において、電解液受皿３１、セル接続ユニット３２ａ、および本体接続ユニット３２ｂが占めるサイズや重量が小さく、複数の電池セル２が主体となっているので、複数の電池セル２のサイズや重量が重要視される。
【００６６】
図１４Ａは、搭載用電池モジュールが搭載された移動体を示す正面図であって、図１４Ｂは、図１４Ａに示す移動体の側面図である。なお、図１４Ｂでは、図面の簡略化のため、搭載用電池モジュール４１における電池セル２の数を減らしており、図面の見易さを考慮して、移動体本体５１および車輪５２を透視的に示している。
【００６７】
移動体５０は、４つの車輪５２を有する４輪車とされており、移動体本体５１の内部には、車輪５２を駆動させる２つのモータ５３と搭載用電池モジュール４１とを備えている。搭載用電池モジュール４１は、空気取込面が移動体５０の進行方向Ｓと同じ向きとなるように設置されている。図１４Ｂに示すように、搭載用電池モジュール４１は、移動体５０に対して、正面が同じ方向を向くように搭載されている。移動体５０においては、路面の形状等を考慮すると、進行方向Ｓに直交する方向と比べると進行方向Ｓのほうが大きな傾きとなる傾向がある。そこで、奥行方向Ｙを移動体５０の進行方向Ｓに合わせることで、電解液漏れにおける傾きの許容範囲を向上させることができる。
【００６８】
次に、電池セルの構造と電解液との関係について、図面を参照して説明する。
【００６９】
図１５Ａは、図５の矢符Ｃ−Ｃでの断面を示す概略断面図であって、図１５Ｂは、図１５Ａから筐体が傾いた状態を示す概略断面図である。
【００７０】
図１５Ａに示すように、燃料極端子２０２には、燃料極１０２との接続部に端子延伸部２０２ａが設けられている。端子延伸部２０２ａは、燃料極１０２の上縁に沿って設けられており、水平方向Ｘへ延伸されている。端子延伸部２０２ａは、燃料極１０２の上演全体を覆うことで、水平方向Ｘでの電流の偏りを解消し、燃料極１０２全体に同程度の電流を流すことができる。なお、端子延伸部２０２ａは、燃料極１０２だけに限らず、空気極１０１および補助極１０３に設けてもよい。また、端子延伸部２０２ａは、端子の一部であるので、電極としては作用しない。
【００７１】
電解液２０は、燃料極１０２（電極）よりも高さが低くなるように充填されており、液面高さＨｆは、電極高さＨｅより小さい。図１５Ａにおいて、筐体１０は、水平となるように載置されており、電解液２０の液面（電解液面）も水平となっている。ここで、水平状態における電解液面と筐体１０上面との間の距離を水平液面距離Δｈ０と呼び、水平状態における電解液面と電極との間の距離を水平電極距離Δｈｆと呼び、第１横側面１６の内側面と第２横側面１７の内側面との水平方向Ｘでの距離を内側面幅Ｗｅと呼ぶことがある。
【００７２】
図１５Ｂは、図１５Ａに示す状態から、水平方向Ｘに対し傾斜角θだけ電池セル２が傾いている（図１５Ｂでは反時計回り）。一点鎖線で示す水平液面線ＥＬは、図１５Ａの水平状態での液面を示している。つまり、筐体１０に収容されている電解液２０は、液体であるので、筐体１０の傾きに拘わらず、水平状態を維持する。その結果、電解液２０の液面は、水平液面線ＥＬに対して傾斜し、水平方向Ｘの一端では、水平液面線ＥＬより上昇し、他端では、水平液面線ＥＬより下降する。図１５Ｂに示す液面差Δｈθは、水平液面線ＥＬより上昇した側での液面と水平液面線ＥＬとの間の距離である。ここで、液面差Δｈθが水平液面距離Δｈ０を超えると、電解液２０が筐体１０の上面に到達していることを示し、電解液漏れが生じる虞がある。本発明は、筐体１０を適切なサイズとすることで、傾斜による電解液漏れを防いでいる。
【００７３】
ところで、移動体５０が走行する道路においては、道路構造令によって、走行速度に対して許容される傾斜の範囲が定められている。
【００７４】
図１６は、道路区分毎の設計速度と最大縦断勾配との関係を示す特性図である。
【００７５】
道路区分では、都市部、地方部、平地部、および山野部といった道路が存する地域によって、第１種ないし第４種に分類され、それぞれ普通道路および小型道路にさらに分類されている。それぞれの分類では、設計速度に対する最大縦断勾配が定められており、最大縦断勾配に基づいて、傾斜の角度を算出することができる。例えば、第１種ないし第３種における設計速度８０ｋｍ／ｈでの小型道路では、最大縦断勾配が７％とされていることから、傾斜角は、４°となる。また、第１種ないし第３種における設計速度２０ｋｍ／ｈでの小型道路では、最大縦断勾配が１２％とされていることから、傾斜角は、６．８°となる。設計速度と最大縦断勾配との関係については、設計速度が高くなるのにつれて、最大縦断勾配が小さくなる傾向とされている。
【００７６】
次に、電池セル２の形状（サイズ）の違いによる電解液漏れ、出力、および走行安定性について検討を行った。
【００７７】
図１７は、傾斜した電池セルからの電解液漏れを評価した結果を示す特性図である。
【００７８】
電解液漏れに対しては、縦横比（アスペクト比）がそれぞれ異なる５種類の電池セル２として、実施例１ないし実施例４と比較例１とを評価した結果を示す。なお、本実施の形態では、筐体高さＨｃを筐体幅Ｗｃで除した値を第１アスペクト比Ａｃａとし、筐体高さＨｃを筐体奥行Ｄｃで除した値を第２アスペクト比Ａｃｂとしている。
【００７９】
実施例１は、筐体幅Ｗｃが２６６ｍｍであり、筐体高さＨｃが５３．６ｍｍであって、第１アスペクト比Ａｃａが０．２０であり、水平液面距離Δｈ０が８．５ｍｍである。実施例２は、筐体幅Ｗｃが２０３ｍｍであり、筐体高さＨｃが７０．２ｍｍであって、第１アスペクト比Ａｃａが０．３５であり、水平液面距離Δｈ０が１１．１ｍｍである。実施例３は、筐体幅Ｗｃが１５０ｍｍであり、筐体高さＨｃが９５ｍｍであって、第１アスペクト比Ａｃａが０．６３であり、水平液面距離Δｈ０が１５．０ｍｍである。実施例４は、筐体幅Ｗｃが１１９．４ｍｍであり、筐体高さＨｃが１１９．４ｍｍであって、第１アスペクト比Ａｃａが１．０であり、水平液面距離Δｈ０が１８．８ｍｍである。比較例１は、筐体幅Ｗｃが２７４ｍｍであり、筐体高さＨｃが５２ｍｍであって、第１アスペクト比Ａｃａが０．１９であり、水平液面距離Δｈ０が８．２ｍｍである。実施例１ないし実施例４と比較例１とは、筐体幅Ｗｃに筐体高さＨｃを乗じた値（Ｗｃ×Ｈｃ）が１４２５０ｍｍ2であって、全て等しい値となっている。つまり、電池セル２の正面の面積を一定にして、筐体幅Ｗｃ（横）と筐体高さＨｃ（縦）との長さを変化させている。また、液面高さＨｆを筐体高さＨｃで除した値は、実施例１ないし実施例４と比較例１とにおいて、全て０．７９とされている。
【００８０】
図１７では、５種類の電池セル２に対して、傾斜角θを４°と６．８°とに設定した場合の結果を示している。電池セル２を２種類の傾斜角θで傾けて、電池セル２から電解液２０が漏れなかった場合を「○」とし、漏れた場合を「×」とした。第１アスペクト比Ａｃａが小さい比較例１では、傾斜角θを４°としたときに、液面差Δｈθが８．６ｍｍで「×」となり、電解液漏れが生じたので、傾斜角θが６．８°でも、電解液漏れが生じるのは明白である。これに対し、実施例１では、傾斜角θを４°としたときに液面差Δｈθが８．４ｍｍで「○」となり、傾斜角θを６．８°としたときに液面差Δｈθが１４．３ｍｍで「×」となった。実施例２ないし実施例４では、傾斜角θが４°と６．８°とのいずれでも「○」となった。つまり、「○」となった場合には、液面差Δｈθが水平液面距離Δｈ０より低い値となり、「×」となった場合には、液面差Δｈθが水平液面距離Δｈ０より高い値となっていた。なお、液面差Δｈθは、「Δｈθ＝Ｗｅ×ｔａｎ（２π／（３６０／θ））／２」の関係式から算出することができる。
【００８１】
上述した結果から、第１アスペクト比Ａｃａが０．２０以上であれば、傾斜角θが４°以下で、電解液漏れが生じないことがわかる。また、第１アスペクト比Ａｃａが０．２０以上であれば、傾斜角θが６．８°以下でも、電解液漏れが生じないことがわかる。つまり、第１アスペクト比Ａｃａが大きくなるにつれて、液面差Δｈθは小さくなって、水平液面距離Δｈ０以下の値となる。その結果、電池セル２が傾いた際の筐体１０端部での電解液面の上昇を抑制することができ、電解液２０の漏れを防ぐことができる。なお、本実施の形態で第２アスペクト比Ａｃｂについては、筐体奥行Ｄｃに比べて筐体高さＨｃが大きいので、第１アスペクト比Ａｃａよりも非常に大きな値となる。この結果から、電池セル２のアスペクト比（第１アスペクト比Ａｃａおよび第２アスペクト比Ａｃｂ）は、少なくとも０．２以上、より好ましくは０．３５以上であれば、電解液漏れを防止することができるとわかる。
【００８２】
図１８は、傾斜した電池セルの出力を評価した結果を示す特性図である。
【００８３】
出力に対しては、液面比Ｈｅ／Ｈｆがそれぞれ異なる４種類の電池セル２として、実施例５ないし実施例７と比較例２とを評価した結果を示す。
【００８４】
実施例５ないし実施例７と比較例２とは、筐体幅Ｗｃが１５０ｍｍであり、筐体高さＨｃが９５ｍｍであり、内側面幅Ｗｅが１３５ｍｍであり、液面高さＨｆが７５ｍｍである。また、実施例５は、電極高さＨｅが７８ｍｍであって、水平電極距離Δｈｆが３ｍｍであって、液面比Ｈｅ／Ｈｆが１．０４である。実施例６は、電極高さＨｅが８０ｍｍであって、水平電極距離Δｈｆが５ｍｍであって、液面比Ｈｅ／Ｈｆが１．０６７である。実施例７は、電極高さＨｅが８２ｍｍであって、水平電極距離Δｈｆが７ｍｍであって、液面比Ｈｅ／Ｈｆが１．０９３である。比較例２は、電極高さＨｅが７５ｍｍであって、水平電極距離Δｈｆが０ｍｍであって、液面比Ｈｅ／Ｈｆが１．００である。
【００８５】
出力の結果については、水平状態に対して、電池セル２を傾けた状態（傾斜状態）での出力が、９５％以上の場合に「○」とし、９０％以上９５％未満の場合に「△」とし、９０％未満の場合に「×」とした。実施例５では、傾斜角θを４°としたときに「○」となり、傾斜角θを６．８°としたときに「×」となった。実施例６では、傾斜角θを４°としたときに「○」となり、傾斜角θを６．８°としたときに「△」となった。実施例７では、傾斜角θが４°と６．８°とのいずれでも「○」となった。比較例２では、傾斜角θを４°としたときに「×」となったので、傾斜角θが６．８°でも、出力が低下するのは明白である。
【００８６】
上述した結果から、傾斜角θが４°のとき、実施例５ないし実施例７は、液面比Ｈｅ／Ｈｆが１．０４以上であって、出力低下が略発生しないことがわかる。同様に、傾斜角θが６．８°のとき、実施例７は、液面比Ｈｅ／Ｈｆが１．０７以上であって、出力低下が略発生しないことがわかる。つまり、液面比Ｈｅ／Ｈｆが小さいと、水平電極距離Δｈｆに比べて液面差Δｈθが大きくなるので、露出される電極の面積が増え、電極として作用する部分が減少するためである。この結果から、液面比Ｈｅ／Ｈｆは、少なくとも１．０４以上、より好ましくは１．０７以上であれば、出力低下を防止することができるとわかる。
【００８７】
金属空気電池は、小型化が求められているので、必要最小限の高さとするのが望ましく、電解液２０または電極の高さによって、筐体１０の高さが決定される。ここで、電解液２０を筐体１０と同程度の高さにした場合、金属空気電池の傾き等によって、電解液２０の漏れが生じてしまう。そのため、電極の高さを大きくし、電解液２０は、電極より低い高さまで充填しておくことが望ましい。それによって、電解液２０の漏れを防ぎつつ、金属空気電池の小型化を図ることができる。
【００８８】
図１９は、傾斜した電池セルの走行安定性を評価した結果を示す特性図である。
【００８９】
走行安定性については、搭載用電池モジュール４１を搭載した移動体５０を用いて評価しており、勾配７％（傾斜角θ４°）の変化（アップダウン）が続く道路を速度２０ｋｍ／ｈで走行させた場合と、勾配１２％（傾斜角θ６．８°）の変化（アップダウン）が続く道路を速度２０ｋｍ／ｈで走行させた場合とを行った。この際、移動体５０の転倒やふらつきが発生しなかった場合を「○」とし、転倒やふらつきが発生しなかった場合を「×」とした。
【００９０】
走行安定性に対しては、縦横比（アスペクト比）がそれぞれ異なる５種類の搭載用電池モジュール４１として、実施例８ないし実施例１０と比較例３および比較例４とを評価した結果を示す。なお、本実施の形態では、組電池高さＨｍを組電池幅Ｗｍで除した値を第１組電池アスペクト比Ａｍａとし、組電池高さＨｍを組電池奥行Ｄｍで除した値を第２組電池アスペクト比Ａｍｂとしている。
【００９１】
実施例８は、組電池幅Ｗｍが１６４．２ｍｍであり、組電池高さＨｍが２１３．５ｍｍであり、組電池奥行Ｄｍが１６４．２ｍｍであって、第１組電池アスペクト比Ａｍａが１．３であり、第２組電池アスペクト比Ａｍｂが１．３である。実施例９は、組電池幅Ｗｍが１７９．３ｍｍであり、組電池高さＨｍが１７９．３ｍｍであり、組電池奥行Ｄｍが１７９．３ｍｍであって、第１組電池アスペクト比Ａｍａが１．０であり、第２組電池アスペクト比Ａｍｂが１．０である。実施例１０は、組電池幅Ｗｍが１６０ｍｍであり、組電池高さＨｍが１２０ｍｍであり、組電池奥行Ｄｍが３００ｍｍであって、第１組電池アスペクト比Ａｍａが０．７５であり、第２組電池アスペクト比Ａｍｂが０．４である。比較例３は、組電池幅Ｗｍが１７２．３ｍｍであり、組電池高さＨｍが２２４ｍｍであり、組電池奥行Ｄｍが１４９．３ｍｍであって、第１組電池アスペクト比Ａｍａが１．３であり、第２組電池アスペクト比Ａｍｂが１．５である。比較例４は、組電池幅Ｗｍが１４９．３ｍｍであり、組電池高さＨｍが２２４ｍｍであり、組電池奥行Ｄｍが１７２．３ｍｍであって、第１組電池アスペクト比Ａｍａが１．５であり、第２組電池アスペクト比Ａｍｂが１．３である。実施例８ないし実施例１０と比較例３および比較例４とは、組電池幅Ｗｍと組電池高さＨｍと組電池奥行Ｄｍとを乗じた値（Ｗｍ×Ｈｍ×Ｄｍ）が５７６０ｍｍ3であって、全て等しい値となっている。つまり、搭載用電池モジュール４１の体積を一定にして、組電池幅Ｗｍと組電池高さＨｍと組電池奥行Ｄｍの長さを変化させている。
【００９２】
走行安定性の結果について、実施例８では、傾斜角θを４°としたときに「○」となり、傾斜角θを６．８°としたときに「×」となった。実施例９および実施例１０では、傾斜角θが４°と６．８°とのいずれでも「○」となった。比較例３および比較例４では、傾斜角θが４°と６．８°とのいずれでも「×」となった。
【００９３】
上述した結果から、搭載用電池モジュール４１のアスペクト比（第１組電池アスペクト比Ａｍａおよび第２組電池アスペクト比Ａｍｂ）は、少なくとも１．３以下、より好ましくは１．０以下であれば、走行性能を安定化できることがわかる。つまり、アスペクト比を小さくすることで、移動体５０の重心が下がるため、傾斜による転倒などを防止することができる。
【００９４】
本実施の形態では、筐体１０は、筐体高さＨｃおよび筐体幅Ｗｃから算出される第１アスペクト比Ａｃａと、筐体高さＨｃおよび筐体奥行Ｄｃから算出される第２アスペクト比Ａｃｂとが予め設定されている。この構成によると、アスペクト比に応じて、筐体幅Ｗｃ、筐体高さＨｃ、および筐体奥行Ｄｃを適切な寸法とすることで、転倒や電解液の漏れといった電池セル２の傾きに起因する不良を防ぐことができる。
【００９５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して筐体内部の構造が異なり、他の構造は同様であるため、筐体内部の図面を示し、他の図面は省略する。
【００９６】
図２０Ａは、本発明の第２実施形態に係る金属空気電池の内部の構造を示す概略断面図であって、図２０Ｂは、図２０Ａから筐体が傾いた状態を示す概略断面図である。なお、図２０Ａは、図５の矢符Ｃ−Ｃでの断面に対応している。
【００９７】
図２０Ａに示すように、本発明の第２実施形態に係る電池セル２は、水平方向Ｘ中央部に、電解液２０の水平方向Ｘでの移動を規制する移動規制部１８が設けられている。具体的に、移動規制部１８は、筐体１０の上面から下面へ延伸され、筐体１０と一体に形成されている。つまり、筐体１０は、移動規制部１８によって、内部の空間が第１横側面１６側と第２横側面１７側との２つに分割されている。
【００９８】
図２０Ｂは、図２０Ａに示す状態から、水平方向Ｘに対し傾斜角θだけ電池セル２が傾いている。第１横側面１６側の空間において、電解液２０の液面は、第１横側面１６側の端で、水平液面線ＥＬより上昇し、移動規制部１８側の端で、水平液面線ＥＬより下降している。また、第２横側面１７側の空間において、電解液２０の液面は、移動規制部１８側の端で、水平液面線ＥＬより上昇し、第２横側面１７側の端で、水平液面線ＥＬより下降している。図２０Ｂに示す規制液面差Δｈθ’は、水平液面線ＥＬより上昇した側での液面と水平液面線ＥＬとの間の距離である。本実施の形態において、内側面幅Ｗｅは、移動規制部１８で２つに分割されているので、「Δｈθ’＝０．５×Δｈθ」という関係式から規制液面差Δｈθ’が算出される。つまり、移動規制部１８を設けて、電解液２０の移動を規制することで、金属空気電池の見かけ上のアスペクト比を大きくし、電解液漏れにおける傾きの許容範囲を向上させることができる。なお、これに限定されず、移動規制部１８を設ける位置や数などを適宜変更してもよい。
【００９９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。
【０１００】
図２１は、本発明の第３実施形態に係る電池セルの概略断面図であって、図２２は、図２１の筐体上部を拡大して示す拡大断面図であって、図２３は、図２１の取込側面の側から見た概略側面図である。なお、図２１は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略し、筐体１０を透視して示している。また、図２２は、図２３の矢符Ａ−Ａでの断面に相当する。また、第１実施形態および第２実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０１】
第３実施形態では、空気極１０１および補助極１０３がそれぞれ１つとされている点で、第１実施形態と異なる。つまり、第３実施形態では、空気極１０１と燃料極１０２とが筐体１０の互いに対向する側面に配置されている。
【０１０２】
筐体１０の側面は、水平方向Ｘで第１横側面１６（図２３では、左側）と第２横側面１７（図２３では、右側）とが対向し、厚さ方向Ｙで取込側面１１（図２１では、左側）と燃料側面１２（図２１では、右側）とが対向している。取込側面１１には、矩形状の空気取込口１３が内部を開口するように形成されている。空気極１０１は、取込側面１１に沿って設けられ、燃料極１０２は、燃料側面１２に沿って設けられている。
【０１０３】
次に、複数の電池セルを接続した電池モジュールについて、図面を参照して説明する。
【０１０４】
図２４は、本発明の第３実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。なお、図２４は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略している。
【０１０５】
電池モジュール３０は、複数の電池セル１を接続した構成とされ、本実施の形態では、４つの電池セル１を接続している。以下では、４つの電池セル１は、それぞれを区別する場合、第１セル１ａ（図２４では左側）、第２セル１ｂ、第３セル１ｃ、または第４セル１ｄ（図２４では、右側）と呼ぶことがある。なお、本実施の形態では、４つの電池セル１を接続して電池モジュール３０としたが、これに限定されず、接続する電池セル１の数は、適宜選択することができる。
【０１０６】
第３実施形態では、第１実施形態と同様に、第１隣接側面と第２隣接側面とが設定され、第１隣接側面同士および第２隣接側面同士が対面するように隣接して並べられている。本実施の形態では、取込側面１１が第１隣接側面とされ、燃料側面１２が第２隣接側面とされている。具体的には、第１セル１ａと第２セル１ｂとは、互いの取込側面１１同士が対面し、第２セル１ｂと第３セル１ｃとは、互いの燃料側面１２同士が対面し、第３セル１ｃと第４セル１ｄとは、互いの取込側面１１同士が対面した状態とされている。
【０１０７】
なお、上述した第１実施形態ないし第３実施形態では、３極方式である金属空気二次電池とされていたが、本発明はこれに限定されず、２極方式の金属空気二次電池や金属空気一次電池（メカニカルチャージ方式を含む）にも適用できる。
【０１０８】
また、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明に係る金属空気電池は、電力供給装置として使用する用途全般に広く適用することができ、特に監視や介護、清掃などの各種ロボット、介護用電動車椅子、電動立ち乗り二輪車、および電動アシスト自転車などの移動体用に好適に用いられる。
【符号の説明】
【０１１０】
１、２  電池セル（金属空気電池の一例）
１０  筐体
１１  取込側面
１１ａ  第１取込側面
１１ｂ  第２取込側面
１２  燃料側面
１３  空気取込口
１５  電解液投入口
２０  電解液
３０、４０  電池モジュール（金属空気組電池の一例）
４１  搭載用電池モジュール（金属空気組電池の一例）
５０  移動体
１０１  空気極
１０２  燃料極
１０３  補助極
２０１  空気極端子
２０２  燃料極端子
２０３  補助極端子
Ｘ  水平方向
Ｙ  厚さ方向
Ｚ  高さ方向
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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