(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質収容部を正極層と負極層で挟んだ構造を有する少なくとも１つの空気電池と、
前記正極層及び前記負極層の夫々の表面に沿って空気を流通させる空気流通空間と、
前記空気流通空間に流通する空気を調整することにより負極層の温度分布を均一化させる空気調整手段とを備え、
前記空気調整手段が、前記空気流通空間に対する空気導入部から空気排出部に至る間に形成され、前記負極層の相対的に高温の領域を上流側とし且つ相対的に低温の領域を下流側とする空気流路を備えていることを特徴とする空気電池ユニット。
【請求項２】
前記空気調整手段が、前記空気流通空間を区画して空気流路を形成する少なくとも一枚の仕切り板を備えていることを特徴とする請求項１に記載の空気電池ユニット。
【請求項３】
前記仕切り板が、区画した空間の容積を反比例的に変化させる方向に移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の空気電池ユニット。
【請求項４】
前記空気調整手段が、前記負極層の相対的に高温の領域に配置した放熱フィンを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気電池ユニット。
【請求項５】
前記空気電池が、前記電解質収容部、前記正極層及び前記負極層が水平方向に並ぶ状態に配置してあり、
前記負極層の相対的に高温となる領域が上側の領域であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素を正極活物質として利用する空気電池を備えた空気電池ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の空気電池ユニットとしては、例えば、予備電池の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の空気電池ユニットは、電気化学電池システムで使用されるものであって、ハウジングに、正極と負極を含む乾燥コンポーネントを積層して収容し、ハウジング内に正極用の空気（酸素）を導入する構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００５−５２７０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年では、電気自動車の非常用充電電源に使用される空気電池の研究開発が進められており、空気電池から二次電池への充電時間を短縮する対策として、空気電池の放電時間の短縮化や、負極の反応速度の向上が検討されている。
【０００５】
ここで、空気電池の放電時間を短縮するには、負極を構成する負極金属の溶解の均一性を図ることが重要である。しかし、負極金属は、負極に温度勾配が生じると、相対的に高温の部分で反応速度が大きくなる（溶解しやすくなる）。このため、従来の空気電池ユニットでは、負極金属の反応速度の遅い部分で放電時間を決定せざるを得ず、また、負極の温度勾配を解消する対策も講じられていなかったため、放電時間の短縮化を図るうえで改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、負極の温度勾配を解消して負極金属の溶解の均一性を図り、放電時間の短縮化を実現することができる空気電池ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係わる空気電池ユニットは、電解質収容部を正極層と負極層で挟んだ構造を有する少なくとも１つの空気電池と、正極層及び負極層の夫々の表面に沿って空気を流通させる空気流通空間と、空気流通空間に流通する空気を調整することにより負極層の温度分布を均一化させる空気調整手段とを備えている。また、空気電池ユニットは、空気調整手段が、空気流通空間に対する空気導入部から空気排出部に至る間に形成され、負極層の相対的に高温の領域を上流側とし且つ相対的に低温の領域を下流側とする空気流路を備えている構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係わる空気電池ユニットは、上記構成を採用したことにより、負極の温度勾配を解消して負極金属の溶解の均一性を図ることができ、放電時間の短縮化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係わる空気電池ユニットの第１実施形態を説明する空気電池の断面図（Ａ）、空気電池ユニットの側面図（Ｂ）及び水平断面図（Ｃ）である。
【図２】空気電池ユニットの第１実施形態を説明する斜視図である。
【図３】本発明に係わる空気電池ユニットの第２実施形態を説明する斜視図である。
【図４】本発明に係わる空気電池ユニットの第３実施形態を説明する斜視図である。
【図５】本発明に係わる空気電池ユニットの第４実施形態を説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〈第１実施形態〉
図１及び図２に示す空気電池ユニットＵは、電解質収容部１を正極層２と負極層３で挟んだ構造を有する少なくとも１つの空気電池Ａと、正極層２及び負極層３の夫々の表面に沿って空気を流通させる空気流通空間４とを備えている。そして、空気電池ユニットＵは、空気流通空間４に流通する空気を調整することにより負極層３の温度分布を均一化させる空気調整手段を備えている。
【００１１】
この実施形態における空気調整手段は、空気流通空間４に対する空気導入部４Ａから空気排出部４Ｂに至る間に形成され、負極層３の相対的に高温の領域を上流側とし且つ相対的に低温の領域を下流側とする空気流路（１０ａ〜１０ｅ）を備えている。さらに具体的には、空気調整手段は、空気流通空間４を区画して空気流路（１０ａ〜１０ｅ）を形成する少なくとも一枚の仕切り板５を備えている。
【００１２】
ここで、空気電池ユニットＵは、空気電池Ａが、電解質収容部１、正極層２及び負極層３が水平方向に並ぶ縦置きの状態に配置してある。この場合、空気電池Ａは、起動すると、電解液の対流によって上側領域の温度が相対的に高くなる。したがって、負極層３では、上側領域が相対的に高温領域になると共に、下側領域が相対的に低温領域になる。
【００１３】
空気電池Ａは、図１（Ａ）に示すように、電解質収容部１を正極層２と負極層３で挟むと共に、これらの外周を外枠部材６で保持した構成である。電解質収容部１は、図示しない電解液を収容する空間であって、電解液を予め充填した構成でも良いし、注液型空気電池として起動時に電解液を注入する構成でも構わない。なお、使用する電解質は、必ずしも液体ではなく、固体やゲル状のものであっても良い。
【００１４】
正極層２は、電解質収容部１側から、正極部材２Ａと液密通気部材２Ｂを積層した構造である。他方、負極層３は、電解質収容部１側から、負極金属層３Ａと、負極集電層３Ｂを積層した構造である。
【００１５】
空気電池ユニットＵは、外観を形成するケースＣを備えている。ケースＣは、電池収容部Ｃ１を間にして、第１流路部Ｃ２と第２流路部Ｃ３とを有している。電池収容部Ｃ１には、正負の向きを同一にした複数の空気電池Ａが所定間隔で収容してあり、隣接する空気電池Ａ同士の間や、端部の空気電池ＡとケースＣの内面との間に、空気流通空間４を形成している。
【００１６】
空気電池Ａ同士の間の空気流通空間４は、図１（Ｃ）に示すように、一方の空気電池Ａの正極層２に空気（酸素）を供給する空間であると同時に、他方の空気電池Ａの負極層３を冷却する空気を流通させる空間でもある。また、空気電池Ａの正極層２とケースＣの内面との間の空気流通空間４は、正極層２に空気（酸素）を供給するための空間であり、さらに、空気電池Ａの負極層３とケースＣの内面との間の空気流通空間４は、負極層３を冷却する空気を流通させる空間である。
【００１７】
第１流路部Ｃ２及び第２流路部Ｃ３は、上下に連通する管体であって、その側面において電池収容部Ｃ１に連通している。また、第１流路部Ｃ２は、その上側及び下側に、夫々の経路を開閉する開閉バルブ７，８を備えている。
【００１８】
上記の空気電池ユニットＵは、空気調整手段として、ケースＣにおける第１流路部Ｃ２及び電池収容部Ｃ１（空気流通空間４）を上下に区画する仕切り板５を備えている。これにより、空気電池ユニットＵは、図１（Ｂ）に示すように、第１流路部Ｃ２の上端部が空気流通空間４に対する空気導入部４Ａとなり、第１流路部Ｃ２の下端部が空気流通空間４に対する空気排出部４Ｂとなる。
【００１９】
そして、空気電池ユニットＵは、空気流通空間４に対する空気導入部４Ａから空気排出部４Ｂに至る間に、第１流路部Ｃ２の上側領域（矢印１０ａ）、空気流通空間４の上側領域（矢印１０ｂ）、第２流路部Ｃの全領域（矢印１０ｃ）、空気流通空間４の下側領域（矢印１０ｄ）、及び第１流路部Ｃ２の下側領域（矢印１０ｅ）の経路で空気調整手段としての空気流路（１０ａ〜１０ｅ）を形成している。この空気流路（１０ａ〜１０ｅ）は、先述したように、空気電池Ａの縦置きにより負極層３の上側領域が相対的に高温領域になるので、負極層３の相対的に高温となる上側領域が上流側であり、相対的に低温となる下側領域が下流側である。
【００２０】
さらに、上記の空気電池ユニットＵは、図１（Ｃ）及び図２に示すように、隔壁Ｂを介してユニット同士を連結し、また、ユニット同士を電気的に接続して空気電池システムを構成する。このような空気電池システムには、図示を省略したが、電解液及び空気の供給源、流通経路を構成するポンプやバルブ等の各種機器、及びこれらの機器を制御する手段が含まれる。
【００２１】
上記構成を備えた空気電池ユニットＵは、空気導入部４Ａから各空気流通空間４に空気を導入して、各空気電池Ａの正極層２に空気（酸素）を供給し、これにより各空気電池Ａを起動する。このとき、空気電池ユニットＵは、空気電池Ａを縦置きにしているので、電解液の対流によって空気電池Ａの上部の温度が相対的に高くなる。空気電池Ａは、このような温度勾配が生じると、負極層３の上側領域で負極金属層３Ａの反応が進行し、負極金属層３Ａの溶解の均一性が損なわれて放電時間が長くなる。
【００２２】
これに対して、空気電池ユニットＵは、空気流通空間４に流通する空気を調整することにより負極層３の温度分布を均一化させる空気調整手段、より具体的には、空気流通空間４に対する空気導入部４Ａから空気排出部４Ｂに至る間に形成され、負極層３の相対的に高温の領域（上側領域）を上流側とし且つ相対的に低温の領域（下側領域）を下流側とする空気流路１０ａ〜１０ｅを備えている。
【００２３】
これにより、空気電池ユニットＵは、最初に負極層３の上側領域に空気を導入することで、その上側領域を重点的に冷却する。そして、空気電池ユニットＵは、上側領域で反応熱を吸収した空気を、相対的に低温である負極層３の下側領域に供給することで、その下側領域を加熱する。このようにして、空気電池ユニットＵは、負極層３の温度勾配を小さく若しくは解消して、負極金属層３Ａの溶解の進行を均一化し、放電時間の短縮化を実現することができる。
【００２４】
また、上記の空気電池ユニットＵは、空気調整手段が、空気流通空間４を区画して空気流路１０ａ〜１０ｅを形成する一枚の仕切り板５を備えていることから、比較的簡単な構造で、負極金属層３Ａの溶解の均一化や放電時間の短縮化を実現することができる。
【００２５】
図３〜図５は、本発明に係わる空気電池ユニットの第２〜第４の実施形態を説明する図である。以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２６】
〈第２実施形態〉
図３に示す空気電池ユニットＵは、空気流通空間４に対する空気導入部４Ａから空気排出部４Ｂに至る間に形成され、負極層３の相対的に高温の領域を上流側とし且つ相対的に低温の領域を下流側とする空気流路（１０ａ〜１０ｉ）を備えている。さらに具体的には、空気調整手段は、空気流通空間４を区画して空気流路（１０ａ〜１０ｉ）を形成する三枚の仕切り板５Ａ〜５Ｃを備えている。
【００２７】
仕切り板は、第１流路部Ｃ２及び電池収容部Ｃ１（空気流通空間４）を上下に区画する上段仕切り板５Ａと、電池収容部Ｃ１及び第２流路部Ｃ３を上下に区画する中段仕切り板５Ｂと、第１流路部Ｃ２及び電池収容部Ｃ１を上下に区画する下段仕切り板５Ａである。
【００２８】
これにより、空気電池ユニットＵは、空気流通空間４に対する空気導入部４Ａから空気排出部４Ｂに至る間に、第１流路部Ｃ２の上側領域（矢印１０ａ）、空気流通空間４の上側領域（矢印１０ｂ）、第２流路部Ｃの上側領域（矢印１０ｃ）、空気流通空間４の中間領域（矢印１０ｄ）、第１流路部Ｃ２の中間領域（矢印１０ｅ）、空気流通空間４の中間領域（矢印１０ｆ）、第２流路部Ｃの下側領域（矢印１０ｇ）、空気流通空間４の下側領域（矢印１０ｈ）、及び第１流路部Ｃ２の下側領域（矢印１０ｉ）の経路で空気調整手段としての空気流路１０ａ〜１０ｉを形成している。
【００２９】
上記の空気電池ユニットＵは、先の実施形態と同様に、各空気電池Ａの正極層２に空気（酸素）を供給して、各空気電池Ａを起動する一方で、負極層３の上側領域に空気を導入することで、その上側領域を重点的に冷却する。そして、空気電池ユニットＵは、上側領域で反応熱を吸収した空気を、相対的に低温である負極層３の下側領域に供給することで、その下側領域を加熱し、これにより、負極層３の温度勾配を小さく若しくは解消して、負極金属層３Ａの溶解の進行を均一化し、放電時間の短縮化を実現する。
【００３０】
〈第３実施形態〉
図４に示す空気電池ユニットＵは、空気調整手段として、空気流通空間を区画して空気流路１０ａ〜１０ｅを形成する少なくとも一枚の仕切り板５を備えている。そして、空気電池ユニットＵは、仕切り板５が、区画した空間の容積を反比例的に変化させる方向、すなわち図示例では上下方向に移動可能な構成である。
【００３１】
上記の空気電池ユニットＵは、先の実施形態と同様に、負極層３の上側領域に空気を導入して同上側領域を重点的に冷却し、上側領域で反応熱を吸収した空気を、相対的に低温である負極層３の下側領域に供給して同下側領域を加熱する。これにより、空気電池ユニットＵは、負極層３の温度勾配を小さく若しくは解消して、負極金属層３Ａの溶解の進行を均一化し、放電時間の短縮化を実現する。
【００３２】
また、この実施形態の空気電池ユニットＵは、仕切り板５が上下方向に移動可能であるから、負極層３の発熱量の増減に応じて仕切り板５を適宜の方向に移動させ、上側領域の冷却と下側領域の加熱のバランスを調整することができる。
【００３３】
このとき、空気電池ユニットＵは、例えば、仕切り板５を昇降させる駆動機構、負極層３の上側領域及び下側領域の温度を測定する温度センサ、温度センサの測定値に基づいて駆動機構を動作させる制御手段などで自動制御のシステムを構成することができる。なお、この種のシステムを構成する場合には、開閉バルブ７，８も構成要件とし、これらの開度調整により導入空気量や排出空気量を増減させて、負極層３の温度調整や温度の均一化を図ることも可能である。
【００３４】
〈第４実施形態〉
図５に示す空気電池ユニットＵは、空気流通空間４に流通する空気を調整することにより負極層３の温度分布を均一化させる空気調整手段として、負極層３の相対的に高温の領域、すなわち上側領域に配置した放熱フィン１１を備えている。
【００３５】
また、この実施形態の空気電池ユニットＵは、第１流路部Ｃ２の下端部が、空気流通空間４に対する空気導入部４Ａであると共に、第２流路部Ｃ３の下端部が、空気流通空間４に対する空気排出部４Ｂになっている。このため、空気電池ユニットＵは、第１流路部Ｃ２及び第２流路部Ｃ３の夫々の下側に開閉バルブ７，８が設けてある。
【００３６】
上記の空気電池ユニットＵは、負極層３において相対的に高温領域となる上側領域に配置した放熱フィン１１により、導入空気の流れを阻害することなく上側領域を重点的に冷却し、負極層３の温度勾配を小さく若しくは解消して、負極金属層３Ａの溶解の進行を均一化し、放電時間の短縮化を実現する。
【００３７】
また、空気電池ユニットＵは、上記の放熱フィン１１だけでも、負極層３の冷却効果、ひいては負極金属層３Ａの溶解の均一化を実現し得るのであるが、第１〜第３の実施形態で説明した空気調整手段、すなわち空気流路（１０ａ〜１０ｉ）や空気流路を形成する仕切り板（５，５Ａ〜５Ｃ）と組み合わせることで、負極金属層３Ａの溶解の均一化及び放電時間の短縮化により一層の効果を発揮する。
【００３８】
本発明に係わる空気電池ユニットは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更したり、各実施形態で説明した構成を組み合わせたりすることができる。
【００３９】
なお、空気電池ユニットにおいて、空気流路は、空気流通空間４や、ケースＣの第１流路部Ｃ２及び第２流路部Ｃ３により形成され、上記各実施形態で説明したように、空気流通空間４の仕切り方によって異なる形態になる。図示の矢印記号１０ａ〜１０ｉは、空気の流れを示すもので、流路空間そのものではない。ただし、上記各実施形態では、空気の流れ方向が矢印記号１０ａ〜１０ｉで表現される空気流路としており、便宜上、空気流路に矢印記号１０ａ〜１０ｉを付して説明した。
【００４０】
また、上記各実施形態では、空気電池Ａを縦置きの状態にし、負極層の相対的に高温となる上側領域に対して、空気調整手段を配置した構成を説明した。しかし、本発明に係わる空気電池ユニットは、空気電池の姿勢がとくに限定されるものではなく、空気電池の形態や周辺機器の構成などにより負極層に温度勾配が生じる場合には、その温度勾配に対応して空気調整手段を配置することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ  空気電池
Ｕ  空気電池ユニット
１  電解質収容部
２  正極層
３  負極層
４  空気流通空間
４Ａ  空気導入部
４Ｂ  空気排出部
５  仕切り板
５Ａ  上段仕切り板
５Ｂ  中段仕切り板
５Ｃ  下段仕切り板
１０ａ〜１０ｉ  空気流路
１１  放熱フィン
【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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