(57)【要約】【課題】  電解液の漏洩を防止することができ、かつ交換作業が容易となるように構成された金属電極カートリッジを提供する。【解決手段】  金属電極と、上記金属電極の少なくとも一部を保持する電極収容部材とを備えた金属電極カートリッジであって、上記電極収容部材は、変形可能な変形部を有し、上記変形部の変形時には、上記金属電極が上記電極収容部材外に露出し、かつ、上記変形部の復元時には、上記金属電極が上記電極収容部材内に収容される金属電極カートリッジである。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電極と、
前記金属電極の少なくとも一部を保持する電極収容部材とを備えた金属電極カートリッジであって、
前記電極収容部材は、変形可能な変形部を有し、
前記変形部の変形時には、前記金属電極が前記電極収容部材外に露出し、かつ、前記変形部の復元時には、前記金属電極が前記電極収容部材内に収容されることを特徴とする金属電極カートリッジ。
【請求項２】
前記変形部は、外力の付加により変形し、かつ前記外力の消失により初期形状に復元するものであることを特徴とする請求項１に記載の金属電極カートリッジ。
【請求項３】
前記変形部は、外力の消失により変形し、かつ、前記外力の付加により初期状態に復元するものであることを特徴とする請求項１に記載の金属電極カートリッジ。
【請求項４】
前記電極収容部材は、前記金属電極の周囲に内部空間を有する中空形状を有し、
前記変形部は、前記電極収容部材の底面を開閉させる開き戸構造を含み、
前記変形時には、前記底面が前記内部空間側に開き、前記復元時には、前記底面が閉じられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属電極カートリッジ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の金属電極カートリッジと、
電解液を保持する電解槽を含む電池筐体とを備え、
前記金属電極カートリッジは、前記変形部を変形させて前記電池筐体に取り付けられ、
前記金属電極は、前記電池筐体に取り付けられたときに、前記電解液と接する位置に配置されることを特徴とする化学電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属電極カートリッジ、及び、化学電池に関する。より詳しくは、電池に対する金属電極の取り付けに用いられる金属電極カートリッジ、及び、該金属電極カートリッジを取り付けた化学電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学電池は、正極（カソード）側で還元反応を起こし、負極（アノード）側で酸化反応を起こすことによって、物質自身が持つ化学的なエネルギーを直流電力に変換するものである。化学電池は、正極及び負極に用いられる材料の組合せによって分類され、負極に金属を利用した化学電池として多くの種類が知られている。例えば、化学電池の一種である金属空気電池は、負極が金属により構成され、かつ正極が空気により構成される電池全般を指し、高いエネルギー密度を有する等の利点があることから、実用化に向けた開発・研究が進められている。
【０００３】
金属空気電池について、亜鉛空気電池を例にとって、より詳細に説明する。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。図１４に示した亜鉛空気電池は、アルカリ性の電解液５５中に亜鉛電極５１が設けられ、電解液５５と空気流路との間に空気極５２が設けられた構造を有するものであり、電池反応（放電反応）が進行することにより亜鉛電極５１と空気極５２とから電力を出力する。
【０００４】
亜鉛空気電池の電池反応において、亜鉛電極５１を構成する金属亜鉛は、電解液５５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５１中に電子を放出する。テトラヒドロキソ亜鉛酸イオンは分解されて酸化亜鉛又は水酸化亜鉛となり、電解液５５中に析出する。また、空気極５２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が電解液５５に移動する。このような電池反応が進行するのに伴い、亜鉛電極５１の金属亜鉛は消費されていくこととなる。したがって、亜鉛空気電池による電力の出力を安定的に維持するためには、亜鉛電極５１に金属亜鉛を供給することが求められる。
【０００５】
これに対して、負極金属を含む負極構造体を電池本体から着脱可能なカートリッジにする方式が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。この方式では、カートリッジを空気極が設けられた電池本体に取り付けることによって放電が行われ、放電後に、使用済みのカートリッジを新しいカートリッジに交換すれば、再放電が可能となる。
【０００６】
また、金属空気電池の負極となる金属部が通過可能な出入口と、金属部を収納する収納部とを備える金属空気電池用のケースに、金属部を収納することも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３０７１４０号公報
【特許文献２】特表２００５−５０９２６２号公報
【特許文献３】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】
【０００８】
上述したように金属空気電池は放電に伴い、負極を構成する金属電極が電解液中に溶解していく。このため、金属空気電池を一次電池として継続的に使用するためには、金属電極を定期的に交換する必要がある。ここで、放電時の金属電極は電解液に曝されるため、金属電極やそれを支持する部材には電解液が付着している。このため、金属電極を電解槽の外へ取り出す際には、付着した電解液が電解槽の外で飛散する等して電解液の漏洩が生じるおそれがあった。図１５は、金属電極の取り出し時に電解液の漏洩が生じる様子を説明した図である。
【０００９】
電解液の漏洩が生じて金属空気電池の外装部材や配線部材に電解液が付着すると、それらの部材を劣化させ、電池の特性劣化及び動作不良発生の原因となる。また、金属電極の交換を人為的に行う際に電解液の漏洩が生じると、作業者が傷害を負う可能性がある。そのような傷害は、電解液が飛散した場合だけでなく、作業者が電極表面に付着した電解液に接触しただけでも生じるものであった。
【００１０】
以上のように、従来の取り外し可能な金属電極を有する電池においては、放電後等に金属電極を抜き出す際に、金属電極表面に付着した電解液が電池外部で飛散・漏洩することがあり、その防止が強く求められていた。
【００１１】
これに対して、特許文献１〜３に記載された発明は、使用済みの金属電極を電池本体から回収する際に、金属電極に付着した電解液の漏洩を確実に防止するための仕組みを有するものではなかった。また、特許文献１〜３に記載された発明で用いられるカートリッジやケースは、複雑な構造を有するものであった。
【００１２】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、電解液の漏洩を防止することができ、かつ交換作業が容易となるように構成された金属電極カートリッジ、及び、該金属電極カートリッジを備える化学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】
【００１３】
本発明者らは、化学電池における金属電極の交換方式について種々検討した結果、交換時には金属電極を収容し、放電時には金属電極を露出させることができる変形構造のカートリッジがあれば、交換時に電解液が付着した金属電極を外部に露出させず、電解液の漏洩を防止できることに想到した。以上のことから、本発明者らは、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。
【００１４】
すなわち、本発明の一態様は、金属電極と、上記金属電極の少なくとも一部を保持する電極収容部材とを備えた金属電極カートリッジであって、上記電極収容部材は、変形可能な変形部を有し、上記変形部の変形時には、上記金属電極が上記電極収容部材外に露出し、かつ、上記変形部の復元時には、上記金属電極が上記電極収容部材内に収容される金属電極カートリッジであってもよい。
【００１５】
本発明の別の一態様は、上記金属電極カートリッジと、電解液を保持する電解槽を含む電池筐体とを備え、上記金属電極カートリッジは、上記変形部を変形させて上記電池筐体に取り付けられ、上記金属電極は、上記電池筐体に取り付けられたときに、上記電解液と接する位置に配置される化学電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の金属電極カートリッジ、及び、化学電池は、上述した構成を有するので、金属電極の交換作業を容易に行うことができ、かつ交換時の電解液の漏洩を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１の金属電極カートリッジを示す斜視模式図である。
【図２】実施形態１の金属電極カートリッジを電池筐体に取り付け及び取り外しする様子を説明する図であり、（ａ）は取り付け前の様子を表し、（ｂ）は取り付け時の様子を表し、（ｃ）は取り外し後の様子を表す。
【図３】実施形態１の化学電池を側面方向から見たときの断面の概略を示した模式図である。
【図４】実施形態２の金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する図であり、（ａ）は取り付け前の様子を表し、（ｂ）は取り付け時の様子を表す。
【図５】実施形態２の電池筐体を上から見た模式図である。
【図６】実施形態３の金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する図であり、（ａ）は取り付け前の様子を表し、（ｂ）は取り付け途中の様子を表し、（ｃ）は取り付け時の様子を表す。
【図７】電池筐体の上面に平行な方向（図６の左右方向）における金属電極カートリッジの断面を示す模式図である。
【図８】電池筐体の一側面に平行な方向（図６の奥行き方向）における金属電極カートリッジの断面を示す模式図である。
【図９】電池筐体の上面に平行な方向（図６の左右方向）における化学電池の断面を示す模式図である。
【図１０】実施形態４において、金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する断面模式図である。
【図１１】実施形態４の電池筐体の構成を示す斜視模式図である。
【図１２】実施形態４の電池筐体に設けられる分離部の形状の例を示す図である。
【図１３】実施形態５において、金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する図であり、（ａ）は取り付け前の様子を表し、（ｂ）は取り付け途中の様子を表し、（ｃ）は取り付け時の様子を表す。
【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。
【図１５】金属電極の取り出し時に電解液の漏洩が生じる様子を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
［実施形態１］
図１は、実施形態１の金属電極カートリッジを示す斜視模式図である。図２は、実施形態１の金属電極カートリッジを電池筐体に取り付け及び取り外しする様子を説明する図であり、図２（ａ）は取り付け前の様子を表し、図２（ｂ）は取り付け時の様子を表し、図２（ｃ）は取り外し後の様子を表す。図３は、実施形態１の化学電池を側面方向から見たときの断面の概略を示した模式図である。なお、図３では、金属電極１１を取り付けた状態を示しているが、電極収容部材２１の図示は省略している。
【００２０】
実施形態１の金属電極カートリッジ２０は、金属電極１１と、上記金属電極１１の少なくとも一部を保持する電極収容部材２１とを備えた金属電極カートリッジであって、上記電極収容部材２１は、変形可能な変形部を有し、上記変形部の変形時には、上記金属電極１１が上記電極収容部材２１外に露出し、かつ、上記変形部の復元時には、上記金属電極１１が上記電極収容部材２１内に収容されることを特徴とする。
また、実施形態１の化学電池は、上記金属電極カートリッジ２０と、電解液１５を保持する電解槽１４を含む電池筐体１０とを備え、上記金属電極カートリッジ２０は、上記変形部を変形させて上記電池筐体１０に取り付けられ、上記金属電極１１は、上記電池筐体１０に取り付けられたときに、上記電解液１５と接する位置に配置される。
以下、本実施形態の金属電極カートリッジ２０及び化学電池について詳述する。
【００２１】
本実施形態の化学電池は、金属電極カートリッジ２０が電池筐体１０に取り付けられた構成を有する。
まず、本実施形態の金属電極カートリッジ２０の構造的特徴について説明する。図１に示したように、金属電極カートリッジ２０は、電極収容部材２１と、電極収容部材２１内に保持された金属電極１１から構成される。電極収容部材２１は、略直方体の箱型形状（中空形状）を有し、内部は空洞である。電極収容部材２１の上部において平面状の金属電極１１の上部が固定され、電極収容部材２１の内部空間には、金属電極１１が吊り下げられるように配置されている。電極収容部材２１の下端には、二分割された底面２２を構成する２つの板状部材と、この２つの板状部材を支持するヒンジ２３とを含む開き戸構造（変形部）が設けられており、底面が開閉可能とされている。ヒンジ２３は、２つの板状部材（扉部）を電極収容部材２１の内部空間側（内側）に向かって回転可能にしている。すなわち、底面２２は、端部に位置するヒンジ２３を軸にして内開きである。
【００２２】
電極収容部材２１は絶縁性部材により構成されることが好ましく、少なくとも電極収容部材２１の内部空間を形成する内壁は、耐液性、耐腐食性及び撥水性の少なくとも一つを有するものであることが好ましい。
また、電極収容部材２１は、金属電極１１と一体化されていてもよく、金属電極１１を電極収容部材２１の内壁に嵌合する構造を有し、金属電極１１を着脱可能にした構造であってもよい。
【００２３】
なお、他の実施形態から明らかなように、本発明において、電極収容部材２１の形状は、実施形態１のものには限定されない。電極収容部材２１は、金属電極１１全体を収容するものであることが好ましいが、金属電極１１の電解液１５と接する部分を収容することができるものであればよい。
【００２４】
次に、金属電極カートリッジ２０の使用方法について、図２を参照して説明する。金属電極カートリッジ２０は、電池筐体１０に金属電極１１を取り付けるために用いられる。図２（ａ）に示したように、金属電極カートリッジ２０を電池筐体１０に上方から差し込み、電池筐体１０に取り付ける。電極収容部材２１の底面（電池筐体１０への挿入面）２２は、初期状態では閉じられており、電極収容部材２１の内部空間側に向かう外力を受けたときに開くように構成されている。したがって、金属電極カートリッジ２０の取り付け時には、電池筐体１０の上面から受ける外力によって、底面２２が内側に開く。
【００２５】
金属電極カートリッジ２０の取り付け状態では、図２（ｂ）に示したように、電極収容部材２１は、電池筐体１０の周囲（底面は除く）を覆うように配置される。すなわち、使用時の化学電池においては、電極収容部材２１が外表面を構成する外装部材となる。また、底面２２が開いたことにより、金属電極１１は電極収容部材２１外に露出し、電解槽１４内に挿入される。ここで、金属電極１１が電極収容部材２１外に露出するとは、電極収容部材２１の内部空間に配置された金属電極１１が電極収容部材２１に内包された状態ではなくなることを意味し、金属電極１１の側方及び上部が電極収容部材２１に囲まれていてもよい。電解槽１４内には電解液１５が入っており、金属電極１１は電解液１５と接し、電池反応が可能な状態となる。
【００２６】
金属電極１１の取り出し時には、図２（ｃ）に示したように、電池筐体１０から金属電極カートリッジ２０を上方に引き抜く。このとき、金属電極１１には電解液１５が付着しており、金属電極カートリッジ２０の底面２２が開いたままだと、電解液１５が飛散し、漏洩してしまう。本実施形態の電極収容部材２１は、いったん底面２２が開いた後に電極収容部材２１の内部空間側に向かう外力が消失したときには底面２２が閉じるように構成されている。したがって、金属電極カートリッジ２０の取り外しと同時に、底面２２が閉じられ、金属電極１１は再び電極収容部材２１内に収容される。これにより、金属電極１１に付着した電解液１５の外部への漏洩を防止することができる。
【００２７】
なお、本実施形態の開き戸構造は、扉部が２つ設けられる両開き（観音開き）であるが、扉部が１つのみ設けられる片開きであってもよい。また、開き戸構造は、金属電極カートリッジ２０の取り外し時に底面２２が隙間なく閉じられることが好ましく、例えば、扉部同士（両開きの場合）又は扉部と電極収容部材２１の側面端部（片開きの場合）とを結合させる磁石等の留具が付加されてもよいし、底面２２を閉じる復元力が働くように、ヒンジ２３がバネ付きのものにされてもよい。更に、扉部を用いる開き戸構造に代えて、複数枚の連接された細長い部材を備えたシャッター構造にしてもよい。シャッター構造を用いる場合には、金属電極カートリッジ２０にシャッター開閉用のモータ等の動力源、及び、センサーを設ければ、金属電極カートリッジ２０の取り付け及び取り外し時に、シャッターを自動で開閉させることができる。
【００２８】
続いて、本実施形態の化学電池の各構成部材について説明する。
本実施形態の化学電池において、金属電極１１が負極（アノード）として用いられる。金属電極１１を構成する金属としては、負極活物質として利用できる金属種であれば特に限定されず、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、カドミウム（Ｃｄ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属、それらの合金、及び、それら金属及び／又は合金の混合物が挙げられる。なかでも、金属空気電池を構成するときには、Ｚｎ、Ｌｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いれば、常温作動させることができる。また、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕは、取り扱いの安全性に優れている。Ｚｎを主成分とする亜鉛電極が、金属電極１１として特に好適に用いられる。
【００２９】
金属電極１１の形状としては特に限定されず、例えば、平板状、棒状とすることができるが、平板状のものが好適に用いられる。
【００３０】
なお、負極から電気を取り出すための集電構造は、電極収容部材２１に設けられてもよいし、電池筐体１０に設けられてもよい。例えば、金属電極１１は、電極収容部材２１に取り付けられた集電体に金属種を電析させて形成したものであってもよい。また、電池筐体１０に設ける場合、電池筐体１０に挿し込まれた金属電極１１が集電構造と電気的に接続されるように、集電構造を配置することが好ましい。集電構造に用いられる集電体を構成する材料としては、ニッケル、白金、ステンレス、炭素等が挙げられる。
【００３１】
本実施形態の化学電池において、正極（カソード）１２の材料としては特に限定されず、負極を構成する金属よりも電気陰性度が高い材料を用いることができる。例えば、気体であれば、酸素、窒素、塩素等を用いることができ、液体であれば、四塩化炭素、過酸化水素等を用いることができ、固体であれば、金属硫化物、金属塩化物等が正極活物質として用いることができる。金属電極１１（負極）を構成する金属の種類によっては、正極１２を金属電極としてもよい。本実施形態の化学電池としては、正極１２に空気極を用いる金属空気電池が好適である。空気極は、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。
【００３２】
本実施形態の化学電池における負極（金属電極１１）と正極１２の好ましい組み合わせとしては、負極活物質がＺｎ、正極活物質が空気の組み合わせが挙げられる。この好ましい組合せによれば、自然発火の危険性が低く、かつ常温作動可能な電池を供給することができる。
【００３３】
電解液１５は、溶媒に電解質が溶解しイオン伝導性を有する液体である。電解液１５の種類は、一般的な化学電池で使用される電解液であれば特に限定されず、負極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）であってもよいし、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、金属電極１１が亜鉛、アルミニウム、鉄を主として含む場合には、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電解液を用いることができ、マグネシウムを主として含む場合には、塩化ナトリウム水溶液等の中性電解液を用いることができ、リチウム、ナトリウム、カルシウムを主として含む場合には、酸性電解液を用いることができる。また、金属電極１１がリチウムを主として含む場合には、有機電解液を用いることが好ましい。上記有機電解液としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ３）、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２等の公知のリチウム塩を、非プロトン性で鎖状構造を持たない有機溶媒（エチレンカーボネート、テトラヒドロフラン等）に溶解したものを使用することができる。
【００３４】
また、電解液１５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一般的に使用されるゲル化剤であればよく、例えば、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸ナトリウム等のポリアクリル酸塩、又は、親水基としてスルホ基を有する２−アクリルアミド−２メチルプロパンスルホン酸を用いることができる。
【００３５】
電池筐体１０は、電解液１５を収容する電解槽１４を含む。電解槽１４は、電解液１５が溜められる容器であることから、電解液１５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１４は、円筒状や直方体状等の電解液１５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。電池筐体１０には、金属電極１１を挿入できる大きさの挿入口が設けられている。挿入口の配置は、電解槽１４に保持された電解液１５に、金属電極１１を接触させることができれば特に限定されないが、電池筐体１０の上面に設けられることが好ましい。電池筐体１０の上面は、電解槽１４の一部分によって構成されていてもよいし、電解槽１４とは別の部材によって構成されていてもよい。
【００３６】
電池筐体１０には、電解液１５を循環させるための流路１６が設けられていてもよい。電池筐体１０内の流路と電池外部の電解液用流路とを連結する場合には、電極収容部材２１の側面に開口を設けてもよい。
また、電解液１５の交換（給液又は廃液）は、電池筺体１０に設けた金属電極１１の挿入口等から行ってもよく、電池筐体１０に電解液１５交換用の開口部を設け、そこから行ってもよい。
【００３７】
電池筐体１０の側面には、正極１２が設けられている。正極１２の電極面は、負極の電極面に対向して配置されることが好ましい。これにより、電極間距離を均等かつ短くし、電極間抵抗を抑えることができる。また、電池筐体１０には、正極集電体が設けられてもよい。
【００３８】
更に、本実施形態の化学電池が金属空気電池である場合の構成について以下に説明する。
金属空気電池では、正極１２に空気極が用いられる。空気極は、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１５から供給されてもよい。
【００３９】
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。アニオン交換樹脂のイオン交換基としては、４級アンモニウム塩基等の強塩基性基；１級、２級又は３級アミノ基を有する弱塩基性基等が例示できる。強塩基性のアニオン交換樹脂としては、例えば、スチレン骨格を有する架橋ポリマーに、トリメチルアンモニウム等のトリアルキルアンモニウム塩基、ジメチルエタノールアンモニウム、メチルジエタノールアンモニウム等のアルキルアルカノールアンモニウム塩基を導入したもの等が例示できる。また、弱塩基性のアニオン交換樹脂としては、例えば、ポリベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール−ポリイミド共重合体等のベンズイミダゾールユニットを有する単独重合体又は共重合体；アミノ化ポリエーテルスルホン等が例示できる。
【００４０】
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；これらの金属の金属酸化物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。上記金属酸化物としては、ルテニウム、コバルト、マンガン、セリウム、鉄のうち少なくとも１種類の金属原子を含む金属酸化物が好ましく、具体的には、酸化ルテニウム（ＩＶ）（ＲｕＯ２）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化コバルト（ＩＩＩ）（Ｃｏ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＩＶ）（ＣｅＯ２）を好適に用いることができる。
【００４１】
空気極は、大気に直に接して設けられてもよいし、空気流路に接して設けられてもよい。図３には、空気流路の一例として、電解槽１４の側面に設けられた通気孔１３が示されている。空気流路が設けられる場合、空気流路に加湿された空気を流すことにより、空気極に酸素ガスだけでなく水を供給できる。空気流路の設置方法は特に限定されず、例えば、空気極の電解液１５と接する側とは反対側に正極集電体を配置し、この正極集電体に形成してもよい。正極集電体を介して空気極と外部回路とを電気的に接続すれば、金属空気電池の電力を外部回路に効率よく出力することができる。
【００４２】
空気極は、電解槽１４内の電解液１５に接触するように設けてもよい。このことにより、空気極で生成した水酸化物イオンが容易に電解液１５へ移動することができる。また、空気極における電極反応に必要な水が電解液１５から空気極に供給されやすくなる。
【００４３】
また、空気極は、電解槽１４内の電解液１５に接触するように設けられたイオン交換部と接触して設けられてもよい。イオン交換部を設けることにより、空気極と電解液１５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１５へ移動することができ、かつ電解液１５中の陽イオンが空気極に移動するのを防止することができる。
【００４４】
本実施形態においては、電極収容部材２１が正極１２の外側に配置される。したがって、正極１２が空気極である場合には、電極収容部材２１に、空気極に空気を供給するための工夫が施されてもよい。
上記工夫の一例として、電極収容部材２１に通気孔１３を設けることが挙げられる。通気孔１３は、メッシュ、穴等の通気できるものであれば特に限定されない。通気孔１３の位置は特に限定されず、例えば、電極収容部材２１の上面、側面上部等に設けることができる。
また、通気孔１３は、開閉可能なものであってもよい。開閉可能なものを設けた場合には、金属空気電池を稼働させるときには通気孔１３を開けておき、金属電極１１を電解液１５から取り除くときに通気孔１３を閉じる。これによって、金属電極１１の取り出し時に通気孔１３から電解液１５が漏洩することを防止できる。
【００４５】
上記工夫の別の一例として、電極収容部材２１の一部又は全体を通気性の高い材料で形成することが挙げられる。例えば、シリコーンゴム薄膜、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等）微多孔膜等、又は、これらの組み合わせからなる気液分離膜や、多孔質セラミックス、有機高分子多孔質体、金属粉末を焼結させた金属性多孔質体等の複数の細孔を有する多孔質構造体、或いは、織布や不織布等の繊維で形成されたメッシュ構造体等が好適に用いられる。
【００４６】
上述した構成を有する本実施形態の化学電池には、以下の利点がある。
（１）電極収容部材２１は、金属電極１１の取り出しと同時に底面が閉まるので、金属電極１１に付着した電解液１５の外部への飛散・漏洩を防ぐことができる。
（２）電極収容部材２１の底面２２は、金属電極１１の挿入にともない電池筺体１０に押されて開くことから、金属電極１１の設置に際して従来と比べて特別な操作を必要としない。また、金属電極１１は、電池筐体１０に設置する際、及び、使用後に電池筐体１０から取り出す際に、電極収容部材２１から取り外す必要がない。更に、金属電極１１の取り出しの際には、電極収容部材２１を持ち手として利用することもできる。以上のように、本実施形態の金属電極カートリッジ２０は、取り扱い性に優れている。
（３）電極収容部材２１に取り付けたまま、金属電極１１を装着（挿入）、使用（放電）、回収（取り出し）及び運搬できることから、金属電極１１を常に露出させることがなく、物理的な衝撃等から保護できる。
（４）電池筐体１０に電極収容部材２１を取り付けることで、放電時の金属電極１１の位置を固定することができる。
【００４７】
［実施形態２］
図４は、実施形態２の金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する図であり、図４（ａ）は取り付け前の様子を表し、図４（ｂ）は取り付け時の様子を表す。図５は、実施形態２の電池筐体を上から見た模式図である。以下、図４及び図５に基づき、本実施形態の化学電池について詳述するが、実施形態１の化学電池と共通する事項については、適宜説明を省略する。
【００４８】
実施形態２では、電極収容部材２１の外形サイズが電池筐体１０よりも小さく、かつ電解槽１４よりも大きくされており、電池筐体１０には、底面が閉じられた電極収容部材２１を収容するためのガイド（収容部）１０ａが設けられている。これにより、金属電極カートリッジ２０の取り付け時には、電極収容部材２１がガイド１０ａ内に保持される。
【００４９】
本実施形態によれば、実施形態１の利点に加えて、電池全体のサイズが、金属電極１１の挿入時と非挿入時で変わらないという利点がある。したがって、電池をスタック化した際に、素電池（セル）間の距離がなくても、金属電極カートリッジ２０の挿抜が可能である。また、電極収容部材２１が電池筐体１０のガイド１０ａで位置合わせされるため、金属電極１１の挿入が容易となるという利点もある。
【００５０】
［実施形態３］
図６は、実施形態３の金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する図であり、図６（ａ）は取り付け前の様子を表し、図６（ｂ）は取り付け途中の様子を表し、図６（ｃ）は取り付け時の様子を表す。図７は、電池筐体の上面に平行な方向（図６の左右方向）における金属電極カートリッジの断面を示す模式図である。図８は、電池筐体の一側面に平行な方向（図６の奥行き方向）における金属電極カートリッジの断面を示す模式図である。図９は、電池筐体の上面に平行な方向（図６の左右方向）における化学電池の断面を示す模式図である。以下、図６〜図９に基づき、本実施形態の化学電池について詳述するが、上述した実施形態の化学電池と共通する事項については、適宜説明を省略する。
【００５１】
実施形態３では、電極収容部材２１は、柔軟性のある材料で形成された一対の屈曲部２５と、一対の屈曲部２５のそれぞれの端部に取り付けられた一対の結合部２４とを含み、電極収容部材２１の初期形状は、一対の結合部２４が互いに結合し合うことによって、袋状に構成されている。金属電極１１は、一対の屈曲部２５に密着して挟持されている。一対の結合部２４としては、互いに結合し合うように構成された一対の部分であれば特に限定されず、そのような部分を構成する部材又は構造としては、例えば、粘着材、磁石、チャック等が挙げられる。
【００５２】
金属電極カートリッジ２０の取り付け状態では、図６（ｂ）に示したように、電池筐体１０の上部に押し当てられることによって、一対の結合部２４が互いに分離する。そして、金属電極１１が電池筐体１０内に深く挿入されるにつれて、一対の結合部２４及び一対の屈曲部２５が、互いに分離しながら、電池筐体１０のガイド（収容部）１０ａ内に深く挿入されていく。したがって、一対の屈曲部２５は、ガイド１０ａの形状に追従して挿入できる程度の柔軟性があればよい。
【００５３】
一方、金属電極１１の取り出し時には、金属電極１１が電池筐体１０内から引き出されるにつれて、一対の屈曲部２５が、互いに結合しながら、電池筐体１０のガイド１０ａ内から引き出されていき、電池筐体１０の上面で一対の結合部２４が再び結合し合う。電池筐体１０からすべて引き出されると、金属電極カートリッジ２０は初期形状に戻る。
【００５４】
本実施形態によれば、電極収容部材２１の端部を結合部２４でシールすることにより、実施形態１、２と同様に、電極収容部材２１外への電解液１５の漏洩を防止できる。また、電極収容部材２１の厚みを電解槽１４よりも薄くすることができるので、実施形態１、２よりも、電極収容部材２１を小型化するのに適している。また、電池筐体１０に設けられた電解液用の流路１６を妨げないようにガイド１０ａを配置することも容易である。
【００５５】
なお、本実施形態では、電極収容部材２１の端部をシールするために、一対の屈曲部２５のそれぞれの端部に取り付けられ、かつ互いに結合し合う一対の結合部２４を用いたが、一対の屈曲部２５の一方の端部に取り付けられ、かつ一対の屈曲部２５の他方と結合する結合部を用いてもよい。そのような結合部を構成する部材としては、粘着材、磁石等が挙げられる。
【００５６】
［実施形態４］
図１０は、実施形態４において、金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する断面模式図である。図１１は、実施形態４の電池筐体の構成を示す斜視模式図である。図１２は、実施形態４の電池筐体に設けられる分離部の形状の例を示す図である。実施形態４は、電池筐体１０に分離部１０ｂが設けられたこと以外は、実施形態３と同様であり、実施形態３の化学電池と共通する事項については、適宜説明を省略する。
【００５７】
実施形態４では、実施形態３と同様の金属電極カートリッジ２０を用いるが、電池筐体１０には、電極収容部材２１が挿入されるガイド（収容部）１０ａの挿入口近傍に、一対の結合部２４の間に差し込み可能な分離部１０ｂが設けられている。金属電極カートリッジ２０の取り付け時に、一対の結合部２４は、電池筐体１０の上部に押し当てられることによって分離させられるが、一対の結合部２４の間に差し込み可能な分離部１０ｂが設けられていることによって、一対の結合部２４を容易に分離させることができる。また、分離部１０ｂの形状によっては、電極収容部材２１をガイド１０ａ内に誘導しやすくすることができる。電極収容部材２１をスムーズにガイド１０ａに通すことにより、金属電極カートリッジ２０及び電池筐体１０の破損や劣化を抑制することができる。
【００５８】
分離部１０ｂの形状としては、一対の結合部２４の間に差し込み可能であれば特に限定されず、例えば、図１２に示したような、上端が鋭角に形成された部材・構造１０ｂ１、薄い板状の部材・構造１０ｂ２、略円形等が挙げられる。
【００５９】
［実施形態５］
図１３は、実施形態５において、金属電極カートリッジを電池筐体に取り付ける様子を説明する図であり、図１３（ａ）は取り付け前の様子を表し、図１３（ｂ）は取り付け途中の様子を表し、図１３（ｃ）は取り付け時の様子を表す。実施形態５は、電極収容部材２１の一対の屈曲部２５が蛇腹構造を有し、電池筐体１０にガイド（収容部）１０ａが設けられないこと以外は、実施形態３と同様であり、実施形態３の化学電池と共通する事項については、適宜説明を省略する。
【００６０】
金属電極カートリッジ２０の取り付け前の状態では、実施形態３と同様に、一対の結合部２４が互いに結合し合うことによって、電極収容部材２１は袋状に構成され、その中に金属電極１１が挟持されている（図１３（ａ））。
【００６１】
金属電極カートリッジ２０の取り付け状態では、図１３（ｂ）に示したように、電池筐体１０の上部に押し当てられることによって、蛇腹構造を有する一対の屈曲部２５が電池筐体１０上に折り畳まれる。そして、金属電極１１が電池筐体１０内に深く挿入されるにつれて、一対の結合部２４及び一対の屈曲部２５が、互いに分離しながら、電池筐体１０上に積み重なっていく（図１３（ｃ））。
【００６２】
一方、金属電極１１の取り出し時には、金属電極１１が電池筐体１０内から引き出されるにつれて、一対の屈曲部２５が、互いに結合しながら、電池筐体１０の上面から引き上げられていく。電池筐体１０の上面からすべて引き上げられると、金属電極カートリッジ２０は初期形状に戻る。
【００６３】
本実施形態における蛇腹構造を有する一対の屈曲部２５としては、フレキシブルなシートを用いてもよいし、金属、セラミック等の剛性のある素材を選択することも可能である。
【００６４】
本実施形態によれば、電池筐体１０にガイド（収容部）１０ａを設けることなく、電極収容部材２１の厚みを電解槽１４よりも薄くして電極収容部材２１を小型化できる。
【００６５】
［付記］
本発明の一態様は、金属電極１１と、上記金属電極１１の少なくとも一部を保持する電極収容部材２１とを備えた金属電極カートリッジであって、上記電極収容部材２１は、変形可能な変形部を有し、上記変形部の変形時には、上記金属電極１１が上記電極収容部材２１外に露出し、かつ、上記変形部の復元時には、上記金属電極１１が上記電極収容部材２１内に収容される金属電極カートリッジ２０であってもよい。上記態様の金属電極カートリッジ２０によれば、金属電極１１に付着した電解液１５の外部への飛散・漏洩を防ぐことができる。また、金属電極１１は、電池筐体１０に設置する際、及び、使用後に電池筐体１０から取り出す際に、電極収容部材２１から取り外す必要がない。電極収容部材２１は、金属電極１１の取り出しの際に持ち手として利用することもできる。更に、電極収容部材２１に取り付けたまま、金属電極１１を装着、使用、回収及び運搬できることから、金属電極１１を常に露出させることがなく、物理的な衝撃等から保護できる。
【００６６】
上記態様において、上記変形部は、外力の付加により変形し、かつ上記外力の消失により初期形状に復元するものであってもよい。このような構成とすることで、金属電極１１を電池筐体１０に取り付ける際には、例えば電池筐体１０から受ける外力によって、特別な操作をしなくても変形部を変形させることができ、取り付けが容易である。一方、金属電極１１を電池筐体１０から取り外す際には、例えば電池筐体１０から受ける外力が消失することによって、特別な操作をしなくても変形部を初期形状に復元させることができ、取り外しが容易である。
【００６７】
また、上記態様において、上記変形部は、外力の消失により変形し、かつ、上記外力の付加により初期状態に復元するものであってもよい。この場合であっても、金属電極１１に付着した電解液１５の外部への飛散・漏洩を防ぐことができる。ここで、外力の消失により変形し、かつ、上記外力の付加により初期状態に復元する変形部とは、例えば、油圧又は空気圧駆動で変形する開き戸構造等の変形部が挙げられる。油圧又は空気圧で駆動する開き戸構造等の変形部は、油圧又は空気圧（外力）が付加されて開き戸が閉じた状態（初期状態）を維持し、金属電極カートリッジ２０が電池筺体１０に取り付けられるときに、油圧又は空気圧が消失し、金属電極１１が電極収容部材２１外に露出した状態（変形時）になる。
【００６８】
上記態様において、上記電極収容部材２１は、上記金属電極１１の周囲に内部空間を有する中空形状を有し、上記変形部は、上記電極収容部材２１の底面２２を開閉させる開き戸構造を含み、上記変形時には、上記底面２２が上記内部空間側に開き、上記復元時には、上記底面２２が閉じられる金属電極カートリッジ２０であってもよい。このような構成とすることで、電極収容部材２１の底面２２は、金属電極１１の挿入にともない電池筺体１０に押されて開くことから、金属電極１１の設置に際して従来と比べて特別な操作が不要となる。
【００６９】
上記態様において、上記変形部は、上記金属電極１１を挟持する一対の屈曲部２５と、上記一対の屈曲部２５の少なくとも一方に取り付けられた結合部２４とを含み、上記変形時には、上記結合部２４の分離により上記一対の屈曲部２５の結合が解除され、上記復元時には、上記結合部２４の結合により上記一対の屈曲部２５が互いに密着する金属電極カートリッジ２０であってもよい。このような構成とすることで、電極収容部材２１の厚みを電解槽１４よりも薄くすることができるので、電極収容部材２１を小型化するのに適している。
この場合において、上記一対の屈曲部２５はそれぞれ、上記変形時に折り畳み可能な蛇腹構造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、電池筐体１０にガイド（収容部）１０ａを設けることなく、電極収容部材２１の厚みを電解槽１４よりも薄くして電極収容部材２１を小型化できる。また、一対の屈曲部２５の材料として、金属、セラミック等の剛性のある素材を選択することができる。
【００７０】
上記態様において、上記電極収容部材２１は、集電構造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、電池筐体１０を簡易な構成とすることができ、本発明の利点を生かすことができる。
【００７１】
本発明の別の一態様は、上記金属電極カートリッジ２０と、電解液１５を保持する電解槽１４を含む電池筐体１０とを備え、上記金属電極カートリッジ２０は、上記変形部を変形させて上記電池筐体１０に取り付けられ、上記金属電極１１は、上記電池筐体１０に取り付けられたときに、上記電解液１５と接する位置に配置される化学電池であってもよい。上記態様の化学電池によれば、金属電極１１に付着した電解液１５の外部への飛散・漏洩を防ぐことができる。更に、電池筐体１０に電極収容部材２１を取り付けることで、放電時の金属電極１１の位置を固定することができる。
【００７２】
上記態様において、上記金属電極カートリッジ２０は、上記電池筐体１０に取り付けられたときに、上記電池筐体１０の周囲を覆うものであってもよい。このような構成とすることで、金属電極１１は、電池筐体１０に設置する際、及び、使用後に電池筐体１０から取り出す際に、電極収容部材２１から取り外す必要がない。電極収容部材２１は、金属電極１１の取り出しの際に持ち手として利用することもできる。更に、電極収容部材２１に取り付けたまま、金属電極１１を装着、使用、回収及び運搬できることから、金属電極１１を常に露出させることがなく、物理的な衝撃等から保護できる。
【００７３】
上記態様において、上記電池筐体１０は、変形した上記変形部が挿入される収容部１０ａを有し、上記電極収容部材２１は、上記電池筐体１０に取り付けられたときに、上記収容部１０ａ内に保持されるものであってもよい。このような構成とすることで、金属電極１１は、電池筐体１０に設置する際、及び、使用後に電池筐体１０から取り出す際に、電極収容部材２１から取り外す必要がない。電極収容部材２１は、金属電極１１の取り出しの際に持ち手として利用することもできる。更に、電極収容部材２１に取り付けたまま、金属電極１１を装着、使用、回収及び運搬できることから、金属電極１１を常に露出させることがなく、物理的な衝撃等から保護できる。それらに加えて、電池全体のサイズが、金属電極１１の挿入時と非挿入時で変わらないという利点や、電極収容部材２１が電池筐体１０の収容部１０ａで位置合わせされるため、金属電極１１の挿入が容易となるという利点もある。
この場合において、上記電池筐体１０は、上記電極収容部材２１が挿入される上記収容部１０ａの挿入口近傍に、上記一対の結合部２４の間に差し込み可能な分離部１０ｂ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、一対の結合部２４を容易に分離させることができる。また、分離部１０ｂの形状によっては、電極収容部材２１を収容部１０ａ内に誘導しやすくすることができる。電極収容部材２１をスムーズに収容部１０ａに通すことにより、金属電極カートリッジ２０及び電池筐体１０の破損や劣化を抑制することができる。
【００７４】
上記態様において、上記金属電極１１が上記電池筐体１０に取り付けられたときに、上記電極収容部材２１は、上記電池筐体１０の外部で折り畳まれるものであってもよい。このような構成とすることで、電池筐体１０に収容部１０ａを設けることなく、電極収容部材２１の厚みを電解槽１４よりも薄くして電極収容部材２１を小型化できる。
【００７５】
上記態様において、上記化学電池は、金属空気電池であり、更に、空気極を備えるものであってもよい。このような構成とすることで、負極だけでなく正極１２についても簡易な構成とすることができ、本発明の利点を生かすことができる。
この場合において、上記電極収容部材２１は、上記電池筐体１０に取り付けられたときに空気極と接する部分が、通気性部材により構成され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、空気極に充分な量の空気を供給することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１０：電池筐体
１０ａ：ガイド（収容部）
１０ｂ：分離部
１１：金属電極
１２：正極
１３：通気孔
１４：電解槽
１５：電解液
１６：流路
２０：金属電極カートリッジ
２１：電極収容部材
２２：底面
２３：ヒンジ
２４：結合部
２５：屈曲部
５１：亜鉛電極
５２：空気極
５５：電解液
【図１】
2016066465.tif 000003
【図２】
2016066465.tif 000004
【図３】
2016066465.tif 000005
【図４】
2016066465.tif 000006
【図５】
2016066465.tif 000007
【図６】
2016066465.tif 000008
【図７】
2016066465.tif 000009
【図８】
2016066465.tif 000010
【図９】
2016066465.tif 000011
【図１０】
2016066465.tif 000012
【図１１】
2016066465.tif 000013
【図１２】
2016066465.tif 000014
【図１３】
2016066465.tif 000015
【図１４】
2016066465.tif 000016
【図１５】
2016066465.tif 000017