(57)【要約】【課題】長時間、安定した出力を得ることができる金属空気電池を提供すること。【解決手段】本発明の金属空気電池は、負極となる金属電極、金属電極から金属イオンを溶出させるセパレータ、および正極となる空気極が第１方向に積層されたセルユニットと、セルユニットを収容する筐体と、を備え、空気極は、活性炭シートと、活性炭シートの少なくともセパレータ側の面に散布された疎水性樹脂と、集電板グラフェンを有する。疎水性樹脂はフッ素樹脂を含んでいてもよい。【選択図】図１
2017120704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極となる金属電極、前記金属電極から金属イオンを溶出させるセパレータ、および正極となる空気極が第１方向に積層されたセルユニットと、
前記セルユニットを収容する筐体と、
を備え、
前記空気極は、活性炭シートと、前記活性炭シートの少なくとも前記セパレータ側の面に散布された疎水性樹脂と、を有する金属空気電池。
【請求項２】
前記疎水性樹脂は、フッ素樹脂を含む請求項１記載の金属空気電池。
【請求項３】
前記空気極は、塩化ナトリウムを含む、請求項１または２に記載の金属空気電池。
【請求項４】
前記セパレータは、シート状の無サイズ紙を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の金属空気電池。
【請求項５】
前記セパレータは、クエン酸を含有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の金属空気電池。
【請求項６】
前記セルユニットは、前記空気極の前記金属電極とは反対側で前記空気極と接する集電板をさらに備え、
前記集電板はグラフェンを含む炭素系導電材料によって構成される、請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属空気電池。
【請求項７】
前記セルユニットと前記筐体の内壁との前記第１方向における隙間に設けられ、前記セルユニットに押圧力を与える押圧部材をさらに備え、
前記押圧部材は、前記隙間が狭くなると前記第１方向と直交する第２方向に延びるよう設けられた請求項１〜６のいずれか１つに記載の金属空気電池。
【請求項８】
前記セルユニットは、前記金属電極、前記セパレータおよび前記空気極による単位セルが、前記第１方向に複数積層された構成を有する請求項１〜７のいずれか１つに記載の金属空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属を負極、空気極を正極とした金属空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム合金等の金属を負極、空気を正極とした金属空気電池は、高いエネルギー密度を有することから次世代のエネルギー源として注目されている。特許文献１には、マグネシウムからなる負極の容量を持続的に大きくすることができるマグネシウム電池が開示される。特許文献２には、アルミニウムおよびカルシウムを含むマグネシウム合金の負極材を用いることで、負極材の自己放電を防止して、長時間に亘って安定的に電気を流すことができるマグネシウム燃料電池が開示される。
【０００３】
また、特許文献３、４には、正極の材料に疎水性材料を含ませることで正極に疎水性（撥水性）を持たせる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８２４３５号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３４７９９号公報
【特許文献３】特開２０１４−１９７４７７号公報
【特許文献４】特開２０１４−１６５１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
金属空気電池において、空気極である正極の材料としては、導電性、通気性および薄型化の観点から、活性炭割合の高い活性炭シートが好適である。しかし、活性炭シートにおいて活性炭の割合が高くなるほど形状の保持性が悪くなり、組み立て時などにおける取り扱いや破損が生じやすくなる。一方、活性炭にフッ素樹脂やバインダを混合させたスラリーを形成し、成型後に乾燥させた正極では、隣接する電解質層との間での水分量の適度な調整が難しい。いずれも、金属空気電池の出力電圧の低下や不安定の原因となる。
【０００６】
本発明は、長時間、安定した出力を得ることができる金属空気電池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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の金属空気電池は、負極となる金属電極、金属電極から金属イオンを溶出させるセパレータ、および正極となる空気極が第１方向に積層されたセルユニットと、セルユニットを収容する筐体と、を備え、空気極は、活性炭シートと、活性炭シートの少なくともセパレータ側の面に散布された疎水性樹脂と、を有する。
【０００８】
このような構成によれば、空気極における活性炭シートのセパレータ側の面に疎水性樹脂が散布されているため、導電性を維持しつつ、活性炭シートの形状の保持性が高くなるとともに、空気極とセパレータとの間の水分量の調整が適度に行われるようになる。
【０００９】
本発明の金属空気電池において、疎水性樹脂はフッ素樹脂を含んでいてもよい。フッ素樹脂によって活性炭シートの疎水性や繋ぎ性が向上する。
【００１０】
本発明の金属空気電池において、空気極は塩化ナトリウムを含んでいてもよい。空気極に塩化ナトリウムが含まれることで、空気極における酸素の還元反応の速度が調整され、長期間、安定した出力電圧を得ることができる。
【００１１】
本発明の金属空気電池において、セパレータはシート状の無サイズ紙を有していてもよい。これにより、セパレータの保水力が向上するため、セパレータと空気極との間の水分調整が行われた際に、適度な水分量の許容範囲を拡げることができる。
【００１２】
本発明の金属空気電池において、セパレータはクエン酸を含有していてもよい。これにより、セルユニット内での酸化還元反応を安定化させることができ、長期間、安定した出力電圧を得ることができる。
【００１３】
本発明の金属空気電池において、セルユニットは、空気極の金属電極とは反対側で空気極と接する集電板をさらに備え、集電板はグラフェンを含む炭素系導電材料によって構成されていてもよい。これにより、長期間、安定した出力電圧を得ることができる。
【００１４】
本発明の金属空気電池において、セルユニットと筐体の内壁との第１方向における隙間に設けられ、セルユニットに押圧力を与える押圧部材をさらに備え、押圧部材は、隙間が狭くなると第１方向と直交する第２方向に延びるよう設けられていてもよい。これにより、セルユニットが膨張して隙間が狭くなった場合に押圧部材が第２方向に延びて、押圧部材からセルユニットへ適度な押圧力が与えられる。
【００１５】
本発明の金属空気電池において、セルユニットは、金属電極、セパレータおよび空気極による単位セルが、第１方向に複数積層された構成を有していてもよい。セルユニットが複数の単位セルの積層構造になっていることで、長期間、安定した出力電圧を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、長時間、安定した出力を得ることができる金属空気電池を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る金属空気電池を例示する模式図である。
【図２】セルおよび押圧部材の分解斜視図である。
【図３】空気極の一部を拡大した模式断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、セルユニットの膨張および押圧部材の延伸について説明する断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、複数セルのセルユニットの例を示す断面図である。
【図６】駆動電圧および駆動電流の時間変化について説明する図である。
【図７】発電装置の構成を例示する模式斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【００１９】
〔金属空気電池の構造〕
図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る金属空気電池を例示する模式図である。
図１（ａ）には本実施形態に係る金属空気電池１の斜視図が示され、図１（ｂ）には図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図が示される。なお、図１（ａ）においては、説明の便宜上、筐体２０を二点鎖線で示している。
図２は、セルおよび押圧部材の分解斜視図である。
図３は、空気極の一部を拡大した模式断面図である。
【００２０】
金属空気電池１は、セルユニット１０と、筐体２０と、押圧部材３０とを備える。セルユニット１０は、少なくとも１つのセルＣを有する。セルＣは、負極となる金属電極１１と、金属電極１１から金属イオンを溶出させるセパレータ１２と、陽極となる空気極１３とを有する。セルＣは集電板１４を有していてもよい。金属電極１１、セパレータ１２、空気極１３および集電板１４のそれぞれは薄板状に設けられ、この順に積層される。本実施形態において、積層方向は第１方向Ｄ１である。なお、第１方向Ｄ１と直交する方向の１つは第２方向Ｄ２、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２と直交する方向は第３方向Ｄ３である。このような積層構造により、セルＣは、金属電極１１と空気極１３との間にセパレータ１２を挟む構造となる。
【００２１】
金属電極１１は、電極活物質である金属を含む。金属電極１１の材料としては、亜鉛、アルミニウム、鉄、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、カルシウムや、これらの少なくとも１つを主成分とした合金が用いられる。本実施形態では、マグネシウムを主成分としたマグネシウム合金が用いられる。
【００２２】
セパレータ１２は、負極である金属電極１１と、正極である空気極１３との間に配置され、両者を離隔する役目を果たす。セパレータ１２は電解液を保持する。金属電極１１としてマグネシウム合金を用いる場合、電解液としては、例えば塩化ナトリウム水溶液が用いられる。
【００２３】
セパレータ１２は金属電極１１、空気極１３および集電板１４よりも第２方向Ｄ２に長く設けられ、突出した部分から水分を吸収する。これによりセパレータ１２の電解液が調整される。セパレータ１２は電解液を含有せず、乾燥状態であってもよい。この場合、セパレータ１２は、使用する際に水分を吸い上げ、空気極１３に適度な保水量をもたらせる。すなわち、セパレータ１２に蓄えられた水分は、含有濃度の高い空気極１３へ化学反応に必要な適量の水分を補給する役目を果たすことになる。
【００２４】
本実施形態において、セパレータ１２には紙が用いられる。使用前の状態として、セパレータ１２には、塩化ナトリウムを含有し、乾燥した紙が用いられる。セパレータ１２に用いられる材質としては、シート状の無サイズ紙が好適である。無サイズ紙とは、紙の滲みを抑制するサイジング処理（ロジンであるサイズ剤を紙の繊維に定着させる処理）を施していない紙のことをいう。無サイズ紙は、例えば吸取紙である。シート状の無サイズ紙を用いることで、使用時に水分を吸収するセパレータ１２の保水力が向上する。このため、セパレータ１２と空気極１３との間の水分調整が行われた際に、適度な水分量の許容範囲を拡げることができる。また、セパレータ１２は、無サイズ紙と同等の吸水および排水性質を持つ材質、スポンジ、フェルト繊維等でもよい。
【００２５】
セパレータ１２には、クエン酸を含有させてもよい。これにより、セパレータ１２のシート状の無サイズ紙には、塩化ナトリウムとクエン酸とが含まれ、セルユニット１０内での酸化還元反応を安定化させることができる。
【００２６】
空気極１３は、セパレータ１２に含まれる水が浸透可能に設けられた多孔性の電極である。本実施形態において、空気極１３の材料としては、例えば、活性炭、炭素繊維、カーボンフェルトなどの炭素質材料が用いられる。本実施形態では、活性炭をシート状に成形した活性炭シート１３１が用いられる。
【００２７】
図３に示すように、空気極１３は、活性炭シート１３１と、疎水性樹脂１３２とを有する。疎水性樹脂１３２は、活性炭シート１３１の少なくともセパレータ１２側の面１３１ａに散布される。疎水性樹脂１３２としては、例えばフッ素樹脂が用いられる。疎水性樹脂１３２が散布される状態とは、疎水性樹脂１３２が面１３１ａに層状に形成されているものではなく、離散的に付着した状態のことをいう。例えば、疎水性樹脂１３２が粒状になって活性炭シート１３１の活性炭表面の一部に付着している状態である。したがって、セパレータ１２の一部は疎水性樹脂１３２と接し、他の部分ではセパレータ１２と活性炭シート１３１とが接する状態になる。
【００２８】
空気極１３を製造する方法の一例は次のようになる。先ず、塩化ナトリウム、クエン酸三ナトリウム、二酸化マンガン、耐熱性ポリマーおよびシリコーンを適値にして水と混合して溶液を形成する。次に、この溶液を活性炭シート１３１に吸収させた後、乾燥させる。その後、活性炭シート１３１にフッ素樹脂等の疎水性樹脂１３２を吹き付ける。
【００２９】
疎水性樹脂１３２は、例えば霧状にして活性炭シート１３１の面１３１ａに吹き付けられる。活性炭シート１３１に疎水性樹脂１３２が散布されていることで、空気極１３の導電性を維持しつつ、空気極１３とセパレータ１２との間の水分量の調整が適度に行われるようになる。これにより、空気極１３が完成する。
【００３０】
上記のように、空気極１３である正極の材料としては、導電性、通気性および薄型化の観点から、活性炭割合の高い活性炭シート１３１が好適である。活性炭割合が高いほど吸水性も高くなる。本実施形態のように、活性炭シート１３１に疎水性樹脂１３２が散布されていることで、活性炭シート１３１の保水力は維持しつつ、疎水性樹脂１３２によって外部から活性炭シート１３１に必要以上に水分が浸入することを防止でき、適度な水分量を長期間維持できることになる。
【００３１】
しかも、疎水性樹脂１３２は活性炭シート１３１のバインダとしての役目を果たす。活性炭シート１３１は、活性炭の割合が高いほど形状の崩れを起こしやすい。疎水性樹脂１３２がバインダとなることで、疎水性樹脂１３２が散布されていない場合に比べて、活性炭シート１３１の形状の保持性が向上する。これにより、セルＣを組み立てる際の活性炭シート１３１の取り扱いが容易になる。
【００３２】
空気極１３には塩化ナトリウムを含有させてもよい。また、空気極１３には、二酸化マンガンを含有させてもよい。空気極１３にこれらの材料が含まれることで、空気極１３における酸素の還元反応の速度が調整され、長期間、安定した出力電圧を得ることができる。
【００３３】
集電板１４は導電性の板材であり、空気極１３と接するよう配置される。集電板１４には、銅やステンレス材などの金属板が用いられる。集電板１４としては、導電性を有する耐酸化性材料を用いることが好ましい。例えば、集電板１４としては、グラフェンを含む炭素系導電材料を用いることが好適である。炭素系導電材料は、単層のグラフェンのほか、複数層のグラフェンを含む。例えば、厚さ１００μｍ程度のグラフェンシートが集電板１４として好適である。
【００３４】
本願発明者の実験によると、集電板１４として銅箔板を用いた場合に比べ、グラフェンシートを用いた場合に駆動時間を大幅に延長できるとの知見を得た。これは、塩水の中における銅箔板は容易に塩化銅や酸化銅になって腐食しやすく、さらに正方向へ電圧を印加することで腐食が加速される方向になる。一方、グラフェンシートの場合、炭素は腐食に対して強く、正方向へ電圧を印加しても腐食の速度は遅いためであると考えられる。したがって、集電板１４の最適材料の一つとして、グラフェンシートが挙げられる。
【００３５】
金属電極１１、セパレータ１２、空気極１３および集電板１４の積層体はセルＣとして筐体２０内に収納される。筐体２０には、絶縁性の高い材料が用いられる。筐体２０の材料としては、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ、塩化ビニリデン、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂が用いられる。
【００３６】
筐体２０の一部には開口が設けられ、この開口から筐体２０内にセルＣを含むセルユニット１０を収納することができる。開口には筐体２０の一部である蓋２５が設けられる。蓋２５の外壁には取り出し電極５１および５２が設けられる。取り出し電極５１は正極であり、取り出し電極５２は負極である。取り出し電極５１および５２は蓋２５の外壁から筐体２０の内側にかけて折り曲げられた鍵型になっている。これにより、取り出し電極５１および５２のそれぞれは、蓋２５の縁に引っ掛けるように固定される。
【００３７】
筐体２０の蓋２５とは反対側の底壁２６には孔ｈが設けられる。使用しないとき（発電しないとき）では、孔ｈはシール材２７によってカバーされていてもよい。この場合、使用するとき（発電するとき）にはシール材２７を剥がす、または破ることで、孔ｈから筐体２０内に水分を侵入させ、セルＣのセパレータ１２に吸収させる。これにより、発電が行われる。
【００３８】
セルＣを含むセルユニット１０を筐体２０内に収納した状態では、第１方向Ｄ１においてセルユニット１０と筐体２０の内壁２１との間に隙間Ｇが設けられる。本実施形態では、この隙間Ｇに押圧部材３０が設けられる。図１に示す例では、押圧部材３０は第１押圧部材３１と第２押圧部材３２とを有する。第１押圧部材３１は、セルユニット１０と筐体２０の一方の内壁２１１との隙間Ｇ１に設けられる。第２押圧部材３２は、セルユニット１０と筐体２０の他方の内壁２１２との隙間Ｇ２に設けられる。押圧部材３０は、隙間Ｇに設けられることでセルユニット１０に対して押圧力を与える。
【００３９】
押圧部材３０は、第２方向Ｄ２に延伸可能に設けられる。図１に示す例では、押圧部材３０は第２方向Ｄ２に延在する波型に設けられる。押圧部材３０を波型に設けることで、押圧部材３０に対して第１方向Ｄ１に適度な弾性力を与えつつ、第２方向Ｄ２へ延びる量を確保することができる。弾性力は、押圧部材３０の材料の弾性係数のほか、波型の大きさ（ピッチ、高さ）、数によって設定可能である。
【００４０】
図１に示す例では、第１押圧部材３１と第２押圧部材３２との間にセルユニット１０が挟み込まれる。第１押圧部材３１はセルユニット１０の空気極１３側を第１方向Ｄ１に押圧し、第２押圧部材３２はセルユニット１０の金属電極１１側を第１方向Ｄ１に押圧する。第１押圧部材３１および第２押圧部材３２の弾性力によってセルユニット１０には適度な押圧力が与えられる。
【００４１】
押圧部材３０は、隙間Ｇが狭くなると第２方向Ｄ２へ延伸する。これにより、セルユニット１０が膨張して隙間Ｇが狭くなった場合でも、押圧部材３０が第２方向Ｄ２に延びて、押圧部材３０からセルユニット１０への適度な押圧力を維持することができる。この押圧部材３０の延伸については後述する。
【００４２】
押圧部材３０の一端３０ａは筐体２０に固定された固定端であり、他端３０ｂは自由端になっている。本実施形態では、押圧部材３０として導電性材料（例えば、ステンレス）が用いられる。第１押圧部材３１の一端３０ａは取り出し電極５１と導通している。第１押圧部材３１は集電板１４と接することで空気極１３である陽極として機能する。第１押圧部材３１は取り出し電極５１と一体に形成されていてもよい。これにより、例えばステンレス板をプレス加工することで、波型の第１押圧部材３１および取り出し電極５１を形成することができる。
【００４３】
第２押圧部材３２も第１押圧部材３１と同様な構成である。すなわち、第２押圧部材３２の一端３０ａは取り出し電極５２と導通している。第２押圧部材３２は金属電極１１と接することで陰極として機能する。第２押圧部材３２は第１押圧部材３１と同じ形状でもよい。同じ形状の場合、第１押圧部材３１の表裏を反転させることで第２押圧部材３２としても利用可能となる。
【００４４】
押圧部材３０の幅（第３方向Ｄ３の長さ）は、セルユニット１０の幅とほぼ等しくなっている。これにより、押圧部材３０によってセルユニット１０を幅方向に均一に押圧できるようになる。押圧部材３０の第２方向Ｄ２の長さは、セルユニット１０の第２方向Ｄ２の長さよりも短くなっている。これにより、押圧部材３０が第２方向Ｄ２へ延びるための領域を確保することができる。
【００４５】
押圧部材３０の一端３０ａが固定端、他端３０ｂが自由端の場合、隙間Ｇにおける押圧部材３０と隣接する領域には他端３０ｂ（自由端）の移動可能領域Ｓが設けられる。移動可能領域Ｓは、押圧部材３０の第２方向Ｄ２の長さをセルユニット１０の第２方向Ｄ２の長さよりも短くしたことによって生じる空間である。第１押圧部材３１の他端３０ｂ（自由端）の先には移動可能領域Ｓ１が確保され、第２押圧部材３２の他端３０ｂ（自由端）の先には移動可能領域Ｓ２が確保される。
【００４６】
上記のような構成を備えた金属空気電池１において、金属電極１１としてマグネシウム合金を用いた場合、セルＣでは次のような反応が起きて、両極間に起電力を発生させる。
正極：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
負極：２Ｍｇ→２Ｍｇ２＋＋４ｅ−
全体：２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ→２Ｍｇ（ＯＨ）２↓
この反応によって、セルＣ内には金属酸化物または金属水酸化物が析出する。したがって、反応が進むほど析出する物質の量が増加し、セルＣの体積が増加（膨張）することになる。
【００４７】
このセルＣ（セルユニット１０）の膨張によって金属電極１１、セパレータ１２および空気極１３のそれぞれの密着力が低下し、出力電圧の低下や不安定になる。本実施形態に係る金属空気電池１では、セルＣ（セルユニット１０）の膨張に伴う金属電極１１、セパレータ１２および空気極１３のそれぞれの密着力の低下を抑制し、安定した出力を得るために、押圧部材３０を設けている。
【００４８】
図４（ａ）および（ｂ）は、セルユニットの膨張および押圧部材の延伸について説明する断面図である。
図４（ａ）にはセルユニット１０が膨張する前の状態が示され、図４（ｂ）にはセルユニット１０が膨張した状態が示される。
図４（ａ）に示すように、セルユニット１０が膨張する前の状態では、セルユニット１０と筐体２０の内壁２１との隙間Ｇは比較的広い。押圧部材３０はこの隙間Ｇに嵌め込まれており、波型の板材による弾性力によってセルユニット１０を適度に押圧している。セルユニット１０は、第１押圧部材３１および第２押圧部材３２で挟まれるように押圧される。セルユニット１０が膨張していない状態において、押圧部材３０の第２方向Ｄ２の長さはＬ１である。
【００４９】
図４（ｂ）に示すように、反応が進んでセルユニット１０が膨張すると、セルユニット１０と筐体２０の内壁２１との隙間Ｇが狭くなる。押圧部材３０は、隙間Ｇが狭くなることで第１方向Ｄ１に潰され、潰された分に応じて第２方向Ｄ２に延びることになる。セルユニット１０が膨張することで、押圧部材３０の長さはＬ１からＬ２に延びる。隙間Ｇが狭くなり、押圧部材３０が延伸しても、押圧部材３０からセルユニット１０への押圧力は維持される。
【００５０】
ここで、押圧部材３０から過度な押圧力が加わるとセルユニット１０が膨張できず、反応を阻害する可能性がある。本実施形態の金属空気電池１では、押圧部材３０が第２方向Ｄ２に延びることで、隙間Ｇが狭くなってもセルユニット１０へ過度な押圧力が加わることを回避することができる。これによって、セルユニット１０の膨張を許容しつつ、この膨張に伴う金属電極１１、セパレータ１２および空気極１３のそれぞれの密着力の低下が抑制され、安定した出力電圧を得ることができる。
【００５１】
このように、本実施形態の金属空気電池１では、上記のような金属電極１１、セパレータ１２および空気極１３の適度な密着力の維持、セパレータ１２の吸水性、疎水性樹脂１３２によるセパレータ１２と空気極１３との間の水分量の調整が相互に作用して、安定した出力電圧を長時間にわたり得ることができる。
【００５２】
すなわち、発電を行う際、セパレータ１２の無サイズ紙で発電に必要な水分を十分に吸収および保持し、セパレータ１２と空気極１３との間での安定した密着力によって、セパレータ１２および空気極１３の相互間での水分量（湿気の度合い）を、発電反応に適した量に長時間維持することができるようになる。
【００５３】
また、セパレータ１２に無サイズ紙を用い、空気極１３に活性炭シート１３１を用いることで、それぞれの吸水性を高めることができる。一方、空気極１３の活性炭シート１３１に疎水性樹脂１３２が散布されていることで、セパレータ１２から空気極１３へ過度な水分が浸入することを抑制できる。つまり、セパレータ１２は、多くの水分を保持可能なバッファとしての役目を果たすことになり、金属空気電池１で発電する際に与える水分量の許容範囲を拡げることができる。
【００５４】
さらに、発電を行う際にセパレータ１２で十分な水分を保持することができることから、発電の過程において空気極１３や金属電極１１の水分がセパレータ１２側に吸収されることを抑制することができる。これも長時間安定した出力を得るための要因となる。
【００５５】
図５（ａ）〜（ｃ）は、複数セルのセルユニットの例を示す断面図である。
図５（ｂ）および（ｃ）は、図５（ａ）のＢ部を拡大した断面図である。
セルユニット１０は複数のセルＣを積層した構成であってもよい。図５に示す例では、４つのセルＣ１〜Ｃ４を第１方向Ｄ１に積層して、セルユニット１０が構成されている。
【００５６】
図５（ｂ）に示す例では、各セルＣ１〜Ｃ４のそれぞれは、金属電極１１、セパレータ１２、空気極１３および集電板１４によって構成される。なお、複数のセルＣ１〜Ｃ４を積層する場合、隣接するセル間に集電板１４を設けなくてもよい。すなわち、集電板１４は最上層だけに設けるようにしてもよい。複数のセルＣ１〜Ｃ４を積層して直列に接続することにより、出力電圧を高めることができる。
【００５７】
一例として、マグネシウム合金からなる金属電極１１のサイズ、幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ、セパレータ１２のサイズ、幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ、活性炭シート１３１からなる空気極１３のサイズ、幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ、銅箔からなる集電板１４のサイズ、幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍ、として１つのセルＣを構成した場合、１つのセルＣのセルユニット１０で約３Ｖ、３つのセルＣを積層したセルユニット１０で約５Ｖ、４つのセルＣを積層したセルユニット１０で約１２Ｖ、７つのセルＣを積層したセルユニット１０で約２４Ｖの電圧が得られる。１つのセルＣに約２ｃｃの水を供給することで発電が開始される。
【００５８】
反応によるセルユニット１０の体積増加量は、セルＣの積層数が多いほど増える。したがって、セルＣの積層数が多いほど、押圧部材３０を設けることで安定した出力電圧を得られる効果が高まる。
【００５９】
図５（ｃ）に示すように、複数のセルＣ１〜Ｃ４を積層する場合、隣接するセル間に導電性テープ１５を介在させてもよい。導電性テープ１５には、Ｃｕ等の金属薄板の表裏両面に導電性接着剤を設けたものが用いられる。隣接するセル間に導電性テープ１５を介在させることで、複数のセルＣ１〜Ｃ４を積層して直列接続する際に導電性テープ１５が接続安定導通材として機能することになる。すなわち、導電性テープ１５によって隣接するセル間の密着性および接触面積が増加することになり、電気的な直列接続による発電を安定化させることができる。
【００６０】
複数のセルＣ１〜Ｃ４を積層するにあたり、１つのセル当たりの発電電圧を１．５Ｖに平均化するように構成してもよい。例えば、セパレータ１２等の構成物の内部抵抗を適宜設定することによって発電電圧を１．５Ｖに平均化する。これにより、２セルでは３Ｖ、３セルでは４．５Ｖ、４セルでは６Ｖ、５セルでは７．５Ｖといった様々な電圧規格を設定することができる。さらに、４セルの組を２つ直列に接続すれば１２Ｖ、４つ直列に接続すれば２４Ｖの電圧を得ることができ、既存の製品に対応した電圧設定を容易に行うことができる。
【００６１】
図６は、金属空気電池の出力電圧および出力電流の時間変化について説明する図である。
図６において、横軸は時間、縦軸は出力電圧（Ｖ）および出力電流（ｍＡ）を示す。図６のデータＤＴ１〜ＤＴ３は、本実施形態に係る金属空気電池１の例である。本実施形態に係る金属空気電池１では、セパレータ１２として電解液を含有しない無サイズ紙が用いられ、集電板１４としてグラフェンシートが用いられている。
【００６２】
データＤＴ４〜ＤＴ６は、参考例に係る金属空気電池の例である。参考例に係る金属空気電池では、セパレータとしてサイズ紙が用いられ、空気極の活性炭シートに疎水性樹脂は散布されていない。
【００６３】
データＤＴ１およびデータＤＴ４は、負荷としてＬＥＤを接続して点灯させた場合（負荷接続時）の駆動電圧、データＤＴ２およびデータＤＴ５は負荷接続時の駆動電流、データＤＴ３およびデータＤＴ６は無負荷時の電圧である。
【００６４】
データＤＴ４〜ＤＴ６に示すように、参考例に係る金属空気電池においては、水分の吸収によって発電を開始すると、負荷接続時の駆動電圧が約２．６Ｖ、負荷接続時の駆動電流が約５．３ｍＡ、無負荷時の電圧が約４．６Ｖとなる。発電開始から約３時間で駆動電圧および駆動電圧の急激な低下がみられる。これは、セパレータに過剰な水分が吸収されたことによって電圧、電流ともに得られなくなったものである。その後、約５時間経過から約２０時間経過まで駆動電圧および駆動電流ともにゼロである。約２０時間経過後、駆動電圧および駆動電流がともに回復しているが、これはセパレータに吸収された水分が乾燥して、起電力を得られる適度な水分量になったためである。そこから約４１時間経過すると、起電力が失われる。
【００６５】
一方。図６のデータＤＴ１〜ＤＴ３に示すように、本実施形態に係る金属空気電池１においては、水分の吸収によって発電を開始すると、負荷接続時の駆動電圧が約２．８Ｖ、負荷接続時の駆動電流が約８ｍＡ、無負荷時の電圧が約５．５Ｖとなる。本実施形態に係る金属空気電池１では、発電開始からから１４７時間経過しても安定した駆動電圧を得ている。すなわち、負荷接続時の駆動電圧は、１４７時間経過後で約２．７Ｖであり、発電開始からほとんど低下せず安定している。ここで、データＤＴ２で示すように、負荷接続時の駆動電流が低下して、途中で上昇するのは、実験の都合上、このタイミングで水分を補給したためである。水分を補給することによって低下した駆動電流が再び増加することになる。
【００６６】
なお、図示されないが、本実施形態に係る金属空気電池１の集電板１４としてグラフェンシートの代わりにＣｕまたはステンレス材を用いた場合、発電開始から約７２時間程度経過するまで安定した駆動電圧を得ている。
【００６７】
上記のように、本実施形態に係る金属空気電池１では、セパレータ１２としてシート状の無サイズ紙を用いることで保水力を高めることができる。このため、金属空気電池１の発電を行う際に、ユーザによって多めの水が供給された場合でも、セパレータ１２および空気極１３が短時間で飽和水分量（発電を阻害するほどの水分量）に達することを抑制することができる。また、空気中の水分程度ではセパレータ１２の無サイズ紙で吸収できるため、発電反応は生じない。したがって、金属空気電池１の流通や保管において、金属空気電池１を真空パックで梱包する必要はなく、通常梱包でも十分対応することが可能となる。
【００６８】
〔発電装置〕
図７は、発電装置の構成を例示する模式斜視図である。
なお、説明の便宜上、ケース１１０は二点鎖線で示されている。
図７に示す発電装置１００は、本実施形態に係る金属空気電池１をケース１１０内に複数個収納したものである。各金属空気電池１は、上側に取り出し電極５１、５２が配置されるように収納される。図７に示す例では、１つのケース１１０に５×５の合計２５個の金属空気電池１が収納される。金属空気電池１の筐体２０が箱形になっていることで、ケース１１０内において縦横に複数の金属空気電池１を効率良く収納することができる。
【００６９】
ケース１１０に蓋（図示せず）を被せることで、複数の金属空気電池１がケース１１０内に格納される。なお、蓋の裏に電極を設けておき、蓋を被せることで各金属空気電池１間の電気的な接続を行うようにしてもよい。各金属空気電池１の電気的な接続は、直列であっても並列であっても、またこれらの併用であってもよい。
【００７０】
ケース１１０には水を供給することができるようになっている。水の供給がない場合には発電は行われない。発電を行う際には、ケース１１０に所定量の水を供給し、ケース１１０の底を水で浸す。この水が金属空気電池１の筐体２０に設けられた孔ｈから筐体２０内に侵入し、各金属空気電池１のセルユニット１０での発電が行われる。
【００７１】
金属空気電池１を用いた発電装置１００では、水を供給しなければ長期間の保存が可能である。また、水を供給するだけで発電可能なため、災害などの緊急時の電源として最適である。本実施形態に係る発電装置１００では、ケース１１０の大きさが縦９４ｍｍ×横１７２ｍｍ×高さ７６ｍｍ程度であり、エンジン発電機に比べて小型である。また、鉛蓄電池に比べて重量も軽いことから、非常用に備えておく電源として好適である。
【００７２】
また、使い切った後は、使用済みの金属空気電池１を新しい金属空気電池１に交換すればよく、経済的である。
【００７３】
以上説明したように、実施形態に係る金属空気電池１によれば、セパレータ１２の吸水能力を向上させつつ、セパレータ１２と空気極１３との間の程度な水分量を維持することができ、長時間、安定した出力を得ることが可能になる。
【００７４】
なお、上記に本実施形態およびその具体例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、本実施形態では押圧部材３０を備える例を示したが、押圧部材３０を備えていない金属空気電池１であっても適用可能である。また、前述の各実施形態またはその具体例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７５】
１…金属空気電池
１０…セルユニット
１１…金属電極
１２…セパレータ
１３…空気極
１４…集電板
１５…導電性テープ
２０…筐体
２１…内壁
２５…蓋
２６…底壁
２７…シール材
３０…押圧部材
３０ａ…一端
３０ｂ…他端
３１…第１押圧部材
３２…第２押圧部材
５１…取り出し電極
５２…取り出し電極
１００…発電装置
１１０…ケース
１３１…活性炭シート
１３１ａ…面
１３２…疎水性樹脂
２１１…内壁
２１２…内壁
Ｃ…セル
Ｇ…隙間
Ｇ１…隙間
Ｇ２…隙間
Ｓ…移動可能領域
Ｓ１…移動可能領域
Ｓ２…移動可能領域
ｈ…孔
【図１】
2017120704.tif 000003
【図２】
2017120704.tif 000004
【図３】
2017120704.tif 000005
【図４】
2017120704.tif 000006
【図５】
2017120704.tif 000007
【図６】
2017120704.tif 000008
【図７】
2017120704.tif 000009