CN112585804B - 金属空气电池及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种能够容易进行更换作业的同时能够有效地维持高输出的金属空气电池及其使用方法。本发明的金属空气电池的特征在于，其构成有电池单元(1)并具备作为第一更换单元的例如把手(20)，所述电池单元(1)并列设置有多个金属空气电池单体(2)，所述金属空气电池单体(2)具有如下部分而构成：金属极；空气极，其与所述金属极相对向配置；框体，其支承金属极以及所述空气极，所述第一更换单元能够更换整个电池单元。由此，能够容易进行更换作业的同时能够有效地维持高输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有电池单元的金属空气电池及其使用方法，所述电池单元具备多个金属空气电池单体。
背景技术
在金属空气电池中，在作为正极的空气极中，利用大气中的氧作为正极活性物质，而进行该氧的氧化还原反应。另一方面，在作为负极的金属极中，进行金属的氧化还原反应。金属空气电池的能量密度高，而被期待在灾害时等情况下发挥紧急用电源等的作用。通过将电解液注入金属空气电池而开始发电。
先前以来，这样的金属空气电池为用后即弃的一次性电池，而在专利文献1中提案有可以取出金属极进行更换的金属空气电池构造。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-362869号公报
发明内容
(发明要解决的技术问题)
有时，构成并列设置有多个金属空气电池单体的电池单元便能够获得高输出。
然而，专利文献1中并未记载有关用于维持高输出的电池单元的更换作业。
因此，本发明是鉴于以上问题而完成的，其目的在于提供一种能够容易进行更换作业的同时能够有效地维持高输出的金属空气电池及其使用方法。
(用于解决技术问题的技术手段)
本发明的金属空气电池的特征在于，其构成有电池单元并具备第一更换单元，所述电池单元并列设置有多个金属空气电池单体，所述金属空气电池单体具有如下部分而构成：金属极；空气极，其与所述金属极相对向配置；框体，其支承所述金属极以及所述空气极，所述第一更换单元能够更换整个所述电池单元。
另外，本发明的金属空气电池的特征在于，其构成有电池单元并具备第二更换单元，所述电池单元并列设置有多个金属空气电池单体，所述金属空气电池单体具有如下部分而构成：金属极；空气极，其与所述金属极相对向配置；框体，其支承所述金属极以及所述空气极，多个所述金属极相对于所述框体能够更换地被支承，所述第二更换单元能够同时更换多个所述金属极。
在上述的金属空气电池中，还可以具备第一更换单元，所述第一更换单元能够更换整个所述电池单元。
另外，在本发明中，优选的是，相对于所述电池单元，所述更换单元设置于比电解液的液面高度高的位置。
另外，在本发明中，优选的是，所述更换单元具备用于钩挂手指的手指钩挂部。
另外，本发明为上述记载的金属空气电池的使用方法，其特征在于，在更换整个所述电池单元或者同时更换多个所述金属极的同时继续发电。
(发明的效果)
根据本发明的金属空气电池，能够容易进行更换作业，同时能够有效地维持高输出。
附图说明
图1为本实施方式的构成金属空气电池的电池单元的立体图。
图2A为示出将本实施方式的电池单元浸渍于电解液中的状态的金属空气电池的立体图，图2B为用于说明电池单元的更换作业的立体图。
图3A以及图3B为一部分与图1不同的电池单元的立体图。
图4为本实施方式的金属空气电池单体的立体图。
图5A为图4所示的金属空气电池单体的主视图，图5B为沿着A-A线切断图5A所示的金属空气电池单体并从箭头方向观察到的截面图，图5C为金属空气电池单体的俯视图，图5D为金属空气电池单体的背面图。
图6为示出将本实施方式的电池单元浸渍于电解液中的状态的金属空气电池的截面图。
图7A为示出将本实施方式的电池单元浸渍于电解液中的状态的金属空气电池的立体图，图7B为用于说明金属板的更换作业的立体图。
具体实施方式
以下，对本发明的一个实施方式(以下，简称为“实施方式”)进行详细说明。此外，本发明并不限定于以下的实施方式，能够在其主旨范围内进行各种变形来实施。
本发明人开发完成了如下构成的金属空气电池：其具有并列设置多个金属空气电池单体的电池单元(金属空气电池单元)，虽然是一次性电池，但是为了可以连续发电，可以更换整个电池单元或者同时更换多个金属极，提高了更换的作业效率。
以下，使用附图对本实施方式的金属空气电池进行详细说明，所谓的“金属空气电池”有时指并列设置有多个金属空气电池单体的电池单元自身，有时指电池单元与收容有电解液的发电槽的组合。
图1为本实施方式的构成金属空气电池的电池单元的立体图。如图1所示，电池单元1例如并列设置五个金属空气电池单体2而构成。但是，并不限定金属空气电池单体2的数量。
本实施方式的电池单元1是组合多个相同构造的金属空气电池单体2而得到的。在本实施方式中，多个金属空气电池单体2被一体地组合。作为一体组合的方法，各金属空气电池单体2彼此之间可以通过粘接等接合、或者通过凹凸嵌合等一体化。
如图1所示，在电池单元1的两侧面1b、1c设置有例如把手20作为“第一更换单元”。把手20具有如下部分而构成：能够用手指把持的把持部(手指钩挂部)20a、连接把持部20a与电池单元1的两侧面1b、1c之间的腕部20b。
如图2A所示，将图1所示的电池单元1浸入收容有电解液10的发电槽11内。此时，电解液10注入在设置于各金属空气电池单体2的空气极与金属极之间设置的液室(后述)内。
例如，当金属极为镁时，在金属极的附近发生下述(1)所示的氧化反应。另外，在空气极中发生下述(2)所示的还原反应。作为镁空气电池整体，发生下述(3)所示的反应并进行放电。
(1)2Mg→2Mg2++4e-
(2)O2+2H2O+4e-→4OH-
(3)2Mg+O2+2H2O→2Mg(OH)2
此外，当金属极与空气极的氧化还原反应时产生生成物(Mg(OH)2)。通过放电，镁逐渐减少，输出下降。因此，在本实施方式中，虽然是一次性电池，但是为了可以连续发电，如图2B所示，利用把手20将镁已经减少的旧电池单元1从电解液10中向上方提起。并且，取而代之，将新的电池单元1浸渍在电解液10中。由此，能够连续发电。更换电池单元1后，发电槽11内的电解液10可以保持原样继续使用。此外，在后述的金属空气电池单体2的构成中，由于已将金属极与空气极的氧化还原反应时产生的生成物排出到发电槽11内的电解液10中，因此，可以在发电槽11中设置例如使电解液10回流的机构等，以促进电解液10的回流。
这样，通过使用图1所示构成的电池单元1，可以更换整个电池单元，更换作业变得容易，并可以长时间地持续高输出。
在图1中，在电池单元1的侧面1b、1c分别设置有把手20，而如图3A所示，也可以以横跨电池单元1的上方而连接侧面1b、1c之间的方式设置把手21，如图3B所示，还可以在电池单元1的侧面1b、1c分别设置有向内侧凹进的凹部(手指钩挂部)22。将手指钩挂在凹部22上等可以容易地更换电池单元1。
接着，使用图4以及图5A至图5D对金属空气电池单体2的构造进行详细描述。如图4所示，金属空气电池单体2具有如下部分而构成：金属极3、空气极4、支承金属极3以及空气极4的框体5。
如图5B以及图5C所示，空气极4于金属极3的两侧隔开间隔而配置，同时，露出于框体5的两侧外面。
如图4以及图5A至图5D所示，框体5具有上部5a、下部5b、连接上部5a与下部5b的前部5c、后部5d以及侧部5e、5f。框体5可以一体地成形，也可以通过将分割成多个的各成形体进行组合而构成框体5。
在框体5的上部5a上设置有狭缝5g，金属极3固定支承于该狭缝5g内。如图5C所示，在金属空气电池单体2的框体5的上部5a上形成的狭缝5g的宽度比金属极3的宽度宽。在金属极3与狭缝5g之间形成有与液室6连接的连通孔5k。
在框体5的侧部5e、5f上分别设置有窗5h(参照图5B)。另外，形成有固定部5i，所述固定部5i包围各窗5h的上侧、下侧、左侧以及右侧的全周。图5B中图示了位于窗5h的上侧以及下侧的固定部5i，但实际上在窗5h的左侧以及右侧也存在固定部5i，并且窗5h的整个周围被固定部5i包围。
如图5B所示，各空气极4通过粘接剂等固定于各侧部5e、5f的固定部5i并堵塞各窗5h。通过堵住分别设置于框体5的侧部5e、5f的窗5h，在固定于侧部5e、5f的空气极4之间形成有液室6。液室6除了作为电解液10的供给口的贯通孔8、14之外被包围。
如图4、图5A、图5B以及图5C所示，在固定部5i的外周，除了上侧之外形成有框部5j。也就是说，框部5j以包围固定部5i的下侧、左侧以及右侧的方式形成。另外，框部5j与固定部5i相比向外侧突出。因此，在框部5j与固定部5i之间形成有台阶部。如图4、图5B以及图5C所示，空气极4与框部5j的表面相比配置于更往里的位置(后方)。由此，在空气极4与框部5j之间形成有上方以及空气极4的前方开放的空间。该空间通过使多个金属空气电池单体2并列设置而构成仅上方开放的空气室7(参照图6)。
如图5B以及图5D所示，在框体5的下部5b上形成有连通于液室6的贯通孔8。贯通孔8的宽度尺寸T比金属极3的厚度大。在此，所谓的“宽度尺寸”是指从框体5的一个侧部5e朝向另一个侧部5f的方向的尺寸。如图5B以及图5D所示，贯通孔8形成于与金属极3的下端3a相对向的位置。因此，如图5D所示，通过贯通孔8能够看到金属极3的下端3a。如图5B以及图5D所示，优选金属极3以位于贯通孔8的宽度尺寸T的中心的方式配置。
在本实施方式中，并未限定金属极3的下端3a与贯通孔8的上端8a的位置关系，如图5B所示，优选金属极3的下端3a配置于贯通孔8的上端8a以上的位置。在此，所谓的“上端8a以上的位置”包括上端8a的位置、以及上端8a的上方的位置。由此，可以将通过金属极3和空气极4的反应产生的生成物从贯通孔8有效地排出至外部。另外，在本实施方式中，由于在金属极3的左右两侧设置有空气极4，因此，在金属极3的左右两侧生成生成物。因此，如上所述，通过在贯通孔8的宽度尺寸T的中心配置金属极3，可以将从金属极3的左右两侧生成的生成物经由贯通孔8而适当地排出至外部。
另外，如图5B所示，金属极3的下端3a为自由端。由此，能够使金属极3的下端3a摇动。因此，当在空气极4与金属极3之间堆积了生成物时，能够使金属极3弯曲，能够缓和生成物导致的按压力，能够抑制金属极3以及空气极4的破损。
在图5D中，贯通孔8的形状为矩形状，但并不限定于矩形状，也可以为其他的形状。另外，在图5D中，贯通孔8的数量为三个，但并不限定贯通孔8的数量。
贯通孔8具有作为将电解液供给至液室6的供给口的功能，同时也具有将通过金属极3和空气极4的反应而产生的生成物向电池单元1的外部排出的功能。
这样，只要能够进行电解液的供给与生成物的排出，并不将贯通孔8的形成位置限定于框体5的下部5b。在图4中，在框体5的前部5c也设置有贯通孔14。在图4中，多个贯通孔14在前部5c的高度方向上隔开间隔而形成。这些贯通孔14与贯通孔8同样地连通于液室6。另外，虽然未图示，但也可以在框体5的后部5d上设置贯通孔14。优选配置于框体5的前部5c或者后部5d的贯通孔14的至少一部分配置于前部5c或者后部5d的下侧。所谓的“下侧”为前部5c以及后部5d的高度尺寸的下半部分，优选为高度尺寸的二分之一以下的下侧部分，更优选为高度尺寸的三分之一以下的下侧部分。这样，即使将贯通孔14设置于框体5的前部5c或者后部5d，也可以进行电解液10的供给与生成物的排出。
但是，由于生成物会因自身重量在液室6内下降，因此，优选将贯通孔8形成于框体5的下部5b，能够有效地促进生成物的排出。在本实施方式中，在框体5的下部5b、以及前部5c、后部5d分别设置有贯通孔8、14。
另外，在图5D中，设置于框体5的下部5b的贯通孔8在金属极3的横宽方向(从框体5的前部5c朝向后部5d的方向)上以等间隔形成有多个，但也可以形成图5D所示的从左侧的贯通孔8朝向右侧的贯通孔8连通的长的狭缝状的贯通孔8。但是，如果贯通孔8为长的狭缝状的话，即使金属极3与空气极4的反应所产生的生成物暂时经由贯通孔8排出到外部，生成物也容易通过水流等再次经由贯通孔8而返回到液室6内。由此，优选贯通孔8如图5D所示分成多个而形成，生成物的排出效果优异。此外，在不产生水流的构成中，也可以为连通各贯通孔8的长的狭缝状。
在本实施方式中，并列设置多个上述已详细叙述的金属空气电池单体2并一体化。在该并列设置状态下，由于位于两侧的金属空气电池单体2的外侧处于开放的状态，因此，为了堵塞两侧面而贴合有板材9，所述板材9构成电池单元1的两个侧面1b、1c。此外，在板材9上安装有图1所示的例如把手20。由此，如图1所示，具有多个金属空气电池单体2与作为第一更换单元的例如把手20的电池单元1完成。
如图6所示，当将图1所示的电池单元1浸入收容有电解液10的发电槽11内时，电解液10经由贯通孔8或者贯通孔14而注入液室6内。此外，图6中未图示贯通孔14。另外，如使用图5C所说明的那样，由于在金属极3与框体5的上部5a的狭缝5g之间形成有连接于液室6的连通孔5k，因此，当向液室6内注入电解液10时，液室6的空气可以从连通孔5k排出至外部，并且可以将电解液10经由贯通孔8、14而顺利地导入液室6内部。
另外，在图6中，在发电槽11的底面11a与电池单元1的下面1a之间设置有突起部12。因此，在发电槽11的底面11a与电池单元1的下面1a之间形成有规定高度的间隙13。因此，电池单元1的下面1a不会与发电槽11的底面11a接触。
此时，如图6所示，作为第一更换单元的例如把手20设置于比电解液10的液面高度高的位置。由此，手持把手20可以容易地将电池单元1从电解液10中提起来。另外，后述的作为可以同时更换多个金属极3的第二更换单元的例如连结部30也设置于比电解液10的液面高度高的位置。
如图6所示，通过将电解液10注入液室6，例如，当金属极3为镁时，在金属极3与空气极4之间发生上述记载的氧化还原反应并进行放电。
此时，可以将通过电池反应的副反应产生的氢从连通于液室6的连通孔5k(参照图5C)排出至外部。也可以从位于电解液液面以上的贯通孔14向外部排出氢。
另外，可以将金属极3与空气极4的氧化还原反应时产生的生成物(Mg(OH)2)经由设置于各金属空气电池单体2的下部的贯通孔8或者设置于侧部的贯通孔14排出到发电槽11的底面11a侧。另外，在本实施方式中，由于在发电槽11的底面11a与电池单元1的下面1a之间形成有间隙13，因此，能够将生成物从电池单元1的液室6朝向发电槽11的底面11a侧适当地排出。由此，能够抑制生成物滞留在各金属空气电池单体2的液室6内部，并且能够抑制电极的破损或者电气特性的恶化，能够实现长寿命化。
在本实施方式中，通过上述金属极3与空气极4的氧化还原反应，基于伴随金属极3减少的输出下降等，可以重新更换整个电池单元1。此时，由于在电池单元1上设置有作为第一更换单元的例如把手20，因此，可以容易地更换整个电池单元1。
或者，在本实施方式中，可以形成为同时更换多个金属极3的构成。例如，如图1和图6所示，设置有连接各金属极3的上端彼此之间的作为“第二更换单元”的连结部30。连结部30为组合纵杆30a与横杆30b而成的骨架结构。由此，可以将手指钩挂在连结部30的一部分上。
如图7A所示，将电池单元1浸入收容有电解液10的发电槽11内后，当更换金属极3时，如图7B所示，利用连结部30可以将多个金属极3同时从电池单元1的框体5拉出，可以同时更换多个金属极3。此时，例如，构成为可以将多个金属极3从金属空气电池单体2的外侧朝向内部滑动地插入，并且在插入至规定位置后不能再继续插入。这样，在可以更换多个金属极3的构成中，电池单元1的金属极以外的部分可以保持原样在金属极3更换后继续使用，节约资源。
在图1所示的电池单元1上，设置有作为能够更换电池单元的第一更换单元的例如把手20和作为能够同时更换多个金属极3的第二更换单元的例如连结部30，也可以设置至少任意一者。但是，两者都设置的话，可以根据状况来选择更换整个电池单元或者仅更换金属极3。例如，第一次的更换作业仅更换金属极3，然后，在生成物大量滞留在电池单元1内的情况下，第二次的更换作业便不会仅更换金属极3，而更换整个电池单元可以有效地持续高输出。
此外，优选形成为如下构成：在电池单元1上，于各金属空气电池单体2上设置贯通孔8、14，可以排出生成物，同时，必须设置作为第二更换单元的例如连结部30，可以同时更换多个金属极3。由此，从电池单元1排出生成物的同时可以简单地进行金属极3的更换，可以以简单的方法有效地持续高输出。另外，电池单元1的金属极3以外的部分可以保持原样继续使用，节约资源。
另外，在本实施方式中，当想要结束发电时，从图2A或图7A的状态提起电池单元1，或者推下发电槽11，可以从各金属空气电池单体2的液室6经由贯通孔8排出电解液10，可以简单地停止发电。或者，通过从配置有电池单元1的状态的发电槽11排出电解液10，也可以停止发电。另外，即使拔出作为负极的金属极3，也可以停止电池反应。
另外，在本实施方式中，可以更换整个电池单元的第一更换单元的构成、同时更换多个金属极的第二更换单元的构成可以为图1以及图3A和图3B所示的构成以外的构成。例如，为了可以简单地进行更换而优选在第一更换单元以及第二更换单元上设置了钩挂手指的手指钩挂部，但也可以是没有手指钩挂部的方式。例如，可以在电池单元1和多个金属极3上同时形成可以与工具等连接的孔等。将工具钩挂在该孔上，将电池单元1或者多个金属极3悬挂起来而进行更换。
或者，如图6所示，可以形成为如下方式：在将电池单元1浸渍于发电槽11内的电解液10中的状态下，例如，按压设置于发电槽11的开关，将电池单元1从电解液10中向上方提起，用手握持露出于电解液10的外面的电池单元1的侧面来进行更换。这种将电池单元1向上方提起的机构，例如可以设置于在图6所示的发电槽11的底面11a与电池单元1的下面1a之间的间隙13上。
此外，图5A至图5D所示的金属空气电池单体2的构成为一个示例，并不限定于该构成。例如，在图5A至图5D中，在金属极3的两侧配置空气极4，但也可以配置一个金属极3和一个空气极4。或者，金属极3与空气极4可以分别各设置多个。
另外，可以在图1所示的电池单元1的上面设置未图示的顶部。可以在顶部设置连通于各空气室7的开口，空气可以经由顶部的开口而流入各空气室7。
另外，可以在上述的顶部设置将电池输出向外部供给的外部连接用端子。外部连接用端子为连接器或者USB端子等，并无特别限定。可以设置多个外部连接用端子。例如，可以将便携设备直接连接于电池单元1上设置的外部连接用端子来进行电力供给。或者，例如，也可以形成如下构成：将USB集线器等连接基板连接于电池单元1的外部连接用端子，并经由连接基板向多个便携设备进行电力供给。
在本实施方式中，各金属空气电池单体2的各电极既可以串联连接也可以并联连接，配线方法并无特别限定。
另外，在本实施方式的金属空气电池的使用方法中，可以在更换整个电池单元或者同时更换多个金属极的同时继续发电。此外，此处所说的“继续发电”是指与普通的一次性电池相比能够延长发电，并定义为即使更换时停止发电，在其前后也可以“继续发电”。
另外，本实施方式的金属空气电池既可以应用镁空气电池也可以应用其他的金属空气电池。
(产业上的可利用性)
根据本发明的金属空气电池，能够作为容易进行更换作业的同时能够有效地维持高输出的紧急用电源使用。
本申请基于2018年8月24日申请的特愿2018-157020，其内容全部包含于本文中。
Claims (3)
1.一种金属空气电池，其特征在于，
其具有电池单元和能够收容电解液的发电槽，并具备第一更换单元，所述电池单元并列设置有多个金属空气电池单体，
其中，所述金属空气电池单体具有如下部分而构成：
金属极；
空气极，其与所述金属极相对向配置；
框体，其支承所述金属极以及所述空气极，
所述第一更换单元能够更换整个所述电池单元，
所述第一更换单元构成为具备从所述电池单元的侧面突出的把持部，
多个所述金属极相对于所述框体能够更换地被支承，
所述金属空气电池具备第二更换单元，所述第二更换单元能够同时更换多个所述金属极，
所述第二更换单元构成为具备连结部，所述连结部在所述框体的上面侧连结多个金属极，从所述框体向上方突出并能够把持，
在所述框体上形成有贯通孔，所述贯通孔将所述电解液供给至设置在所述空气极与所述金属极之间的液室，同时将由所述金属极与所述空气极的反应而产生的生成物从所述电池单元向所述发电槽排出，
所述贯通孔设置在所述框体的下部，所述金属极的下端配置在所述贯通孔的上端以上的位置，
在从所述电池单元排出所述生成物的同时，能够进行所述金属极的更换。
2.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，
相对于所述电池单元，所述第一更换单元以及所述第二更换单元设置于比电解液的液面高度高的位置。
3.一种金属空气电池的使用方法，其为根据权利要求1所述的金属空气电池的使用方法，其特征在于，
在更换整个所述电池单元或者同时更换多个所述金属极的同时继续发电。
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