JP2016009630A - Air battery unit - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an air battery unit including an air battery that uses oxygen as a positive electrode active material.
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。
As this type of air battery unit, for example, there is one described in
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。 By the way, in recent years, research and development of air batteries used for emergency charging power supplies of electric vehicles have been promoted, and as a measure to shorten the charging time from the air battery to the secondary battery, the discharge time of the air battery is shortened. And improvement of the reaction rate of the negative electrode are being studied.
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。 Here, in order to shorten the discharge time of the air battery, it is important to achieve uniformity of dissolution of the negative electrode metal constituting the negative electrode. However, when a temperature gradient occurs in the negative electrode, the reaction rate of the negative electrode metal increases at a relatively high temperature portion (is easily dissolved). For this reason, in the conventional air battery unit, the discharge time has to be determined at a portion where the reaction rate of the negative electrode metal is slow, and measures for eliminating the temperature gradient of the negative electrode have not been taken, so the discharge time is shortened. There was room for improvement in achieving this.
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。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and provides an air battery unit capable of eliminating the temperature gradient of the negative electrode, achieving uniformity of dissolution of the negative electrode metal, and shortening the discharge time. It is intended to provide.
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、より好ましい実施形態として、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。 An air battery unit according to the present invention includes at least one air battery having a structure in which an electrolyte container is sandwiched between a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an air circulation space through which air flows along the respective surfaces of the positive electrode layer and the negative electrode layer. And air adjusting means for making the temperature distribution of the negative electrode layer uniform by adjusting the air flowing through the air circulation space. In the air battery unit, as a more preferred embodiment, the air adjusting means is formed between the air introduction part and the air discharge part with respect to the air circulation space, and the relatively high temperature region of the negative electrode layer is set as the upstream side. The air flow path having a relatively low temperature region on the downstream side is provided, and the above structure is used as means for solving the conventional problems.
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。 Since the air battery unit according to the present invention employs the above-described configuration, the temperature gradient of the negative electrode can be eliminated, the uniformity of the dissolution of the negative electrode metal can be achieved, and the discharge time can be shortened.
〈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。
<First Embodiment>
The air battery unit U shown in FIGS. 1 and 2 includes at least one air battery A having a structure in which the
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。
The air adjusting means in this embodiment is formed between the
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。
Here, in the air battery unit U, the air battery A is arranged in a vertically arranged state in which the
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。
As shown in FIG. 1A, the air battery A has a configuration in which the
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。
The
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。 The air battery unit U includes a case C that forms an appearance. The case C has a first flow path part C2 and a second flow path part C3 with the battery housing part C1 in between. In the battery housing portion C1, a plurality of air batteries A having the same positive and negative directions are housed at a predetermined interval, and between the adjacent air batteries A or between the air battery A at the end and the inner surface of the case C. An air circulation space 4 is formed between the two.
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。
The air circulation space 4 between the air cells A is a space for supplying air (oxygen) to the
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。
The first flow path part C2 and the second flow path part C3 are tubular bodies communicating with each other in the vertical direction, and are communicated with the battery housing part C1 on the side surfaces thereof. Moreover, the 1st flow-path part C2 is provided with the opening-and-
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。
The air battery unit U includes a
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。
Then, the air battery unit U has an upper region (
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。 Further, as shown in FIGS. 1 (C) and 2, the air battery unit U described above connects the units via the partition wall B, and electrically connects the units to form an air battery system. To do. Although not shown, such an air battery system includes a supply source of an electrolyte and air, various devices such as a pump and a valve constituting a flow path, and means for controlling these devices.
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。
The air battery unit U having the above configuration introduces air from the
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。
On the other hand, the air battery unit U adjusts the air flowing through the air circulation space 4 to make the temperature distribution of the
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。
Thereby, the air battery unit U introduces air into the upper region of the
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。
Further, the air battery unit U has a relatively simple structure because the air adjusting means includes one
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。 3-5 is a figure explaining the 2nd-4th embodiment of the air battery unit concerning this invention. In the following embodiments, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
〈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。
Second Embodiment
The air battery unit U shown in FIG. 3 is formed from the
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。
The partition plate is an
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。
As a result, the air battery unit U has an upper area (
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。
As in the previous embodiment, the air battery unit U supplies air (oxygen) to the
〈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。
<Third Embodiment>
The air battery unit U shown in FIG. 4 includes at least one
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。
As in the previous embodiment, the air battery unit U introduces air into the upper region of the
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。
Further, in the air battery unit U of this embodiment, since the
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。
At this time, the air battery unit U operates, for example, a drive mechanism that moves the
〈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。
<Fourth embodiment>
The air battery unit U shown in FIG. 5 is a relatively high temperature region of the
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。
In the air battery unit U of this embodiment, the lower end portion of the first flow path portion C2 is an
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。
The air battery unit U is provided with the
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。
In addition, the air battery unit U can achieve the cooling effect of the
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。 The configuration of the air battery unit according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the details of the configuration may be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention, or the configuration described in each embodiment. Can be combined.
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。
In the air battery unit, the air flow path is formed by the air flow space 4 and the first flow path part C2 and the second flow path part C3 of the case C. As described in the above embodiments, the air flow path Depending on how the space 4 is partitioned, the shape is different. The illustrated
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。 Further, in each of the above-described embodiments, the configuration in which the air battery A is placed in the vertical state and the air adjusting means is disposed in the upper region of the negative electrode layer that is relatively high temperature has been described. However, in the air battery unit according to the present invention, the attitude of the air battery is not particularly limited. If a temperature gradient occurs in the negative electrode layer due to the form of the air battery or the configuration of peripheral devices, the temperature gradient is reduced. Correspondingly, it is possible to arrange the air conditioning means.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS A Air battery U
Claims (6)
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たことを特徴とする空気電池ユニット。 At least one air battery having a structure in which an electrolyte container is sandwiched between a positive electrode layer and a negative electrode layer;
An air circulation space for circulating air along the respective surfaces of the positive electrode layer and the negative electrode layer;
An air battery unit, comprising: air adjusting means for adjusting the temperature of the negative electrode layer by adjusting the air flowing through the air circulation space.
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2〜5のいずれか1項に記載の空気電池ユニット。 The air battery is arranged in a state in which the electrolyte container, the positive electrode layer, and the negative electrode layer are arranged in a horizontal direction,
The air battery unit according to any one of claims 2 to 5, wherein the region of the negative electrode layer that is relatively hot is the upper region.
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