JP2016009631A - 空気電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】従来の空気電池ユニットには、放電時間の短縮化を図るうえで改善の余地があった。
【解決手段】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、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に対して、導入する空気量を相対的に増大させる導入側空気調整手段（５〜７）とを備えた空気電池ユニットＵとし、負極層３の高温領域を重点的に冷却することで、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。
【選択図】図１

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。

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。

特表２００５−５２７０６９号公報

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。

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。

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。

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を備えている。そして、空気電池ユニットは、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を備えた構成としており、より好ましい実施形態として、空気調整手段が、空気流通空間の導入側に設けられ、負極層の相対的に高温の領域に対して、導入する空気量を相対的に増大させる導入側空気調整手段である構成としており、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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。

〈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の温度分布を均一化させる空気調整手段を備えている。この実施形態における空気調整手段は、空気流通空間４の導入側に設けられ、負極層３の相対的に高温の領域に対して、導入する空気量を相対的に増大させる導入側空気調整手段である。

この実施形態の導入側空気調整手段は、空気流通空間４の導入側に配置した空気導入路５と、空気流通空間４と空気導入路５の間に配置した導入側制御板６とを備えている。また、導入側制御板６には、複数の導入口７が設けてあり、負極層３の相対的に高温の領域に対して導入口７の数を相対的に多く配置している。

より具体的には、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８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。

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。

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、導入部Ｃ２及び排出部Ｃ３を有し、導入部Ｃ２により前記空気導入路５を形成し、排出部Ｃ３により空気排出路１５を形成している。

そして、空気電池ユニットＵは、ケースＣの電池収容部Ｃ１に、正負の向きを同一にした複数の空気電池Ａを所定間隔で収容し、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。この際、各空気電池Ａは、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されている。

この実施形態の空気電池ユニットＵは、空気導入路５及び空気排出路１５の下側に、夫々の経路を開閉する開閉バルブ５Ｖ，１５Ｖを備えている。これにより、空気電池ユニットＵは、とくに図１（Ｂ）に矢印で示すように、下側から空気導入路５に空気を導入し、その導入空気を空気流通空間４において横方向に流通させ、空気排出路１５を通して空気を下側に排出する。

この実施形態の空気電池ユニットＵは、正負の向きを同一にした複数の空気電池Ａを備えている。このため、空気電池Ａ同士の間の空気流通空間４は、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。

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。

上記の空気電池ユニットＵでは、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されているので、起動すると、電解液の対流によって空気電池Ａの上側領域の温度が相対的に高くなる。

そこで、空気電池ユニットＵは、空気流通空間４の導入側に設けた導入側空気調整手段、すなわち、負極層３の相対的に高温の領域に対して導入する空気量を相対的に増大させる手段が、負極層３の相対的に高温となる上側領域に対して、空気流量を相対的に増大させる手段になっている。

この実施形態の導入側空気調整手段は、図２に示すように、空気導入路５と導入側制御板６とを備え、導入側制御板６において、負極層３の相対的に高温となる上側領域に対して導入口７の数を相対的に多く配置している。より具体的には、導入側制御板６の上側領域では、下側領域に比べて、単位面積当たりの導入口７の数が多く、導入口７同士の間隔が小さくなっている。なお、図示例では、導入側制御板６の上側から下側にかけて導入口７の間隔が次第に変化しているが、段階的に変化させても良い。

上記構成を備えた空気電池ユニットＵは、空気導入路５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。

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の導入側に設けられ、負極層３の相対的に高温の領域（上側領域）に対して、導入する空気量を相対的に増大させる導入側空気調整手段を備えているので、高温になる負極層３の上側領域により多くの空気を導入して、その上側領域を重点的に冷却する。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ことができる。

また、上記実施形態の空気電池ユニットＵは、導入側空気調整手段が、空気導入路５と導入側制御板６とを備え、導入側制御板６に、複数の導入口７を設けて、負極層３の相対的に高温の領域に対して導入口７の数を相対的に多く配置したことにより、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。

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。

〈第２実施形態〉
図３に示す空気電池ユニットＵは、図１及び図２に示すものと同等の基本構成を備えていると共に、空気流通空間の導入側に、負極層の相対的に高温の領域に対して、導入する空気量を相対的に増大させる導入側空気調整手段を備えている。図示例の空気電池ユニットＵは、第１実施形態と同様に、空気電池が縦置きの状態に配置されている。したがって、負極層の相対的に高温の領域は、負極層の上側領域である。

この実施形態の導入側空気調整手段は、空気流通空間（図１の符号４参照）の導入側に配置した空気導入路５と、空気流通空間と空気導入路５の間に配置した導入側制御板６とを備えている。導入側制御板６には、複数の導入口７が設けてあり、負極層の相対的に高温の領域すなわち上側領域に対して導入口７の開口面積を相対的に大きくした構造になっている。

上記の空気電池ユニットＵは、先の実施形態と同様に、導入側空気調整手段により、高温になる負極層の上側領域により多くの空気を導入して、その上側領域を重点的に冷却することとなり、負極層の温度勾配を小さく若しくは解消して、負極金属層の溶解の進行を均一化し、放電時間の短縮化を実現する。

また、上記の空気電池ユニットＵは、導入側空気調整手段が、空気導入路５と導入側制御板６とを備え、導入側制御板６に、複数の導入口７を設けて、負極層３の相対的に高温の領域（上側領域）に対して導入口７の開口面積を相対的に大きくしたことにより、比較的簡単な構造で、負極金属層の溶解の均一化や放電時間の短縮化を実現し得る。

〈第３実施形態〉
図４に示す空気電池ユニットＵは、図１及び図２に示すものと同等の基本構成を備えていると共に、空気流通空間の導入側に、負極層の相対的に高温の領域に対して、導入する空気量を相対的に増大させる導入側空気調整手段を備えている。図示例の空気電池ユニットＵは、第１実施形態と同様に、空気電池が縦置きの状態に配置されている。したがって、負極層の相対的に高温の領域は、負極層の上側領域である。

この実施形態の導入側空気調整手段は、空気流通空間（図１の符号４参照）の導入側に配置した空気導入路５と、空気流通空間と空気導入路５の間に配置した導入側制御板６とを備えている。導入側制御板６は、図示を省略したが、例えば、少なくとも一部に網やパンチングメタルのような通気性材料を有するものを用いることができる。

そして、導入側空気調整手段は、空気導入路５に、負極層の相対的に高温の領域すなわち上側領域に対して、導入する空気量を相対的に増大させるディフューザ２０を配置した構造になっている。ディフューザ２０は、例えば整流板等の各種部材で構成されている。

上記の空気電池ユニットＵは、先の実施形態と同様に、導入側空気調整手段により、高温になる負極層の上側領域により多くの空気を導入して、その上側領域を重点的に冷却することとなり、負極層の温度勾配を小さく若しくは解消して、負極金属層の溶解の進行を均一化し、放電時間の短縮化を実現する。

また、上記の空気電池ユニットＵは、導入側空気調整手段が、空気導入路５とディフューザ２０とを備えた構成であるため、比較的簡単な構造で、負極金属層の溶解の均一化や放電時間の短縮化を実現し得る。

〈第４実施形態〉
図５に示す空気電池ユニットＵは、図１及び図２に示すものと同等の基本構成を備えており、空気電池が縦置きの状態に配置されている。図示の空気電池ユニットＵは、第１〜第３の実施形態では、空気流通空間の導入側に、導入側空気調整手段を備えているのに対して、空気流通空間の排出側に、排出側空気調整手段を備えている。

排出側空気調整手段は、負極層の相対的に高温の領域（上側領域）に対して、排出する空気量を相対的に増大させるものであり、その具体的構成としては、導入側空気調整手段と同等である。すなわち、図示の排出側空気調整手段は、空気流通空間（図１の符号４参照）の排出側に配置した空気排出路１５と、空気流通空間と空気排出路１５の間に配置した排出側制御板１６とを備えている。排出側制御板１６には、複数の排出口１７が設けてあり、負極層の相対的に高温の領域（上側領域）に対して導入口１７の数を相対的に多く配置した構造になっている。

上記の空気電池ユニットＵは、空気流通空間の排出側に排出側空気調整手段を備えているので、高温になる負極層３の上側領域の空気の排出を促進することで、その上側領域により多くの空気を導入して、その上側領域を重点的に冷却する。これにより、空気電池ユニットＵは、負極層の温度勾配を小さく若しくは解消して、負極金属層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。

排出側空気調整手段は、それ自体で、負極層の温度勾配を小さくする一定の効果をもたらすものであるが、第１〜第３の実施形態で説明した導入側空気調整手段と組み合わせることにより、負極層の温度勾配に関してより一層の効果を発揮する。

すなわち、空気電池ユニットＵは、空気流通空間の導入側に、導入側空気調整手段を備えると共に、空気流通空間の排出側に、排出側空気調整手段を備えた構成とすることで、負極層の相対的に高温の領域に対する空気の導入及び排出がより一層円滑になり、高温領域の冷却効果が高められて負極層の温度勾配を解消することができる。これにより、負極金属層の溶解の進行が均一化され、放電時間の短縮化を実現する。

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。

なお、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、導入側空気調整手段及び排出側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導入空気調整手段や排出空気調整手段を配置することが可能である。

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
５ 空気導入路（導入側空気調整手段）
６ 導入側制御板（導入側空気調整手段）
７ 導入口（導入側空気調整手段）
１５ 空気排出路（排出側空気調整手段）
１６ 排出側制御板（排出側空気調整手段）
１７ 排出口（排出側空気調整手段）
２０ ディフューザ（導入側空気調整手段）

Claims (7)

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、
   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。
2. 空気調整手段が、空気流通空間の導入側に設けられ、負極層の相対的に高温の領域に対して、導入する空気量を相対的に増大させる導入側空気調整手段であ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。
3. 導入側空気調整手段が、空気流通空間の導入側に配置した空気導入路と、空気流通空間と空気導入路の間に配置した導入側制御板とを備え、
   導入側制御板に、複数の導入口を設けると共に、負極層の相対的に高温の領域に対して導入口の数を相対的に多く配置したことを特徴とする請求項２に記載の空気電池ユニット。
4. 導入側空気調整手段が、空気流通空間の導入側に配置した空気導入路と、空気流通空間と空気導入路の間に配置した導入側制御板とを備え、
   導入側制御板に、複数の導入口を設けると共に、負極層の相対的に高温の領域に対して導入口の開口面積を相対的に大きくしたことを特徴とする請求項２に記載の空気電池ユニット。
5. 導入側空気調整手段が、空気流通空間の導入側に配置した空気導入路を備え、
   空気導入路に、負極層の相対的に高温の領域に対して、導入する空気量を相対的に増大させるディフューザを配置したことを特徴とする請求項２に記載の空気電池ユニット。
6. 空気流通空間の排出側に、負極層の相対的に高温の領域に対して、排出する空気量を相対的に増大させる排出側空気調整手段を備えた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。
7. 電解質収容部、正極層及び負極層が水平方向に並ぶ状態に空気電池を配置し、
   導入側空気調整手段が、負極層の相対的に高温となる上側の領域に対して、空気流量を相対的に増大させる手段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。

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