JP2017120704A - Metal air battery - Google Patents

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孝高 堤
Yoshitaka Tsutsumi
孝高 堤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal air battery capable of obtaining a stable output for a long time.SOLUTION: The metal-air battery includes: a metal electrode serving as a negative electrode; a separator for eluting metal ions from the metal electrode; a cell unit in which an air electrode serving as a positive electrode is stacked in a first direction, and a casing accommodating the cell unit. The air electrode has an activated carbon sheet, a hydrophobic resin dispersed on at least the separator side of the activated carbon sheet, and a current collector graphene. The hydrophobic resin may contain a fluororesin.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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。   The present invention relates to a metal-air battery using a metal as a negative electrode and an air electrode as a positive electrode.

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。   A metal-air battery using a metal such as a magnesium alloy as a negative electrode and air as a positive electrode has attracted attention as a next-generation energy source because of its high energy density. Patent Document 1 discloses a magnesium battery capable of continuously increasing the capacity of a negative electrode made of magnesium. Patent Document 2 discloses a magnesium fuel cell that uses a magnesium alloy negative electrode material containing aluminum and calcium to prevent self-discharge of the negative electrode material and allows electricity to flow stably over a long period of time. Is done.

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。   Patent Documents 3 and 4 disclose techniques for imparting hydrophobicity (water repellency) to the positive electrode by including a hydrophobic material in the positive electrode material.

特開2010−182435号公報JP 2010-182435 A 特開2012−234799号公報JP 2012-234799 A 特開2014−197477号公報JP 2014-197477 A 特開2014−165178号公報JP 2014-165178 A

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。   In the metal-air battery, as the material for the positive electrode that is an air electrode, an activated carbon sheet having a high activated carbon ratio is preferable from the viewpoint of conductivity, air permeability, and thickness reduction. However, the higher the proportion of the activated carbon in the activated carbon sheet, the worse the shape retention, and the easier it is to handle or break during assembly. On the other hand, in a positive electrode in which a slurry in which a fluororesin or a binder is mixed with activated carbon is formed and dried after molding, it is difficult to appropriately adjust the amount of water between the adjacent electrolyte layers. Either of these causes a decrease in output voltage and instability of the metal-air battery.

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。   An object of this invention is to provide the metal air battery which can obtain the stable output for a long time.

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。   In order to solve the above problems, a metal-air battery of the present invention includes a cell unit in which a metal electrode serving as a negative electrode, a separator that elutes metal ions from the metal electrode, and an air electrode serving as a positive electrode are stacked in a first direction, A housing for housing the unit, and the air electrode includes an activated carbon sheet and a hydrophobic resin dispersed on at least a separator side surface of the activated carbon sheet.

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。   According to such a configuration, since the hydrophobic resin is scattered on the separator-side surface of the activated carbon sheet in the air electrode, the retainability of the shape of the activated carbon sheet is improved while maintaining conductivity, and the air electrode. The amount of moisture between the separator and the separator is appropriately adjusted.

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。   In the metal-air battery of the present invention, the hydrophobic resin may contain a fluororesin. Hydrophobic resin improves the hydrophobicity and connectivity of the activated carbon sheet.

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。   In the metal-air battery of the present invention, the air electrode may contain sodium chloride. By containing sodium chloride in the air electrode, the rate of oxygen reduction reaction in the air electrode is adjusted, and a stable output voltage can be obtained for a long period of time.

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。   In the metal-air battery of the present invention, the separator may have a sheet-like non-size paper. Thereby, since the water retention power of a separator improves, when the water | moisture content adjustment between a separator and an air electrode is performed, the tolerance | permissible_range of moderate water | moisture content can be expanded.

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。   In the metal-air battery of the present invention, the separator may contain citric acid. Thereby, the oxidation-reduction reaction in the cell unit can be stabilized, and a stable output voltage can be obtained for a long period of time.

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。   In the metal-air battery of the present invention, the cell unit further includes a current collector plate in contact with the air electrode on the side opposite to the metal electrode of the air electrode, and the current collector plate may be composed of a carbon-based conductive material containing graphene. Good. Thereby, a stable output voltage can be obtained for a long time.

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。   The metal-air battery of the present invention further includes a pressing member that is provided in a gap in the first direction between the cell unit and the inner wall of the housing and applies a pressing force to the cell unit, and the pressing member has a first direction when the gap is narrowed. It may be provided so as to extend in a second direction orthogonal to. Thereby, when a cell unit expand | swells and a clearance gap becomes narrow, a press member is extended in a 2nd direction, and moderate press force is given to a cell unit from a press member.

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。   In the metal-air battery of the present invention, the cell unit may have a configuration in which a plurality of unit cells including metal electrodes, separators, and air electrodes are stacked in the first direction. Since the cell unit has a laminated structure of a plurality of unit cells, a stable output voltage can be obtained for a long period of time.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the metal air battery which can obtain the stable output for a long time.

(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。(A) And (b) is a schematic diagram which illustrates the metal air battery which concerns on this embodiment. セルおよび押圧部材の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a cell and a press member. 空気極の一部を拡大した模式断面図である。It is the schematic cross section which expanded a part of air electrode. (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。(A) And (b) is sectional drawing explaining expansion | swelling of a cell unit, and extending | stretching of a press member. (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。(A)-(c) is sectional drawing which shows the example of the cell unit of multiple cells. 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。It is a figure explaining the time change of a drive voltage and a drive current. 発電装置の構成を例示する模式斜視図である。It is a model perspective view which illustrates the composition of a power generator.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description of the members once described is omitted as appropriate.

〔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。
[Structure of metal-air battery]
1A and 1B are schematic views illustrating a metal-air battery according to this embodiment.
FIG. 1A shows a perspective view of the metal-air battery 1 according to this embodiment, and FIG. 1B shows a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In FIG. 1A, for convenience of explanation, the housing 20 is indicated by a two-dot chain line.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the cell and the pressing member.
FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view of a part of the air electrode.

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。   The metal-air battery 1 includes a cell unit 10, a housing 20, and a pressing member 30. The cell unit 10 has at least one cell C. The cell C includes a metal electrode 11 serving as a negative electrode, a separator 12 that elutes metal ions from the metal electrode 11, and an air electrode 13 serving as an anode. The cell C may have a current collector plate 14. Each of the metal electrode 11, the separator 12, the air electrode 13, and the current collector plate 14 is provided in a thin plate shape, and is laminated in this order. In the present embodiment, the stacking direction is the first direction D1. One of the directions orthogonal to the first direction D1 is the second direction D2, and the direction orthogonal to the first direction D1 and the second direction D2 is the third direction D3. With such a laminated structure, the cell C has a structure in which the separator 12 is sandwiched between the metal electrode 11 and the air electrode 13.

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。   The metal electrode 11 contains a metal that is an electrode active material. As a material of the metal electrode 11, zinc, aluminum, iron, magnesium, lithium, sodium, calcium, or an alloy containing at least one of them as a main component is used. In this embodiment, a magnesium alloy containing magnesium as a main component is used.

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。   The separator 12 is disposed between the metal electrode 11 that is the negative electrode and the air electrode 13 that is the positive electrode, and plays a role of separating the two. The separator 12 holds an electrolytic solution. When a magnesium alloy is used as the metal electrode 11, for example, a sodium chloride aqueous solution is used as the electrolytic solution.

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。   The separator 12 is provided longer in the second direction D2 than the metal electrode 11, the air electrode 13, and the current collector plate 14, and absorbs moisture from the protruding portion. Thereby, the electrolyte solution of the separator 12 is adjusted. The separator 12 does not contain an electrolytic solution and may be in a dry state. In this case, the separator 12 sucks up moisture when used, and can bring an appropriate amount of water to the air electrode 13. That is, the water stored in the separator 12 serves to replenish an appropriate amount of water necessary for the chemical reaction to the air electrode 13 having a high concentration.

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。   In the present embodiment, paper is used for the separator 12. As a state before use, the separator 12 is made of dry paper containing sodium chloride. As a material used for the separator 12, a sheet-like non-size paper is suitable. Non-size paper refers to paper that has not been subjected to sizing treatment (treatment for fixing a sizing agent, which is rosin, on paper fibers) that suppresses bleeding of the paper. Non-size paper is, for example, blotting paper. By using a sheet-like non-size paper, the water retention of the separator 12 that absorbs moisture during use is improved. For this reason, when the water | moisture content adjustment between the separator 12 and the air electrode 13 is performed, the tolerance | permissible_range of a moderate water | moisture content can be expanded. The separator 12 may be made of a material having the same water absorption and drainage properties as that of the non-size paper, sponge, felt fiber, or the like.

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。   The separator 12 may contain citric acid. Thereby, the sheet-like non-size paper of the separator 12 contains sodium chloride and citric acid, and the oxidation-reduction reaction in the cell unit 10 can be stabilized.

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。   The air electrode 13 is a porous electrode provided so that water contained in the separator 12 can permeate. In the present embodiment, as the material of the air electrode 13, for example, a carbonaceous material such as activated carbon, carbon fiber, or carbon felt is used. In the present embodiment, an activated carbon sheet 131 obtained by forming activated carbon into a sheet shape is used.

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。   As shown in FIG. 3, the air electrode 13 includes an activated carbon sheet 131 and a hydrophobic resin 132. The hydrophobic resin 132 is dispersed on at least the surface 131 a on the separator 12 side of the activated carbon sheet 131. As the hydrophobic resin 132, for example, a fluororesin is used. The state in which the hydrophobic resin 132 is sprayed refers to a state in which the hydrophobic resin 132 is not formed in a layered manner on the surface 131a but is discretely attached. For example, the hydrophobic resin 132 is in a granular form and is attached to a part of the activated carbon surface of the activated carbon sheet 131. Therefore, a part of the separator 12 is in contact with the hydrophobic resin 132, and the separator 12 and the activated carbon sheet 131 are in contact with each other.

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。   An example of a method for manufacturing the air electrode 13 is as follows. First, sodium chloride, trisodium citrate, manganese dioxide, heat-resistant polymer and silicone are mixed with water at appropriate values to form a solution. Next, this solution is absorbed by the activated carbon sheet 131 and then dried. Thereafter, a hydrophobic resin 132 such as a fluororesin is sprayed on the activated carbon sheet 131.

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。   The hydrophobic resin 132 is sprayed on the surface 131a of the activated carbon sheet 131, for example, in the form of a mist. Since the hydrophobic resin 132 is sprayed on the activated carbon sheet 131, the amount of water between the air electrode 13 and the separator 12 is appropriately adjusted while maintaining the conductivity of the air electrode 13. Thereby, the air electrode 13 is completed.

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。   As described above, as the material of the positive electrode that is the air electrode 13, the activated carbon sheet 131 having a high activated carbon ratio is preferable from the viewpoint of conductivity, air permeability, and thickness reduction. The higher the activated carbon ratio, the higher the water absorption. As in the present embodiment, the hydrophobic resin 132 is dispersed on the activated carbon sheet 131, so that the activated carbon sheet 131 retains the water retention capability while the hydrophobic resin 132 causes the activated carbon sheet 131 to have more moisture than necessary from the outside. Infiltration can be prevented, and an appropriate amount of water can be maintained for a long time.

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。   Moreover, the hydrophobic resin 132 serves as a binder for the activated carbon sheet 131. The activated carbon sheet 131 tends to collapse in shape as the ratio of activated carbon increases. Since the hydrophobic resin 132 becomes a binder, the shape retention of the activated carbon sheet 131 is improved as compared with the case where the hydrophobic resin 132 is not sprayed. This facilitates handling of the activated carbon sheet 131 when assembling the cell C.

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。   The air electrode 13 may contain sodium chloride. Further, the air electrode 13 may contain manganese dioxide. By including these materials in the air electrode 13, the speed of the oxygen reduction reaction in the air electrode 13 is adjusted, and a stable output voltage can be obtained for a long period of time.

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。   The current collector plate 14 is a conductive plate material and is disposed so as to be in contact with the air electrode 13. A metal plate such as copper or stainless steel is used for the current collector plate 14. As the current collecting plate 14, it is preferable to use an oxidation-resistant material having conductivity. For example, as the current collector plate 14, it is preferable to use a carbon-based conductive material containing graphene. The carbon-based conductive material includes a single layer of graphene and a plurality of layers of graphene. For example, a graphene sheet having a thickness of about 100 μm is suitable as the current collector plate 14.

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。   According to the experiment of the present inventor, it was found that the driving time can be greatly extended when a graphene sheet is used as compared with the case where a copper foil plate is used as the current collector plate 14. This is because the copper foil plate in the salt water easily becomes copper chloride or copper oxide and is easily corroded, and the corrosion is accelerated by applying a voltage in the positive direction. On the other hand, in the case of a graphene sheet, it is considered that carbon is strong against corrosion and the rate of corrosion is slow even when a voltage is applied in the positive direction. Therefore, a graphene sheet is mentioned as one of the optimal materials for the current collector plate 14.

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。   A laminated body of the metal electrode 11, the separator 12, the air electrode 13, and the current collector plate 14 is housed in the housing 20 as a cell C. The casing 20 is made of a highly insulating material. Examples of the material of the housing 20 include polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl alcohol (PVA), polyphenylene ether (PPE), polyvinyl acetate, ABS, vinylidene chloride, polyacetal, polyethylene, polypropylene, polyisobutylene, fluororesin, Epoxy resin is used.

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。   An opening is provided in a part of the housing 20, and the cell unit 10 including the cell C can be accommodated in the housing 20 from the opening. A lid 25 which is a part of the housing 20 is provided in the opening. Extraction electrodes 51 and 52 are provided on the outer wall of the lid 25. The extraction electrode 51 is a positive electrode, and the extraction electrode 52 is a negative electrode. The extraction electrodes 51 and 52 have a key shape bent from the outer wall of the lid 25 to the inside of the housing 20. Thereby, each of the extraction electrodes 51 and 52 is fixed so as to be hooked on the edge of the lid 25.

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。   A hole h is provided in the bottom wall 26 opposite to the lid 25 of the housing 20. When not in use (when power is not generated), the hole h may be covered with the sealing material 27. In this case, when used (when generating electric power), the sealing material 27 is peeled off or broken, so that moisture enters the housing 20 from the hole h and is absorbed by the separator 12 of the cell C. Thereby, power generation is performed.

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。   In a state where the cell unit 10 including the cell C is housed in the housing 20, the gap G is provided between the cell unit 10 and the inner wall 21 of the housing 20 in the first direction D <b> 1. In the present embodiment, the pressing member 30 is provided in the gap G. In the example shown in FIG. 1, the pressing member 30 includes a first pressing member 31 and a second pressing member 32. The first pressing member 31 is provided in the gap G <b> 1 between the cell unit 10 and one inner wall 211 of the housing 20. The second pressing member 32 is provided in the gap G <b> 2 between the cell unit 10 and the other inner wall 212 of the housing 20. The pressing member 30 applies a pressing force to the cell unit 10 by being provided in the gap G.

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。   The pressing member 30 is provided to be stretchable in the second direction D2. In the example shown in FIG. 1, the pressing member 30 is provided in a corrugated shape extending in the second direction D2. By providing the pressing member 30 in a corrugated shape, it is possible to secure an amount extending in the second direction D2 while applying an appropriate elastic force to the pressing member 30 in the first direction D1. The elastic force can be set not only by the elastic coefficient of the material of the pressing member 30, but also by the wave shape size (pitch, height) and number.

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。   In the example shown in FIG. 1, the cell unit 10 is sandwiched between the first pressing member 31 and the second pressing member 32. The first pressing member 31 presses the air electrode 13 side of the cell unit 10 in the first direction D1, and the second pressing member 32 presses the metal electrode 11 side of the cell unit 10 in the first direction D1. An appropriate pressing force is applied to the cell unit 10 by the elastic force of the first pressing member 31 and the second pressing member 32.

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。   The pressing member 30 extends in the second direction D2 when the gap G becomes narrower. Thereby, even when the cell unit 10 expands and the gap G becomes narrow, the pressing member 30 extends in the second direction D2, and an appropriate pressing force from the pressing member 30 to the cell unit 10 can be maintained. . The stretching of the pressing member 30 will be described later.

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。   One end 30a of the pressing member 30 is a fixed end fixed to the housing 20, and the other end 30b is a free end. In the present embodiment, a conductive material (for example, stainless steel) is used as the pressing member 30. One end 30 a of the first pressing member 31 is electrically connected to the extraction electrode 51. The first pressing member 31 functions as an anode that is the air electrode 13 by being in contact with the current collector plate 14. The first pressing member 31 may be formed integrally with the extraction electrode 51. Thereby, for example, the corrugated first pressing member 31 and the extraction electrode 51 can be formed by pressing a stainless steel plate.

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。   The second pressing member 32 has the same configuration as the first pressing member 31. That is, one end 30 a of the second pressing member 32 is electrically connected to the extraction electrode 52. The second pressing member 32 functions as a cathode by contacting the metal electrode 11. The second pressing member 32 may have the same shape as the first pressing member 31. In the case of the same shape, it can be used as the second pressing member 32 by reversing the front and back of the first pressing member 31.

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。   The width of the pressing member 30 (the length in the third direction D3) is substantially equal to the width of the cell unit 10. Thereby, the cell unit 10 can be uniformly pressed in the width direction by the pressing member 30. The length of the pressing member 30 in the second direction D2 is shorter than the length of the cell unit 10 in the second direction D2. Thereby, the area | region for the press member 30 to extend to the 2nd direction D2 is securable.

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。   When one end 30a of the pressing member 30 is a fixed end and the other end 30b is a free end, a movable region S of the other end 30b (free end) is provided in an area adjacent to the pressing member 30 in the gap G. The movable region S is a space generated by making the length of the pressing member 30 in the second direction D2 shorter than the length of the cell unit 10 in the second direction D2. A movable region S1 is secured at the tip of the other end 30b (free end) of the first pressing member 31, and a movable region S2 is secured at the tip of the other end 30b (free end) of the second pressing member 32. .

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:O+2HO+4e→4OH
負極:2Mg→2Mg2++4e
全体:2Mg+O+2HO→2Mg(OH)
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。
In the metal-air battery 1 having the above-described configuration, when a magnesium alloy is used as the metal electrode 11, the following reaction occurs in the cell C, and an electromotive force is generated between both electrodes.
Positive electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Negative electrode: 2Mg → 2Mg 2+ + 4e
Overall: 2Mg + O 2 + 2H 2 O → 2Mg (OH) 2
By this reaction, a metal oxide or a metal hydroxide is deposited in the cell C. Therefore, as the reaction proceeds, the amount of the deposited substance increases, and the volume of the cell C increases (expands).

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。   Due to the expansion of the cell C (cell unit 10), the adhesion of each of the metal electrode 11, the separator 12 and the air electrode 13 is lowered, and the output voltage is lowered or unstable. In the metal-air battery 1 according to the present embodiment, in order to obtain a stable output by suppressing a decrease in the adhesion of each of the metal electrode 11, the separator 12 and the air electrode 13 accompanying the expansion of the cell C (cell unit 10). The pressing member 30 is provided.

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。
4A and 4B are cross-sectional views illustrating the expansion of the cell unit and the extension of the pressing member.
FIG. 4A shows a state before the cell unit 10 is expanded, and FIG. 4B shows a state where the cell unit 10 is expanded.
As shown in FIG. 4A, the gap G between the cell unit 10 and the inner wall 21 of the housing 20 is relatively wide before the cell unit 10 expands. The pressing member 30 is fitted in the gap G and appropriately presses the cell unit 10 by the elastic force of the corrugated plate material. The cell unit 10 is pressed so as to be sandwiched between the first pressing member 31 and the second pressing member 32. In a state where the cell unit 10 is not expanded, the length of the pressing member 30 in the second direction D2 is L1.

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。   As shown in FIG. 4B, when the reaction proceeds and the cell unit 10 expands, the gap G between the cell unit 10 and the inner wall 21 of the housing 20 becomes narrower. The pressing member 30 is crushed in the first direction D1 when the gap G is narrowed, and extends in the second direction D2 in accordance with the crushed portion. As the cell unit 10 expands, the length of the pressing member 30 extends from L1 to L2. Even if the gap G becomes narrow and the pressing member 30 extends, the pressing force from the pressing member 30 to the cell unit 10 is maintained.

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。   Here, if an excessive pressing force is applied from the pressing member 30, the cell unit 10 cannot expand, and the reaction may be hindered. In the metal-air battery 1 of the present embodiment, the pressing member 30 extends in the second direction D2, so that it is possible to avoid applying excessive pressing force to the cell unit 10 even when the gap G is narrowed. Thereby, while allowing the cell unit 10 to expand, a decrease in the adhesion of each of the metal electrode 11, the separator 12, and the air electrode 13 due to the expansion is suppressed, and a stable output voltage can be obtained.

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。   As described above, in the metal-air battery 1 according to the present embodiment, the metal electrode 11, the separator 12, and the air electrode 13 as described above can be maintained with appropriate adhesion, the separator 12 can absorb water, and the separator 12 can be formed with the hydrophobic resin 132. Adjustment of the amount of moisture with the air electrode 13 interacts, and a stable output voltage can be obtained over a long period of time.

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。   That is, when power generation is performed, the water necessary for power generation is sufficiently absorbed and retained by the non-size paper of the separator 12, and the separator 12 and the air electrode 13 are stably adhered between the separator 12 and the air electrode 13. The amount of moisture (degree of humidity) between the two can be maintained at an amount suitable for the power generation reaction for a long time.

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。   Further, by using non-size paper for the separator 12 and using the activated carbon sheet 131 for the air electrode 13, each water absorption can be increased. On the other hand, since the hydrophobic resin 132 is dispersed on the activated carbon sheet 131 of the air electrode 13, it is possible to prevent excessive moisture from entering the air electrode 13 from the separator 12. That is, the separator 12 serves as a buffer capable of holding a large amount of moisture, and the allowable range of the amount of moisture given when generating power with the metal-air battery 1 can be expanded.

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。   Furthermore, since sufficient water | moisture content can be hold | maintained at the separator 12 when generating electric power, it can suppress that the water | moisture content of the air electrode 13 or the metal electrode 11 is absorbed by the separator 12 side in the process of electric power generation. This is also a factor for obtaining a stable output for a long time.

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。
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views showing examples of cell units of a plurality of cells.
FIGS. 5B and 5C are enlarged cross-sectional views of a portion B in FIG.
The cell unit 10 may have a configuration in which a plurality of cells C are stacked. In the example illustrated in FIG. 5, the cell unit 10 is configured by stacking four cells C1 to C4 in the first direction D1.

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。   In the example shown in FIG. 5B, each of the cells C1 to C4 includes a metal electrode 11, a separator 12, an air electrode 13, and a current collector plate 14. In addition, when laminating | stacking several cell C1-C4, it is not necessary to provide the current collecting plate 14 between adjacent cells. That is, the current collector plate 14 may be provided only on the uppermost layer. By stacking a plurality of cells C1 to C4 and connecting them in series, the output voltage can be increased.

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。   As an example, the size of the metal electrode 11 made of a magnesium alloy, width 25 mm × length 50 mm × thickness 0.3 mm, separator 12 size, width 25 mm × length 50 mm × thickness 0.1 mm, air made of activated carbon sheet 131 One cell C was configured as the size of the pole 13, width 25 mm × length 50 mm × thickness 0.6 mm, size of the current collector plate 14 made of copper foil, width 25 mm × length 50 mm × thickness 0.03 mm. In this case, the cell unit 10 of one cell C is approximately 3V, the cell unit 10 in which the three cells C are stacked is approximately 5V, the cell unit 10 in which the four cells C are stacked is approximately 12V, and the cell in which the seven cells C are stacked. A voltage of about 24V is obtained in the unit 10. Power generation is started by supplying approximately 2 cc of water to one cell C.

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。   The volume increase amount of the cell unit 10 due to the reaction increases as the number of stacked cells C increases. Therefore, as the number of stacked cells C increases, the effect of obtaining a stable output voltage by providing the pressing member 30 increases.

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。   As shown in FIG.5 (c), when laminating | stacking several cell C1-C4, you may interpose the electroconductive tape 15 between adjacent cells. As the conductive tape 15, a conductive tape provided with a conductive adhesive on both front and back surfaces of a thin metal plate such as Cu is used. By interposing the conductive tape 15 between adjacent cells, when the plurality of cells C1 to C4 are stacked and connected in series, the conductive tape 15 functions as a connection stable conductive material. That is, the adhesiveness between the adjacent cells and the contact area are increased by the conductive tape 15, and power generation by electrical series connection can be stabilized.

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。   In stacking the plurality of cells C1 to C4, the generated voltage per cell may be averaged to 1.5V. For example, the generated voltage is averaged to 1.5 V by appropriately setting the internal resistance of a component such as the separator 12. Accordingly, various voltage standards such as 3V for 2 cells, 4.5V for 3 cells, 6V for 4 cells, and 7.5V for 5 cells can be set. Furthermore, if two sets of four cells are connected in series, a voltage of 12V can be obtained if four sets of four cells are connected in series, and voltage setting corresponding to an existing product can be easily performed.

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。
FIG. 6 is a diagram for explaining temporal changes in the output voltage and output current of the metal-air battery.
In FIG. 6, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents output voltage (V) and output current (mA). Data DT1 to DT3 in FIG. 6 are examples of the metal-air battery 1 according to the present embodiment. In the metal-air battery 1 according to this embodiment, non-size paper that does not contain an electrolyte is used as the separator 12, and a graphene sheet is used as the current collector plate 14.

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。   Data DT4 to DT6 are examples of the metal-air battery according to the reference example. In the metal-air battery according to the reference example, size paper is used as the separator, and the hydrophobic resin is not sprayed on the activated carbon sheet of the air electrode.

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。   Data DT1 and data DT4 are driving voltages when LEDs are connected and lit (load connection), data DT2 and data DT5 are driving currents when the load is connected, and data DT3 and data DT6 are when no load is applied. Voltage.

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。   As shown in data DT4 to DT6, in the metal-air battery according to the reference example, when power generation is started by absorption of moisture, the drive voltage when the load is connected is about 2.6 V, and the drive current when the load is connected is about 5. The voltage at 3 mA, no load is about 4.6V. The driving voltage and the driving voltage suddenly decrease in about 3 hours from the start of power generation. This is because the voltage and current cannot be obtained because excessive moisture is absorbed by the separator. Thereafter, the drive voltage and the drive current are both zero from about 5 hours to about 20 hours. After about 20 hours, both the driving voltage and the driving current are recovered, because the moisture absorbed by the separator is dried and the water content is appropriate enough to obtain an electromotive force. After about 41 hours, the electromotive force is lost.

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。   on the other hand. As shown in the data DT1 to DT3 of FIG. 6, in the metal-air battery 1 according to the present embodiment, when power generation is started by moisture absorption, the drive voltage when the load is connected is about 2.8V, and the drive when the load is connected. The current is about 8 mA and the no-load voltage is about 5.5V. In the metal-air battery 1 according to the present embodiment, a stable drive voltage is obtained even after 147 hours have elapsed from the start of power generation. That is, the drive voltage at the time of load connection is about 2.7 V after 147 hours have elapsed, and is stable with little decrease from the start of power generation. Here, as indicated by the data DT2, the reason why the drive current at the time of connecting the load decreases and increases in the middle is because of water supply at this timing for the convenience of the experiment. The driving current that has decreased due to the replenishment of water will increase again.

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。   Although not shown, when Cu or stainless steel is used instead of the graphene sheet as the current collecting plate 14 of the metal-air battery 1 according to the present embodiment, a stable driving voltage is obtained until about 72 hours have elapsed from the start of power generation. It has gained.

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。   As described above, in the metal-air battery 1 according to the present embodiment, the water retention capacity can be increased by using a sheet-like non-size paper as the separator 12. For this reason, even when a large amount of water is supplied by the user when power generation of the metal-air battery 1 is performed, the separator 12 and the air electrode 13 have a saturated water content (a water content that hinders power generation) in a short time. Can be suppressed. Further, since the moisture in the air can be absorbed by the non-size paper of the separator 12, no power generation reaction occurs. Therefore, in the distribution and storage of the metal-air battery 1, it is not necessary to pack the metal-air battery 1 with a vacuum pack, and it is possible to cope with even normal packing.

〔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。
[Power generation equipment]
FIG. 7 is a schematic perspective view illustrating the configuration of the power generation device.
For convenience of explanation, the case 110 is indicated by a two-dot chain line.
A power generation apparatus 100 shown in FIG. 7 is obtained by storing a plurality of metal-air batteries 1 according to this embodiment in a case 110. Each metal-air battery 1 is housed so that the extraction electrodes 51 and 52 are arranged on the upper side. In the example shown in FIG. 7, a total of 25 metal-air batteries 1 of 5 × 5 are stored in one case 110. Since the casing 20 of the metal-air battery 1 has a box shape, the plurality of metal-air batteries 1 can be efficiently stored in the case 110 in the vertical and horizontal directions.

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。   A plurality of metal-air batteries 1 are stored in the case 110 by covering the case 110 with a lid (not shown). In addition, an electrode may be provided on the back of the lid, and the metal-air battery 1 may be electrically connected by covering the lid. The electrical connection of each metal-air battery 1 may be in series, in parallel, or a combination thereof.

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。   The case 110 can be supplied with water. If there is no water supply, no power is generated. When power generation is performed, a predetermined amount of water is supplied to the case 110 and the bottom of the case 110 is immersed in water. This water enters the case 20 from the hole h provided in the case 20 of the metal-air battery 1, and power is generated in the cell unit 10 of each metal-air battery 1.

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。   The power generation apparatus 100 using the metal-air battery 1 can be stored for a long time unless water is supplied. In addition, power can be generated simply by supplying water, making it ideal as a power source for emergencies such as disasters. In the power generation device 100 according to the present embodiment, the size of the case 110 is about 94 mm long × 172 mm wide × 76 mm high, which is smaller than the engine generator. Moreover, since the weight is light compared with a lead acid battery, it is suitable as a power supply prepared for emergency use.

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。   Moreover, after it has been used up, the used metal-air battery 1 may be replaced with a new metal-air battery 1, which is economical.

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。   As described above, according to the metal-air battery 1 according to the embodiment, it is possible to maintain a sufficient amount of water between the separator 12 and the air electrode 13 while improving the water absorption capability of the separator 12. It becomes possible to obtain a stable output over time.

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。   In addition, although this embodiment and its specific example were demonstrated above, this invention is not limited to these examples. For example, in this embodiment, although the example provided with the press member 30 was shown, even if it is the metal air battery 1 which is not provided with the press member 30, it is applicable. Further, those in which those skilled in the art appropriately added, deleted, and changed the design of the above-described embodiments or specific examples thereof, and combinations of the features of each embodiment as appropriate are also included in the present invention. As long as the gist is provided, it is included in the scope of the present invention.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal-air battery 10 ... Cell unit 11 ... Metal electrode 12 ... Separator 13 ... Air electrode 14 ... Current collecting plate 15 ... Conductive tape 20 ... Housing 21 ... Inner wall 25 ... Lid 26 ... Bottom wall 27 ... Sealing material 30 ... Press member 30a ... one end 30b ... other end 31 ... first press member 32 ... second press member 51 ... take-out electrode 52 ... take-out electrode 100 ... power generation device 110 ... case 131 ... activated carbon sheet 131a ... surface 132 ... hydrophobic resin 211 ... Inner wall 212 ... Inner wall C ... Cell G ... Gap G1 ... Gap G2 ... Gap S ... Movable region S1 ... Movable region S2 ... Movable region h ... Hole

Claims (8)

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。
A cell unit in which a metal electrode serving as a negative electrode, a separator for eluting metal ions from the metal electrode, and an air electrode serving as a positive electrode are laminated in a first direction;
A housing for accommodating the cell unit;
With
The air electrode is a metal-air battery having an activated carbon sheet and a hydrophobic resin dispersed on at least the separator-side surface of the activated carbon sheet.
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。   The metal-air battery according to claim 1, wherein the hydrophobic resin includes a fluororesin. 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。   The metal air battery according to claim 1, wherein the air electrode includes sodium chloride. 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。   The metal-air battery according to claim 1, wherein the separator has a sheet-like non-size paper. 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。   The metal-air battery according to claim 1, wherein the separator contains citric acid. 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。
The cell unit further includes a current collector plate in contact with the air electrode on the opposite side of the air electrode from the metal electrode,
6. The metal-air battery according to claim 1, wherein the current collector plate is made of a carbon-based conductive material containing graphene.
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。
A pressing member that is provided in a gap in the first direction between the cell unit and the inner wall of the housing, and further applies a pressing force to the cell unit;
The metal-air battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the pressing member is provided so as to extend in a second direction orthogonal to the first direction when the gap is narrowed.
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。

The metal air battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the cell unit has a configuration in which a plurality of unit cells including the metal electrode, the separator, and the air electrode are stacked in the first direction.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107994300A (en) * 2017-12-18 2018-05-04 合肥艾鑫智能科技有限公司 A kind of metal-air battery

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