JP2018067448A - 金属空気電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】複数の金属空気電池セルを連結してもコンパクトな構成にできると共に、空気極の破損や短絡を防止することが可能な金属空気電池ユニットを提供すること。【解決手段】本発明の金属空気電池ユニット（１）は、外側に配置された少なくとも一対の空気極（３）と、空気極の内側に配置された金属極（４）と、を有する金属空気電池セル（２２）が複数個、空間（２５）を介して並設されており、各金属空気電池セルにて対向する空気極の間の空間に、空気極同士が互いに接触するのを防止する接触防止部材（１１）が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の金属空気電池セルを備えた金属空気電池ユニットに関する。

金属空気電池では、正極である空気極において、大気中の酸素を正極活物質として利用し、当該酸素の酸化還元反応が行われる。一方、負極である金属極において、金属の酸化還元反応が行われる。金属空気電池のエネルギー密度は高く、災害時等における非常用電源等の役割として期待されている。この非常用電源等の役割として期待される金属空気電池は、一般的に所望の電気出力に応じて、複数の金属空気電池セルから構成されており、電解液を各金属空気電池セルに給水する事で発電が開始される。

複数の金属空気電池セルを連結しユニット化することで、所望の出力を得ることが出来る。下記に挙げた特許文献には、電池ユニットの構造について記載されている。

特開２０１３−１５２８９４号公報 特開２０１５−９９７４０号公報

特許文献１に記載の金属空気電池のように、金属空気電池セルの片面にのみ空気極が配置された構成では、一つの金属空気電池セルにおける出力が低く、所望の出力を得るには多くの金属空気電池セルを連結する必要があり、金属空気電池が大型化する問題があった。

また、特許文献２に記載の金属空気電池の様に、金属空気電池セルの両面に空気極が配置された構成でも良いが、金属の酸化還元反応による生成物が発生し、酸化還元反応の進行によって発生した生成物が堆積して、空気極が押し広げられ、空気極の破損の恐れがある。また、複数の金属空気電池セルを連結した場合、生成物によって空気極が押し広げられると空気極同士の接触で短絡してしまうため、連結した金属空気電池セル間の距離を確保する必要があり、金属空気電池が大型化する問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、複数の金属空気電池セルを連結してもコンパクトな構成にできると共に、空気極の破損や短絡を防止することが可能な金属空気電池ユニットを提供することを目的とする。

本発明の金属空気電池ユニットは、両側に配置された空気極と、前記空気極の内側に配置された金属極と、を有する金属空気電池セルが複数個、空間を介して並設されており、前記空間に、各金属空気電池セルの対向する前記空気極同士が、互いに接触するのを防止する接触防止部材が設けられていることを特徴とする。

本発明では、前記接触防止部材は、前記空気極を前記金属空気電池セルに固定する固定枠と一体的に設けられていることが好ましい。

また本発明では、前記接触防止部材は、前記空気極の外側に当接して設けられており、前記接触防止部材が当接していない前記空気極の暴露面積は、７０％以上であることが好ましい。

また本発明では、前記接触防止部材は、絶縁材で形成されることが好ましい。

また本発明では、前記空気極は、前記空間にて、互いに接近する方向に押し広げられる変形が許容されており、前記変形に基づく前記空気極同士の接触が前記接触防止部材にて防止されることが好ましい。

また本発明では、前記金属空気電池セルにて、前記金属極は、前記空気極と同数設置されることが好ましい。

また、本発明では、各金属空気電池セルには、電解液を給水する給水孔が設けられており、各金属空気電池セルの上面側には、複数の前記給水孔に給水可能な共通の給水スペースが設けられていることが好ましい。

また、本発明では、前記給水スペースに隣接し、電池出力を制御する電気系統スペースが設けられていることが好ましい。

本発明の金属空気電池ユニットによれば、複数の金属空気電池セルを連結してもコンパクトな構成にできると共に、空気極の破損や短絡を防止することができる。

第１の実施の形態における、金属空気電池ユニットの部分断面図である。 図１に示す各金属空気電池セルの部分側面図である。 金属空気電池セルを構成する空気極同士が短絡した状態を示す部分断面図である。 図１に示す金属空気電池ユニットにて、空気極同士の短絡が防止される状態を示す部分断面図である。 本実施の形態における、接触防止部材の形状を示す模式図である。 第２の実施の形態における、金属空気電池ユニットの部分断面図である。 本実施の形態の給水スペース、及び、電気系統スペースを示す模式図（金属空気電池ユニットの上面図）である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

図１は、第１の実施の形態における、金属空気電池ユニットの部分断面図である。また、図２は、図１に示す各金属空気電池セルの部分側面図である。なお、図１では、同じ構成の金属空気電池セル２２が３つ図示されているが、各金属空気電池セル２２の全てに符号を入れておらず、同じ構成部材については、同じ符号が付されているものとする。他の図面においても同様である。なお、図１では、接触防止部材１１の図示を誇張するために、図２よりも幅寸法を大きく図示した。また、各図における寸法比は、図面の見易さのため、夫々任意となっている。

図１に示すように、金属空気電池ユニット１は、複数個の金属空気電池セル２２がセル台座２４上に並設されたユニット本体２３を備える。図１に示す構成では、金属空気電池セル２２の数が３個であるが数を限定するものではない。所望の電気出力に応じて、連結する金属空気電気セル２２の数を規定することが出来る。図１に示すように、各金属空気電池セル２２は、空間２５を介して並設されている。

図１に示すように、各金属空気電池セル２２は、両側に配置された一対の空気極３と、空気極３の内側に配置された金属極４とを備える。空気極３は、各金属空気電池セル２２の外側に位置し外部に露出した状態（空気に曝される状態）とされる。このように、各金属空気電池セル２２を複数個、並設し、各金属空気電池セル２２の両側に空気極３を配置することで、金属空気電池ユニット１の高出力及び小型化を実現できる。

図２（図１の矢印方向Ａから見た部分側面図）に示すように、空気極３の周囲の外周部は、固定枠５にて固定されている。固定枠５は、金属空気電池セル２２を構成するケースの一部である。なお、空気極３を固定する方法は、接着剤を用いるなど従来公知の方法であってもよいが、空気極３を固定枠５にて固定することが、金属空気電池セル２２の運転時等にて、空気極３を確実に金属空気電池セル２２に固定でき、好ましい。

また、図１や図２には図示しないが、ユニット本体２３の両側には、プロテクタが配置されても良く、プロテクタを配置する事で、ユニット本体２３の外側に位置する空気極３を、外部から保護している。このとき、プロテクタと空気極３との間には、空間が形成されている。これにより、各金属空気電池セル２２間にて対向する空気極３を、各金属空気電池セル２２間に設けられた空間２５により空気に曝すことができると共に、ユニット本体２３の両側に配置された空気極３も、プロテクタとの間の空間により空気に曝すことができる。

図１に示すように、ユニット本体２３の上面には上ケース２６が設けられている。図１に示すように、上ケース２６は、底面２６ａと、底面２６ａの各辺から立設された側面２６ｂとを、有して構成される。図１に示すように、上ケース２６には、各金属空気電池セル２２に電解液を供給する給水スペース２７が設けられる。

図１に示すように、各金属空気電池セル２２の上面側には、セル内部へ通じる給水孔を備えた筒状部２２ａが設けられている。給水スペース２７の底面２６ａには、筒状部２２ａと対応する位置に穴が設けられている。そして、筒状部２２ａが、給水スペース２７の底面２６ａの穴に挿入されて、筒状部２２ａの一部が、給水スペース２７内に位置する。

図１に示すように、電解液７が、給水スペース２７に供給されると、筒状部２２ａの給水孔を通じて、電解液７が、各金属空気電池セル２２の内部に供給され、発電が開始される。

金属極４がマグネシウムであるとき、金属極４の近傍においては、下記（１）で示す酸化反応が生じる。また、空気極３においては、下記（２）で示す還元反応が生じる。マグネシウム空気電池全体としては、下記（３）に示す反応が起こり、放電が行われる。
（１） ２Ｍｇ →２Ｍｇ^２＋＋４ｅ⁻
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ →４ＯＨ⁻
（３）２Ｍｇ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ →２Ｍｇ（ＯＨ）_２

ところで、上記酸化還元反応において生成物が生じ、該生成物は、電極に付着する。図３に示す金属空気電池ユニットは、本実施の形態の金属空気電池ユニット１に対する比較例である。

図３に示すように、生成物１０は、徐々に各金属空気電池セル２２の内部に堆積する。この堆積された生成物１０が空気極３を外側に押し広げる。これにより、各金属空気電池セル２２の間の空間２５にて対向する空気極３同士が近接する方向に変形し、空気極３が破損したり、やがて、対向する空気極３同士が接触し、短絡してしまう。

そこで、本実施の形態では、図１に示すように、各金属空気電池セル２２にて対向する空気極３の間の空間２５に、空気極３同士が接触するのを防止する接触防止部材１１を設けた。

図４は、図１に示す金属空気電池ユニットにて、空気極同士の短絡が防止される状態を示す部分断面図である。

図４に示すように、生成物１０が、各金属空気電池セル２２の内部に堆積し、生成物１０が空気極３を押し広げるように変形しても、接触防止部材１１の介在により、空気極３同士が直接接触するのを防止できる。したがって、本実施の形態によれば、空気極３同士が短絡する不具合を防止することができる。また、空気極３の外側に配置された接触防止部材１１により、空気極３同士が接近する方向への変形量を抑制でき、空気極３の破損を効果的に抑制することができる。

本実施の形態では、ある程度、空気極３が外側に押し広げられ変形することを許容するように、接触防止部材１１を設けることが好ましい。すなわち、空気極３の変形を許容することで、金属極４と空気極３間の生成物１０の堆積スペースを確保でき、発電時間を延ばすことができる。その一方で、空気極３の変形が大きくなると破損が生じたり、短絡が発生するため、本実施の形態では、接触防止部材１１を設けることで変形の許容量を小さくして破損が生じにくくし、また短絡発生を防止している。

図５は、本実施の形態における、接触防止部材の形状を示す模式図である。図５Ａに示す接触防止部材１１の形状は、図２に示すものと同じである。すなわち、図５Ａでは、接触防止部材１１は、空気極３の縦方向の略中央位置を通って左右方向（縦方向に対して直交する方向）に延出して固定枠５に連結されている。このように、図５Ａでは、接触防止部材１１が、固定枠５と一体的に形成されている。これにより、接触防止部材１１を、空気極３に接着等せず、簡単に、空気極３の外側に配置することができる。

また、図５Ｂに示すように、空気極３の縦方向に対して三等分するように、２本の接触防止部材１１が、左右に延出し、各接触防止部材１１の両端が、固定枠５に連結されていてもよい。なお、接触防止部材１１の本数を特に限定するものでないが、あまり本数を多くすると、外部に露出する空気極３の暴露面積、すなわち、空気に曝される暴露面積が減るので、必要な暴露面積に応じて、接触防止部材１１の本数や、接触防止部材１１の大きさを任意に決めることができる。

また、図５Ｃに示すように、四角形状の固定枠５の対角同士を結ぶ１本の接触防止部材１１が設置されてもよい。また、図５Ｄに示すように、固定枠５の夫々の対角同士を結ぶ２本の接触防止部材１１が、設置されていてもよい。

また、図５Ｅに示すように、接触防止部材１１を、固定枠５と連結せずに、空気極３の略中央のみに設置しても良い。このとき、接触防止部材１１は、空気極３の外面に接着剤等で接合される。また、図５Ｆに示すように、複数個の接触防止部材１１を、接着剤等で、空気極３の外面に接合しても良い。なお、図５Ｅ及び図５Ｆにおいて、接触防止部材１１の数や形状を限定するものでなく、任意の数や形状とすることができる。

図５に示す各接触防止部材１１は、いずれも、空気極３の外側に当接して設けられている。したがって、空気極３の外部への暴露面積は、空気極３の外面に対して、接触防止部材１１が設けられていない領域となる。このとき、暴露面積は、７０％以上であることが好ましい。また、暴露面積は、８０％以上となることが特に好ましい。空気極３の暴露面積が、７０％未満であると、反応に必要な空気を取り込む量が不足するため、金属空気電池として所望の出力が得られない場合がある。したがって、空気極３の暴露面積が、７０％以上となるように、接触防止部材１１の大きさや数を調整することが好ましい。

また、図示しないが、図１に示す各金属空気電池セル２２の間の空間２５に、シート状（例えば、紙やプラスチックシート）の接触防止部材１１が、各空気極３から離隔されて配置されていてもよい。これによっても、堆積された生成物１０により空気極３が押し広げられ、空気極３同士が接近する方向に変形しても、空気極３同士が接触するのを、適切に防止することができる。

また、図１では、空間２５において、対向する空気極３の外面の両方に、接触防止部材１１が設けられているが、一方の空気極３の外面にのみ接触防止部材１１を設けてもよい。また、図１では、空間２５において、対向する空気極３の外面の両方に、接触防止部材１１を同じ中央位置に設けているが、一方の空気極３の外面に設けられる接触防止部材１１と、他方の空気極３の外面に設けられる接触防止部材１１と、を異なる場所に設置してもよい。

また、図５においては、図５Ｂを除いて、接触防止部材１１が、空気極３の略中央位置や略中央を通るように形成されているが、空気極３の略中央位置が最も外側に押し広げられやすいため、接触防止部材１１を略中央に設けることで、生成物１０が形成された際の空気極３の変形を抑制でき、空気極３の破損と短絡を効果的に防止することができる。ただし、接触防止部材１１の形成位置は、空気極３の略中央位置や略中央を通る位置に限定されるものではない。

本実施の形態では、接触防止部材１１は、絶縁材で形成されることが好適である。これにより、接触防止部材１１を介して空気極３同士が接触しても電気的に短絡することはない。絶縁材の材質を限定するものでなく、無機材料及び有機材料の別を問わない。例えば、固定枠５と一体的に、接触防止部材１１を設ける構成では、固定枠５を絶縁樹脂の成形体で形成することができるので、接触防止部材１１を、同じ絶縁樹脂の成形体で形成することができる。

図２等に示すように、接触防止部材１１を、固定枠５と一体的に形成する構成では、上記したように、接触防止部材１１と固定枠５とを成形体にて一体的に形成できる。このため、接触防止部材１１と固定枠５とが一体的に成形された部材を、図１に示すように、ユニット本体の外側に位置する空気極３の固定用としても用いることで、成形型は一種類で足りる。すなわち、ユニット本体２３の外側に位置する空気極３においては、生成物１０にて押し広げられても、対向する空気極３は存在しないため、短絡の不具合は生じない。そのため、ユニット本体２３の外側の空気極３用の固定枠５に、接触防止部材１１が形成されていなくてもよいが、その場合は、成形型が２種類必要となる。よって、接触防止部材１１と固定枠５とが一体的に成形された部材を、ユニット本体２３の外側に位置する空気極３の固定用としても用いることで、成形型は一種類で足り、製造コストを低減させることができる。また、既述したように、ユニット本体２３の両側に、プロテクタが配置される構成では、接触防止部材１１が、プロテクタの内面に接触し、空気極３がプロテクタに直接接触するのを防止することができる。

図６は、第２の実施の形態における、金属空気電池ユニットの部分断面図である。図６に示す第２の実施の形態では、金属空気電池セル２２内に、金属極４が、空気極３と同数設置されている。すなわち、図６に示すように、各金属空気電池セル２２において、空気極３及び金属極４は共に、２枚ずつ設置される。なお、図６に示すように、各金属極４は、対向する空気極３と略同一の面積にて形成されることが好ましい。

また、図６に示すように、２枚の金属極４は空間１２を介して離れており、この空間１２は、電解液７で満たされる。よって、図６に示す構成では、図１に示す構成に比べて、電池反応領域が増え、電池出力を向上させることができる。

金属極４は、表面が平面であっても良いし、凹凸面であってもよい。また、金属極４には、生成物１０を、金属極４間の空間１２に逃がすためのスリットや孔（いずれも図示しない）を設けても良い。

また、各金属空気電池セル２２の各電極を直列接続しても並列接続してもよく、配線方法を特に限定するものではない。

図７は、本実施の形態の給水スペース、及び、電気系統スペースを示す模式図（金属空気電池ユニットの上面図）である。

図７Ａに示す実施の形態では、給水スペース２７と、電気系統スペース２８とが、一体の上ケース２６に設けられている。ここで、電気系統スペース２８は、各金属空気電池セルを構成する空気極や金属極に接続される配線や、制御基板等を配置するスペースである。

図７Ａに示すように、給水スペース２７と、電気系統スペース２８との間には、底面２６ａから壁２９が立設されている。壁２９の高さは、例えば、側面２６ｂの高さと同程度である。壁２９が設けられることで、給水スペース２７に供給された電解液が、電気系統スペース２８に流れるのを防止することが出来る。

図７Ｂに示す実施の形態では、給水スペース２７と電気系統スペース２８とが、別体の上ケース３２、３３に設けられている。図７Ｂでは、上ケース３２と上ケース３３との対向面が接しているが、上ケース３２と上ケース３３との対向面間に隙間があってもよい。

また、上記に挙げた実施の形態では、給水スペース２７と、電気系統スペース２８とが共に、上ケースに設けられていたが、例えば、給水スペース２７を、上ケースに配置し、電気系統スペース２８を、ユニット本体２３の外側面に設けることも可能である。ただし、給水スペース２７と、電気系統スペース２８とを、一体的に或いは個別に上ケースに設けることで、コンパクトで且つ部品点数が少ない金属空気電池ユニット１の構成にできる。

本発明の金属空気電池によれば、複数の金属空気電池セルを連結してもコンパクトな構成にできるとともに、空気極の破損や短絡を防止する金属空気電池を提供することができる。したがって、本発明の金属空気電池ユニットを、災害時等における非常用電源等として有効に適用することが出来る。

１ 金属空気電池ユニット
３ 空気極
４ 金属極
７ 電解液
１０ 生成物
１１ 接触防止部材
１２、２５ 空間
２２ 金属空気電池セル
２２ａ 筒状部
２３ ユニット本体
２４ セル台座
２６、３２、３３ 上ケース
２７ 給水スペース
２８ 電気系統スペース
２９ 壁

Claims (8)

1. 両側に配置された空気極と、前記空気極の内側に配置された金属極と、を有する金属空気電池セルが複数個、空間を介して並設されており、
   前記空間に、各金属空気電池セルの対向する前記空気極同士が、互いに接触するのを防止する接触防止部材が設けられていることを特徴とする金属空気電池ユニット。
2. 前記接触防止部材は、前記空気極を前記金属空気電池セルに固定する固定枠と一体的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池ユニット。
3. 前記接触防止部材は、前記空気極の外側に当接して設けられており、前記接触防止部材が当接していない前記空気極の暴露面積は、７０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属空気電池ユニット。
4. 前記接触防止部材は、絶縁材で形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属空気電池ユニット。
5. 前記空気極は、前記空間にて、互いに接近する方向に押し広げられる変形が許容されており、前記変形に基づく前記空気極同士の接触が前記接触触防止部材にて防止されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の金属空気電池ユニット。
6. 前記金属空気電池セルにて、前記金属極は、前記空気極と同数設置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の金属空気電池ユニット。
7. 各金属空気電池セルには、電解液を給水する給水孔が設けられており、各金属空気電池セルの上面側には、複数の前記給水孔に給水可能な共通の給水スペースが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の金属空気電池ユニット。
8. 前記給水スペースに隣接し、電池出力を制御する電気系統スペースが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の金属空気電池ユニット。
   
   

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