JP6437797B2 - 金属空気電池および金属空気組電池 - Google Patents

Description

本発明は、正極および負極を収容する筐体を備えた金属空気電池、および複数の金属空気電池を接続した金属空気組電池に関する。

近年、電極用金属の化学反応を用いた様々な電池が実用化されており、その１つとして金属空気電池が挙げられる。金属空気電池は、空気極（正極）、燃料極（負極）、および電解質（または電解液）等で構成されており、電気化学的な反応により、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、およびリチウム等の金属が金属酸化物に変化する過程で得られる電気エネルギーを取り出して利用する。

例えば、燃料極として亜鉛を用いた金属空気電池では、放電時に燃料極および空気極において、以下のような反応が起こる。燃料極では、亜鉛と水酸化物イオンとが反応することで、水酸化亜鉛が生成されると共に、放出された電子が空気極へ流れる。生成された水酸化亜鉛は、酸化亜鉛と水とに分解され、電解液内に水が戻る。一方、空気極では、空気中に含まれる酸素と、燃料極から流れてきた電子とが、空気極触媒によって水と反応し、水酸化物イオンに変化する。水酸化物イオンは、電解液中をイオン伝導し、燃料極へ到達する。このようなサイクルにより、金属空気電池は、空気極から取り込んだ酸素を利用し、燃料極の亜鉛を燃料として酸化亜鉛を形成しながら、連続的な電力の取り出しを実現する。

一般的な電池は、反応に必要な正極、負極、および電解質を電池（セル）に内蔵しており、内蔵した物質から電力を取り出している。これに対し、金属空気電池は、上述したように、セル内に正極活物質である酸素を内蔵していないため、他の物質の割合を増やすなどして、エネルギー密度を大きくすることができる。理論的なエネルギー密度は、リチウムイオン電池よりも大きくできる可能性があり、現在、金属空気電池は、補聴器用のボタン電池（一次電池）等の用途で既に実用化されている。一方、二次電池に関しては、様々な研究が取り組まれているが、例えば、２極方式の場合、充電によって燃料極が再生されても空気極が酸化消耗して、耐用期間が短くなるという問題があり、充放電反応に適した安価な空気極の実現が困難である等の課題から、いまだ実用化されていない。

上述した充電の課題を解決するために、充電時に空気極を使わず、第３の電極を用いる３極方式の金属空気電池が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の充電式空気電池は、空気極および金属電極に加えて、補助電極を備えた３極方式とされている。具体的には、図１９の従来の充電式空気電池を示す要部断面図のような構成とされており、充電式空気電池９１０は、電解液９１６が入れられたケース９１３と、ケース９１３の側面に設けられた空気極９１１と、電解液９１６中に配置された金属電極９１２および補助電極９１５とで電池部が構成され、電池部の外部に設けられた光電変換部９１８および負荷９１７に接続されている。負荷９１７は、空気極９１１と金属電極９１２との間に接続されており、電池部での放電反応によって電力が供給される。光電変換部９１８は、金属電極９１２と補助電極９１５との間に接続されており、光電変換部９１８と補助電極９１５との間には、ダイオード９１４が設けられている。光電変換部９１８は、光が照射されると電圧印加して、金属電極９１２と補助電極９１５との間で充電反応を行わせ、金属電極９１２の充電を行う。

また、３極方式とは異なる方法として、燃料極を丸ごと交換するメカニカルチャージ（機械式充電）も検討されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に記載の金属−空気電池用ケースは、空気を正極とし、かつ、負極となる金属部と、金属部が通過可能な出入口が形成された筐体と、筐体内に設けられ、金属部を収納する収納部とを備えている。

特開２０００−１３３３２８号公報 特開２００４−３６２８６９号公報

ところで、金属空気電池の理論電圧（計算上の開放電圧）は、図２０Ａの金属種毎の金属空気電池の理論電圧を示す特性図表のように、燃料極に用いる金属種によって異なるが、１．６５〜３．１２Ｖである。これに対し、リチウムイオン電池の平均電圧は、図２０Ｂの正極材料毎のリチウムイオン電池の平均電圧を示す特性図表のように、３．３〜４．２Ｖであって、金属空気電池は、リチウムイオン電池より電圧が概ね低い傾向がある。

上述した補聴器用ボタン電池では、亜鉛を燃料極として実用化されているが、亜鉛を用いた金属空気電池の電圧は、図２０Ａに示す金属種の中で最も低い１．６５Ｖである。しかしながら、金属空気電池は、用途に応じて高い電圧を要求される場合もあり、セルを直列に並べてモジュール（組電池）化する必要がある。

モジュール化した金属空気電池を用いる場合には、複数のセルを搭載することを考慮して、セルの小型化や軽量化が重要となっている。ここで、セルを構成するフレーム等の構造体やモジュールに接続された電気系統によって、容量の増加が懸念され、理論上のエネルギー密度に対し、実際のエネルギー密度が低下するという課題があった。また、金属空気電池では、反応に際して空気（酸素）を必要とし、モジュールの各セルに対して空気の送風路を確保するため、セルの集約に限度があり、モジュールが大型化するという課題があった。金属空気電池は、特に移動体等に搭載する際、積載重量や容積に関して大きな制約があり、上述したことが課題となっていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度が高く、移動体等に搭載可能な金属空気電池および金属空気組電池を提供することを目的とする。

本発明に係る金属空気電池は、正極である空気極と、負極である燃料極と、補助極と、前記空気極、前記燃料極、および前記補助極を収容する筐体とを備えた金属空気電池であって、前記筐体は、外部から空気を取り込む空気取込口が取込側面に設けられ、前記空気極は、前記空気取込口を覆うように、前記取込側面に沿って設けられ、前記補助極は、前記筐体を兼用し、前記空気極の内側の面に沿って設けられていることを特徴とする。

本発明に係る金属空気電池では、前記燃料極は、前記筐体の燃料側面に沿って設けられ、該燃料側面を補強している構成としてもよい。

本発明に係る金属空気電池では、前記燃料極は、金属を材料として、平板状に形成されている構成としてもよい。

本発明に係る金属空気電池では、前記空気極は、前記筐体の互いに対向する２つの側面にそれぞれ設けられ、前記燃料極は、前記空気極が対向する方向での前記筐体の中央部において、前記筐体と一体的に形成されている構成としてもよい。

本発明に係る金属空気電池では、前記補助極は、金属を材料として、平板状に形成されている構成としてもよい。

本発明に係る金属空気電池では、前記筐体は、互いに対向する２つの側面を前記取込側面として、それぞれに前記空気取込口が設けられた構造とされ、前記空気極および前記補助極は、２つの前記空気取込口に対応して、それぞれ２つ設けられている構成としてもよい。

本発明に係る金属空気電池では、前記燃料極は、前記筐体の燃料側面に沿って設けられ、該燃料側面を補強している構成としてもよい。

本発明に係る金属空気組電池は、本発明に係る金属空気電池を複数備え、前記複数の金属空気電池は、直列に接続されていることを特徴とする。

本発明に係る金属空気組電池では、前記筐体の側面のうち、いずれか１つを第１隣接側面とし、前記第１隣接側面と対向する側面を第２隣接側面とするとき、前記複数の金属空気電池は、前記第１隣接側面同士および前記第２隣接側面同士が対面するように隣接して並べられている構成としてもよい。

本発明によると、電極が筐体を兼用した構造とされているため、簡素な筐体とすることができ、金属空気電池の小型化および軽量化を図ることができる。

切替装置の構成例を模式的に示すブロック図である。 充電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。 放電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。 発電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る電池セルの概略断面図である。 図５の筐体上部を拡大して示す拡大断面図である。 図５の取込側面の側から見た概略側面図である。 空気極を拡大して示す拡大断面図である。 補助極を拡大して示す拡大側面図である。 本発明の第１実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。 電池モジュールを上面視した状態での配線を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る金属空気電池の補助極を拡大して示す拡大側面図である。 本発明の第２実施形態の変形例での補助極を拡大して示す拡大側面図である。 本発明の第３実施形態に係る電池セルの概略断面図である。 図１３の筐体上部を拡大して示す拡大断面図である。 図１３の第１取込側面の側から見た概略側面図である。 図１３の第２取込側面の側から見た概略側面図である。 本発明の第３実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。 電池モジュールを上面視した状態での配線を示す説明図である。 電池モジュールにおける諸特性を示す特性図表である。 従来の充電式空気電池を示す要部断面図である。 金属種毎の金属空気電池の理論電圧を示す特性図表である。 正極材料毎のリチウムイオン電池の平均電圧を示す特性図表である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。なお、以下では、金属空気電池が１つである場合に、電池セル１（後述する図５参照）と呼び、複数の電池セル１が接続された金属空気組電池を、電池モジュール３０（後述する図１０参照）と呼ぶことがある。金属空気電池においては、電池セル１単体で使用することもでき、複数の電池セル１を接続して、電池モジュール３０として使用することもできる。つまり、電池セル１と電池モジュール３０とは、いずれも負荷に対して接続された１つの電池とみなすことができる。このことを考慮して、以下では、電池セル１と電池モジュール３０とを併せて、金属空気二次電池と呼ぶことがある。

図１は、切替装置の構成例を模式的に示すブロック図である。

金属空気二次電池は、切替装置３００を介して外部負荷および外部電源に接続されている。切替装置３００は、金属空気二次電池の空気極１０１、燃料極１０２、および補助極１０３（詳しくは、後述する図５参照）に接続されており、また、外部負荷の正極および負極並びに外部電源の正極および負極に接続されている。切替装置３００は、切替部３０１と電池制御部３０２とを備えている。切替部３０１は、外部負荷および外部電源のそれぞれの電極に対する金属空気二次電池の接続状態を切り替える。電池制御部３０２は、切替部３０１の切り替えによる接続状態を制御する。電池制御部３０２は、人為的作業による手動切替操作および自動判定による切替処理のいずれかの機能、あるいは双方の機能を有する。金属空気二次電池は、接続状態によって、放電モード、充電モード、および発電モードの３種類のモードを切り替えて動作する。

図２は、充電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。

充電モードでは、外部電源によって金属空気二次電池を充電する接続状態であって、外部電源の正極と補助極１０３とが接続され、外部電源の負極と燃料極１０２とが接続されている。金属空気二次電池は、外部電源から電圧を印加されることで、電気分解が発生し、燃料極１０２に亜鉛が析出する形で充電が行われる。

図３は、放電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。

放電モードは、金属空気二次電池から外部負荷に対して電力を供給する接続状態であって、外部負荷の正極と空気極１０１とが接続され、外部負荷の負極と燃料極１０２とが接続されている。燃料極１０２では、放電によって亜鉛の酸化反応が生じる。

図４は、発電モードにおける切替部の接続状態を示すブロック図である。

発電モードは、燃料極１０２の換わりに補助極１０３を用いて外部負荷に電力を供給する接続状態であって、外部負荷の正極と空気極１０１とが接続され、外部負荷の負極と補助極１０３とが接続されている。つまり、図３に示す放電モードなどで、溜めていた電力を使いきった際、燃料極１０２から補助極１０３へ接続を切り替えることで、外部負荷への電力供給が可能になる。

次に、本発明の第１実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。

図５は、本発明の第１実施形態に係る電池セルの概略断面図であって、図６は、図５の筐体上部を拡大して示す拡大断面図であって、図７は、図５の取込側面の側から見た概略側面図である。なお、図５は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略し、筐体１０を透視して示している。また、図６は、図７の矢符Ａ−Ａでの断面に相当する。

電池セル１は、筐体１０の内部に、空気極１０１、燃料極１０２、補助極１０３、および電解液２０が収納された構成とされている。なお、以下では説明の簡略化のため、空気極１０１、燃料極１０２、および補助極１０３を併せて電極と呼ぶことがある。

筐体１０は、アクリル、ＰＯＭ（ポリアセタール）、およびＡＢＳ等の耐アルカリ性を有する樹脂で形成され、内部が空洞とされた直方体状とされている。筐体１０は、幅方向Ｘおよび高さ方向Ｚに対して、厚さ方向Ｙでのサイズが小さく形成されている。具体的には、筐体１０のサイズは、幅方向Ｘ（横）が２００ｍｍで、厚さ方向Ｙ（奥行）が１０．８４ｍｍで、高さ方向Ｚ（縦）が１３５ｍｍである。なお、電池セル１は、容量が２９２．７ｃｍ³で、重量が６４６ｇである。また、筐体１０の側面は、幅方向Ｘで第１横側面１６（図７では、左側）と第２横側面１７（図７では、右側）とが対向し、厚さ方向Ｙで取込側面１１（図６では、左側）と燃料側面１２（図６では、右側）とが対向している。取込側面１１には、矩形状の空気取込口１３が内部を開口するように形成されている。つまり、電池セル１は、空気取込口１３を介して内部に空気を取り込む。空気取込口１３は、幅方向Ｘまたは高さ方向Ｚに沿って設けられた複数の桟１４によって格子状に区切られている。複数の桟１４は、電解液２０の圧力で空気極１０１が外側へ膨らむのを抑制する。筐体１０の上面には、２つの電解液投入口１５がそれぞれ内部まで貫通形成されており、電解液投入口１５を介して内部に電解液２０を補充することができる。２つの電解液投入口１５は、幅方向Ｘで離間して設けられており、第１横側面１６近傍と第２横側面１７近傍とに設けられている。

空気極１０１は、例えば、基材として多孔質の炭素材料が使用され、表面をフッ素系撥水材でコーティングして形成されたものや、炭素材料と混合分散して形成されたものである。なお、空気極１０１については、後述する図８を参照して、詳細に説明する。空気極１０１は、取込側面１１の内面に沿って設けられ、空気取込口１３を覆っている。空気極１０１のサイズは、高さ方向Ｚが１１０ｍｍで、幅方向Ｘが１８０ｍｍであり、補助極１０３および燃料極１０２に対向する面の有効面積が１９８００ｍｍ²である。

燃料極１０２は、０．１〜２．０ｍｍ厚の平板状とされており、例えば、ステンレス、銅、鉄、ニッケル、およびアルミニウム等の金属で形成されている。燃料極１０２は、表面に燃料金属である亜鉛を有することで放電用の燃料極として使用でき、予めメッキなどで表面に亜鉛が付与されていてもよいし、充電によって表面に亜鉛が析出していてもよい。本実施の形態では、燃料極１０２として厚さ０．５ｍｍのニッケル板を用いている。燃料極１０２のサイズは、空気極１０１と同じで、高さ方向Ｚが１１０ｍｍで、幅方向Ｘが１８０ｍｍであり、補助極１０３および空気極１０１に対向する面の有効面積が１９８００ｍｍ²である。燃料極１０２は、燃料側面１２の内面に沿って設けられ、燃料側面１２を補強している。つまり、燃料極１０２と燃料側面１２とが一体となるように形成されており、側面が電極によって補強されているため、側面を薄くするといった軽量化と、構造強度の維持とを両方実現できる筐体１０とすることができる。

補助極１０３は、平板状とされ、例えば、ニッケル製の多孔質体や、ニッケル／ニッケル合金／ＳＵＳ板といった非酸化性の多孔質金属材料で形成されている。本実施の形態では、補助極１０３として厚さ０．５ｍｍのニッケル板を用いており、打ち抜き加工によって複数の連絡孔１０３ａが形成されている。電解液２０は、連絡孔１０３ａを通って空気極１０１と燃料極１０２との間を円滑に流れる。なお、連絡孔１０３ａの形状については、後述する図９を参照して、詳細に説明する。補助極１０３のサイズは、空気極１０１と同様に、高さ方向Ｚが１１０ｍｍで、幅方向Ｘが１８０ｍｍであり、燃料極１０２および空気極１０１に対向する面の有効面積が１９８００ｍｍ²である。補助極１０３は、空気極１０１の内側の面に沿って設けられ、空気極１０１を介して、取込側面１１を補強している。

電解液２０は、強アルカリ水溶液を用いることができ、本実施の形態では、ｐＨ１４の水酸化カリウム水溶液を用いており、筐体１０の内部に充填されている。

電池セル１は、さらに、空気極１０１に接続された空気極端子２０１、燃料極１０２に接続された燃料極端子２０２、および補助極１０３に接続された補助極端子２０３を備えている。なお、以下では説明の簡略化のため、空気極端子２０１、燃料極端子２０２、および補助極端子２０３を併せて端子と呼ぶことがある。空気極端子２０１、燃料極端子２０２、および補助極端子２０３は、それぞれ電池セル１の上面より突出して設けられており、端子を介して電極同士が電気的に接続される。つまり、電極に接続された端子同士を、電池セル１の同じ上面側に設けることで、端子間の距離を近づけて、配線を短くすることができる。また、電池セル１の上面であれば、電池セル１の電解質を液体とした場合に、端子が濡れてショートしたり腐食したりすることを防止できる。本実施の形態では、空気極端子２０１、燃料極端子２０２、および補助極端子２０３は、銅で形成され、アルカリ水溶液による腐食を防止するためのメッキ処理が施されている。

図７に示すように、幅方向Ｘで第１横側面１６の側から燃料極端子２０２、補助極端子２０３、空気極端子２０１の順に配置されている。具体的には、第１横側面１６から燃料極端子２０２までの第１幅Ｗ１は６３ｍｍであって、燃料極端子２０２から補助極端子２０３までの第２幅Ｗ２は５６ｍｍであって、補助極端子２０３から空気極端子２０１までの第３幅Ｗ３は２２ｍｍであって、空気極端子２０１から第２横側面１７までの第４幅Ｗ４は５９ｍｍである。つまり、電池セル１を取込側面１１側から見た際、燃料極端子２０２は、幅方向Ｘで電池セル１の中央より第１横側面１６側（左側）に配置され、空気極端子２０１および補助極端子２０３は、幅方向Ｘで電池セル１の中央より第２横側面１７側（右側）に配置されている。なお、端子同士の位置関係については、後述する図１０を参照して、詳細に説明する。

図８は、空気極を拡大して示す拡大断面図である。なお、図８は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略している。

空気極１０１は、ガス拡散層１０１ａ、撥水層１０１ｂ、触媒層１０１ｃ、およびセパレータ１０１ｅの順に積層された構造とされており、ガス拡散層１０１ａが外部に露出して空気に接する側（図５では、左側）に設けられ、セパレータ１０１ｅが電解液２０および補助極１０３に接する側（図５では、右側）に設けられている。ガス拡散層１０１ａは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製の不織布で形成され、厚さが１００μｍとされている。撥水層１０１ｂは、多孔質フッ素樹脂で形成され、厚さが３μｍとされている。触媒層１０１ｃは、多孔質の炭素材料と、触媒である白金と、バインダー（接着剤）であるＰＴＦＥとを混合分散して形成され、厚さが０．４ｍｍとされている。触媒層１０１ｃの内部には、金属メッシュで形成された集電体１０１ｄが埋め込まれており、集電体１０１ｄによって発生した電流を流す。セパレータ１０１ｅは、ポリエステル製の不織布で形成され、厚さが１００μｍとされており、補助極１０３と空気極１０１とを電気的に絶縁する。

図９は、補助極を拡大して示す拡大側面図である。

図９に示すように、連絡孔１０３ａは矩形状とされている。つまり、補助極１０３は、複数の連絡孔１０３ａが形成されたメッシュ状とされている。なお、連絡孔１０３ａの形状は、これに限定されず、他の形状としてもよい。連絡孔１０３ａを異なる形状とした第２実施形態については、後述する図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して、詳細に説明する。

上述したように、燃料極１０２および補助極１０３は、筐体１０を兼用している。つまり、電極が筐体１０を兼用した構造とされているため、簡素な筐体１０とすることができ、電池セル１の小型化および軽量化を図ることができる。

また、取込側面１１と燃料側面１２とは、互いに対向するように設けられている。この構成によると、取込側面１１と燃料側面１２とを対向して設けることで、電極を効率よく配置することができる。つまり、燃料極１０２と補助極１０３とは、平行に配置されており、例えば、大面積化する際に広がる方向が一致しているので、双方を拡大しても、燃料極１０２と補助極１０３とが対向する方向の幅には影響せず、筐体が過剰に大きくならないため、電池セル１の小型化に適した構造とすることができる。

次に、複数の電池セルを接続した電池モジュールについて、図面を参照して説明する。

図１０は、本発明の第１実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。なお、図１０は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略している。

電池モジュール３０は、複数の電池セル１を接続した構成とされ、本実施の形態では、４つの電池セル１を接続している。以下では、４つの電池セル１は、それぞれを区別する場合、第１セル１ａ（図１０では左側）、第２セル１ｂ、第３セル１ｃ、または第４セル１ｄ（図１０では、右側）と呼ぶことがある。なお、本実施の形態では、４つの電池セル１を接続して電池モジュール３０としたが、これに限定されず、接続する電池セル１の数は、適宜選択することができる。

４つの電池セル１は、絶縁性を有する樹脂製のバンド（図示しない）を巻き掛けて一体に固定されている。電池モジュール３０の下方には、樹脂製の受皿３１が設置されており、受皿３１によって、電池セル１から漏れ出した電解液２０を受けることができる。電池モジュール３０は、隣り合う電池セル１の空気取込口１３を互いに向かい合わせた配置とされている。また、電池モジュール３０では、筐体１０の側面のうち、いずれか１つを第１隣接側面とし、第１隣接側面と対向する側面を第２隣接側面として設定されている。そして、複数の電池セル１は、第１隣接側面同士および第２隣接側面同士が対面するように隣接して並べられている。本実施の形態では、電池セル１において、取込側面１１が第１隣接側面とされ、燃料側面１２が第２隣接側面とされている。具体的には、第１セル１ａと第２セル１ｂとは、互いの取込側面１１同士が対面し、第２セル１ｂと第３セル１ｃとは、互いの燃料側面１２同士が対面し、第３セル１ｃと第４セル１ｄとは、互いの取込側面１１同士が対面した状態とされている。従って、電池セル１は、隣接する電池セル１に対して、厚さ方向Ｙへ向けた筐体１０の側面が互い違いになるように並べられている。

電池モジュール３０においては、空気極１０１での反応を生じさせるため、電池セル１の内部に空気を取り入れる必要がある。ここで、電池セル１を密集させると空気取込口１３が塞がれてしまうため、隣接する電池セル１の間に隙間を設けるように、電池セル１同士の間隔を設けたり、筐体１０を厚くしたり、スペーサーを設けたりするなどの処置が求められる。

上述したように、隣接する電池セル１において、取込側面１１同士が対向した状態とすることで、隙間を設けるなどの処置が必要な側面が共通するため、筐体１０の燃料側面１２側の隙間を考慮せずに、電池セル１の厚さ方向Ｙの幅を狭くすることができる。本実施の形態では、電池セル１は、取込側面１１の側で１ｍｍ程度の隙間が形成されている。従って、電池モジュール３０では、第１セル１ａと第２セル１ｂとの間に２ｍｍ程度の隙間が形成され、第３セル１ｃと第４セル１ｄとの間に２ｍｍ程度の隙間が形成されている。

具体的に、筐体１０は、取込側面１１において、筐体１０の上下部に比べて空気取込口１３近傍が薄くされており、隣接する筐体１０と密着させても、空気取込口１３近傍では、隣の筐体１０との間に隙間が形成される。

図１１は、電池モジュールを上面視した状態での配線を示す説明図である。

電池モジュール３０は、第１セル１ａ、第２セル１ｂ、第３セル１ｃ、第４セル１ｄの順に直列に接続されている。そして、第１セル１ａの燃料極端子２０２は、アース線２０６に接続されており、第４セル１ｄの空気極端子２０１は、放電回路２０７に接続されており、第４セル１ｄの補助極端子２０３は、充電回路２０８に接続されている。放電回路２０７および充電回路２０８は、上述した切替装置３００の一部であって、電池制御部３０２によって適宜接続状態を切り替えられる。なお、図１１に示す接続状態は一例であって、上述した放電モード、充電モード、および発電モードに応じて、適宜接続する端子を調整すればよい。

電池モジュール３０において、隣接する電池セル１同士は、充放電切換素子２０４を介して接続されている。具体的に、第１セル１ａと第２セル１ｂとの間に設けられた充放電切換素子２０４は、第２セル１ｂの燃料極端子２０２に接続され、第１セル１ａの空気極端子２０１および補助極端子２０３に対して接続を切り換えるように設けられている。図１１は、放電時の接続状態を示しており、充放電切換素子２０４は空気極端子２０１に接続されている。なお、充電時には、充放電切換素子２０４は補助極端子２０３に接続される。また、充放電切換素子２０４は、隣り合う電池セル１同士の上部に跨って設置されている。つまり、３極方式の金属空気電池では、充電時と放電時とで補助極１０３または空気極１０１に対して接続を切り換える必要があり、充放電切換素子２０４を設けることで円滑に接続を切り換えることができる。また、隣り合う電池セル１同士の上部であれば、電池セル１同士の間隔を空けずに、充放電切換素子２０４の配置スペースを容易に確保することができる。

電池セル１は、燃料極端子２０２と補助極端子２０３とが切り離し素子２０５を介して接続されている。複数の電池セル１で構成される電池モジュール３０では、各電池モジュール３０が直列に接続されているため、いずれかの電池セル１の特性が劣化したり、電解液２０漏れ等によって抵抗値が上昇したりするなどの不具合が発生すると、電池モジュール３０全体の性能に影響を及ぼしたり、不具合が発生した電池セル１が過充電や過放電によって発火するなどの危険な状態になるという課題がある。そこで、切り離し素子２０５を設けていれば、電池セル１に不具合が発生した際、不具合が発生した電池セル１の切り離し素子２０５によって燃料極端子２０２と補助極端子２０３とを短絡させると同時に、充放電切換素子２０４を補助極端子２０３側に切り換えることで、隣り合う電池セル１の燃料極端子２０２と不具合が発生した電池セル１とが短絡され、不具合が発生した電池セル１を電池モジュール３０から切り離すことができる。

なお、本実施の形態では、補助極端子２０３が空気極端子２０１よりも幅方向Ｘで電池セル１の内側に配置されており、燃料極端子２０２に近いことから、燃料極端子２０２と補助極端子２０３とを切り離し素子２０５を介して接続したが、補助極端子２０３と空気極端子２０１との位置を入れ換えた場合、空気極端子２０１に切り離し素子２０５を接続すればよい。また、切り離し素子２０５も、充放電切換素子２０４と同様に、隣り合う電池セル１同士の上部に跨って設置されていてもよい。

空気極端子２０１、補助極端子２０３、および燃料極端子２０２は、それぞれ配線で接続されるため、互いの間隔を狭くすると配線を短くすることができる。しかしながら、補助極端子２０３と燃料極端子２０２との間に切り離し素子２０５を設置していることから、切り離し素子２０５の幅程度の間隔を設けることが望ましい。

また、電池セル１の幅方向Ｘでの一方の端部（第１横側面１６）から燃料極端子２０２までの間隔（第１幅Ｗ１、図７参照）は、電池セル１の幅方向Ｘでの他方の端部（第２横側面１７）から空気極端子２０１までの間隔（第４幅Ｗ４、図７参照）と同程度であることが望ましい。つまり、電池モジュール３０では、隣り合う電池セル１の端子の並び順が互い違いになるように設置されており、第１幅Ｗ１と第２幅Ｗ２とが同程度であれば、燃料極端子２０２に対して隣り合う電池セル１の空気極端子２０１が近い位置となり、配線を短くすることができる。なお、これに限定されず、第３幅Ｗ３と第４幅Ｗ４とを併せた距離が第１幅Ｗ１と同程度とされていてもよい。つまり、燃料極端子２０２に対して、隣り合う電池セル１の補助極端子２０３が近い位置となるような配置であってもよい。

さらに、電解液投入口１５は、第１横側面１６から燃料極端子２０２までの間と、第２横側面１７から空気極端子２０１までの間とに設けられていることが望ましい。つまり、燃料極端子２０２から空気極端子２０１までの間には、配線が設けられており、電解液２０の投入時に端子等を濡らす虞があるため、電解液投入口１５を設けるのは好ましくない。しかしながら、端子の外側であれば、配線等に阻害されないため、安全に電解液２０を投入することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して補助極が異なり、他の構造は同様であるため、補助極に関する図面を示し、他の図面は省略する。

図１２Ａは、本発明の第２実施形態に係る金属空気電池の補助極を拡大して示す拡大側面図であって、図１２Ｂは、本発明の第２実施形態の変形例での補助極を拡大して示す拡大側面図である。なお、第１実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態では、図１２Ａに示すように、連絡孔１０３ａは円形状とされている。つまり、空気極１０１は、複数の連絡孔１０３ａが形成された多孔状とされている。また、変形例では、図１２Ｂに示すように、連絡孔１０３ａは六角形状とされている。つまり、空気極１０１は、複数の連絡孔１０３ａが形成されたハニカム状とされている。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。

図１３は、本発明の第３実施形態に係る電池セルの概略断面図であって、図１４は、図１３の筐体上部を拡大して示す拡大断面図であって、図１５Ａは、図１３の第１取込側面の側から見た概略側面図であって、図１５Ｂは、図１３の第２取込側面の側から見た概略側面図である。なお、図１３は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略し、筐体１０を透視して示している。また、図１４は、図１５Ａの矢符Ｂ−Ｂでの断面に相当する。また、第１実施形態および第２実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態では、空気極１０１および補助極１０３をそれぞれ２つ備えている点で、第１実施形態と異なる。つまり、第１実施形態では、空気極１０１と燃料極１０２とが筐体１０の互いに対向する側面に配置されていたが、第３実施形態では、電池セル２の厚さ方向Ｙにおける中央部に燃料極１０２が配置されており、筐体１０の互いに対向する側面に空気極１０１が配置されている。従って、空気極１０１を両面に配置することで電極面積が２倍になり、取り出す電流量を増加させて、出力不足を解消することができる。

図１３および図１５Ａに示すように、具体的に、筐体１０の側面は、幅方向Ｘで第１横側面１６（図１５Ａでは、左側）と第２横側面１７（図１５Ａでは、右側）とが対向し、厚さ方向Ｙで第１取込側面１１ａ（図１３では、左側）と第２取込側面１１ｂ（図１３では、右側）とが対向している。第１取込側面１１ａおよび第２取込側面１１ｂには、それぞれ空気取込口１３が形成されており、それぞれの内面に沿って空気極１０１および補助極１０３が設けられている。本実施の形態では、第１取込側面１１ａおよび第２取込側面１１ｂは、それぞれ対応する補助極１０３によって補強されている。

燃料極１０２は、２つの補助極１０３の間に配置され、一方の面が厚さ方向Ｙで第１取込側面１１ａ側の空気極１０１と対向しており、他方の面が厚さ方向Ｙで第２取込側面１１ｂ側の空気極１０１と対向している。また、燃料極１０２は、２つの空気極１０１が対向する方向（厚さ方向Ｙ）での筐体１０の中央部において、筐体１０と一体的に形成されている。具体的に、燃料極１０２は、下端部が筐体１０の内部に差し込まれて一体とされており、幅方向Ｘの両端部も筐体１０と一体にされている。このように、内部が空隙とされた筐体１０の中央部を燃料極１０２によって支持することで、筐体１０の機械的強度を補強することができる。

本実施の形態において、筐体１０のサイズは、幅方向Ｘが２００ｍｍで、厚さ方向Ｙが１４．５ｍｍで、高さ方向Ｚが１３５ｍｍである。なお、電池セル２は、容量が３９１．５ｃｍ³で、重量が８１２ｇである。

また、図１３に示すように、２つの空気極１０１は、それぞれ同じ空気極端子２０１に接続されており、２つの補助極１０３は、それぞれ同じ補助極端子２０３に接続されている。したがって、空気極１０１および補助極１０３をそれぞれ２つ設けた場合であっても、それぞれ端子が１つとされていることから、複数の電池セル２を接続する際の配線が容易となる。

次に、複数の電池セルを接続した電池モジュールについて、図面を参照して説明する。

図１６は、本発明の第３実施形態に係る電池セルを複数接続した電池モジュールを示す概略断面図である。なお、図１６は、図面の見易さを考慮して、ハッチングを省略している。

第３実施形態では、第１実施形態と同様に、４つの電池セル２を接続した電池モジュール４０について説明する。以下では、４つの電池セル２は、それぞれを区別する場合、第１両面セル２ａ（図１６では左側）、第２両面セル２ｂ、第３両面セル２ｃ、または第４両面セル２ｄ（図１６では、右側）と呼ぶことがある。つまり、第３実施形態では、第１実施形態に対して、第１両面セル２ａが第１セル１ａに相当し、第２両面セル２ｂが第２セル１ｂに相当し、第３両面セル２ｃが第３セル１ｃに相当し、第４両面セル２ｄが第４セル１ｄに相当する。

第３実施形態では、第１実施形態と同様に、第１隣接側面と第２隣接側面とが設定され、第１隣接側面同士および第２隣接側面同士が対面するように隣接して並べられている。本実施の形態では、電池セル２において、第１取込側面１１ａが第１隣接側面とされ、第２取込側面１１ｂが第２隣接側面とされている。本実施の形態において、第１両面セル２ａと第２両面セル２ｂとは、互いの第２取込側面１１ｂ同士が対面し、第２両面セル２ｂと第３両面セル２ｃとは、互いの第１取込側面１１ａ同士が対面し、第３両面セル２ｃと第４両面セル２ｄとは、互いの第２取込側面１１ｂ同士が対面した状態とされている。本実施の形態では、厚さ方向Ｙで対向する側面（第１取込側面１１ａおよび第２取込側面１１ｂ）の両方に空気取込口１３が設けられているため、隣り合う電池セル２同士の間に空気を取り込む隙間が設けられていることが望ましい。

図１７は、電池モジュールを上面視した状態での配線を示す説明図である。

第３実施形態は、第１実施形態と同様の配線とされており、充放電切換素子２０４および切り離し素子２０５を設けて接続されている。

次に、第１実施形態および第３実施形態に係る電池セルと従来の充電式空気電池とについて、電池モジュールにおける諸特性を評価し、図面を参照して結果を比較する。

図１８は、電池モジュールにおける諸特性を示す特性図表である。

実施例１は、第１実施形態に係る電池セル１を用いた電池モジュール３０であって、実施例２は、第３実施形態に係る電池セル２を用いた電池モジュール４０であって、比較例は、図１９に示す従来の充電式空気電池９１０を用いた電池モジュールである。なお、電池モジュールの設計としては、それぞれの容積が略等しくなるように、電池セルの数を設定した。具体的には、実施例１は電池セル数を「８」とし、実施例２および比較例は電池セル数を「６」としており、電池モジュールの容積は２３４９ｃｍ³となった。

図１８に示すように、実施例１では、電池モジュールの容量が１２００Ｗｈであり、容積が等しい比較例では容量が９００Ｗｈであることから、容量が３３％増加している。その結果、体積エネルギー密度においては、比較例では３８３Ｗｈ／Ｌであるのに対して、実施例１では５１１Ｗｈ／Ｌとなって３３％増加している。また、重量エネルギー密度においては、比較例では１８６Ｗｈ／ｋｇであるのに対して、実施例１では２３２Ｗｈ／ｋｇとなって２５％増加している。同じ容積であっても、体積エネルギー密度や重量エネルギー密度が増加していることから、電極が筐体１０を兼用した構造とすることは、電池セル１の小型化・軽量化に対して有効であることがわかる。リチウムイオン電池においては、一般的にエネルギー密度が１００Ｗｈ／ｋｇ程度といわれているのに対して、実施例１では、リチウムイオン電池に比べて２．３倍程度のエネルギー密度を実現しており、移動体用電池として有効に用いることができる。また、実施例１では、電池セル数が８個であるため、電圧が８Ｖで出力が８７．２Ｗとなっている。これに対し、比較例では、電池セル数が６個であることから、電圧が６Ｖで出力が６５．４Ｗとなっており、実施例１は出力が３３％増加していることがわかる。

次に、実施例２と比較例とを比べると、出力が比較例の２倍である１３０．８Ｗとなっている。実施例２では、空気極１０１および補助極１０３が電池セル２の両側面に配置されていることから、電極の有効面積が２倍となっている。具体的に電流を比較すると、比較例では１０．９Ａであるのに対して、実施例２では２１．８Ａであって、２倍に増加している。金属空気電池では、リチウムイオン電池と比較した際に出力不足であることが課題とされていたが、実施例２の構成とすることでこの課題を解決することができる。

なお、上述した第１実施形態ないし第３実施形態では、３極方式である金属空気二次電池とされていたが、本発明はこれに限定されず、２極方式の金属空気二次電池や金属空気一次電池（メカニカルチャージ方式を含む）にも適用できる。

また、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

本発明に係る金属空気電池は、電力供給装置として使用する用途全般に広く適用することができ、特に監視や介護、清掃などの各種ロボット、介護用電動車椅子、電動立ち乗り二輪車、および電動アシスト自転車などの移動体用に好適に用いられる。

１、２ 電池セル（金属空気電池の一例）
１０ 筐体
１１ 取込側面
１１ａ 第１取込側面
１１ｂ 第２取込側面
１２ 燃料側面
１３ 空気取込口
１５ 電解液投入口
２０ 電解液
３０、４０ 電池モジュール（金属空気組電池の一例）
１０１ 空気極
１０２ 燃料極
１０３ 補助極
２０１ 空気極端子
２０２ 燃料極端子
２０３ 補助極端子
２０４ 充放電切換素子
２０５ 切り離し素子
Ｘ 幅方向
Ｙ 厚さ方向
Ｚ 高さ方向

Claims (8)

1. 正極である空気極と、
   負極である燃料極と、
   補助極と、
   前記空気極、前記燃料極、および前記補助極を収容する筐体とを備えた金属空気電池であって、
   前記筐体は、外部から空気を取り込む空気取込口が取込側面に設けられ、
   前記空気極は、前記空気取込口を覆うように、前記取込側面に沿って設けられ、
   前記補助極は、前記筐体を兼用し、前記空気極の内側の面に沿って設けられていること
   を特徴とする金属空気電池。
2. 請求項１に記載の金属空気電池であって、
   前記燃料極は、前記筐体の燃料側面に沿って設けられ、該燃料側面を補強していること
   を特徴とする金属空気電池。
3. 請求項１に記載の金属空気電池であって、
   前記空気極は、前記筐体の互いに対向する２つの側面にそれぞれ設けられ、
   前記燃料極は、前記空気極が対向する方向での前記筐体の中央部において、前記筐体と一体的に形成されていること
   を特徴とする金属空気電池。
4. 請求項１または請求項３に記載の金属空気電池であって、
   前記筐体は、互いに対向する２つの側面を前記取込側面として、それぞれに前記空気取込口が設けられた構造とされ、
   前記空気極および前記補助極は、２つの前記空気取込口に対応して、それぞれ２つ設けられていること
   を特徴とする金属空気電池。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
   前記燃料極は、金属を材料として、平板状に形成されていること
   を特徴とする金属空気電池。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
   前記補助極は、金属を材料として、平板状に形成されていること
   を特徴とする金属空気電池。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の金属空気電池を複数備えた金属空気組電池であって、
   前記複数の金属空気電池は、直列に接続されていること
   を特徴とする金属空気組電池。
8. 請求項７に記載の金属空気組電池であって、
   前記筐体の側面のうち、いずれか１つを第１隣接側面とし、前記第１隣接側面と対向する側面を第２隣接側面とするとき、
   前記複数の金属空気電池は、前記第１隣接側面同士および前記第２隣接側面同士が対面するように隣接して並べられていること
   を特徴とする金属空気組電池。

Images