JP6516688B2 - 金属空気電池、及び金属空気電池用のシート材 - Google Patents
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Description
特許文献1記載のシート材は、電槽の左右の一部を構成する左右の側壁部構成片と、電槽の左右の側面の残部を構成する左右の側壁部構成片とを備え、各構成片を左右に二分割する折り目を基準にして、外側に折り曲げられ、外側に折り曲げられた外側折り曲げ片同士が熱融着により接合される構成である。
また、特許文献1では、シート材の所定箇所に予め切り欠きを設けることによって、電槽の左右の上部角部に、金属極からの配線を通すスペースを空けている。
しかし、上記シート材で形成した電槽では、空気極側の壁部、および、空気極の反対側の壁部から金属極に沿って外装体内側に折り曲げられ、各折り返し部の一部で金属極を挟持するため、前記各折り返し部と金属極との当接面、及びその両端部で隙間が発生しやすい。その為、電槽を揺らしたり、傾けたりすると前記隙間から電解液が漏出するおそれがある。
また、上記構成において、前記電槽の側面部は、下方凸形状を有し、前記折り目は、前記正面部及び前記背面部のいずれか一方の上端部と、前記電槽の側面部の最下端とをつなぐ直線に沿って設けられても良い。
また、上記構成において、前記内ベロ部は、前記正面部と前記背面部との間に嵌まって前記正面部と前記背面部との離間距離を規制する規制部を有しても良い。
図1は本発明の実施形態に係る金属空気電池10の斜視図である。図2は金属空気電池10を様々な方向(正面、左、上、右、下)から見た図であり、図2(A)は正面図、図2(B)は左側面図、図2(C)は上面図、図2(D)は右側面図、図2(E)は底面図である。
金属空気電池10は、紙を含有するシートで形成された中空箱形状の電槽11を備え、この電槽11内に、金属極15(図2(A))と前記電槽11の開口部22Kに熱融着した空気極13とが対向配置される。この金属空気電池10は、電槽11内に電解液が注液されることによって、空気極13と金属極15との間に電解液が満たされて発電を開始する一次電池である。この発電時には、空気極13が正極として機能し、金属極15が負極として機能する。図2中、符号ULは、電槽に注入される電解液の上面位置である。
正面部22と背面部23とは、互いに平行に配置された同一形状の面であって、且つ、電槽11の中で最も大きい面に形成される。正面部22は、矩形の開口部22K(図2(A))を有し、この開口部22Kは矩形の空気極13で覆われる。
次に、電槽11について詳述する。
図3は電槽11の斜視図であり、図3(A)は正面側から見た斜視図、図3(B)は背面側から見た斜視図である。図4は、電槽11を展開した図(打ち抜きシート20Sの図)である。図4には、打ち抜きシート20Sの折り目を一点鎖線で示す。
これらの図に示すように、打ち抜きシート20Sは、底面部21の前縁21A(折り目に相当)に連なる矩形の正面部22と、底面部21の後縁21B(折り目に相当)に連なる矩形の背面部23とを一体に有する。この底面部21の前縁21Aと後縁21Bとを基準にして、正面部22と背面部23とが折り曲げられることによって、図3(A)及び図3(B)に示すように、底面部21から正面部22と背面部23とが立設する。正面部22には、空気極13が装着される開口部22Kが予め形成される。この開口部22Kは、例えば、打ち抜きシート20Sを打ち抜く際に同時に打ち抜かれる。
つまり、外側折曲片24FS、24RSが、第1側面構成片24Fと第2側面構成片24Rとの接合部位となることで、図3(A)及び図3(B)に示すように、左右の側面部24が形成される。
これにより、電槽11を組み立てた場合に、図3(A)及び図3(B)に示すように、折り目24C、24Dは、背面部23の上端部と電槽11の最下端とをつなぐ直線に沿って設けられる。
電槽11の内部に電解液を入れた場合、上記内側折曲片24FU、24RUに電解液の圧力が作用し、特に、内側折曲片24FU、24RUの外側部位を構成する外側折曲片24FS、24RS同士が接合されるので、電解液の圧力によって側面部24が外側へ拡がり易くなる。そこで、外側折曲片24FS、24RSを、電槽11の側面視で、正面部22及び背面部23に対して斜めに延在するリブに形成することによって、外側折曲片24FS、24RS同士が離間方向の中央付近に鉛直に延在する場合に比べて、側面部24の外側への拡がりを効率良く抑えることができ、電解液の圧力によって漏液を起こす隙間が空くことを抑えることができる。
なお、外側折曲片24FS、24RSは、上下に渡って同じ幅に形成される。これにより、左右の側面部24からの張り出し量を一定量に抑えることができる。なお、これら外側折曲片24FS、24RSを、更に内側折曲片24FU、24RUのいずれかに接合しても良い。この場合、熱融着で接合しても良いし、テープ等の貼付材を用いて接合しても良い。
また、図4中、背面部23に設けられた符号PTは、電槽11の内部に、電解質を収容した袋体を取り付ける場合の袋体の取り付け位置(袋体の外形に沿う箇所)を示している。
蓋部25は、背面部23に設けられた背面側蓋部25Rを折り曲げた後に、正面部22に設けられた正面側蓋部25Fを折り曲げ、背面側蓋部25Rと正面側蓋部25Fとを互いに熱融着することによって形成される。
配線用孔部25Jは、正面部22に向かって切り欠かれた切り欠き形状に形成される。
中央延在部25R1は、背面部23に向かって切り欠かれた切り欠き部25Kを備える。この切り欠き部25Kは、図3(A)及び図3(B)に示すように、背面側蓋部25Rと正面側蓋部25Fとが重なった際に、配線用孔部25Jの一部を残しつつ配線用孔部25Jの開放側を閉塞する形状に形成される。これによって、金属極15からの配線15Hが、正面部22と背面部23とから離れた位置に位置決めされる。
また、左右一対の延在部25R2は、架橋部25Pから電槽11の幅方向外側(左右方向外側に相当)に張り出す張り出し部25Tを一体に備え、各張り出し部25Tにより、側面部24と蓋部25(背面側蓋部25R)との間の隙間を閉塞する。このことで、電解液の耐漏液性をより向上することが可能である。
これら内ベロ部27の基端部27Aの幅W1は、正面部22と背面部23の離間距離(上記設定距離)に形成される。これによって、内ベロ部27の基端部27Aについても、背面側蓋部25Rの延在部25R2と同様に、正面部22と背面部23との間に嵌まり、正面部22と背面部23の離間距離を設定距離に規制する規制部として機能するとともに、電槽11の上部の左右角部を覆う覆い部材となる。
図5(A)は正面側蓋部25Fを開いた状態の電槽11の正面図、図5(B)は、図5(A)を上方から見た図(内ベロ部27と延在部25R2とが係合した状態を示した図)、図5(C)は、図5(A)を側方から見た図である。
切れ目27Bは、図5(B)に示すように、背面側蓋部25Rの延在部25R2が背面部23側から入る切れ目である。より具体的には、切れ目27Bは、背面側蓋部25Rにおける基部25R3と左右一対の延在部25R2との境界部分に差し込み自在な切れ目である。これにより、内ベロ部27と背面側蓋部25Rとが一体化し、電槽11の上部の左右角部に漏液を起こす隙間が空き難くなる。さらに、背面側蓋部25Rと正面側蓋部25Fとを互いに熱融着する際に、同時に内ベロ部27の基端部27Aと背面側蓋部25Rとが互いに熱融着されるため、より漏液を起こす隙間が空き難くなり、電解液の耐漏液性を向上することができる。
また、電槽11を正面側又は背面側に傾けた際にも(図5(C)中、γ方向に傾けた状態に相当)、蓋部25の周囲に隙間が空くことを抑制できる。また、電槽11の上部角部を熱融着することで、正面部22、背面部23及び側面部24の連結強度を効率良く高めることができる。これによって、電槽11の上部から電解液が漏出し難くなる。また、正面部22、背面部23及び側面部24の連結することで、電槽11の変形を抑制することも可能である。
図5(A)において、右側の孔部25Hを注水側、左側の孔部25Hを非注水側とし、非注水側に電槽11を傾けた(β方向(図5(A)参照))場合には、鉛直方向に対して77°まで電解液が漏れず、従来比で2.08倍の向上を確認した。また、注水側に電槽11を傾けた(α方向(図5(A)参照))場合には、52°まで電解液が漏れず、従来比で1.48倍の向上を確認した。また、正面側及び背面側(γ方向(図5(C)参照))に傾けた場合には、いずれも87°まで電解液が漏れず、従来比で1.06倍程度の向上を確認した。なお、上記数値は、電槽11のサイズ、孔部25Hの位置及びサイズ等によって変わる値である。
なお、表1に示す耐漏液性向上率とは、比較例においてα方向、β方向、γ方向に電槽11を水漏れが発生するまで傾けた角度を100%とし、本発明において水漏れが発生した角度を夫々比率で表したものである。
従って、ユーザーが、内ベロ部27を折り曲げる作業、及び、内ベロ部27の切れ目27Bに、背面側蓋部25Rの延在部25R2を差し込む作業等を容易に行うことが可能である。
但し、折り曲げ作業及び接合作業が容易な範囲であり、且つ、側面部24全体の変形を抑制可能な範囲であれば、上記折り目24C、24Dを直線に限らず、緩やかな円弧に沿った曲線等の曲線を適用しても良い。
なお、背面側蓋部25Rが内ベロ部27に係合する構成に限らず、正面部22の上縁に連なる正面側蓋部25Fが内ベロ部27に係合する構成にしても良い。また、背面側蓋部25R及び正面側蓋部25Fの両方が内ベロ部27に係合する構成にしても良い。
すなわち、背面側蓋部25R及び正面側蓋部25Fの少なくとも一方を内ベロ部27に係合させることにより、耐漏液性を向上できる。
さらに、本構成では、背面側蓋部25Rと正面側蓋部25Fとが互いに接合されるので、背面側蓋部25R、正面側蓋部25F及び内ベロ部27が一体化し、電槽11の上部の左右角部に漏液を起こす隙間が空き難くなる。さらに、背面側蓋部25Rと正面側蓋部25Fとを互いに熱融着する際に、同時に内ベロ部27の基端部27Aと背面側蓋部25Rとが互いに熱融着されるため、より漏液を起こす隙間が空き難くなり、電解液の耐漏液性を向上することができる。
図6は変形例に係る打ち抜きシート20Sを示した図である。
この変形例では、左側の折り目24C、24Dの位置が、正面部22の上端部に相当する位置P3と、側面部24の最下端に相当する位置P2とをつなぐ直線に沿って設けられている点が異なる。また、この変更により、左側については、第1側面構成片24F、及び第2側面構成片24Rのうち上縁が広い側は、第2側面構成片24Rとなるので、左側の内ベロ部27は、第2側面構成片24Rに設けられる。なお、それ以外の構成は、図4に示した構成と同様である。
続いて、金属極15、及び金属極15の支持構造を説明する。
従来、紙を含有するシートで金属極を支持した金属空気電池が知られている(例えば、特許第5687795号公報)。しかし、発明者等の検討によれば、金属極の放電反応に寄与しない領域が多くなり、コスト増や重量増を招くおそれがある。また、金属極を電槽の底面部に配置した場合、放電に伴って生成される反応生成物が金属極と空気極との間の下方に堆積し、金属極と空気極との離間距離を変動させるおそれが生じる。離間距離のばらつきは、電池性能のばらつきに直結し、特に電解液に水溶液を使うマグネシウム空気電池は電解液抵抗が高いため、離間距離のばらつきが放電特性に大きく影響する。
図7は金属空気電池10の内部構造を示した斜視図であり、図8は内部構造を正面側から見た図であり、図9は図8のVIII−VIII断面図である。なお、説明の便宜上、電槽11は外形状だけを示し、図9では空気極13は省略し、開口部22Kは二点鎖線で示している。また、図10は金属極15と左右一対の支持部材30とを分離した状態を示した図であり、図11は金属極15に左右一対の支持部材30を装着した状態を示した図である。
これによって、図10に示すように、金属極15の上面と下面とが同一形状に形成される。従って、一枚の金属板(本構成ではマグネシウム合金の板)から金属極15を切り抜く際に、隙間を空けずに連続で切り抜くことが可能である。つまり、材料となる金属板の無駄を回避して多数の金属極15を効率良く製作することができる。
金属極15のタブ部15A1には、図1等に示す配線15Hが接続され、この配線15Hを介して発電電力が外部に出力される。
左右一対の支持部材30は同一部品で形成されている。なお、図12では、説明を判り易くする観点から、正面視で左側の支持部材30として使用する場合の各方向X、Y、Zを示している。
この支持部材30は、樹脂材を一体成形することによって製作され、金属極15に着脱自在に装着される支持部材本体31と、支持部材本体31から張り出して電槽11の内面に当接する複数(4個)の当接部41とを備える。なお、支持部材30の素材に、紙(ラミネートされた紙や、射出成型に使える紙材)を使用することも可能である。
このようにして、金属極15に凹凸を設ける等の加工を施すことなく、摩擦力等を利用して金属極15が支持部材30に固定される。
図8に示すように、左右の支持部材30は電槽11の底面部21の上に載置されるので、金属極15は、電槽11の底面部21から隙間Sだけ浮いた状態で支持される。このようにして金属極15が電槽11にフローティング支持される。
図13は支持部材30を各方向から示した図であり、図13(A)は正面から見た図、図13(B)は上方から見た図、図13(C)は下方から見た図である。また、図13(D)は右から見た図、図13(E)は図13(D)のE−E断面図である。
これら図に示すように、一対の板部32を連結する連結部34は、上下方向に間隔K(図13(D)及び図13(E)参照)を空けて一対の板部32を繋いでいる。これにより、連結部34を基準にして一対の板部32をより容易に拡げやすくなり、金属極15の着脱が容易になる。
これら一対の突出部32Tは、一対の板部32間に金属極15が挿入された際に金属極15を挟持し、金属極15の保持力を向上させる挟持部として機能する。
また、支持部材30の高さHA(図13(D))は、この支持部材30に保持された金属極15を、電槽11の底面部21から所定の隙間(図8に示す隙間S)だけ浮かす条件、且つ、この支持部材30の上端を、電気配線が接続されるタブ部15A1から離間させる条件を満たす値に設定される。
例えば、支持部材30の上端がタブ部15A1の位置まで延びていた場合には、支持部材30と金属極15との間の隙間を毛細管現象などで電解液が上方に移動する事態が発生したとすると、電気配線と電解液が接触するおそれが生じる。このような液接触を回避するように支持部材30の上端とタブ部15A1とを離間させれば良い。
図14は、変形例に係る金属空気電池10の内部構造を示した斜視図であり、図15は、図14の金属空気電池10に使用される支持部材30の斜視図である。
図14に示す金属空気電池10は、金属極15と支持部材30が異なる点を除いて上記実施形態と同一の構成である。金属極15は、正面視で長方形の金属板で形成される。支持部材30は、左右一対で設けられ、左側の支持部材30と右側の支持部材30とは同一部品ではなく、左右対称形状に形成される。なお、図15は正面視で左側の支持部材30を示す。
支持部材本体31は、前後一対の板部32間を架橋する架橋部35が、支持部材本体31の下端から隙間S(図8)に相当する高さの位置に形成されている点が、上記実施形態と異なる。この架橋部35の上に、長方形の金属極15の左右下端部が載置されることによって、金属極15を、電槽11の底面部21から隙間Sだけ浮かして支持することができる。
前側張り出し部142は、板部32から前方だけに張り出す凸形状に形成され、後側張り出し部143は、板部32から後方に延在した後、先端が屈曲する屈曲板形状に形成される。支持部材30を電槽11内に挿入した際に、前側張り出し部142が正面部22に当接するとともに、後側張り出し部143が背面部23に当接する。これにより、支持部材30に支持された金属極15の前後位置を位置決めし、空気極13と金属極15の離間距離LDを固定することができる。
なお、この支持部材30についても、金属極15を挟持する前後一対の板部32が設けられるとともに、これら前後一対の板部32に対応する箇所において、一対の板部32を連結する連結部34に長孔形状の間隔Kが設けられている。
11 電槽
13 空気極
15 金属極
20S 打ち抜きシート
21 底面部
22 正面部
23 背面部
24F 第1側面構成片
24R 第2側面構成片
24C、24D 折り目
24FS、24RS 外側折曲片(側面用の折曲片)
25 蓋部
25F 正面側蓋部
25R 背面側蓋部
25R1 中央延在部
25R2 延在部
25R3 基部
25H、25J 孔部
27 内ベロ部
27A 基端部(規制部)
30 支持部材
Claims (11)
- 空気極と金属極とが配置される電槽を備え、前記電槽が紙を含有する折り曲げ自在なシート材で形成された金属空気電池において、
前記シート材は、前記電槽の正面となる正面部と、前記電槽の背面となる背面部とを備え、前記正面部と前記背面部とが隙間を空けて対向するように折り曲げられ、
前記正面部の左右縁を基準に折り曲げられて前記電槽の左右の側面部の一部を構成する左右の第1側面構成片と、
前記背面部の左右縁を基準に折り曲げられて前記電槽の左右の側面部の残部を構成する左右の第2側面構成片とを有し、
前記第1側面構成片と前記第2側面構成片とは、前記電槽の側面視で、前記正面部及び前記背面部に対して斜めに延びる折り目を基準に折り曲げられる側面用の折曲片をそれぞれ有し、各折曲片が互いに接合されていることを特徴とする金属空気電池。 - 前記折り目は、前記電槽の側面視で、前記正面部及び前記背面部に対して斜めに延びる直線に沿った折り目であることを特徴とする請求項1に記載の金属空気電池。
- 前記電槽の側面部は、下方凸形状を有し、
前記折り目は、前記正面部及び前記背面部のいずれか一方の上端部と、前記電槽の側面部の最下端とをつなぐ直線に沿って設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属空気電池。 - 前記電槽の側面部の上縁に連なり、前記正面部と前記背面部との間に向けて折り曲げられる内ベロ部を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記内ベロ部は、前記正面部と前記背面部との間に嵌まって前記正面部と前記背面部との離間距離を規制する規制部を有することを特徴とする請求項4に記載の金属空気電池。
- 前記背面部の上縁に連なり、前記正面部と前記背面部との間の上方開口の少なくとも一部を覆う背面側蓋部と、
前記正面部の上縁に連なり、前記正面部と前記背面部との間の上方開口の少なくとも一部を覆う正面側蓋部とを備え、
前記背面側蓋部及び前記正面側蓋部の少なくとも一方が前記内ベロ部に係合するとともに、前記背面側蓋部と前記正面側蓋部とは互いに接合されていることを特徴とする請求項4又は5に記載の金属空気電池。 - 前記内ベロ部は、前記第1側面構成片及び前記第2側面構成片のうち上縁が広い側の側面構成片に設けられるとともに、上縁が狭い側の側面構成片が連なる前記背面部又は前記正面部が有する背面側蓋部又は正面側蓋部である所定の蓋部に係合することを特徴とする請求項6に記載の金属空気電池。
- 前記背面部は、当該背面部の上縁に連なる背面側蓋部を一体に備え、前記背面側蓋部は、左右中央に設けられた中央延在部と、左右に離間して設けられた左右一対の延在部と、前記中央延在部と前記左右一対の延在部をつなぐ基部とで構成され、
前記延在部は、前記正面部と前記背面部との間を架橋する架橋部を有すると共に、前記架橋部から前記電槽の左右方向外側に張り出す張り出し部を一体に備え、各張り出し部により、前記電槽の側面部と前記背面側蓋部との間の隙間を閉塞することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記背面側蓋部、及び前記正面側蓋部の少なくともいずれかは、前記電槽の注液口、又は前記金属極からの配線を取り出す配線取出口となる孔部を有し、
前記孔部は、前記電槽の幅方向中央位置、或いはその近傍位置に設けられていることを特徴とする請求項6又は7のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記電槽の幅方向中央位置からオフセットした位置に設けられた前記孔部は、前記電槽の幅方向中央位置から離れた側を除く部位が切り離されて開閉する開閉蓋構造であることを特徴とする請求項9に記載の金属空気電池。
- 紙を含有する折り曲げ自在なシート材からなり、空気極と金属極とが配置される電槽を形成する金属空気電池用のシート材において、
前記電槽の正面となる正面部と、前記電槽の背面となる背面部とを備え、前記正面部と前記背面部とが隙間を空けて対向するように折り曲げ可能であり、
前記正面部の左右縁を基準に折り曲げられた場合に前記電槽の左右の側面の一部を構成する左右の第1側面構成片と、前記背面部の左右縁を基準に折り曲げられた場合に前記電槽の左右の側面の残部を構成する左右の第2側面構成片とを有し、
前記第1側面構成片と前記第2側面構成片とは、前記電槽の側面視で、前記正面部及び前記背面部に対して斜めに延びる折り目を基準に折り曲げられる折曲片であって、前記第1側面構成片と前記第2側面構成片との接合部位となる側面用の折曲片を有することを特徴とする金属空気電池用のシート材。
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