JP6759364B2 - 電槽及びこれを備えた金属空気電池 - Google Patents
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Description
以下の開示は、少なくとも空気極及びセパレータを含む電極群を収納する電槽、及びそれを備えた金属空気電池に関する。
金属空気電池は、空気極（正極）と、金属負極（負極）と、電解質層（電解液）とを備えて構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、正極と、負極と、その間にセパレータが介在し、複合合成樹脂フィルムからなるラミネートシートによって成形された外装容器に収納されている金属空気電池において、外装容器は正極側ラミネートシートと負極側ラミネートシートからなり、正極側ラミネートシートの少なくとも１層は１つ以上の空気孔を有し、また少なくとも１層は撥水性を有した膜である構成の金属空気電池が開示されている。
上記構成の金属空気電池では、正極、負極、及び正極と負極の間のセパレータが外装容器内で固定されていないため、セパレータが位置ずれした場合などに、正極と負極が短絡する可能性があるといった問題があった。
本開示はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、セパレータで空気極を確実に覆う構造とすることで、正極、負極、セパレータ等が電槽（外装容器）内で固定されていなくても、短絡を防止し得る構造の電槽及びこれを備えた金属空気電池を提供することにある。
上記課題を解決するため、本開示の電槽は、空気極及びセパレータを含む電極群を収納する電槽であって、前記空気極が対向配置される主壁と、前記主壁の周縁部に設けられ、対向配置された前記空気極の側部を囲む囲い部と、を備え、前記囲い部は、前記空気極に対向配置される前記セパレータの縁部によって覆われる構成であることを特徴としている。
この構成によれば、電槽に設けられた囲い部が空気極を囲い、この空気極と対向配置されるセパレータが囲い部を覆うことで、セパレータを介して空気極と反対側に配置される電極と空気極とが確実に分離され、これら電極間で短絡することはない。
また、本開示の電槽によれば、前記囲い部は、前記空気極の側面の一部を囲み、前記空気極の厚み方向において前記空気極よりも厚い凸部の構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記主壁の周縁部から立設された側壁を備え、前記囲い部は、前記側壁から前記主壁と平行に延設された押え板であり、前記空気極の側部は、前記押え板と前記主壁との間に介装される構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記主壁には複数の孔が設けられ、前記複数の孔と前記空気極との間に撥水膜が配置され、前記撥水膜は、その縁部が前記囲い部と前記主壁との間に挟持される構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記囲い部により、対向配置される前記空気極と前記セパレータとの間に隙間が形成される構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記主壁には複数の孔が設けられ、前記複数の孔と前記空気極との間に撥水膜が配置され、前記撥水膜および前記空気極は、それぞれの縁部が重ねられ、前記囲い部と前記主壁との間に挟持される構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記空気極の縁部の一部は、前記空気極の厚み方向において、前記空気極の中央部よりも薄く、前記空気極の縁部の一部が、前記囲い部と前記主壁部との間に挟持される構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記空気極と前記セパレータとの間の隙間に配置された集電極をさらに備える構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記主壁には複数の孔が設けられ、前記複数の孔と前記空気極との間に撥水膜が配置され、前記撥水膜および前記空気極は、それぞれの縁部が重ねられ、前記囲い部と前記主壁との間に挟持される構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記空気極の縁部の一部は、前記空気極の厚み方向において、前記空気極の中央部よりも薄く、前記空気極の縁部の一部が、前記囲い部と前記主壁部との間に挟持される構成としてもよい。
また、本開示の電槽によれば、前記空気極と前記セパレータとの間の隙間に配置された集電極をさらに備える構成としてもよい。
また、本開示の金属空気電池は、電槽と、前記空気極と、前記セパレータと、前記空気極と反対側で前記セパレータに対向する第１電極と、を備えたことを特徴としている。
ここで、第１電極とは、金属空気電池が一次電池である場合には金属負極のことであり、金属空気電池が二次電池である場合には酸素発生電極のことである。
また、本開示の金属空気電池によれば、前記空気極と反対側で前記第１電極と対向する第２電極をさらに備えた構成としている。この構成の金属空気電池は二次電池の場合であり、従って、第１電極が酸素発生電極、第２電極が金属負極である。ただし、第１電極が金属負極、第２電極が酸素発生電極であってもよい。
本開示によれば、電槽に設けられた囲い部が空気極を囲い、この空気極と対向配置されるセパレータが囲い部を覆うことで、セパレータを介して空気極と反対側に配置される電極と、空気極とが分離（絶縁）されるので、これら電極間の短絡を抑制することができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。
＜金属空気電池の基本構成の説明＞
図１は、本開示の実施形態１に係る電槽２０を備えた金属空気電池１の基本構成の一例を示す概略斜視図、図２は、金属空気電池の基本構成の各構成部材を分解して示す概略斜視図、図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。なお、図３では、内部構成が見易いように実際の寸法より幅広に図示した模式的な断面図としている。
＜金属空気電池の基本構成の説明＞
図１は、本開示の実施形態１に係る電槽２０を備えた金属空気電池１の基本構成の一例を示す概略斜視図、図２は、金属空気電池の基本構成の各構成部材を分解して示す概略斜視図、図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。なお、図３では、内部構成が見易いように実際の寸法より幅広に図示した模式的な断面図としている。
実施形態に係る金属空気電池１は、電極活物質となる金属を含む金属負極２と、充電時に正極として用いる酸素発生電極１３と、放電時に正極として用いる空気極１４と、金属負極１２と酸素発生電極１３との間及び酸素発生電極１３と空気極１４との間に介装されたセパレータ（隔膜）１６とで構成され、電槽（筐体）２０内の電解液１７中に少なくとも一部が浸漬した状態で互いに平行に配置された３極方式の金属空気二次電池を例示している。
すなわち、実施形態に係る金属空気電池１は、金属負極１２、酸素発生電極１３、空気極１４がそれぞれセパレータ１６を介して電槽２０内で平行に配置されている。また、実施形態に係る金属空気電池１では、各極間に電解液１７の液層を有する構造となっているが、各極間が接触している構造（すなわち、極間に液層の無い構造）であってもよい。
この金属空気電池１は、例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池などに適用可能であるが、特に、金属負極が亜鉛種である亜鉛空気電池に好適に用いることができる。亜鉛空気電池は、例えばリチウム空気電池のように引火性の電解液（電解質）を使用する必要がなく、アルカリ系の電解液（電解質）を利用することができるため、安全性が高いといった利点がある。また、亜鉛空気電池は、リチウム空気電池よりも低コストで負極が製造できるため、大容量化が容易であるといった利点がある。
実施形態に係る金属空気電池１では、図２及び図３に示すように、空気極１４と金属負極１２との間に酸素発生電極１３が配置されている。そして、放電時には、空気極１４と金属負極１２との間での放電を酸素発生電極１３が阻害することなく行い、充電時には、酸素発生電極１３と金属負極１２との間で充電を行う構成となっている。
なお、図２及び図３では、金属負極１２の両面側に酸素発生電極１３と空気極１４とを設けているが、金属負極１２のいずれか片側の表面にのみ酸素発生電極１３と空気極１４とを設ける構成であってもよい。つまり、金属負極１２、酸素発生電極１３及び空気極１４は両面、片面のどちらでも使用できる。また、金属負極１２、酸素発生電極１３、空気極１４の順または酸素発生電極１３、金属負極１２、空気極１４の順に配置されていればよい。
次に、金属空気電池１を構成する各部材について具体的に説明する。
（空気極１４の説明）
空気極１４は、酸素還元能を有し、かつ放電時に正極として働く多孔性の電極である。また、空気極１４は、多孔性のガス拡散層と、ガス拡散層上に設けられ、酸素還元能を有する触媒を含む多孔性の空気極触媒層とを有していてもよい。
空気極１４は、酸素還元能を有し、かつ放電時に正極として働く多孔性の電極である。また、空気極１４は、多孔性のガス拡散層と、ガス拡散層上に設けられ、酸素還元能を有する触媒を含む多孔性の空気極触媒層とを有していてもよい。
空気極１４では、電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、酸素還元能を有する空気極用触媒上において電解液などから供給される水と、大気から供給される酸素ガスと、電子とが反応し水酸化物イオン（ＯＨ−）を生成する放電反応が起こる。つまり、空気極１４において、酸素（気相）、水（液相）、電子伝導体（固相）が共存する三相界面において放電反応が進行する。
また、空気極１４は、大気に含まれる酸素ガスが拡散できるように設けられる。例えば、空気極１４は、少なくとも空気極１４の表面の一部が大気に曝されるように設けることができる。図２及び図３に示した金属空気電池１では、後述する電槽２０に空気取込口２４を設けており、空気取込口２４を介して大気に含まれる酸素ガスが空気極１４中に拡散できる。なお、この空気取込口２４を介して空気極１４に水を供給してもよい。
空気極触媒層は、例えば、導電性の多孔性担体と、多孔性担体に担持された酸素還元能を有する空気極用触媒とを含んでいてもよい。これにより、空気極用触媒上において、酸素ガスと水と電子とが共存する三相界面を形成することが可能になり、放電反応を進行させることができる。また、空気極触媒層は、バインダーを含んでも良く、バインダーとして撥水樹脂を含有していてもよい。撥水樹脂をバインダーとして使用することで、空気極１４を介した電解液の漏洩を抑制することができる。撥水樹脂は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。
また、空気極触媒層とガス拡散層とから構成される空気極１４は、空気極用触媒を担持した多孔性担体を撥水性の多孔性基材（ガス拡散層）に塗布、あるいは、積層することにより作製されていてもよい。また、ガス拡散層は、空気極用集電体として機能してもよい。この場合、ガス拡散層は、例えば、撥水樹脂により表面処理されたカーボンペーパーやカーボンクロス、あるいは、カーボンブラックと撥水樹脂からなる多孔性シートである。撥水樹脂は、電解液の漏洩を防ぐために設けられ、気液分離機能を有する。すなわち、電解液が電槽２０から漏洩するのを防ぎ、かつ空気極触媒層への酸素ガスの供給を妨げない。
一方、空気極１４は、空気極触媒層、ガス拡散層に加え、空気極用集電体１４ａ（図３参照）を更に備えていてもよい。この場合、ガス拡散層は、絶縁性の多孔性撥水樹脂シート（撥水膜）を用いることができる。また、空気極用集電体１４ａとしては、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、耐腐食性の観点から、ニッケル、あるいは、ステンレスなどの金属素材の表面に対してニッケルメッキを施した材料を使用することが望ましい。メッシュ、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属粒子や金属繊維の焼結体、発泡金属などを使用することで空気極用集電体１４ａを多孔性とすることができる。また、空気極用集電体１４ａは、空気触媒層とセパレータ１６の間に配置されることが好ましい。
また、空気極１４は、空気極端子１４ｔと電気的に接続することができる。これにより、空気極触媒層で生じた電荷を図示しない外部回路へと取り出すことができる。
（酸素発生電極１３の説明）
酸素発生電極１３は、酸素発生能を有し、充電時に正極として働く多孔性の電極である。酸素発生電極１３では、電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、水酸化物イオン（ＯＨ−）から酸素と水と電子とが生成される反応が起こる（充電反応）。つまり、酸素発生電極１３において、酸素（気相）、水（液相）、電子伝導体（固相）が共存する三相界面において充電反応が進行する。
（酸素発生電極１３の説明）
酸素発生電極１３は、酸素発生能を有し、充電時に正極として働く多孔性の電極である。酸素発生電極１３では、電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、水酸化物イオン（ＯＨ−）から酸素と水と電子とが生成される反応が起こる（充電反応）。つまり、酸素発生電極１３において、酸素（気相）、水（液相）、電子伝導体（固相）が共存する三相界面において充電反応が進行する。
また、酸素発生電極１３は、充電反応の進行により生成する酸素ガスが拡散できるように設けられる。例えば、酸素発生電極１３は、少なくとも酸素発生電極の一部が外気と連通するように設けることができる。図３に示した金属空気電池１では、電槽２０の上部が外気と連通しており、充電反応の進行により生成した酸素は、多孔性の酸素発生電極１３の細孔中を拡散し、電槽２０の上部より、外気に排出される。
酸素発生電極１３は、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。電解液としてアルカリ性水溶液を使用する場合、耐腐食性、酸素発生反応に対する触媒能の観点から、ニッケル、あるいは、ステンレスなどの金属素材の表面に対してニッケルメッキを施した材料を使用することが望ましい。酸素発生電極として、メッシュ、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属粒子や金属繊維の焼結体、発泡金属などを使用することで酸素発生電極１３を多孔性とすることができる。また、酸素発生電極１３は、充電反応を促進するために、表面に酸素発生能を有する触媒粒子を更に備えていてもよい。
一方、酸素発生電極１３は、酸素発生電極用集電体を更に備えていてもよい。酸素発生電極用集電体としては、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。
また、酸素発生電極１３は、酸素発生電極端子１３ｔと電気的に接続することができる。これにより、充電反応に必要となる電荷を図示しない外部回路から酸素発生電極１３へ供給することができる。
（金属負極１２の説明）
金属負極１２は、金属元素を含む活物質からなる電極であり、放電時には活物質の酸化反応が、充電時には還元反応が起こる。金属元素としては、亜鉛、リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄などが用いられる。金属元素が亜鉛である場合、放電時には、金属亜鉛の酸化反応が起こる。
金属負極１２は、金属元素を含む活物質からなる電極であり、放電時には活物質の酸化反応が、充電時には還元反応が起こる。金属元素としては、亜鉛、リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄などが用いられる。金属元素が亜鉛である場合、放電時には、金属亜鉛の酸化反応が起こる。
すなわち、亜鉛が酸化した結果、電解液中にジンケートイオンとして溶解する場合と、直接酸化亜鉛や水酸化亜鉛が生成する場合とがある。
一方、充電時には、金属亜鉛への還元反応が起こる。
すなわち、電解液中に溶解しているジンケートイオンの還元により亜鉛が生成する場合と、酸化亜鉛や水酸化亜鉛が直接亜鉛へと還元する場合とがある。
以上のように、放電反応、充電反応ともに活物質（亜鉛）に加え、水酸化物イオン（ＯＨ−）が関わる反応が起こるため、金属負極１２は活物質と水酸化物イオン（ＯＨ−）の伝導パスとして働く電解液が効率的に接する構造でなければならない。例えば、金属負極１２を活物質粒子からなる多孔性の電極とすることで、活物質粒子の粒子間の空隙に電解液が浸透するため、活物質粒子と電解液との接触界面を広げることができる。また、金属負極１２は更にバインダーを含んでいてもよい。バインダーを含むことで、活物質同士を結着させることが可能となる。
また、活物質は、還元状態の金属であってもよいし、酸化状態の金属であってもよい。金属元素が亜鉛である場合、還元状態では金属亜鉛、酸化状態では酸化亜鉛である。そのため、亜鉛を含む金属負極１３は、放電後に電槽２０から取り出して、酸化亜鉛を亜鉛に還元することも可能である。
一方、金属負極１２は、図示しないが金属負極集電体を更に備えていてもよい。金属負極集電体としては、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。自己腐食抑制の観点から水素過電圧の高い材料、もしくは、ステンレスなどの金属素材の表面に対して水素過電圧の高い材料によるメッキを施した材料を使用することが望ましい。メッシュ、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属粒子や金属繊維の焼結体、発泡金属などを使用することで、金属負極集電体を多孔性とすることができる。
また、金属負極１２は、金属負極端子１２ｔと電気的に接続することができる。これにより、金属負極１２で消費／生成する電荷を図示しない外部回路へ授受できる。
（セパレータ１６の説明）
セパレータ１６は、電極間で電子伝導経路が形成され短絡することを防ぐもので、電子的に絶縁性の材料で形成される。例えば、充電時に金属負極１２で還元析出した金属デンドライトが、酸素発生電極１３や空気極１４に到達し、短絡することを抑制する。
セパレータ１６は、電極間で電子伝導経路が形成され短絡することを防ぐもので、電子的に絶縁性の材料で形成される。例えば、充電時に金属負極１２で還元析出した金属デンドライトが、酸素発生電極１３や空気極１４に到達し、短絡することを抑制する。
セパレータ１６としては、多孔性樹脂シート、イオン交換膜などの固体電解質シートが利用される。各電極間にセパレータ１６を配置した場合、セパレータ１６によりイオン伝導が妨げられると電池の充電反応、および、放電反応を起こすことができないが、上記の材料を使用することで、各電極間に配置されたセパレータ１６を介してイオン伝導が起こる。
（電解液の説明）
電解液１７は、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する液体である。電解液の種類は、金属電極に含まれる電極活物質の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解液（電解質水溶液）であってもよい。
電解液１７は、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する液体である。電解液の種類は、金属電極に含まれる電極活物質の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解液（電解質水溶液）であってもよい。
例えば、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることができ、マグネシウム空気電池の場合、電解液には塩化ナトリウム水溶液を用いることができる。リチウム空気電池の場合、有機性の電解液を用いることができる。
電解液には、電解質以外の有機添加物や無機添加物が添加されても良く、高分子添加物によりゲル化されていてもよい。
（電槽２０の説明）
電槽２０は、その内部に電解液１７に浸漬した金属負極１２、酸素発生電極１３、空気極１４を収納する筐体（外装容器）であり、内部が空洞とされた直方体状に形成されている。すなわち、矩形状に形成された第１主壁２１と第２主壁２２とが対向配置されており、これら第１主壁２１及び第２主壁２２の左右両側縁部及び下縁部の３方が側壁２３によって連接され、上縁部側が開放された形状となっている。このように形成された電槽２０は、幅方向Ｘ及び高さ方向Ｚに対して、厚さ方向（側壁２３の幅方向）Ｙでのサイズが小さく形成されている。具体的には、電槽２０のサイズは、幅方向Ｘ（横）が例えば２００ｍｍ、厚さ方向Ｙ（奥行）が例えば２０．８４ｍｍ、高さ方向Ｚ（縦）が例えば１３５ｍｍである。
電槽２０は、その内部に電解液１７に浸漬した金属負極１２、酸素発生電極１３、空気極１４を収納する筐体（外装容器）であり、内部が空洞とされた直方体状に形成されている。すなわち、矩形状に形成された第１主壁２１と第２主壁２２とが対向配置されており、これら第１主壁２１及び第２主壁２２の左右両側縁部及び下縁部の３方が側壁２３によって連接され、上縁部側が開放された形状となっている。このように形成された電槽２０は、幅方向Ｘ及び高さ方向Ｚに対して、厚さ方向（側壁２３の幅方向）Ｙでのサイズが小さく形成されている。具体的には、電槽２０のサイズは、幅方向Ｘ（横）が例えば２００ｍｍ、厚さ方向Ｙ（奥行）が例えば２０．８４ｍｍ、高さ方向Ｚ（縦）が例えば１３５ｍｍである。
対向する第１主壁２１及び第２主壁２２には、空気取込口（複数の孔）２４が内部を開口するように形成されている。つまり、電槽２０は、空気取込口２４を介して内部に空気を取り込む構成とされている。空気取込口２４は、第１主壁２１及び第２主壁２２の幅方向Ｘまたは高さ方向Ｚに沿って設けられた複数の桟２５によって区切られている。複数の桟２５は、電解液１７の圧力で空気極１４が外側へ膨らむのを抑制する。
また、電槽２０の上縁部は、電解液投入口２６とされており、電解液投入口２６を介して内部に電解液１７を補充することができる。また、電槽２０には、この電解液投入口２６を閉塞する内蓋２７及び外蓋２８が装着可能に設けられている。
電槽２０及び内蓋２７を構成する材料は、電解液１７に対して耐腐食性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ樹脂、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、エポキシ樹脂などである。
以上で、空気極１４、酸素発生電極１３、金属負極１２、セパレータ１６及び電槽２０の説明を終了する。
なお、上記実施形態では、３極方式の金属空気二次電池を例示しているが、一次電池である場合には、酸素発生電極１３が省略された形となる。また、２極方式の金属空気二次電池である場合には、酸素還元能と酸素発生能との両方を有する空気極１４を使用し、酸素発生電極１３が省略された形となる。例えば、２極方式の金属空気二次電池に使用される空気極１４は、空気極用触媒だけでなく、酸素発生能を有する触媒粒子を含む空気極触媒層を含む。
図４は、実施形態１に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図であり、図３の符号Ｃで示す丸部分のより詳細な断面図である。なお、図４では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態１に係る電槽２０は、空気極１４が対向配置される第１主壁２１（及び第２主壁２２）の周縁部（実施形態１では全周）に、対向配置された空気極１４の側縁部１４ｂを囲む囲い部３１を備えている。
実施形態１では、囲い部３１は、空気極１４の側面１４ｃのみを囲み、空気極１４の厚み方向Ｙにおいて空気極１４よりも厚い階段状の凸部としている。すなわち、囲い部（凸部）３１は、矩形の枠形状に形成されており、空気極１４が、この枠形状の囲い部（凸部）３１内にちょうど嵌まり込む構造となっている。
一方、セパレータ１６は、空気極１４より一回り大きいサイズに形成されており、このセパレータ１６を空気極１４に対向配置すると、図４の紙面上において、セパレータ１６の周縁部１６ａが囲い部（凸部）３１の上面３１ａ上に載置されるようになっている。すなわち、空気極１４は、囲い部（凸部）３１とセパレータ１６及びその周縁部１６ａとによって完全に覆われた状態となる。また、セパレータ１６は、電槽２０内で多少位置ずれを起こしたとしても、囲い部（凸部）３１の上面３１ａから外れないようにその寸法が設定されている。
従って、このセパレータ１６の上に酸素発生電極１３若しくは金属負極１２（一次電池の場合）を対向配置しても、空気極１４と酸素発生電極１３若しくは金属負極１２とはセパレータ１６と囲い部（凸部）３１とによって完全に分離されることになり、電槽２０内で各極（空気極１４、酸素発生電極１３、金属負極１２）やセパレータ１６が位置ずれを起こしたとしても、空気極１４と酸素発生電極１３若しくは金属負極１２とが接触して短絡することはない。
また、囲い部（凸部）３１の厚みを空気極１４の厚みより厚くしておくことで、空気極１４とセパレータ１６との間に隙間ができ、その隙間に電解液１７の層ができるので、空気極１４の放電反応による副生成物（イオン）の拡散性が高まるため、空気極１４の放電反応時の抵抗を下げることができる。
また、第１主壁２１の周縁部に凸部である囲い部３１を形成することで、第１主壁２１が補強され、内圧に対する強度が向上することになる。
なお、上記実施形態１では、囲い部（凸部）３１は、第１主壁２１（及び第２主壁２２）の周縁部の全周に渡って形成しているが、全周に設ける必要はなく、第１主壁２１（及び第２主壁２２）の各縁部の複数箇所に設けるようにしてもよい。例えば、各縁部の両角部と中央部の３箇所に設けるようにしてもよい。このことは、以降の実施形態においても同様である。
＜実施形態２＞
図５は、実施形態２に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図５では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図５は、実施形態２に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図５では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態２に係る電槽２０は、空気極１４が対向配置される第１主壁２１（及び第２主壁２２）の周縁部（実施形態２では全周）に、対向配置された空気極１４の側縁部１４ｂを囲む囲い部３１を備えている。
実施形態２では、電槽２０は、第１主壁２１の周縁部から立設された側壁２３を備えており、囲い部３１は、側壁２３から第１主壁２１と平行に延設された押え板である。そして、空気極１４の側縁部１４ｂは、この囲い部（押え板）３１と第１主壁２１との間に介装されて両側から挟持される構造となっている。
一方、セパレータ１６は、空気極１４より一回り大きいサイズに形成されており、このセパレータ１６を空気極１４に対向配置すると、図５の紙面上において、セパレータ１６の周縁部１６ａが囲い部（押え板）３１の上面３１ａ上に載置されるようになっている。すなわち、空気極１４は、囲い部（押え板）３１とセパレータ１６とによって完全に覆われた状態となる。また、セパレータ１６は、電槽２０内で多少位置ずれを起こしたとしても、囲い部（押え板）３１の上面３１ａから外れないようにその寸法が設定されている。
従って、このセパレータ１６の上に酸素発生電極１３若しくは金属負極１２（一次電池の場合）を対向配置しても、空気極１４と酸素発生電極１３若しくは金属負極１２とはセパレータ１６と囲い部（押え板）３１とによって完全に分離されることになり、電槽２０内で各極（空気極１４、酸素発生電極１３、金属負極１２）やセパレータ１６が位置ずれを起こしたとしても、空気極１４と酸素発生電極１３若しくは金属負極１２とが接触して短絡することはない。
また、囲い部（押え板）３１の厚み分だけ空気極１４とセパレータ１６との間に隙間ができ、その隙間に電解液１７の層ができるので、空気極１４の反応による副生成物（イオン）の拡散性が高まるため、空気極１４の反応時の抵抗を下げることができる。
また、実施形態２では、囲い部（押え板）３１と側壁２３と第１主壁２１とによって空気極１４の側縁部１４ｂを３方から包み込むように覆う構造としている。これにより、空気極１４の側縁部１４ｂを回り込んで電解液１７が漏洩することを低減若しくは防止することができる。この場合、インサート成型により囲い部（押え板）３１と空気極１４の側縁部１４ｂとを一体化することで、電解液１７がより漏洩しにくい構造とすることができる。
また、側壁２３の周縁部に突起状の囲い部（押え板）３１を形成することで、第１主壁２１と側壁２３とが補強され、内圧に対する強度が向上することになる。
＜実施形態３＞
図６は、実施形態３に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図６では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図６は、実施形態３に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図６では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態３に係る電槽２０の構造は、実施形態２に係る電槽２０の構造（図５参照）と同じである。違うところは、実施形態２では、囲い部（押え板）３１の厚み分だけ空気極１４とセパレータ１６との間に隙間ができていたが、実施形態３では、この隙間部分において、空気極１４の厚みをその隙間分だけ厚く形成し、空気極１４とセパレータ１６とが接触（若しくは密着）する構造としたものである。
＜実施形態４＞
図７は、実施形態４に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図７では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図７は、実施形態４に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図７では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態４に係る電槽２０の構造は、実施形態１に係る電槽２０の構造（図４参照）と同じである。違うところは、空気極１４と第１主壁２１（及び第２主壁２２）の複数の孔（空気取込口２４）との間に撥水膜１８が配置されている点である。この撥水膜１８は、通気性及び撥水性を有する膜であればよく、一般的には、空気極１４に用いられる絶縁性の多孔性撥水樹脂シートを用いることができる。
また、実施形態４では、撥水膜１８と反対側の空気極１４の片面に空気極用集電体１４ａを貼り合わせている。ただし、空気極１４は、空気極用集電体１４ａの両面に空気極を貼り合わせた構造であってもよい。
実施形態４によれば、空気極１４と第１主壁２１の複数の孔（空気取込口２４）との間に撥水膜１８を配置することで、空気取込口２４から電槽２０外部への電解液１７の漏洩を防止することができる。
＜実施形態５＞
図８は、実施形態５に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図８では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図８は、実施形態５に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図８では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態５に係る電槽２０の構造は、実施形態４に係る電槽２０の構造（図７参照）とほぼ同じであるが、違うところは、撥水膜１８の側縁部（周縁部）１８ａが凸部である囲い部３１の下側に埋め込まれた状態（すなわち、囲い部３１と第１主壁２１との間に挟持された状態）となっている点である。そのため、撥水膜１８の形状は、実施形態４に係る電槽２０での撥水膜１８の形状より大きな形状となっている。
このように、実施形態５では、撥水膜１８の側縁部１８ａを、囲い部３１と側壁２３と第１主壁２１とによって３方から包み込むように覆う構造としている。これにより、撥水膜１８の側縁部１８ａを回り込んで電解液１７が空気取込口２４から漏洩することを低減若しくは防止することができる。この場合、インサート成型により囲い部（押え板）３１と撥水膜１８の側縁部１８ａとを一体化することで、電解液１７がより漏洩しにくい構造とすることができる。
＜実施形態６＞
図９は、実施形態６に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図９では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図９は、実施形態６に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図９では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態６に係る電槽２０の構造は、実施形態２に係る電槽２０の構造（図５参照）とほぼ同じであるが、違うところは、空気極１４と第１主壁２１（及び第２主壁２２）の複数の孔（空気取込口２４）との間に撥水膜１８が配置されている点、及び、空気極１４の側縁部１４ｂと撥水膜１８の側縁部１８ａの両方が、囲い部（押え板）３１と第１主壁２１との間に介装されて両側から挟持される構造となっている点である。
このように、実施形態６では、空気極１４の側縁部１４ｂと撥水膜１８の側縁部１８ａの両方を、囲い部３１と側壁２３と第１主壁２１とによって３方から包み込むように覆う構造としている。これにより、空気極１４の側縁部１４ｂ及び撥水膜１８の側縁部１８ａを回り込んで電解液１７が空気取込口２４から漏洩することを低減若しくは防止することができる。この場合、インサート成型により囲い部（押え板）３１と空気極１４の側縁部１４ｂ及び撥水膜１８の側縁部１８ａとを一体化することで、電解液１７がより漏洩しにくい構造とすることができる。
＜実施形態７＞
図１０は、実施形態７に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１０では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図１０は、実施形態７に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１０では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態７に係る電槽２０は、空気極１４が対向配置される第１主壁２１（及び第２主壁２２）の周縁部（実施形態７では全周）に、対向配置された空気極１４の側縁部１４ｂを囲む囲い部３１を備えている。
実施形態７では、囲い部３１は、空気極１４の側面１４ｃのみを囲み、空気極１４の厚み方向Ｙにおいて空気極１４よりも厚い複数段（この例では２段）の階段状凸部としている。すなわち、囲い部（以下、階段状凸部という。）３１は、矩形の枠形状に形成されており、空気極１４が、この枠形状の階段状凸部３１の１段目の段差部内にちょうど嵌まり込む構造となっている。
一方、空気極１４に対向配置される第１セパレータ１６Ａは、空気極１４より一回り大きいサイズに形成されており、この第１セパレータ１６Ａを空気極１４に対向配置すると、第１セパレータ１６Ａの周縁部１６ａが階段状凸部３１の１段目の上面３１ｄ上に載置されるようになっている。すなわち、空気極１４は、階段状凸部３１の１段目の側壁部と第１セパレータ１６Ａ及びその周縁部１６ａとによって完全に覆われた状態となる。また、第１セパレータ１６Ａは、電槽２０内で多少位置ずれを起こしたとしても、階段状凸部３１の１段目の上面３１ｄから外れないようにその寸法が設定されている。
一方、この第１セパレータ１６Ａの上に対向配置される酸素発生電極１３も、空気極１４より一回り大きいサイズに形成されており、この酸素発生電極１３を第１セパレータ１６Ａの上に載置して対向配置すると、酸素発生電極１３の周縁部１３ｂが階段状凸部３１の１段目の上面３１ｄ上に載置され、２段目の段差部内に嵌まり込む構造となっている。ただし、酸素発生電極１３は第１セパレータ１６Ａよりも若干小さいサイズに形成されていることが好ましい。
一方、この酸素発生電極１３に対向配置される第２セパレータ１６Ｂは、酸素発生電極１３より一回り大きいサイズに形成されている。従って、この第２セパレータ１６Ｂを酸素発生電極１３に対向配置すると、図１０の紙面上において、第２セパレータ１６Ｂの周縁部１６ａが階段状凸部３１の２段目の上面３１ｅ上に載置されるようになっている。すなわち、酸素発生電極１３は、階段状凸部３１の２段目の側壁部と第２セパレータ１６Ｂ及びその周縁部１６ａとによって完全に覆われた状態となる。また、第２セパレータ１６Ｂは、電槽２０内で多少位置ずれを起こしたとしても、階段状凸部３１の２段目の上面３１ｅから外れないようにその寸法が設定されている。
従って、この第２セパレータ１６Ｂの上に金属負極１２を対向配置しても、酸素発生電極１３と金属負極１２とは第２セパレータ１６Ｂと階段状凸部３１とによって完全に分離されることになり、電槽２０内で各極（空気極１４、酸素発生電極１３、金属負極１２）や第１及び第２セパレータ１６Ａ，１６Ｂが位置ずれを起こしたとしても、空気極１４と酸素発生電極１３若しくは酸素発生電極１３と金属負極１２とが接触して短絡することはない。
また、階段状凸部３１の各段の厚みを空気極１４の厚み、及び酸素発生電極１３の厚みより厚くしておくことで、空気極１４と第１セパレータ１６Ａとの間、及び酸素発生電極１３と第２セパレータ１６Ｂとの間にそれぞれ隙間ができ、その隙間に電解液１７の層ができるので、空気極１４の放電反応による副生成物（イオン）の拡散性が高まるため、空気極１４の放電反応時の抵抗を下げることができる。
また、第１主壁２１の周縁部に階段状凸部３１を形成することで、第１主壁２１が補強され、内圧に対する強度が向上することになる。
＜実施形態８＞
図１１は、実施形態８に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１１では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図１１は、実施形態８に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１１では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態８に係る電槽２０の構造は、実施形態５に係る電槽２０の構造（図８参照）に適用した場合を例示しているが、他の実施形態１〜４，６，７にも適用可能である。
すなわち、実施形態８では、図１１の紙面上において、凸部の囲い部３１の上面３１ａに位置決め用の突起部３２を形成し、この囲い部３１上に載置されるセパレータ１６の周縁部１６ａの対向する箇所に位置決め用の孔１９を形成したものである。これにより、セパレータ１６を空気極１４に対向配置するときに、セパレータ１６の周縁部１６ａに形成された孔１９を囲い部３１に形成された突起部３２に嵌め合わせることで、セパレータ１６の装着と位置決めを同時に行うことができる。また、セパレータ１６が位置決めされることから、電槽２０内で位置ずれを抑制する。
なお、このような突起部３２と孔１９とは、囲い部３１及びセパレータ１６の周縁部の少なくとも１箇所に形成されていればよいが、例えば対角線方向の２箇所若しくは４箇所、対向縁部の２箇所若しくは４箇所等、必要に応じて複数箇所に形成してもよい。
＜実施形態９＞
図１２は、実施形態９に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１２では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図１２は、実施形態９に係る電槽２０の構造及びセパレータ１６の形状を一部拡大して示す概略断面図であり、図２の符号Ｂで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１２では、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態９に係る電槽２０の構造は、実施形態１に係る電槽２０の構造（図４参照）に適用した場合を例示しているが、他の実施形態２〜８にも適用可能である。
すなわち、実施形態９では、凸部の囲い部３１の上面３１ａに位置決め用のリブ片３３を厚さ方向Ｙに沿って形成し、この囲い部３１上に載置されるセパレータ１６の周縁部１６ａの対向する箇所に位置決め用の切欠き溝１６ｂを形成したものである。これにより、セパレータ１６を空気極１４に対向配置するときに、セパレータ１６の周縁部１６ａに形成された切欠き溝１６ｂを囲い部３１に形成されたリブ片３３に嵌め合わせることで、セパレータ１６の装着と位置決めを同時に行うことができる。また、セパレータ１６が位置決めされることから、電槽２０内で位置ずれを抑制する。
なお、このようなリブ片３３と切欠き溝１６ｂとは、囲い部３１及びセパレータ１６の周縁部の少なくとも１箇所に形成されていればよいが、例えば対角線方向の２箇所、若しくは４箇所等、必要に応じて複数箇所に形成してもよい。
＜実施形態１０＞
図１３Ａは、実施形態１０に係る電槽２０の構造を示す概略斜視図、図１３Ｂは、図１３Ａの符号Ｄで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂでは、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
図１３Ａは、実施形態１０に係る電槽２０の構造を示す概略斜視図、図１３Ｂは、図１３Ａの符号Ｄで示す丸部分を拡大した概略断面図である。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂでは、第１主壁２１側のみを図示しているが、第２主壁２２においても同様の構造となっている。
実施形態１０に係る電槽２０は、空気極１４が対向配置される第１主壁２１（及び第２主壁２２）の周縁部（全周）に、対向配置された空気極１４の側縁部１４ｂを囲む枠体形状の囲い部３１を備えているが、実施形態１０では、この枠体形状の囲い部３１を電槽２０の第１主壁２１とは別パーツとして構成している。そして、この別パーツの囲い部３１を第１主壁２１に嵌め合わせることで、図１３Ｂに示すように、空気極１４が対向配置される第１主壁２１の周縁部に、対向配置される空気極１４の側縁部１４ｂを囲むように囲い部３１を配置する構成としている。
なお、図１３Ａ中の符号２１ａは、囲い部３１を第１主壁２１に嵌め込むときの位置決めボスであり、囲い部３１と側壁２３と位置決めボス２１ａとの間に挟み込んで位置決めを行う。なお、この位置決めボス２１ａは、図１３Ａでは角部の１箇所にのみ設けているが、複数箇所に設けてもよい。
このように、囲い部３１を別パーツとすることで、電槽２０自体の仕様は変更せずに、電極など部材の仕様の変更に合わせて、形状の異なる囲い部３１を組み替えることで、設計変更の手間と製造コストの削減を図ることができる。
本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。
本国際出願は、２０１６年１２月２７日に出願された日本国特許出願第２０１６−２５３９７１号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１６−２５３９７１号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
本開示の金属空気電池は、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る。
１ 金属空気電池
１２ 金属負極
１２ｔ 金属負極端子
１３ 酸素発生電極
１３ｔ 酸素発生電極端子
１４ 空気極
１４ａ 空気極用集電体
１４ｂ 側縁部
１４ｔ 空気極端子
１６ セパレータ（隔膜）
１６Ａ 第１セパレータ
１６Ｂ 第２セパレータ
１６ａ 周縁部（縁部）
１６ｂ 切欠き溝
１７ 電解液
１８ 撥水膜
１８ａ 側縁部（周縁部）
１９ 孔
２０ 電槽
２１ 第１主壁
２２ 第２主壁
２３ 側壁
２４ 空気取込口（複数の孔）
２５ 桟
２６ 電解液投入口
２７ 内蓋
２８ 外蓋
３１ 囲い部（凸部，押え板）
３１ａ 上面
３１ｄ １段目の上面
３１ｅ ２段目の上面
３２ 突起部
３３ リブ片
１２ 金属負極
１２ｔ 金属負極端子
１３ 酸素発生電極
１３ｔ 酸素発生電極端子
１４ 空気極
１４ａ 空気極用集電体
１４ｂ 側縁部
１４ｔ 空気極端子
１６ セパレータ（隔膜）
１６Ａ 第１セパレータ
１６Ｂ 第２セパレータ
１６ａ 周縁部（縁部）
１６ｂ 切欠き溝
１７ 電解液
１８ 撥水膜
１８ａ 側縁部（周縁部）
１９ 孔
２０ 電槽
２１ 第１主壁
２２ 第２主壁
２３ 側壁
２４ 空気取込口（複数の孔）
２５ 桟
２６ 電解液投入口
２７ 内蓋
２８ 外蓋
３１ 囲い部（凸部，押え板）
３１ａ 上面
３１ｄ １段目の上面
３１ｅ ２段目の上面
３２ 突起部
３３ リブ片
Claims (12)
- 空気極及びセパレータを含む電極群を収納する電槽であって、
前記空気極が対向配置される主壁と、
前記主壁の周縁部に設けられ、対向配置された前記空気極の側部を囲む囲い部と、を備え、
前記囲い部は、前記空気極に対向配置される前記セパレータの縁部によって覆われる構成であり、
前記囲い部により、対向配置される前記空気極と前記セパレータとの間に隙間が形成されることを特徴とする電槽。 - 空気極及びセパレータを含む電極群を収納する電槽であって、
前記空気極が対向配置される主壁と、
前記主壁の周縁部に設けられ、対向配置された前記空気極の側部を囲む囲い部と、を備え、
前記囲い部は、前記空気極に対向配置される前記セパレータの縁部によって覆われる構成であり、
前記空気極は、空気極触媒層と、前記空気極触媒層と前記セパレータの間に配置された集電極とをさらに備えることを特徴とする電槽。 - 請求項１または２に記載の電槽であって、
前記囲い部は、前記空気極の側面の一部を囲み、前記空気極の厚み方向において前記空気極よりも厚い凸部であることを特徴とする電槽。 - 請求項１または２に記載の電槽であって、
前記主壁の周縁部から立設された側壁を備え、
前記囲い部は、前記側壁から前記主壁と平行に延設された押え板であり、
前記空気極の側部は、前記押え板と前記主壁との間に介装されることを特徴とする電槽。 - 請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載の電槽であって、
前記主壁には複数の孔が設けられ、
前記複数の孔と前記空気極との間に撥水膜が配置され、
前記撥水膜は、その縁部が前記囲い部と前記主壁との間に挟持されることを特徴とする電槽。 - 請求項１から請求項５までのいずれか一つに記載の電槽であって、
前記主壁には複数の孔が設けられ、前記複数の孔と前記空気極との間に撥水膜が配置され、
前記撥水膜および前記空気極は、それぞれの縁部が重ねられ、前記囲い部と前記主壁との間に挟持されることを特徴とする電槽。 - 請求項１から請求項６までのいずれか一つに記載の電槽であって、
前記空気極の縁部の一部は、前記空気極の厚み方向において、前記空気極の中央部よりも薄く、
前記空気極の縁部の一部が、前記囲い部と前記主壁との間に挟持されることを特徴とする電槽。 - 請求項１から請求項７までのいずれか一つに記載の電槽と、
前記空気極と、
前記セパレータと、
前記空気極と反対側で前記セパレータに対向する第１電極と、を備えたことを特徴とする金属空気電池。 - 請求項８に記載の金属空気電池であって、
前記空気極と反対側で前記第１電極と対向する第２電極をさらに備えたことを特徴とする金属空気電池。 - 請求項８または９に記載の金属空気電池であって、
前記第１電極は金属負極であることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項９に記載の金属空気電池であって、
前記第１電極は金属負極であって、前記第２電極は酸素発生電極であることを特徴とする金属空気電池。 - 請求項９に記載の金属空気電池であって、
前記第１電極は酸素発生電極であって、前記第２電極は金属負極であることを特徴とする金属空気電池。
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