JP7315992B1 - マグネシウム空気電池のセル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム空気電池は発電すると内部に電池反応生成物が堆積して発電効率が落ちる。これを解消して発電効率が良く小型で軽量なパーソナル非常用携帯充電器を提供する。【解決手段】板状の負極板を中央に配置し負極板両面の上部は水に漬けない反応エリア部を設け、負極板の両面下部には水に漬ける給水エリアを設け、該給水エリア部には発電による反応物落下物集積用開口穴を設けると共に電池セルを両側から締結する正極支持枠を樹脂リベットで電池セルを締結する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属空気電池として実用的に利用が可能な発電構造を有し、その発電構造は小型で軽量化することができると共に、実用的に耐え得る利用目的で長時間にわたって電流の取り出しが可能なマグネシウム空気電池のセル構造を提供するものである。

マグネシウム空気電池を実用的に利用し、活用する流れは、例えば、特許第６５８７３０６号、特許公報（以下、特許文献１と称する）に開示されている。特許文献１において開示されたマグネシウム空気電池の実用的な利用、活用に関する展開例としは、災害時の大容量非常用電源としてのマグネシウム空気電池の開発があり、家庭ではテレビや冷蔵庫、そして電磁調理器や炊飯器などの例をあげ、これらの家電用に１００Ｗから１ｋＷの電源が必要であり、また電気自動車への実用化として、１００ｋＷｈの二次電池を搭載した自動車の場合を想定して、３０分で充電を完了するには２００ｋＷの電源が必要となるとしてマグネシウム空気電池の開発を行っている。然しながら、大容量の電池出力等を求める引用文献１の発明では、複数枚の空気電池セルを内蔵したマグネシウム空気電池ボックスを幾つも連結した構造や、空気電池ボックスを数段にも重ね合わせた構造にする必要があり、体積が大きくて、大重量のマグネシウム空気電池構造となってしまう欠点が生じ、なかなか災害時用の空気電池ボックスとして、保管や輸送、そして設置場所等を考えた場合に、実用化に供する発電量を確保して、大きさ及び重量を最適化するマグネシウム空気電池とは成り得なかった。

特許第６５８７３０６号

本発明のマグネシウム空気電池のセル構造は、モバイルバッテリー用の充電器に用途を限定して実用化することにより非常用電源として薄型で軽量化の要望を満たして、実用的に利用できて、活用可能なマグネシウム空気電池セルを提供するものである。本発明において、マグネシウム空気電池を構成する空気電池セルは、モバイルバッテリー用の充電器として少量の水（食塩水）があればどこでも発電することが可能であり、また、本発明のマグネシウム空気電池セルの集合体は、非常時等のモバイルバッテリー用の充電器として小型で軽量ながら長時間にわたり安定した電流をモバイルバッテリーに供給可能でより実用的な非常用のマグネシウム空気電池セルを提供することができる。

而して、従来のマグネシウム空気電池として非常時に重要となるスマートフォンの充電に適した代表的な商品例を日本マグネシウム協会のホームページより一部抜粋させていただいた。この資料において商品化されているマグネシウム発電機の特徴は、
商品Ａ
出力電圧 ５Ｖ
出力電流 ５.０Ａ（合計）
最大電気量 ２８０Ｗｈ
発電時間 最大約２日
出力端子 ＵＳＢ５ポート
サイズ（ｍｍ）Ｗ２１２×Ｄ１４７×Ｈ２１３
本体質量 ２.０ｋｇ
用途、特徴 スマホなどＵＳＢタイプの充電向け、持ち運び可で救援物質にも使えるコンパクトタイプ
商品Ｂ
出力電圧 ５Ｖ
出力電流 １.２Ａ（合計）
最大電気量 ３００Ｗｈ
発電時間 最大約５日
出力端子 ＵＳＢ２ポート
サイズ（ｍｍ）Ｗ２３３×Ｄ２２６×Ｈ２２６
本体質量 １.６ｋｇ
用途、特徴 スマホなどＵＳＢタイプの充電向け、持ち運び可で救援物質にも使えるコンパクトタイプ
というものである。

してみると、従来の商品化されたマグネシウム空気電池は、実用的で活用可能な商品となってはきているものの、開示された商品Ａ、商品Ｂの本体重量は２.０ｋｇ、１.６ｋｇと携帯用非常電源としては、大変重いものである。本発明は、この重量を３５０ｇ程の本体重量として設計、製作可能にすることで、パーソナルな非常用のモバイルバッテリー充電器用とする。また、上記従来の商品Ａのサイズは、幅２１２ｍｍ×奥行１４７ｍｍ×高さ２１３ｍｍ、また、商品Ｂのサイズでは、幅２３３ｍｍ×奥行２２６ｍｍ×高さ２２６ｍｍと非常に大きなものであったので、本発明では、これを、約半分の大きさ、即ち、幅１００ｍｍ×奥行７０ｍｍ×高さ８５ｍｍ程度までに縮小することで、個人が携帯用として持ち運びも可能なパーソナル非常用充電器とするものである。そして、本発明の改良されたマグネシウム空気電池セルは、電池筐体内に複数枚内蔵され、このセルを直列に接続することにより、小型で軽量なマグネシウム空気電池として提供するもので、この電池は、１５年から２０年の長期間にわたり発電をすることなく保管が可能であり、非常時等、必要時には水のみの補給で利用可能な出力電圧と、長く安定した電流をモバイルバッテリーに供給可能である。

本発明のマグネシウム空気電池のセル構造は、
マグネシウム又はマグネシウム合金を含む板状の負極板を中央に配置し、
該負極板の上部には負極板に接続された負極端子を有しており、
該負極板の両面の上部は水に直接漬けない反応エリア部を設け負極板の両面の下部には水に漬ける給水エリア部を設け、
該負極板の給水エリア部には負極板の板厚を貫通する反応物落下開口穴が穿たれており、
該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてU字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、
該セパレータの両外側面の反応エリア部にカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートまたは導電性メッシュからなる正極シートを夫々当接し、
該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成し、
該マグネシウム空気電池セルの両側端部を複数の樹脂リベット、樹脂ネジ等の係止手段にて締結一体化したことを特徴とするものである。

本発明のマグネシウム空気電池のセル構造において、
前記正極シートの両外側面から正極シートに当接される正極支持枠の形状は、例えば、鍬のような形状を有して反応エリア部の上端縁部支持片と両側端部支持片を有し、
該上端縁部支持片の中央部には前記上端縁部支持片から下部に向かって延伸する少なくとも一本以上のサポート支持片を有し、
前記上端縁部支持片は負極板、両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持して二本の樹脂リベット、樹脂ネジ等の係止手段で締結され、
前記両端部支持片は両端部支持片の下部において負極板、両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持して二本の樹脂リベット、樹脂ネジ等の係止手段で締結され、
前記サポート支持片は両面の上端縁部支持片から下部に向かって延伸する片持ち支持形状で負極板、両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持していることを特徴とするものである。

本発明のマグネシウム空気電池のセル構造において、
前記負極板の上部両面には、水に直接つけない反応エリア部を設け、
該負極板の両面下部には給水槽に浸して直接水に漬ける給水エリア部を設け、
該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてU字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、
該負極板反応エリア部の全面にセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートまたは導電性メッシュからなる正極シートを夫々当接し、
該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成し、
該マグネシウム空気電池セルの両側端部を複数の樹脂リベット、樹脂ネジ等係止手段にて締結一体化したことを特徴とするものである。

また、本発明のマグネシウム空気電池のセル構造において、
前記負極板の上部両面には、水に直接つけない反応エリア部を設け、
該負極板の両面下部には給水槽に浸して直接水に漬ける給水エリア部を設け、
該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてU字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、
該負極板反応エリア部前面にのみにセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートまたは導電性メッシュからなる正極シートを夫々当接し、
該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成し、
該マグネシウム空気電池セルの発電容量を増やす際にはマグネシウム空気電池セルの横幅全体を大きくすることを特徴とするものである。

更に、本発明のマグネシウム空気電池のセル構造において、
前記負極端子と正極端子を上部に突出して設けたマグネシウム空気電池セルは電池ケースに配置する際に配線基板上に配置したピンコネクタに挿着して上部を支承し、
該マグネシウム空気電池セルの下端に位置する負極板とセパレータからなる給水エリア部では電池ケースの底辺部にスリット形状の差し込み穴を設けて挿着して前記マグネシウム空気電池セルを支承していること特徴とするものである。

斯くして、本発明のマグネシウム空気電池のセル構造は、負極板の下部に設けられた給水エリア部を給水槽の水に浸し、給水エリア部を覆っているセパレータが給水槽の水を毛細管現象で反応エリア部まで運びあげて電極の反応エリア部を湿らし、その反応エリア部に正極活性物質である酸素を取り入れて反応エリア部で電気化学反応を起こし発電される仕組みであるが、発電が始まると負極反応エリア面とセパレータ内部側に大量の電池反応生成物が発生する。従って、電池反応生成物を放置すると発電効率を減少するだけでなく発電不可の状態に陥ることもあるため、本発明では、発電によりマグネシウム空気電池セル内部で発生する電池反応生成物を取り除くために前記負極板下部の給水エリア部に反応物落下開口穴を設けており、この反応物落下開口穴に電池反応生成物を落とすことにより、上記反応エリア部内での電池反応生成物の滞留、堆積を防ぎ発電効率を減少させることもなく、長い時間安定した電流を供給可能となる他、負極板に大きな反応物落下穴を穿つことにより負極板の重量を約４０パーセント落とすことができ、電池セルの軽量化を促進することができた。

そして、本発明の負極板の構造は、負極板の両面上下に反応エリア部と給水エリア部に区分けした構成を有し負極板の反応エリア部は、水に直接浸からないので、吸気口からの正極活性酸素をよく通して電気化学反応が活発に行われるので発電効率が良いマグネシウム空気電池のセル構造を提供することができた。

また、本発明における正極シートを構成する金属箔メッシュシートは、開口部の比率が大きくなると金属箔の連通部分が細くなるため、電流が大きくなると電気抵抗が大きくなる。また正極端子が一箇所だけの場合、その付近の金属箔連通部分に正極シート全体の電流が集中するため、集中抵抗も発生する。しかしながら、本発明の正極支持枠は、広い範囲で正極シートの金属箔メッシュシートと接触しているため、金属箔メッシュシートを流れる電流は、直近の正極支持枠の一部を経由して直接、正極端子に流れることができるので、金属箔メッシュシートの導体抵抗や集中抵抗の影響を回避することができ、電池の発電効率を高めることができた。

而して、本発明のもう一つの構造的な特徴は、正極シートの両外側面から正極シートに当接される正極支持枠の形状であり、正極支持枠は、例えば、鍬のような形状を有して反応エリア部に上端縁部支持片と両側端部支持片を有し、該上端縁部支持片の中央部には前記上端縁部支持片から下部に向かって延伸する少なくても一本以上のサポート支持片を有しているものである。この構成により負極板の反応エリア面とセパレータ内部側に生成される電池反応生成物は、生成の方向が規制されると共に重力により負極板の下部に設けられた反応物落下開口穴に落下し、収集されるので、負極の反応エリア部には電池反応生成物を大量に堆積させず、反応エリア部の膨満化を防ぎ発電出力の低下を招くことなく長い時間安定した電流を供給可能にすることができた。

本発明におけるセパレータで覆われた負極板上部の構成は、セパレータの両外側面の反応エリア部全面にセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシート等の導電性メッシュからなる正極シートを夫々当接すると共に、前記正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを組み立て、そのマグネシウム空気電池セルの両側端部と上端部を複数の樹脂リベット等の係止構造用いて締結し一体化する構成としている。従って、従来例の如く正極シートやカーボンゴムシート、そして、金属メッシュ等の一体化に接着材を用いて全面接着する方法を使用せず、樹脂リベットによる部分締結を採用して、接着材等の持つ電気抵抗の影響がなく、効率の良い発電が可能となる他、圧縮して挟持することが可能となり薄型のマグネシウム空気電池セルを提供することができた。

また、本発明における構成では、負極板の上部両面には水に直接つけない反応エリア部を設け、該負極板の両面下部には給水槽に浸して直接水に漬ける給水エリア部を設け、該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてＵ字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、該負極板反応エリア部前面にのみにセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートからなる正極シートを夫々当接し、該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成しており、マグネシウム空気電池セルの発電容量を増やす際には、高さを従来通りに規制し、マグネシウム空気電池セルの横幅全体を大きくすることでセパレータの給水高さを向上させることなく発電効率を上げることができ、この構成はマグネシウム空気電池セルを収納する筐体の高さ、奥行寸法を変えることなく、筐体の長さのみの延長で可能であり、この筐体電池の長さのみの延長は電池セルの軽量化に重要な問題を提起しない。

そして、本発明における前記セパレータは、不織布等の剛性の低い材料からなるため、単独では変形しやすいが、本発明では、負極板の両面を包み込み負極板の下端においてＵ字型に折り返して負極板の全面を覆う構造であるため、負極板に支えられており、曲がりや折れのような変形をすることなく、給水槽の底部に向けて延在する姿勢を保つことができ、電池を薄型にするため、給水槽が深くなっても、給水槽の底部まで水を安定して運び上げることができる。

更に、本発明のマグネシウム空気電池セルの電池筐体への設置構造は、上部に突出して設けている夫々の電極を電池筐体に配置する際にプリント基板上に配置したコネクタピンに挿着して上部を弾力的に支承しており、該マグネシウム空気電池セルの下端に位置する負極板とセパレータからなる給水エリア部では電池ケースの底辺部にスリット形状の差し込み穴を設けて挿着して前記マグネシウム空気電池セルを支承している。従って、上記負極板とセパレータからなる反応エリア部においては、発電に伴い負極板反応エリア部面とセパレータ内部側が発電に伴う電池反応生成物にて膨満し正極端子の支承位置が動くので、これをプリント基板上に配置したコネクタピン部で許容して支承し、電池ケースの差し込み穴でも下部にてマグネシウム空気電池セルを支持する構造で電極の動きによる接触不良を防止している。

本発明のマグネシウム空気電池セルを示す左側断面図である。 図１の拡大断面図である。 本発明のマグネシウム空気電池セルを示す正面図である。 本発明のマグネシウム空気電池セルと電池ケースの関係を説明するブロック図である。 本発明の他の実施例を説明する正面図である。 本発明の利用概要を説明するブロック図である。

斯くして、本発明は、マグネシウム又はマグネシウム合金を含む板状の負極板を中央に配置し、この負極板の上部には負極板に接続された負極端子を有しており、前記負極板の両面の上部は水に直接漬けない反応エリア部と、負極板の両面下部には水に漬ける給水エリア部を設けている。そして、前記負極板の両面下部に設けた給水エリア部には負極板の板厚を貫通する形状の反応物落下開口穴が穿たれている。また、前記負極板の反応エリア部、給水エリア部には、当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてＵ字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置しており、そのセパレータの働きにより負極板の両面の上部は、電池筐体下部の給水槽に給水して発電を始める時において水に直接漬からない反応エリア部となり、負極板の両面下部は給水槽の水に直接漬ける給水エリア部を形成している。そして、前記負極板の全面を覆うセパレータは、高分子ポリマータイプの不織布でＮａＣｌ（塩）を水溶液で溶解して含侵させた後に乾燥させたもので、乾燥状態では、正極や正極シートが負極板両面に当接又は圧接されていても電気化学反応をおこさないが、給水槽に給水して発電を始めると水はセパレータを介して前記反応エリア部まで浸透される。

前記セパレータで覆われた負極板上部の構成は、セパレータの両外側面の反応エリア部全面にセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートからなる正極シートを夫々当接すると共に、前記正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを組み立て、そのマグネシウム空気電池セルの両側端部と上端部を複数の樹脂リベットにて締結し一体化することにより負極、正極の接合に従来例の如く接着材等を全面使用せず樹脂リベットによる部分、部分の点の接合を採用して、電極間の接合部分での電気抵抗が低減でき効率の良い発電が可能となる他、圧縮して挟持することが可能となり薄型のマグネシウム空気電池セルを提供している。

本発明のマグネシウム空気電池セルの構造は、負極板の下部に設けられた給水エリア部を給水槽の水に浸し、給水エリア部を覆っているセパレータが給水槽の水を毛細管現象で反応エリア部まで運びあげて電極の反応エリア部を湿らす構成であり、前記セパレータは不織布等の剛性の低い材料からなるため、単独では変形しやすいが、本発明では、負極板の両面を包み込み負極板の下端においてＵ字型に折り返して負極板の全面を覆う構造であるため、負極板に支えられており、曲がりや折れのような変形をすることなく、給水槽の底部に向けて延在する姿勢を保つことができ、電池を薄型にするため、給水槽が深くなっても、給水槽の底部まで水を安定して運び上げることができる。そして、前記セパレータに含侵されたＮａＣｌは、給水された水にて溶解して負極板上部に設けられた反応エリア部に浸透し、その反応エリア部において、正極の活性物質である外気からの酸素を取り入れて反応エリア部で電気化学反応を起こし発電を起こす仕組みであるが、発電が始まると負極反応エリア面とセパレータ内部間には電池反応生成物が発生する。而して、電池反応生成物は放置すると堆積し続け、その高さも不均一であるため、負極反応エリア面とセパレータの間に隙間が生じる部分が発生し、その部分の反応は中断されるため、発電効率を減少させる。また反応物の堆積は、酸素の供給も阻害するため、発電効率を減少させるだけでなく発電不可の状態に陥ることもあるため、本発明では、発電によりマグネシウム空気電池内部で発生する電池反応生成物を取り除くために前記負極下部の給水エリア部に設けた反応物落下開口穴に電池反応生成物を落下させて反応エリア部を活性化しながら電気化学反応を促進し、継続している。

また、本発明のもう一つの構造的な特徴は、正極シートの両外側面から正極シートに当接され正極シートを押圧支持する正極支持枠の形状であり、それは、例えば、鍬のような形状を有して反応エリア部の上端縁部支持片と両側端部支持片を有し、該上端縁部支持片の中央部には前記上端縁部支持片から下部に向かって延伸する一本以上のサポート支持片を有していることである。

前記正極支持枠の形状において、上端縁部支持片は、内部側より負極板、負極板の両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持して前記二本の樹脂リベットで締結されており、この上端縁部支持片と一体的に構成された両端部支持片は、両端部支持片の下端部において負極板、両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持して前記二本の樹脂リベットで締結されている。また正極シート中央部に位置する前記サポート支持片は、両面の上端縁部支持片から下部に向かって延伸する片持ち支持形状で負極板とその負極板の両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持して前記負極板両面に設けられた反応エリア部を上端及び両端の三方向で挟持している構造を有している。

従って、発電に伴う電気化学反応により負極反応エリア面とセパレータ内部側に生成される電池反応生成物は、前記上端縁部支持片、両端部支持片、サポート支持片の挟持、締結により生成の方向が規制されると共に、重力により負極板下部に設けられた反応物落下開口穴に落下するので、負極板の反応エリア部では電池反応生成物の堆積を防ぎ、反応エリア部の膨満化を防ぎ発電出力の低下を招くことなく長い時間安定した電流を供給可能としている。

また、正極シートを構成する金属箔メッシュシートは、開口部の比率が大きくなると金属箔の連通部分が細くなるため、電流が大きくなると電気抵抗が大きくなる。また正極端子が１箇所だけの場合、その付近の金属箔連通部分に正極シート全体の電流が集中するため、集中抵抗も発生する。しかしながら、本発明の正極支持枠は、広い範囲で正極シートの金属箔メッシュシートと接触しているため、金属箔メッシュシートを流れる電流は、直近の正極支持枠の一部を経由して直接、正極端子に流れることができるので、金属箔メッシュシートの導体抵抗や集中抵抗の影響を回避することができ、電池の発電効率を高めることができる。

更に、本発明は、負極板の上部両面には水に直接つけない反応エリア部を設け、該負極板の両面下部には給水槽に浸して直接水に漬ける給水エリア部を設け、該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてＵ字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、該負極板反応エリア部全面にセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートからなる正極シートを夫々当接し、該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成しており、マグネシウム空気電池セルの発電容量を増やす際には、高さを従来通りに規制し、マグネシウム空気電池セルの横幅全体を大きくすることでセパレータの給水高さを向上させることなく発電効率を上げることができ、この構成はマグネシウム空気電池セルを収納する筐体の高さ、奥行寸法を変えることなく、筐体の長さのみを延長すれば出力の向上に繋がるので電池の軽量化に対して重要な問題を提起しない。

本発明のマグネシウム空気電池セルの構造は、負極端子と正極端子を上部に突出して設けたマグネシウム空気電池セルは電池ケースに配置する際にプリント基板上に配置したピンコネクタに挿着して上部を弾力的に支承され、該マグネシウム空気電池セルの下端に位置する負極板とセパレータからなる給水エリア部では電池ケースの底辺部にスリット形状の差し込み穴（スリット孔）を設けて挿着して前記マグネシウム空気電池セルを支承している。

従って、上記負極板とセパレータからなる反応エリア部においては、発電に伴い負極板反応エリア部面とセパレータ内部側が膨満し負極端子と正極端子の位置が動くので、これをプリント基板上に配置したピンコネクタで許容して支承し、電池ケースの差し込み穴でも下部を支持して、負極端子と正極端子の動きを固定した支持構造で支え電極の動きによる接触不良の発生を防止している。

図１乃至図３は本発明のマグネシウム空気電池セル構造の説明図であり、図４は本発明のマグネシウム空気電池セルと電池ケースの関係を説明するブロック図、図５は他の実施例を示すセル正面図、図６は本発明の利用概要を説明するブロック図を示している。図１乃至図６において、同一記号は同一構成要素を示しており、１はマグネシウム空気電池セル、２はマグネシウム又はマグネシウム合金からなる負極板であり、負極板２の上部には負極板２に接続された負極端子３が設けられている。この負極板２の垂直方向上部両面には反応エリア部４が下部両面には給水エリア部５が設けられており、前記給水エリア５には負極板２の板厚を貫通する形で反応物落下開口穴６が穿たれている。また、反応エリア部４と給水エリア部５を有する負極板２には、反応エリア部４、給水エリア部５に当接して負極板２の両面を包み込み負極板２の下端においてＵ字型に折り返して負極板２の全面を覆うセパレータ７を設置している。尚、反応物落下開口穴６を大きく穿つことにより電池セルの負極板の重量は４０パーセント程落とすことができ電池セルの軽量化に貢献している。

而して、上記セパレータ７は、通常、給水力が高い高分子タイプの不織布が用いられており、このセパレータ７の両外側面に通気性のあるカーボンゴムシート８（図２に示す）と金属箔メッシュシート９（図２、３に示す）から構成された正極シート１０を夫々当接して、その正極シート１０の両外側面に夫々、正極及び正極端子１１を有した正極支持枠１２と耐油紙から成る短絡防止シート１３を当接して、これらのマグネシウム空気電池のセル１を前記正極支持枠１２部分で４本の樹脂リベット１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにて締結している。また、正極支持枠１２は、その形状に特徴があり、図３に示すような形状を有しており、正極支持枠１２は、上端縁部支持枠１５と両側端部支持枠１６ａ、１６ｂを有し、該上端縁部支持枠１５の中央部には前記上端縁部支持枠１５から下部に向かって延伸する二本のサポート支持片１７ａ、１７ｂを有していることである。
尚、サポート支持片の数量は、反応エリア部４の幅に応じて適宜、増減しても良い。

また、図４は、マグネシウム空気電池セル１を電池筐体１８内に装着し、下部の給水槽１９に水２０を給水して発電状態を説明するブロック図であり、電池筐体１８の外壁部には電池内に酸素を送り込むための給気口２１ａ、２１ｂ、２１ｃ・・・が複数開けられおり、電池筐体１８の上部には電流取り出し用の配線基板２２が設置されており、負極板２及び正極端子１１が夫々のピンコネクタ２３ａ、２３ｂ、２３ｃに挿着されて電気的に接続されている。本発明のマグネシウム空気電池セル１は、上部をピンコネクタ２３ａ、２３ｂｂ、２３ｃにより弾力的に支承され、下部において電池筐体１８と給水槽１９間に穿たれたスリット孔２４に嵌着され電池筐体１８内に収納されている。

而して、本発明の実施例１を図１乃至図４にて説明する。図１乃至図４において、マグネシウム又はマグネシウム合金を含む板状の負極板２は中央に配置され、この負極板２の上部には負極板２に接続された負極端子３を有しており、前記負極板２の両面の上部は水に直接漬けない反応エリア部４と、負極板２の両面下部には水に漬ける給水エリア部５を設けている。そして、前記負極板２の給水エリア部４には負極板２の板厚を貫通する反応物落下開口穴６が穿たれている。

前記負極板２の反応エリア部４、給水エリア部５には、当接して負極板２の両面を包み込み負極板２の下端においてＵ字型に折り返して負極板２の全面を覆うセパレータ７を設置しており、そのセパレータ７の働きにより負極板２の両面の上部は、発電時においても水に直接漬からない反応エリア部４となり、負極板２の両面下部は給水槽１９の水に直接漬ける給水エリア部５を形成している（図４に示す）。そして、前記負極板２の全面を覆うセパレータ７は、高分子ポリマータイプの不織布でＮａＣｌ（塩）を水溶液で溶解して含侵させた後に乾燥させたもので、乾燥状態では、セパレータ７が負極板２両面に当接又は圧接されていても電気化学反応をおこさないので、長期間にわたりマグネシウム空気電池セル１を保存できる。また、前記セパレータ７は不織布等の剛性の低い材料からなるため、単独では変形しやすいが、本発明では、負極板２の両面を包み込み負極板２の下端においてＵ字型に折り返して負極板２の全面を覆う構造であるため、負極板２に支えられており、曲がりや折れのような変形をすることなく、給水槽１９の底部に向けて延在する姿勢を保つことができ、電池を薄型にするため、給水槽１９が深くなっても、給水槽の底部まで水を安定して運び上げることができる。

また、セパレータ７で覆われた負極板２上部の構成は、セパレータ７の両外側面の反応エリア部４前面にセパレータ７を介してカーボンゴムシート８と金属箔メッシュシート９からなる正極シート１０を夫々当接すると共に、前記正極シート１０の両外側面に夫々正極及び正極端子１１を有した正極支持枠１２と短絡防止シート１３を夫々当接してマグネシウム空気電池セル１を組み立て、そのマグネシウム空気電池セル１の両側端部と上端部を複数の樹脂リベット１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにて締結し一体化することにより負極、正極の接合に従来例の如く接着材等を使用せず樹脂リベット１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄによる部分、部分の点の接合を採用することで電極間の接合部分での電気抵抗が低減でき効率の良い発電が可能となる他、負極板２，セパレータ７，正極シート１０，正極支持枠１２を密着させることができ、電池として反応が効率よく薄型のマグネシウム空気電池セルを提供できる。

また、本発明の実施例２を図１乃至図４において説明する。本発明のマグネシウム空気電池セル１の構造は、負極板２の下部に設けられた給水エリア部５を給水槽１９の水に浸し、給水エリア部５を覆っているセパレータ７が給水槽１９の水を毛細管現象と吸水力で反応エリア部４まで運びあげて負極板２の反応エリア部４を湿らす際に、セパレータ７に含侵されたＮａＣｌは溶解し給水された水２０を介して負極板２上部に設けられた反応エリア部４に浸透し、その反応エリア部４において、正極の活性物質である酸素を取り入れて反応エリア部４で電気化学反応を起こし発電される仕組みであるが、発電が始まると負極板２の反応エリア部４とセパレータ内部側に大量の電池反応生成物２５（図４に示す）が発生し、放置すると発電効率を減少させるだけでなく発電不可の状態に陥るので、本発明では、発電によりマグネシウム空気電池セル１内部で発生する電池反応生成物２５を取り除くために前記負極板２下部の給水エリア部５に設けた反応物落下開口穴６を活用する。

而して、本発明のもう一つの構造的な特徴は、正極シート１０の両外側面から正極シート１０に当接される正極支持枠１２の形状であり、例えば、正極支持枠１２は鍬のような形状を有しており、反応エリア部４の上端縁部支持片１５と両側端部支持片１６ａ、１６ｂを有し、該上端縁部支持片１５の中央部には前記上端縁部支持片１５から下部に向かって延伸する二本のサポート支持片１７ａ、１７ｂを有していることである。

前記上端縁部支持片１５は、内部側より負極板２、負極板２の両面に存在するセパレータ７及び正極シート１０を挟持して前記二本の樹脂リベット１４ａ、１４ｃで締結されており、この上端縁部支持片１５と一体的に構成された両端部支持片１６ａ、１６ｂは、両端部支持片１６ａ、１６ｂの下端部において負極板２、両面に存在するセパレータ７及び正極シート１０を挟持して二本の樹脂リベット１４ｂ、１４ｄで締結されている。また正極シート１０中央部に位置する前記二本のサポート支持片１７ａ、１７ｂは、両面の上端縁部支持片１５から下部に向かって延伸する片持ち支持形状で負極板２とその負極板２の両面に存在するセパレータ７及び正極シート１０を挟持している構造を有している。

従って、発電に伴う電気化学反応により負極板２の反応エリア部４とセパレータ７内部側に生成される電池反応生成物２５（図４に示す）は、前記上端縁部支持片１５、両端部支持片１６ａ、１６ｂ、二本のサポート支持片１７ａ、１７ｂの挟持、及びリベット締結により生成の方向が規制されると共に、重力により負極板２の下部に設けられた反応物落下開口穴６に落下し、集積されるので、負極板２の反応エリア部４には電池反応生成物２５が堆積させず、反応エリア部４の膨満化を防ぎ発電出力の低下を招くことなく極めて長い時間安定した電流を供給可能である。

また、正極シート１０を構成する金属箔メッシュシート９は、開口部の比率が大きくなると金属箔の連通部分が細くなるため、電流が大きくなると電気抵抗が大きくなる。また正極端子が１箇所だけの場合、その付近の金属箔連通部分に正極シート全体の電流が集中するため、集中抵抗も発生する。しかしながら、本発明の正極支持枠１２は、広い範囲で正極シート１０の金属箔メッシュシート９と接触しているため、金属箔メッシュシート９を流れる電流は、直近の正極支持枠１２の一部を経由して直接、正極端子１１に流れることができるので、金属箔メッシュシート９の導体抵抗や集中抵抗の影響を回避することができ、電池の発電効率を高めることができる。

次に本発明の実施例３を図５において説明する。図５において、負極板２の上部両面には水に直接つけない反応エリア部４を設け、該負極板２の両面下部には給水槽１９に浸して直接水に漬ける給水エリア部５を設けている。また、前記負極板２の反応エリア部４、給水エリア部５に当接して負極板２の両面を包み込み負極板２の下端においてU字型に折り返して負極板２の全面を覆うセパレータ７を設置し、該負極板２の反応エリア部４全面に前記セパレータ７を介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートからなる正極シート１０を夫々当接し、該正極シート１０の両外側面に夫々正極端子１１を有した正極支持枠１２と短絡防止シート１３を夫々当接してマグネシウム空気電池セル１を構成している。

而して、図５において、給水槽１９に給水する水を２０とすると前記給水エリア面５は、ほぼ、水に浸かり、この水２０はセパレータ７を形成する不織布の毛細管現象と不織布の吸水率により吸水高さ限界Ｈが決まってしまう。従って、マグネシウム空気電池セル１の発電容量を増やす際には、前記電池筐体１８の高さを従来通りに設定し、マグネシウム空気電池セル１の横幅全体を大きくすること、即ち、図３に示したマグネシウム空気電池セル１の幅ＷをＷ１に拡大することで、セパレータ７の給水高さＨを上げることなく反応エリア部４の面積を広げることにより発電量を上げることができるもので、この構成はマグネシウム空気電池セル１を収納する電池筐体１８の高さ、奥行寸法を変えることなく、電池筐体１８の長さのみを延長すれば良いので電池の小型化に大きく寄与し、携帯機能を損なわず軽量化のできる電池筐体を作ることができる。

そして、本発明の実施例４は、図４に示す如く、本発明のマグネシウム空気電池セル１の電池筐体１８への装着構造である。図４において、１は負極端子３と正極端子１１を上部に突出して設けたマグネシウム空気電池セルであり、電池筐体１８に配備する際に配線基板２２上に配置したピンコネクタ２３ａ、２３ｂ、２４ｃに嵌合、挿着して上部を支承され、該マグネシウム空気電池セル１の下端に位置する負極板２とセパレータ７からなる給水エリア部５では、電池筐体１８の底辺部に差し込み用スリット孔２４を設けて挿着して前記マグネシウム空気電池セル１を支承している。従って、上記負極板２とセパレータ７からなる反応エリア部４においては、発電に伴い負極板２の反応エリア部４面とセパレータ７内部側が電池反応生成物２５の発生で膨満し負極端子３と正極及び正極端子１１の位置が動くので、これを配線基板２２上に配置したピンコネクタ２３ａ、２３ｂ、２４ｃで許容して支承すると共に、電池筐体１８底辺部でもスリット孔２４でマグネシウム空気電池セル１を支持し、負極端子３と正極及び正極端子１１のセル膨満による動きを防止しており、前記電極の動きによる接触不良の発生を防止している。

斯くして、本発明の実施例５を、図６のブロック図において説明する。図６において、１ａ、１ｂ、１ｃ・・・はマグネシウム空気電池セル、１９は給水槽を示し、マグネシウム空気電池セル１は１ａ、１ｂ、１ｃ・・・の如く電池筐体１８内に複数並べて設置し、該マグネシウム空気電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・を電池筐体１８の下部に設置されている給水槽１９に挿着し発電を開始する。１８は電池筐体、２２は配線基板、２は負極端子でここでは正極及び負極の端子を意味している。そして、前記正極及び負極の端子はそれぞれコネクタピンを介して配線基板２２に接続されており、前記マグネシウム空気電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・にて発電された電力は、配線基板２２、コネクタ２６ａを介してモバイルバッテリー２７に電力が供給されるようよう構成されている。

本発明の重要な構成は、小型で軽量、持ち運び自在なマグネシウム空気電池セルの集合体であるため、マグネシウム空気電池セル１ａ、１ｂ、１ｃ・・・は上部で夫々コネクタピンで弾力的に固定されているほか、電池筐体１８の底辺部に設けられたスリット孔２４に夫々嵌着されており、二点支持の堅牢な構造で発電時の短絡を防止している。また、電池筐体１８と給水槽１９は分離することができる構成で、分離したのちに給水槽１９に水２０を供給したのちに電池筐体１８と水槽１９を嵌合して発電を始める構造で、水を持ち運ぶ必要はない。

而して、本発明はマグネシウム空気電池セルを複数枚重ね合わせて電池筐体内に設置して発電装置を構成し、該発電装置は、個人が、日常携帯用として持ち運びの出来る小型で軽量の非常用発電機及び充電器として提供するものである。本発明は、発電を開始しなければその保存期間の耐用年数が１５年から２０年と長い期間を有するマグネシウム空気電池セル使用するもので、この充電器は、停電時等のバッテリー切れの際に小型デバイス（スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ）用の充電器として有効であるが、小型デバイスの要求する電力仕様は夫々異なることがあり、また、将来的に変化していく可能性が高い。従って、将来的にも様々な小型デバイスの電力仕様に対して汎用性が高いと考えられるモバイルバッテリーを対象とした充電器として大きな役割を果たすものである。また、特に災害時を想定した備蓄用途等では、本発明のマグネシウム空気電池に予めモバイルバッテリーを搭載、付属させた状態で備蓄、或は提供することにより、使用する際に、使用者がモバイルバッテリーを有していなくとも、付属されているモバイルバッテリーの充電を行うことが出来、各種の小型デバイスを充電することが可能になる。

１ マグネシウム空気電池セル
２ 負極板
３ 負極端子
４ 反応エリア部
５ 給水エリア部
６ 反応物落下開口穴
７ セパレータ
８ カーボンゴムシート
９ 金属箔メッシュシート
１０ 正極シート
１１ 正極及び正極端子
１２ 正極支持枠
１３ 短絡防止シート
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 樹脂リベット
１５ 上端縁部支持片
１６ａ、１６ｂ 両側端部支持片
１７ａ、１７ｂ サポート支持片
１８ 電池筐体
１９ 給水槽
２０ 水
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ・・・ 給気口
２２ 配線基板
２３ａ、２３ｂ、２４ｃ コネクタピン
２４ スリット孔
２５ 電池反応生成物
２６ａ、２６ｂ コネクタ
２７ モバイルバッテリー

Claims (5)

1. マグネシウム又はマグネシウム合金を含む板状の負極板を中央に配置し、
   該負極板の上部には負極板に接続された負極端子を有しており、
   該負極板の両面の上部は水に直接漬けない反応エリア部を設け負極板の両面の下部には水に漬ける給水エリア部を設け、
   該負極板の給水エリア部には負極板の板厚を貫通する反応物落下開口穴が穿たれており、
   該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてU字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、
   該セパレータの両外側面の反応エリア部にカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートまたは導電性メッシュからなる正極シートを夫々当接し、
   該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成し、
   該マグネシウム空気電池セルの両側端部を複数の樹脂リベット、又は、樹脂ネジの係止手段にて締結一体化したことを特徴とするマグネシウム空気電池のセル構造。
2. 前記正極シートの両外側面から正極シートに当接される正極支持枠は反応エリア部の上端縁部支持片と、
   前記上端縁部支持片の両側端部から下部に向かって延伸する両側端部支持片と、
   該上端縁部支持片の中央部には前記上端縁部支持片から下部に向かって延伸する少なくとも一本以上のサポート支持片とを有しており、
   前記上端縁部支持片は負極板、両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持して二本の樹脂リベット、又は、樹脂ネジの係止手段で締結され、
   前記両側端部支持片はその下部において負極板、両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持して二本の樹脂リベット、又は、樹脂ネジの係止手段で締結され、
   前記サポート支持片は両面の前記上端縁部支持片から下部に向かって延伸する片持ち支持形状で負極板、両面に存在するセパレータ及び正極シートを挟持していることを特徴とする請求項１に記載されたマグネシウム空気電池のセル構造。
   
3. 前記負極板の上部両面には水に直接つけない反応エリア部を設け、
   該負極板の両面下部には給水槽に浸して直接水に漬ける給水エリア部を設け、
   該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてU字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、
   該負極板反応エリア部の全面にセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートまたは導電性メッシュからなる正極シートを夫々当接し、
   該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成し、
   該マグネシウム空気電池セルの両側端部を複数の樹脂リベット、又は、樹脂ネジの係止手段にて締結一体化したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたマグネシウム空気電池のセル構造。
4. 前記負極板の上部両面には水に直接つけない反応エリア部を設け、
   該負極板の両面下部には給水槽に浸して直接水に漬ける給水エリア部を設け、
   該負極板の反応エリア部、給水エリア部に当接して負極板の両面を包み込み負極板の下端においてU字型に折り返して負極板の全面を覆うセパレータを設置し、
   該負極板反応エリア部全面にのみにセパレータを介してカーボンゴムシートと金属箔メッシュシートまたは導電性メッシュからなる正極シートを夫々当接し、
   該正極シートの両外側面に夫々正極端子を有した正極支持枠と短絡防止シートを夫々当接してマグネシウム空気電池セルを構成し、
   該マグネシウム空気電池セルの発電容量を増やす際にはマグネシウム空気電池セルの横幅全体を大きくすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載されたマグネシウム空気電池のセル構造。
5. 前記負極端子と正極端子を上部に突出して設けたマグネシウム空気電池セルは電池ケースに配置する際に配線基板上に配置したピンコネクタに挿着して上部を支承し、
   該マグネシウム空気電池セルの下端に位置する負極板とセパレータからなる給水エリア部では電池ケースの底辺部にスリット形状の差し込み穴を設けて挿着して前記マグネシウム空気電池セルを支承していること特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載されたマグネシウム空気電池のセル構造。