JPWO2020031688A1 - 金属空気電池、及びその使用方法 - Google Patents

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Abstract

高出力を得ることができるとともに、発電に伴う生成物の排出を促進でき、出力の経時的安定性を図ることができる金属空気電池、及びその使用方法を提供すること。本発明の金属空気電池は、金属極（３）と、金属極の両側に、対向して配置される空気極（４）と、金属極及び空気極を支持する筐体と、を有して構成される金属空気電池セル（２）が複数個、並設された金属空気電池ユニット（１）を備え、空気極は、筐体の両側の外面に露出しており、各筐体内には、夫々、液室（６）が形成されており、金属空気電池ユニットには、各金属空気電池セルの間にて対向する空気極間に、上方が開放された空気室（７）が形成されており、各金属空気電池セルには、液室と連通して電解液を液室に供給すると共に、金属極と空気極との反応により生じる生成物を金属空気電池ユニットの外部へ放出が可能な貫通孔（６）が形成されている。

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、及びその使用方法に関する。
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。電解液を金属空気電池に給水する事で発電が開始される。
従来においては、様々な金属空気電池の構造が提案されている（例えば、特許文献１から特許文献４）。
特許文献１によれば、金属極と空気極とをセル内に組み込み、セルの底面に設けられた海水取入口から、セル内のセル電解液室に電解液が注入されるように構成されている。
特許文献２によれば、電槽内に、空気極と金属極とを取り付けた空気供給箱を複数収容して、複数セルを形成している。電槽には注液口が設けられており、海水を、注液口を介して電槽内に注入することが出来る。
特許文献３によれば、セル内には、空気極と金属極とが２組、組み込まれており、給水部がセルの上面に配置されている。給水部から電解液を注入し発電させる。
特許文献４によれば、ホルダに固定された金属極と空気極を備える電池を、電解液が注入された容器内に入れて発電させ、ホルダを容器から移動させて、電池を電解液から離すことで、発電を停止させている。
実開昭５２−２２５２６号公報 実開昭５４−１３７７３２号公報 特開２０１７−４６４４号公報 特開２０１６−７６３１９号公報
上記した特許文献のうち、特に、特許文献１及び特許文献２について考察する。特許文献１では、第２図に示すように、セル内部を区画壁（２）で区画して、中央に、セル電解室（９）を設け、セル電解室（９）の両側に空気室（７）を形成している。空気室（７）は、単セルの側壁（８）により外壁が区画されており、単セル構造で発電が可能である。第２図に示す単セル構造を海水に入れると、海水は、海水取入口（１２）からセル電解室（９）内に注入されるが、区画された空気室（７）には入り込まないようになっている。このように、特許文献１は、単セル構造にて、セル電解室（９）と空気室（７）とを完全に部屋に区画するため、空気室（７）の外壁としての側壁（８）が必要となり、また、空気室（７）に十分な空気を導くように、空気室（７）を十分な大きさで形成することが必要である等、セル幅（ここで、「セル幅」は、特許文献１の第２図に示す電槽（１）の幅寸法が該当する）を広くすることが必要となる。
そのため、高出力を得るために、複数のセルを並設する構成を考えたとき、複数セルのトータル幅を所定範囲に収めるには、並設可能なセル数を少なくしなければならない。
すなわち、特許文献１では、金属極の両側に空気極を配置し、金属極の両側で反応を起こすことができるため、個々のセルの出力を期待できるものの、省スペースで、セル数を効果的に増やすことができず、十分な高出力を得ることができない。
また、特許文献２では、空気供給体箱体の両側に夫々、空気極と金属極とを配置し、これを１セルとして、複数のセルを電槽内に配置している。しかしながら、特許文献２の構成では、金属極の片側にのみ空気極が配置された構成であるため、高出力を期待できない。また、特許文献２では、電槽の底面に生成物が溜まってしまい、これを取り除く手段を有していない。このため、生成物が、金属極と空気極との間の反応の阻害し、出力が経時的に低下してしまう。
更に、従来の金属空気電池では、発電が終了すると、使用ができなくなり、処分する必要があった。すなわち、従来の金属空気電池は、使い切りの一次電池であった。
そこで、本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高出力を得ることができるとともに、発電に伴う生成物の排出を促進でき、出力の経時的安定性を図ることができる金属空気電池、及びその使用方法を提供することを目的とする。
本発明の金属空気電池は、金属極と、前記金属極の両側に、対向して配置される空気極と、前記金属極及び前記空気極を支持する筐体と、を有して構成される金属空気電池セルが複数個、並設された金属空気電池ユニットを備え、前記空気極は、前記筐体の両側の外面に露出しており、各金属空気電池セルには、夫々、液室が形成されており、複数個の前記金属空気電池セルを組み合わせた前記金属空気電池ユニットには、各金属空気電池セルの間にて対向する前記空気極間に、上方が開放された空気室が形成されており、各金属空気電池セルには、前記液室と連通して電解液を前記液室に供給すると共に、前記金属極と前記空気極との反応により生じる生成物を前記金属空気電池ユニットの外部へ放出が可能な貫通孔が形成されている、ことを特徴とする。
本発明では、前記金属極は、下端が、自由端として前記筐体に支持されており、前記貫通孔は、前記筐体の底部に形成されており、前記金属極の下端と前記貫通孔の上端とが対向していることが好ましい。
本発明では、前記金属極の下端は、前記貫通孔の上端以上の位置に配置されていることが好ましい。
本発明では、前記筐体の、前記空気極が配置される両側の側部は、前記空気極を固定する固定部と、前記固定部の外周を、上方を除いて囲み、前記固定部よりも突き出した枠部と、を有して構成され、前記空気極は、前記固定部に固定されるとともに、前記金属空気電池セルの前記枠部同士が突き合わされて、上方が開放された前記空気室が形成されることが好ましい。
本発明では、前記金属極、或いは、前記金属空気電池セルは、前記筐体に、交換可能に支持されていることが好ましく、作業性や筐体設計の観点から、前記空気電池セルが交換可能に支持されていることが更に好ましい。
本発明では、上記に記載の金属空気電池ユニットと、電解液を収容可能な発電槽と、を有し、前記金属空気電池ユニットの下面と、前記発電槽との底面との間に隙間が空くように、前記金属空気電池ユニットが、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で、前記電解液を収容した前記発電槽内に入れられて、前記電解液が、前記貫通孔を介して前記液室内に注入され、前記生成物は、前記貫通孔を通って前記隙間に排出されることが好ましい。
本発明では、前記発電槽内の前記電解液を循環させる循環部が設けられることが好ましい。
本発明では、前記発電槽内に排出された前記生成物を収集する収集部が設けられることが好ましい。
本発明の金属空気電池の使用方法は、上記に記載の金属空気電池ユニットの下面と、前記発電槽との底面との間に間隔が空くように、前記金属空気電池ユニットを、電解液を収容した発電槽内に、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で入れ、或いは、前記金属空気電池ユニットが配置された発電槽内に、電解液を入れて、発電を開始させることを特徴とする。
本発明では、前記発電槽内で水流を作り、前記電解液を循環させながら発電させることが好ましい。
本発明では、前記発電槽に排出された生成物を収集しながら発電させることが好ましい。
本発明では、前記金属極、或いは、前記金属空気電池セルを、交換しながら、発電を継続することが好ましい。
本発明の金属空気電池によれば、高出力を得ることができるとともに、発電に伴う生成物の排出を促進でき、出力の経時的低下を抑制することができる。
本実施の形態における、金属空気電池ユニットの斜視図である。 本実施の形態における、金属空気電池セルの斜視図である。 図３Ａは、図２に示す金属空気電池セルの正面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す金属空気電池セルをＡ―Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た断面図であり、図３Ｃは、金属空気電池セルの平面図であり、図３Ｄは、金属空気電池セルの裏面図である。 本実施の形態における、金属空気電池の断面図である。 電解液の循環方式を説明するための、金属空気電池の模式図である。 本実施形態における、沈殿槽を備えた金属空気電池の斜視図である。 図６に示す沈殿槽内の断面図である。 別の実施の形態における、金属空気電池の斜視図である。 別の実施の形態における、金属空気電池の断面図である。 別の実施の形態における、金属空気電池ユニットの底面図である。 定電流放電試験における、時間と電圧との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について、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。
なお、以下に図面を用いながら説明する本実施形態において、「金属空気電池」とは、複数の金属空気電池セルを並設した金属空気電池ユニットを指すこともあるし、金属空気電池ユニットと、電解液を収容した発電槽との組み合わせを指すこともある。
図１は、本実施の形態における、金属空気電池ユニットの斜視図である。図１に示すように、金属空気電池ユニット１は、例えば、６つの金属空気電池セル２を並設して構成される。ただし、金属空気電池セル２の数を限定するものでない。
本実施形態における金属空気電池ユニット１は、同じ構造の金属空気電池セル２を複数組み合わせたものである。金属空気電池セル２の構造について、図２及び図３を用いて詳述する。
図２に示すように、金属空気電池セル２は、金属極３と、空気極４と、金属極３及び空気極４を支持する筐体５と、を有して構成される。
図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、空気極４は、金属極３の両側に間隔を空けて配置されると共に、筐体５の両側外面に露出している。
図２及び図３Ａ〜図３Ｄに示すように、筐体５は、上部５ａと、下部５ｂと、上部５ａと下部５ｂとを繋ぐ前部５ｃ、後部５ｄ、及び側部５ｅ、５ｆと、を有する。筐体５は、一体的に成形されたものであってもよいし、複数に分割された各成形体を組み合わせて筐体５が構成されてもよい。
筐体５の上部５ａ、下部５ｂ、前部５ｃ及び後部５ｄは、略平面で形成されている。ただし、上部５ａには、スリット５ｇが設けられ、金属極３が、このスリット５ｇ内に固定支持されている。図３Ｃに示すように、金属空気電池セル２の筐体５の上部５ａに形成されたスリット５ｇの幅のほうが、金属極３の幅よりも広くされている。金属極３とスリット５ｇとの間には、後述する液室６に繋がる連通孔５ｋが形成されている。
筐体５の側部５ｅ、５ｆには、夫々、窓５ｈが設けられている（図３Ｂを参照）。また、各窓５ｈの上側、下側、左側及び右側の全周を囲む固定部５ｉが形成されている。図３Ｂには、窓５ｈの上側及び下側に位置する固定部５ｉが図示されているが、実際には、窓５ｈの左側及び右側にも固定部５ｉは存在し、窓５ｈの全周囲が、固定部５ｉで取り囲まれている。
図３Ｂに示すように、各空気極４は、各側部５ｅ、５ｆの固定部５ｉに接着剤等で固定されており、各窓５ｈを塞いでいる。筐体５の側部５ｅ、５ｆに夫々設けられた窓５ｈが塞がれたことで、側部５ｅ、５ｆに固定された空気極４の間には、液室６が形成されている。液室６は、後述する電解液の供給口としての貫通孔８を除いて囲まれている。
図２、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、固定部５ｉの外周には、上側を除いて、枠部５ｊが形成されている。すなわち、枠部５ｊは、固定部５ｉの下側、左側及び右側を囲むように形成されている。また、枠部５ｊは、固定部５ｉよりも外方に突き出している。このため、枠部５ｊと固定部５ｉとの間には、段差が形成されている。図２、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、空気極４は、枠部５ｊの表面よりも奥まった位置（後方）に配置されている。よって、空気極４と枠部５ｊとの間には、上方及び空気極４の前方が開放された空間が形成されている。この空間は、複数の金属空気電池セル２を並設させることで、上方のみが開放した空気室７を構成する（図４を参照されたい）。
図３Ｂ及び図３Ｄに示すように、筐体５の下部５ｂには、液室６に通じる貫通孔８が形成されている。貫通孔８の幅寸法Ｔは、金属極３の厚みより大きい。ここで、「幅寸法」とは、筐体５の一方の側部５ｅから他方の側部５ｆに向かう方向の寸法を指す。図３Ｂ及び図３Ｄに示すように、貫通孔８は、金属極３の下端３ａと対向する位置に形成される。したがって、図３Ｄに示すように、貫通孔８を通して金属極３の下端３ａを見ることが出来る。図３Ｂ及び図３Ｄに示すように、金属極３は、貫通孔８の幅寸法Ｔの中心に位置するように配置されることが好ましい。
本実施形態では、金属極３の下端３ａと貫通孔８の上端８ａとの位置関係を限定するものではないが、図３Ｂに示すように、金属極３の下端３ａは、貫通孔８の上端８ａ以上の位置に配置されることが好ましい。ここで、「上端８ａ以上の位置」とは、上端８ａの位置、及び上端８ａの上方の位置を含む。これによって、金属極３と空気極４との反応により生じた生成物を、貫通孔８から外部に効果的に排出することが出来る。また、本実施形態では、金属極３の左右両側に空気極４が設けられているので、金属極３の左右両側にて生成物が生成される。このため、上記したように、貫通孔８の幅寸法Ｔの中心に、金属極３を配置することで、金属極３の左右両側から生成される生成物を、適切に貫通孔８を通して外部に排出することが可能になる。
また、図３Ｂに示すように、金属極３の下端３ａは自由端とされている。これにより、金属極３の下端３ａを揺動させることができる。このため、空気極４と金属極３との間に生成物が堆積したときに、金属極３を撓らせることができ、生成物による押圧力を緩和でき、金属極３及び空気極４の破損を抑制することが出来る。
図３Ｄでは、貫通孔８の形状は矩形状であるが、矩形状に限定するものでなく、その他の形状であってもよい。また、図３Ｄでは、貫通孔８の数が３つであるが、貫通孔８の数を限定するものではない。
貫通孔８は、電解液を液室６まで供給する供給口としての機能を有すると共に、金属極３と空気極４との反応により生じた生成物を、金属空気電池ユニット１の外部へ排出させる機能を有している。
このように、電解液の供給と、生成物の排出とが可能であれば、貫通孔８の形成位置を、筐体５の下部５ｂに限定するものではなく、例えば、貫通孔８を、筐体５の前部５ｃや後部５ｄに設けることも出来る。このとき、貫通孔８は、前部５ｃや後部５ｄの下側に配置することが好ましい。「下側」とは、前部５ｃ及び後部５ｄの高さ寸法の下半分、好ましくは、高さ寸法の１/２以下の下側部分、より好ましくは、高さ寸法の１/３以下の下側部分である。このように、貫通孔８を、筐体５の前部５ｃや後部５ｄに設けても、電解液１０の供給と、生成物の排出とが可能である。
ただし、生成物は、自重により、液室６内を降下するため、貫通孔８を、筐体５の下部５ｂに形成することが、生成物の排出を効果的に促進することができて好ましい。また、後述するように、筐体５の下部５ｂ側に水流を発生させることで、より生成物の排出を促進させることができる。
また、図３Ｄでは、貫通孔８は、金属極３の横幅方向（筐体５の前部５ｃから後部５ｄに向かう方向）に等間隔にて複数形成されているが、図３Ｄに示す、左側の貫通孔８から右側の貫通孔８にかけて連通する長いスリット状の貫通孔８が形成されていてもよい。ただし、貫通孔８が長いスリット状であると、金属極３と空気極４との反応により生じた生成物が、一旦、貫通孔８を介して外部に抜けても、水流などによっては、再び、生成物が貫通孔８を介して液室６内に戻りやすくなる。よって、貫通孔８は、図３Ｄに示すように、複数に分けて形成することが、生成物の排出効果に優れており好ましい。なお、水流がない構成では、各貫通孔８を連通する長いスリット状であってもよい。
図１に示すように、複数個の金属空気電池セル２が並設されるとともに、両側に位置する金属空気電池セル２の枠部５ｊに外壁部９が接着剤等で固定されている。図１及び、図４の断面図に示すように、複数の金属空気電池セル２を並設することで、各金属空気電池セル２の間にて対向する空気極４間に、上方が開放された空気室７を形成することが出来る。また、金属空気電池ユニット１の最両端に位置する金属空気電池セル２の外側面に、夫々、外壁部９を配置することで、図４に示すように、最も左側に位置する金属空気電池セル２の左側の空気極４、及び最も右側に位置する金属空気電池セル２の右側の空気極４に対して、夫々、空気室７を設けることができる。
図４に示すように、図１に示す金属空気電池ユニット１が、電解液１０を収容した発電槽１１内に浸される。このとき、電解液１０は、貫通孔８を通して液室６内に注入される。また、図３Ｃを用いて説明したように、金属極３と、筐体５の上部５ａのスリット５ｇとの間には、液室６に繋がる連通孔５ｋが形成されているので、電解液１０の液室６内への注入の際、液室６の空気は連通孔５ｋから外部に抜けるため、電解液１０を、貫通孔８を通してスムースに液室６内部に導くことが出来る。
また、図４に示すように、発電槽１１の底面１１ａと金属空気電池ユニット１の下面１ａとの間には、突起部１２が設けられており、発電槽１１の底面１１ａと金属空気電池ユニット１の下面１ａとの間には、所定高さの隙間１３が形成されている。したがって、金属空気電池ユニット１の下面１ａが、発電槽１１の底面１１ａに接触することはない。突起部１２は、金属空気電池ユニット１の下面１ａに固定されていてもよいし、発電槽１１の底面１１ａに固定されていてもよい。或いは、金属空気電池ユニット１の下面１ａ及び、発電槽１１の底面１１ａの双方に、突起部が配置されていてもよい。この場合、金属空気電池ユニット１の下面１ａ及び、発電槽１１の底面１１ａに設けられた各突起部は、夫々対向する位置に設けられていてもよいし、対向しないように設けられていてもよい。
図４に示すように、金属空気電池ユニット１の下面１ａと、発電槽１１の底面１１ａとの間に隙間１３を設けるために、突起部１２の配置でなく、別の手段を用いることもできる。例えば、金属空気電池ユニット１の液室６に電解液１０が満たされても、金属空気電池ユニット１の下面１ａが、発電槽１１の底面１１ａから浮いた状態となるように、発電槽１１の深さ寸法を、金属空気電池ユニット１の高さより大きくしてもよい。
図４に示すように、電解液１０が液室６に注入されることで、例えば、金属極３がマグネシウムであるとき、金属極３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４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 →２Ｍｇ２＋＋４ｅ−
（２）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ− →４ＯＨ−
（３）２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ →２Ｍｇ（ＯＨ）２
このとき、電池反応の副反応にて発生した水素は、液室６に通じる連通孔５ｋ（図３Ｃを参照）から外部に排出することが出来る。
また、金属極３と空気極４の酸化還元反応の際に生じる生成物（Ｍｇ（ＯＨ）２）を、各金属空気電池セル２の下部に設けられた貫通孔８を介して、発電槽１１の底面１１ａ側に排出することが出来る。したがって、各金属空気電池セル２の液室６内部に生成物が溜まるのを抑制することができ、電極の破損や電気特性の劣化を抑制することが可能であり、長寿命化を図ることが出来る。
このように、各金属空気電池セル２に設けられた貫通孔８は、電解液１０を液室６に供給すると共に、金属極３と空気極４との反応により生じる生成物を、金属空気電池ユニット１の外部へ排出する役割を有している。
以上、本実施形態の金属空気電池によれば、金属空気電池ユニット１を構成する複数の金属空気電池セル２には夫々、金属極３の両側に、空気極４が配置されており、各空気極４は、金属空気電池セル２の両側にて露出した状態で配置されている。そして、各金属空気電池セル２を並設することで、各金属空気電池セル２の露出した空気極４間に、上方が開放された空気室７を形成することが出来る。
このように、本実施形態では、各金属空気電池セル２に、周囲を完全に区画した空気室７を形成せず、複数の金属空気電池セル２を並設することで、各金属空気電池セル２の空気極４間に空気室７が形成されるセル構造にしたので、各金属空気電池セル２を構成する筐体５の幅（図２に示す前部５ｃ及び後部５ｄの幅）を小さく形成することが出来る。よって、金属空気電池ユニット１を、所定の幅寸法内（ここでの「幅寸法」は、金属空気電池セル２の並設方向の寸法である）で形成するにあたって、並設する金属空気電池セル２の数を増やすことができ、上記した各セル内で空気極４が金属極３の両側に配置されることと相まって、効果的に、高出力を得ることが出来る。
また、各金属空気電池セル２の下部５ｂには、夫々、液室６に通じる貫通孔８が設けられており、金属空気電池ユニット１を、電解液１０を収容した発電槽１１内に入れることで、電解液１０を液室６に注入でき、発電を開始することができる。このように、各金属空気電池セル２に対する電解液１０の注入を簡単に行うことが出来る。
しかも、本実施形態では、貫通孔８を通して、発電に伴う生成物の排出を促進できる。本実施形態では、図４に示すように、金属空気電池ユニット１を発電槽１１内に配置したとき、金属空気電池ユニット１の下面１ａと、発電槽１１の底面１１ａとの間に隙間１３が空くように制御しており、これにより、生成物を金属空気電池ユニット１の液室６から発電槽１１の底面１１ａ側に向けて放出することが出来る。このように、本実施形態では、各金属空気電池セル２の液室６から貫通孔８を通して生成物を外部へ放出することができるので、金属極３と空気極４との間で生じる反応を長時間持続でき、発電に伴う電圧を長時間一定に保つことができ、長寿命化を促進することが出来る。
本実施形態では、図５に示すように、例えば、発電槽１１の内部に、還流部としての水流ポンプ２０を配置し、電解液１０を還流させることが好ましい。図５では、水流ポンプ２０を用いて、金属空気電池ユニット１の下面１ａと、発電槽１１の底面１１ａとの間の隙間１３に水流を発生させ、電解液１０を還流させることが出来る。これにより、図５に示すように、金属空気電池ユニット１の下面１ａと発電槽１１の底面１１ａとの間の隙間１３に放出された生成物２１は、発電槽１１の底面１１ａに留まらず、金属空気電池ユニット１の側方等に流され拡散する。また、金属空気電池ユニット１の下面１ａと、発電槽１１の底面１１ａとの間の隙間１３に水流を発生させることで、貫通孔８を通して隙間１３に放出される生成物２１の放出スピードを上げることができ、各金属空気電池セル２の液室６に溜まる生成物量をより効果的に低減することが出来る。
以上により、図５のように、発電槽１１内の電解液１０に水流を生じさせることで、各金属空気電池セル２の液室６から発電槽１１内への生成物２１の放出を促進でき、金属極３を最後まで反応に供させることができる。このように、本実施形態では、金属極３を最後まで使い切ることが可能であり、長期放電による出力低下を抑制でき、より効果的に、出力の経時的安定性を得ることができる。
また、金属極３を使い切った場合等、新たな金属極３を金属空気電池セル２内に配置できるように、金属極３は筐体５に交換可能に支持されていることが好ましい。これにより、更に、効果的に出力の経時的安定性を得ることができる。例えば、金属極３を、金属空気電池セル２の外側から内部に向けてスライドさせて挿入でき、所定位置まで挿入したらそれ以上挿入できないように構成されている。
上記では、金属極３を交換したが、金属空気電池セル２を発電終了前後で、適宜交換することも可能である。このように、金属極３や金属空気電池セル２を適宜交換することで、一次電池でありながら、連続的な発電を得ることが可能になる。また、本実施形態では、後述するように、電解液を循環させることが可能であり、これにより、不純物の少ない（反応生成物が少ない）電解液を長時間、使用することが可能になる。このことも、連続的な発電効果を補助する役割を担っている。なお、作業性や筐体設計の観点から、金属空気電池セル２が交換可能に支持されていることが更に好ましい。すなわち、金属極３の交換では、金属空気電池セル２のうち金属極３のみを交換可能とするために、セル構造が複雑になりやすい。或いは、金属空気電池セル２の上部にスリット等を設けて、金属極３のみを取り出すことが可能な構造としなければならず、また交換の際に、塵埃等が混入しやすい。一方、金属空気電池セル２の交換であれば、セル毎にまとめて交換でき、作業性を向上させることができ、また筐体設計を容易化できる。
図６に示す金属空気電池では、金属空気電池ユニット１を配置する発電槽１１の隣に、沈殿槽（収集部）３０が設けられている。図６に示すように、発電槽１１と沈殿槽３０との間は、仕切り板３１で仕切られている。なお、仕切り板３１には、切欠き３１ａが設けられており、沈殿槽３０を還流した電解液を、切欠き３１ａから発電槽１１内に流すことが出来る。
図６及び図７に示すように、沈殿槽３０には、電解液の還流方向に向けて、間隔を空けて複数の隔壁３２が設けられており、沈殿槽３０の外壁、及び隔壁３２により区画された複数の沈殿室３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが形成されている。切欠き３１ａに遠い側から近い側に向けて、第１の沈殿室３０ａ、第２の沈殿室３０ｂ、第３の沈殿室３０ｃ、及び第４の沈殿室３０ｄとする。図７に示すように、第１の沈殿室３０ａ、第２の沈殿室３０ｂ、第３の沈殿室３０ｃ及び第４の沈殿室３０ｄの順に、各沈殿室の長さ寸法Ｌが小さくなっている（図７では、代表して第１の沈殿室３０ａに長さ寸法Ｌを付した）。
また、図６及び図７に示すように、隔壁３２の高さは、沈殿槽３０の外壁や仕切り板（切欠き３１ａの位置を除く）３１の高さよりも低くされている。
図６に示すように、各隔壁３２の上部には、夫々筒状体３３が配置されている。図６に示すように、筒状体３３にはスリット３３ａが形成されており、筒状体３３がスリット３３ａを介して隔壁３２に固定支持されている。
発電槽１１内での、生成物による濁った電解液は、図示しないポンプ等の手段を用いて、第１の沈殿室３０ａに送られる。また、沈殿槽３０では、電解液が、第１の沈殿室３０ａから第４の沈殿室３０ｄに向けて流れるように水流が生じている。図７に示すように、電解液が、第１の沈殿室３０ａから第２の沈殿室３０ｂに移動する際、電解液内に含まれる一部の生成物２１は第１の沈殿室３０ａに沈殿し、第１の沈殿室３０ａの底部に溜まる。そして、電解液の上澄みが、第１の沈殿室３０ａから第２の沈殿室３０ｂ、第３の沈殿室３０ｃ及び第４の沈殿室３０ｄの順に送られるが、その都度、電解液中に含まれる生成物２１は、各沈殿室の底に溜まる。このとき、沈殿室の底に溜まる生成物の量は、第１の沈殿室３０ａから第４の沈殿室３０ｄに向けて徐々に減っていく。このため、一番、生成物２１が溜まりやすい第１の沈殿室３０ａの長さ寸法Ｌを一番長く形成し、第２の沈殿室３０ｂ、第３の沈殿室３０ｃ及び第４の沈殿室３０ｄの順に徐々に長さ寸法Ｌを短くすることで、生成物２１の収集効果を向上させることができ好ましい。
本実施形態では、各隔壁３２の上部に筒状体３３が配置されており、図７に示すように、発電槽１１から沈殿槽３０に送られた電解液１０の水面は、各筒状体３３の上部よりも低い位置にある。このとき、電解液１０の上澄みが、筒状体３３の内部の流路を還流することで、生成物２１の沈殿を促進させることが出来る。なお、筒状体３３は、円筒である必要はなく，隣接する槽に上澄みが直接移動することを防ぐためのバリケードであり、沈殿を促すために槽内を流れる液体の流速を落とすことを目的としている。
このように、沈殿槽３０では、電解液１０の上澄みを還流させ、生成物２１をできる限り取り除いた電解液１０を、切欠き３１ａから発電槽１１に戻すことで、より効果的に、出力の経時的低下を抑制することができ、出力の経時的安定性を図ることが出来る。また既に記載したように、本実施形態では、金属極３や金属空気電池セル２を適宜交換することが可能であり、不純物の少ない（反応生成物が少ない）電解液を長時間、使用することと相まって、より効果的に連続的に発電させることが可能になる。
なお、図６及び図７に示す沈殿槽３０に代えて、或いは、沈殿槽３０と共に、フィルタ装置（収集部）などを別途設けて、生成物２１を収集し、電解液１０の延命を図ることが出来る。フィルタ装置は、発電槽内に配置したり、或いは発電槽とは別に設けられた槽内に配置することもできる。
発電を終了させたいときは、図４の状態から金属空気電池ユニット１を引き上げ、各金属空気電池セル２の液室６から電解液１０を、貫通孔８を介して抜くことで、発電を簡単に止めることができる。或いは、金属空気電池ユニット１が配置された状態の発電槽１１から電解液１０を抜くことで、発電を止めてもよい。また、負極としての金属極を抜いても、電池反応を停止することが出来る。
また、図１に示す金属空気電池ユニット１の上面には、図示しない天井部が設けられていてもよい。天井部には、各空気室７に通じる開口が設けられており、天井部の開口を介して各空気室７に空気が流れるようにしてもよい。
また、上記した天井部には、電池出力を外部へ供給する外部接続用端子が設置されていてもよい。外部接続用端子は、コネクタであったり、ＵＳＢ端子等であり、特に限定するものではない。外部接続用端子は複数個、設けることができる。例えば、携帯機器を、直接、金属空気電池ユニット１に設けられた外部接続用端子に接続して電力供給することができる。或いは、例えば、ＵＳＢハブ等の接続基板を金属空気電池ユニット１の外部接続用端子に接続し、接続基板を介して複数の携帯機器に電力供給する構成とすることも出来る。
上記の本実施の形態の金属空気電池によれば、非常用電源の開発において、特に、省スペースにて多数のセルを設置することが可能で、且つ高出力と、出力の経時的安定性の観点から本実施の形態を開発するに至った。すなわち、本実施の形態の金属空気電池では、金属極の両側に空気極を対向配置すると共に、並設するセル数を増やすことで、高出力を得ることが可能になる。また、より効果的に、出力の経時的低下を抑制するために、発電に伴う生成物の排出を、効果的に促進できる。更には、一次電池でありながら、金属極、或いは、金属空気電池セルを交換可能であり、従来のような使い切りの使用でなく、連続的な発電が可能になる。
本実施形態の金属空気電池は、省スペースの非常用電源として用いることができ、オフィスや工場、プラント施設等でも適用することが出来る。
本実施形態では、各金属空気電池セル２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。
また、図６や図７に示す沈殿槽３０の構成は一例であり、この構成に限定されるものでない。例えば、図６、図７では、沈殿室が４つあるが、数を限定するものではない。また、筒状体３３に代えて、或いは筒状体３３と共に、別の還流手段を用いて、電解液の還流を促進できるようにしてもよい。
また、本実施形態における金属空気電池の使用方法では、金属空気電池ユニット１を、電解液１０が収容された発電槽１１内に入れて、発電を開始させてもよいし、或いは、金属空気電池ユニット１が、予め又は使用者の手等によって、発電槽１１内に配置され、空気室７に電解液１０が入らないように注意しながら、電解液１０を発電槽１１に入れて、発電を開始してもよい。
また、本実施形態では、金属極３、或いは、金属空気電池セル２が、筐体５に交換可能に支持されている。そして、本実施形態における金属空気電池の使用方法では、金属極３、或いは、金属空気電池セル２を、交換しながら、発電を継続することができる。なお、ここでいう「発電の継続」とは、通常の一次電池に比べて発電を延ばすことができることを意味し、交換の際に発電を停止しても、その前後において「発電が継続」されていると定義される。交換の際の作業性の観点から、金属空気電池セル２を交換できるようにすることが好ましく、金属空気電池セル２の交換により発電をスムースに継続させることができる。
上記とは別の実施の形態の金属空気電池について説明する。図８に示すように、金属空気電池４０は、金属空気電池ユニット４２と、ケース４３と、を有して構成される。
図８に示すように、金属空気電池ユニット４２は、例えば、３つの金属空気電池セル４４を並設して構成される。金属空気電池セル４４の数を限定するものでなく、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。
金属空気電池ユニット４２は、同じ構造の金属空気電池セル４４を複数組み合わせたものである。金属空気電池セル４４の構造については後で詳述する。
図８に示すように、３つの金属空気電池セル４４の上面には、天井部５３が取り付けられている。天井部５３には、例えば、上面４３ａに第１の開口部４５ａが設けられている。また、図８に示すように、天井部５３の側面（図１に示す左側面）には、第２の開口部４５ｂが形成されている。また、図示しないが、天井部５３の裏面や右側面にも、開口部が設けられていてもよい。
ただし、図８に示す、第１の開口部４５ａ及び第２の開口部４５ｂの数や形成位置は、あくまでも一例である。すなわち、各開口部は１個でもよいし、複数でもよい。また、第１の開口部４５ａ及び第２の開口部４５ｂの少なくとも一方が形成されていない構成とすることもできる。また、天井部５３が設けられていなくてもよく、或いは、天井部５３に代えて、他の構成部材が設けられていてもよい。
図８に示す各開口部４５ａ、４５ｂは、空気穴であるが、例えば、第２の開口部４５ｂの位置に、電池出力を外部へ供給する外部接続用端子（図示せず）が設置されていてもよい。外部接続用端子は、コネクタであったり、ＵＳＢ端子等であり、特に限定するものではない。外部接続用端子は複数個、設けることができる。例えば、携帯機器を、直接、金属空気電池ユニット４２に設けられた外部接続用端子に接続して電力供給することができる。或いは、例えば、ＵＳＢハブ等の接続基板を金属空気電池ユニット４２の外部接続用端子に接続し、接続基板を介して複数の携帯機器に電力供給する構成とすることも出来る。
図８に示すケース４３は、後述するように、電解液を収容可能な容器として機能させることができるが、金属空気電池４０を使用せずに保管の際は、例えば、図８に示すケース４３を、金属空気電池ユニット４２の上から被せておく。これにより、塵埃等が開口部４５ａ、４５ｂを介して、入り込まないように、金属空気電池ユニット４２を保護することができる。
また、ケース４３を、金属空気電池ユニット４２の上から被せた際、ケース４３と金属空気電池ユニット４２との間が保持されて一体化される構造にできる。このとき、ケース３の外側面に取手を付けておけば、金属空気電池４０の持ち運びに便利である。
ケース４３の形状を限定するものでないが、ケース４３の外形は、金属空気電池ユニット４２よりも一回り大きい金属空気電池ユニット４２の相似形状であることが好ましい。
図９は、ケース４３を、図８の状態から上下逆向きにし、電解液５５を収容したケース４３内に、金属空気電池ユニット４２を入れた状態の、金属空気電池４０の断面図である。
図９に示すように、各金属空気電池セル４４は、空気極４６と、金属極４７と、筐体４８とを、有して構成される。図９に示すように、空気極４６及び金属極４７は、夫々、筐体４８に支持されている。空気極４６と金属極４７とは、横方向（紙面左右方向）に、所定の間隔を空けて対向配置されている。
図９に示すように、各金属空気電池セル４４の筐体４８には、空気室５０と液室５１とが設けられる。図９に示すように、空気室５０の上部は外部に開放された開口部５０ａを構成している。なお、図９には、図８に示す天井部５３を図示していない。空気は、図８に示した天井部５３の各開口部４５ａ、４５ｂから図９に示す空気室５０へ導かれる。
なお、図９に示す実施の形態では、図示左側の金属空気電池セル４４と図示真ん中の金属空気電池セル４４の各空気室５０の右側面は、夫々、隣り合う右側の金属空気電池セル４４の筐体４８の側面で構成される。このように、空気室５０の側面の一部を、隣接する金属空気電池セル４４の筐体４８で補うことで、各金属空気電池セル４４を薄型化でき、金属空気電池ユニット４２の小型化、ひいては、金属空気電池４０の小型化を実現できる。ただし、図９に示す図示右側に位置する金属空気電池セル４４の空気室５０の右側面は、新たに側壁部５２を配置して形成する。
図９に示すように、空気極４６は、空気室５０と液室５１との間に配置されている。このとき、空気極４６は、その上部と下部、及び側部の各辺が、筐体４８に固定支持されていることが好ましい。図９に示すように、空気極４６は、空気室５０及び液室５１の双方に露出した状態で配置されている。
図９に示すように、金属極４７は、空気極４６から液室５１内に所定距離だけ離れた位置に配置されている。図９に示すように、金属極４７は、その上部が筐体４８に固定されるが、下部は、自由端（非固定）とされている。
図９に示すように、筐体４８の底部４８ａには、液室５１にまで通じる貫通孔（給水口）５６が設けられている。よって、図９に示すように、金属空気電池ユニット４２を、電解液５５を入れたケース４３内に浸すと、電解液５５は貫通孔５６を介して各液室５１内に同時に注入される。このとき、図９に示すように、電解液５５の水位は、空気室５０の開口部５０ａよりも下側であり、電解液５５が空気室５０内に流れ込むことはない。
なお、図９に示す実施の形態では、貫通孔５６を、筐体４８の底部４８ａに設けたが、例えば、筐体４８の側部４８ｂに設けてもよく、或いは、底部４８ａと側部４８ｂの双方に設けてもよい。また、貫通孔５６を筐体４８の上部に設けることも可能であるが、その場合は、貫通孔５６を、空気室５０の開口部５０ａよりも下側に位置させることが必要である。
また、図示しないが、金属極４７の周辺には、電池反応にて発生した水素等の生成ガスを液室５１から外部へ排出する穴が、設けられている。
迅速に、各金属空気電池セル４４の液室５１に電解液５５を給水するには、貫通孔５６を、筐体４８の底部４８ａに設けることが好ましい。また、図１０に示すように、貫通孔５６を各金属空気電池セル４４の底部４８ａに対して複数個、設けることができる。なお、貫通孔５６の個数を限定するものではない。また、貫通孔５６の形状を限定するものでなく、例えば、図１０に示すように複数の小穴を設けた構造であっても、長穴の貫通孔５６を各金属空気電池セル４４に少なくも１つ設けた構成であってもよい。
図９に示すように、金属極４７は、筐体４８の底部４８ａに設けられた貫通孔５６と対向して配置されることが好ましい。金属極４７と空気極４６の酸化還元反応の際に生じる生成物を、貫通孔５６を介してケース４３側に放出しやすい。これにより、生成物が、各金属空気電池セル４４内に溜まることによる電極の破損や電気特性の劣化を抑制することが可能である。
例えば、貫通孔５６を、筐体４８の側部４８ｂの下側に配置し、金属極４７を、貫通孔５６と対向配置させてもよい。「側部４８ｂの下側」とは、側部４８ｂの高さ寸法の下半分、好ましくは、高さ寸法の１/２以下の下側部分、より好ましくは、高さ寸法の１/３以下の下側部分である。これによっても、生成物の放出効果を得ることができる。なお、金属空気電池ユニット４２を、ケース４３内に入れた際に、ケース４３内の電解液５５が金属空気電池ユニット４２上部に到達することなく、電解液５５を液室５１に入れることができれば、貫通孔５６の位置を問うものではない。
また、図９に示すように、金属極４７の下部を自由端としている。これにより、金属極４７を適切に貫通孔５６に対向して配置することができる。また、金属極４７の下部を自由端とすることで、金属極４７の下部を揺動させることができる。このため、空気極４６と金属極４７との間に生成物が堆積したときに、金属極４７を撓らせることができ、生成物による押圧力を緩和でき、金属極４７及び空気極４６の破損を抑制することが出来る。
本実施の形態における金属空気電池４０によれば、図８に示すように、空気極４６と金属極４７と、筐体４８とを有する、同じ構造の金属空気電池セル４４を、複数並設したものである。また、図９に示すように、各金属空気電池セル４４の空気室５０は、上部のみならず、液室５１から離れた側の側部（図示右側の側部）を開放した形状とする。そして、複数の金属空気電池セル４４を並設すると共に、一番端の金属空気電池セル４４に対して側壁部５２を配置する。このように、本実施の形態では、金属空気電池ユニット４２は、金属空気電池セル４４を構成する複合部品と、側壁部５２との２種類の部品を組み合わせて構成される。なお、「複合部品」とは、金属空気電池セル４４を構成する電極及び筐体を含む複数の部材からなることを意味する。
図８、図９に示す実施の形態の金属空気電池４０においても、図１等に示す実施の形態の金属空気電池と同様に、並設するセル数を増やすことができ、高出力を得ることが可能になる。すなわち、本実施の形態では、部品点数を少なく簡単な構造で金属空気電池ユニット４２を形成できる。また、薄型の各金属空気電池セル４４に、上部のみが開放した空気室５０を適切に形成でき、複数の金属空気電池セル４４を備える金属空気電池ユニット４２の小型化を実現できる。また、より効果的に、出力の経時的低下を抑制するために、発電に伴う生成物の排出を、効果的に促進できる。
本実施の形態では、図９に示すように、ケース４３に電解液５５を注水し、そして、ケース４３内に金属空気電池ユニット４２を浸す。このとき、電解液５５は、自然と貫通孔５６を介して各金属空気電池セル４４の液室５１内に入り、液室５１を満たす。このように、使用者は、各金属空気電池セル４４に直接、電解液５５を注入しなくてもよく、金属空気電池ユニット４２を、電解液５５を収容したケース４３内に入れるだけでよいため、各金属空気電池セル４４に対する電解液５５の注入を簡略化できる。また、本実施の形態によれば、複数の金属空気電池セル４４に対して、各液室５１へ通じる貫通孔５６を簡単な構造で形成できる。
また、本実施の形態では、図９の状態から金属空気電池ユニット４２を引き上げ、各金属空気電池セル４４の液室５１から電解液５５を、貫通孔５６を介して抜くことで、発電を簡単に止めることができる。
本実施の形態では、図８に示すケース４３は、電解液５５を収容可能な容器である。よって、使用者は、図８に示すケース４３をひっくり返して、ケース４３内に電解液５５を入れ、そして、金属空気電池ユニット４２をケース４３内の電解液５５に浸せば発電するため、災害時等の非常時に、迅速に、金属空気電池４０の使用が可能である。なお、ケース４３に入れる電解液５５の水位の目安となる目印を設けておくとよい。これにより、使用者は、ケース４３内に適量の電解液５５を入れることができる。
図８から図１０に示す金属空気電池４０において、図５から図７に示す発電槽１１や沈殿槽３０を適用することが可能である。このように、金属空気電池４０では、適宜、図１等に示す金属空気電池の構成の一部を適用することができる。
また、本実施の形態における金属空気電池は、マグネシウム空気電池であっても他の金属空気電池であっても適用可能である。
以下、本発明の実験例により本発明の効果を説明する。なお、本発明の実施形態は以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
図１１は、定電流放電試験の実験結果を示す。実験で使用した金属空気電池ユニットは、金属空気電池セルが３個並設された図１に示す構造を採用した。各金属空気電池セルの構成は、図２及び図３と同様とした。また、金属極と空気極との間の間隔を４ｍｍとした。実験例１では、電解液に水流を生じさせなかった。一方、実験例２では、電解液に水流を生じさせた。
図１１に示す実験結果に示すように、水流を生じさせた実験例２のほうが、水流を生じさせなかった実験例１に比べて、出力の経時的低下を抑制することができるとわかった。このように水流を生じさせることで、電解液が、金属空気電池セルの内部から外部により排出しやすくなり、金属極と空気極との間の反応をより効果的に持続できる。
また、以下に示す３つのサンプルを用意した。
実施例１：貫通孔あり＋循環なし
実施例２：貫通孔あり＋循環あり
比較例１：貫通孔なし
なお、各サンプルの金属極と空気極との間の間隔は４ｍｍで統一した。
以下の表１に示す出力の「経時的安定性」の◎は、出力が最後まで安定した状態、○は、出力がほぼ最後まで安定した状態、×は、出力が経時的に低下した状態を示す。また、表１の示す「出力時間」の◎は、所定通りの出力時間を確保できた状態、○は、ほぼ所定通りの出力時間を確保できた状態、×は、出力時間が短い状態を示す。
Figure 2020031688
表１に示すように、実施例１及び実施例２は、出力の経時的安定性及び出力時間がいずれも◎或いは、〇であり、良好な結果が得られた。なお、実施例１と実施例２とでは、循環を加えた実施例２のほうが、実施例１に比べて、出力の経時的安定性及び出力時間のいずれも良好な結果であった（実験例１及び実験例２も参照）。一方、貫通孔を有してない比較例１では、出力の経時的安定性及び出力時間がいずれも×であり、省スペース化で且つ安定した出力を得ることができず、非常用電源として実施例１や実施例２に劣ることがわかった。
本発明の金属空気電池によれば、高出力且つ出力の経時的安定性に優れた非常用電源として使用することが出来る。
本出願は、２０１８年８月６日出願の特願２０１８−１４７５３０に基づく。この内容は全てここに含めておく。

Claims (12)

  1. 金属極と、
    前記金属極の両側に、対向して配置される空気極と、
    前記金属極及び前記空気極を支持する筐体と、を有して構成される金属空気電池セルが複数個、並設された金属空気電池ユニットを備え、
    前記空気極は、前記筐体の両側の外面に露出しており、
    各金属空気電池セルには、夫々、液室が形成されており、複数個の前記金属空気電池セルを組み合わせた前記金属空気電池ユニットには、各金属空気電池セルの間にて対向する前記空気極間に、上方が開放された空気室が形成されており、
    各金属空気電池セルには、前記液室と連通して電解液を前記液室に供給すると共に、前記金属極と前記空気極との反応により生じる生成物を前記金属空気電池ユニットの外部へ放出が可能な貫通孔が形成されている、ことを特徴とする金属空気電池。
  2. 前記金属極は、下端が、自由端として前記筐体に支持されており、前記貫通孔は、前記筐体の底部に形成されており、前記金属極の下端と前記貫通孔の上端とが対向し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。
  3. 前記金属極の下端は、前記貫通孔の上端以上の位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の金属空気電池。
  4. 前記筐体の、前記空気極が配置される両側の側部は、前記空気極を固定する固定部と、前記固定部の外周を、上方を除いて囲み、前記固定部よりも突き出した枠部と、を有して構成され、
    前記空気極は、前記固定部に固定されるとともに、
    前記金属空気電池セルの前記枠部同士が突き合わされて、上方が開放された前記空気室が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。
  5. 前記金属極、或いは、前記金属空気電池セルは、前記筐体に、交換可能に支持されてい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。
  6. 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と、電解液を収容可能な発電槽と、を有し、
    前記金属空気電池ユニットの下面と、前記発電槽との底面との間に隙間が空くように、前記金属空気電池ユニットが、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で、前記電解液を収容した前記発電槽内に入れられて、前記電解液が、前記貫通孔を介して前記液室内に注入され、前記生成物は、前記貫通孔を通って前記隙間に排出されることを特徴とする金属空気電池。
  7. 前記発電槽内の前記電解液を循環させる循環部が設けられることを特徴とする請求項６に記載の金属空気電池。
  8. 前記発電槽内に排出された前記生成物を収集する収集部が設けられることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の金属空気電池。
  9. 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の下面と、前記発電槽との底面との間に間隔が空くように、前記金属空気電池ユニットを、電解液を収容した発電槽内に、前記空気室の開放された上部を上向きにした状態で入れ、或いは、前記金属空気電池ユニットが配置された発電槽内に、電解液を入れて、発電を開始させることを特徴とする金属空気電池の使用方法。
  10. 前記発電槽内で水流を作り、前記電解液を循環させながら発電させることを特徴とする請求項９に記載の金属空気電池の使用方法。
  11. 前記発電槽に排出された生成物を収集しながら発電させることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の金属空気電池の使用方法。
  12. 前記金属極、或いは、前記金属空気電池セルを、交換しながら、発電を継続することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれかに記載の金属空気電池の使用方法。
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