TW202011635A - 金屬空氣電池及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種可獲得高輸出、可促進排出發電而產生之生成物，並可謀求輸出持續穩定性之金屬空氣電池、及其使用方法。本發明之金屬空氣電池具備並列設置複數個金屬空氣單電池（2）之金屬空氣電池單元（1），金屬空氣單電池（2）構成具有：金屬極（3）；在金屬極兩側相對而配置之空氣極（4）；與支撐金屬極及空氣極之框體單電池，空氣極露出於框體之兩側外面，並在各框體內分別形成有液室（6），金屬空氣電池單元中，在各金屬空氣單電池之間相對的空氣極間形成有上方開放之空氣室（7），各金屬空氣單電池中形成有與液室連通，將電解液供給至液室，並且可將藉由金屬極與空氣極之反應而產生的生成物排放至金屬空氣電池單元外部的貫穿孔（6）。

Description

金屬空氣電池及其使用方法
本發明係關於一種具備複數個金屬空氣單電池之金屬空氣電池、及其使用方法。
金屬空氣電池係在作為正極的空氣極中，利用大氣中之氧作為正極活性物質，進行該氧之氧化還原反應。另外，在作為負極的金屬極中係進行金屬之氧化還原反應。金屬空氣電池之能量密度高，被期待在發生災害時等擔任緊急使用電源等的角色。並藉由將電解液供給至金屬空氣電池而開始發電。
過去提出有各種金屬空氣電池之構造（例如專利文獻1至專利文獻4）。
專利文獻1係以將金屬極與空氣極組裝於單電池內，從設於單電池底面之海水取入口，將電解液注入單電池內之單電池電解液室的方式構成。
專利文獻2係在電槽內收容複數個安裝有空氣極與金屬極之空氣供給箱，而形成複數個單電池。電槽中設有注液口，可將海水經由注液口而注入電槽內。
專利文獻3係在單電池內組裝有2組空氣極與金屬極，並將給水部配置於單電池之上面。從給水部注入電解液而發電。
專利文獻4係將具備固定於固持器之金屬極與空氣極的電池放入注入了電解液之容器內使其發電，並使固持器從容器移動，藉由將電池離開電解液而停止發電。 ［先前技術文獻］ ［專利文獻］
［專利文獻1］日本實開昭52-22526號公報 ［專利文獻2］日本實開昭54-137732號公報 ［專利文獻3］日本特開2017-4644號公報 ［專利文獻4］日本特開2016-76319號公報
［發明所欲解決的問題］
上述之專利文獻中，特別就專利文獻1及專利文獻2進行考察。專利文獻1如第二圖所示，係以劃分壁（2）劃分單電池內部，在中央設置單電池電解室（9），並在電池電解室（9）之兩側形成有空氣室（7）。空氣室（7）藉由單體單電池之側壁（8）劃分外壁，可以單體單電池構造發電。將第二圖所示之單體單電池構造放入海水中時，海水係從海水取入口（12）注入於單電池電解室（9）內，而不致進入所劃分之空氣室（7）中。如此，因為專利文獻1係以單體單電池構造將單電池電解室（9）與空氣室（7）完全劃分成房間，所以需要作為空氣室（7）之外壁的側壁（8），此外，需要以足夠大小形成空氣室（7）等，而需要擴大單電池寬（此處之「單電池寬」相當於專利文獻1之第二圖所示的電槽（1）之寬度尺寸），來在空氣室（7）中導入充分的空氣。
因而，為了獲得高輸出，而考慮並列設置複數個單電池之構成時，欲使複數個單電池之總寬度收在指定範圍內，須減少可並列設置之單電池數。
亦即，專利文獻1中係在金屬極之兩側配置空氣極，為了可在金屬極之兩側引起反應，而可期待各個單電池的輸出，然在節省空間下，則無法有效增加單電池數，因而無法獲得充分之高輸出。
此外，專利文獻2中係在空氣供給體箱體之兩側分別配置空氣極與金屬極，將此作為1個單電池，而將複數個單電池配置於電槽內。但是，因為在專利文獻2之構成係僅在金屬極之一側配置空氣極的構成，所以無法期待高輸出。此外，專利文獻2之生成物會滯留於電槽底面，且並無將其清除之手段。因而，生成物會阻礙金屬極與空氣極之間的反應，導致輸出會持續降低。
再者，過去之金屬空氣電池於發電結束後即無法再使用，而需要加以處分。亦即，過去之金屬空氣電池係使用後拋棄的一次電池。
因此，本發明係鑑於以上問題而成者，目的為提供一種可獲得高輸出、可促進排出伴隨發電所生之生成物，並可謀求輸出持續穩定性之金屬空氣電池、及其使用方法。 ［解決問題之手段］
本發明之金屬空氣電池的特徵為具備並列設置複數個金屬空氣單電池的金屬空氣電池單元，該金屬空氣單電池構成具有：金屬極；空氣極，其係在前述金屬極之兩側相對配置；及框體，其係支撐前述金屬極及前述空氣極；前述空氣極露出於前述框體之兩側外面，並在各金屬空氣單電池中分別形成有液室，組合複數個前述金屬空氣單電池之前述金屬空氣電池單元中，在各金屬空氣單電池之間相對的前述空氣極間形成有上方開放之空氣室，各金屬空氣單電池中形成有與前述液室連通，將電解液供給至前述液室，並且可將藉由前述金屬極與前述空氣極之反應而產生的生成物往前述金屬空氣電池單元外部排放的貫穿孔。
本發明之前述金屬極宜將下端作為自由端而支撐於前述框體，前述貫穿孔宜形成於前述框體之底部，且前述金屬極之下端與前述貫穿孔的上端相對。
本發明之前述金屬極的下端宜配置於前述貫穿孔的上端以上之位置。
本發明之配置有前述空氣極之前述框體兩側的側部宜構成具有：固定部，其係固定前述空氣極；及框部，其係除了上方之外包圍前述固定部的外周，且比前述固定部還突出；前述空氣極固定於前述固定部，並且互相對接前述金屬空氣單電池之前述各框部，而形成上方開放之前述空氣室。
本發明之前述金屬極或是前述金屬空氣單電池宜可更換地支撐於前述框體，並從作業性及框體設計的觀點而言，更宜可更換地支撐前述空氣單電池。
本發明宜具有：上述記載之金屬空氣電池單元；及可收容電解液之發電槽；並將前述金屬空氣電池單元在將前述空氣室之開放的上部向上狀態下，放入收容了前述電解液之前述發電槽內，來讓前述金屬空氣電池單元之下面與前述發電槽的底面之間空出間隙，前述電解液經由前述貫穿孔而注入前述液室內，前述生成物則通過前述貫穿孔而排出至前述間隙。
本發明宜設置循環部，其係使前述發電槽內之前述電解液循環。
本發明宜設置收集部，其係收集排出至前述發電槽內之前述生成物。
本發明的金屬空氣電池之使用方法的特徵為：將前述金屬空氣電池單元在將前述空氣室之開放的上部向上狀態下，放入收容了電解液之發電槽內，來讓上述記載之金屬空氣電池單元的下面與前述發電槽的底面之間空出間隙，或是，在配置前述金屬空氣電池單元之發電槽內放入電解液而開始發電。
本發明宜在前述發電槽內形成水流，使前述電解液循環而且發電。
本發明宜收集排出至前述發電槽之生成物而且使其發電。
本發明宜更換前述金屬極或是前述金屬空氣單電池同時，並且繼續發電。
本發明之金屬空氣電池的特徵為：具備並列設置複數個金屬空氣單電池的金屬空氣電池單元，該金屬空氣單電池構成具有：空氣極；金屬極，其係與前述空氣極相對而配置；及框體，其係支撐前述空氣極及前述金屬極；各框體內分別包含空氣室及液室，前述空氣室將上部開放於外部，前述框體中設有可與前述液室連通，可將電解液供給至前述液室之貫穿孔。
本發明之前述貫穿孔宜設於前述框體之底部及側部的至少任何一方。
本發明宜具有：上述記載之金屬空氣電池單元；及盒，其係可收容電解液；前述金屬空氣電池單元係在將前述空氣室開放之上部向上的狀態下放入收容了前述電解液的前述盒內，前述電解液經由前述給水口而注入至前述液室內。
本發明的金屬空氣電池之使用方法的特徵為：係在將前述空氣室開放之上部向上的狀態下，將上述記載之金屬空氣電池單元放入收容了電解液之容器內，而開始發電。
本發明宜從在前述容器內放入了前述金屬空氣電池單元之狀態提出而停止發電。 ［發明之效果］
採用本發明之金屬空氣電池時，可獲得高輸出，可促進排出伴隨發電所生之生成物，並可抑制輸出逐漸降低。
以下，就本發明之實施形態詳細作說明。另外，本發明並非限定於以下的實施形態者，在其要旨之範圍內可作各種改變來實施。
另外，以下使用圖式而說明之本實施形態中，所謂「金屬空氣電池」，亦係指並列設置複數個金屬空氣單電池的金屬空氣電池單元，亦係指金屬空氣電池單元與收容了電解液之發電槽的組合。
第一圖係本實施形態之金屬空氣電池單元的立體圖。如第一圖所示，金屬空氣電池單元1例如係並列設置6個金屬空氣單電池2而構成。不過，並非限定金屬空氣單電池2之數量者。
本實施形態之金屬空氣電池單元1係組合複數個相同構造的金屬空氣單電池2者。就金屬空氣單電池2之構造使用第二圖及第三圖詳述之。
如第二圖所示，金屬空氣單電池2構成具有：金屬極3、空氣極4、與支撐金屬極3及空氣極4之框體5。
如第三B圖及第三C圖所示，空氣極4在金屬極3之兩側空出間隔而配置，並且露出於框體5的兩側外面。
如第二圖及第三A圖～第三D圖所示，框體5具有：上部5a、下部5b、連接上部5a與下部5b之前部5c、後部5d、及側部5e、5f。框體5亦可係一體地成形者，亦可組合分割成複數個之各成形體而構成框體5。
框體5之上部5a、下部5b、前部5c及後部5d係以概略平面形成。不過，上部5a中設有縫隙5g，金屬極3固定支撐於該縫隙5g內。如第三C圖所示，形成於金屬空氣單電池2之框體5上部5a的縫隙5g之寬度比金屬極3的寬度寬。在金屬極3與縫隙5g之間形成有與後述之液室6連接的連通孔5k。
框體5之側部5e、5f分別設有窗5h（參照第三B圖）。此外，形成有包圍各窗5h之上側、下側、左側及右側的全周之固定部5i。第三B圖中圖示有位於窗5h之上側及下側的固定部5i，但實際上固定部5i亦存在於窗5h之左側及右側，窗5h之全周圍被固定部5i包圍。
如第三B圖所示，各空氣極4以黏合劑等固定於各側部5e、5f的固定部5i而堵塞各窗5h。藉由堵住分別設於框體5之側部5e、5f的窗5h，而在固定於側部5e、5f的空氣極4之間形成有液室6。液室6除了後述作為電解液的供給口的貫穿孔8之外被包圍。
如第二圖、第三A圖、第三B圖及第三C圖所示，在固定部5i之外周，除了上側外形成有框部5j。亦即，框部5j係形成來包圍固定部5i之下側、左側及右側。此外，框部5j比固定部5i還突出於外方。因而，在框部5j與固定部5i之間形成有階差。如第二圖、第三B圖及第三C圖所示，空氣極4配置於比框部5j之表面還裡面的位置（後方）。因而，在空氣極4與框部5j之間形成有上方及空氣極4之前方開放的空間。藉由讓複數個金屬空氣單電池2並列設置，該空間構成僅上方開放之空氣室7（請參照第四圖）。
如第三B圖及第三D圖所示，在框體5之下部5b形成有連通於液室6的貫穿孔8。貫穿孔8之寬度尺寸T比金屬極3的厚度大。此處所謂「寬度尺寸」，係指從框體5之一方側部5e向另一方側部5f的方向之尺寸。如第三B圖及第三D圖所示，貫穿孔8形成於與金屬極3之下端3a相對的位置。因此，如第三D圖所示，可通過貫穿孔8觀看金屬極3之下端3a。如第三B圖及第三D圖所示，金屬極3宜配置來位於貫穿孔8之寬度尺寸T中心。
本實施形態並非限定金屬極3之下端3a與貫穿孔8的上端8a之位置關係者，不過，如第三B圖所示，金屬極3之下端3a宜配置於貫穿孔8的上端8a以上之位置。此處，所謂「上端8a以上之位置」，包含上端8a之位置、及上端8a上方的位置。藉此，可將由金屬極3與空氣極4之反應所產生的生成物有效地從貫穿孔8排出外部。此外，本實施形態由於在金屬極3之左右兩側設有空氣極4，因此會在金屬極3之左右兩側生成生成物。因此，如上述，藉由在貫穿孔8之寬度尺寸T的中心配置金屬極3，將從金屬極3之左右兩側生成的生成物適切地通過貫穿孔8而排出外部變成可能。
此外，如第三B圖所示，金屬極3之下端3a係形成自由端。藉此，可使金屬極3之下端3a搖動。因此，當生成物堆積在空氣極4與金屬極3之間時，可使金屬極3撓曲，可緩和生成物造成的推壓力，可抑制金屬極3及空氣極4的破損。
第三D圖中，貫穿孔8之形狀係矩形狀，不過，並非限定於矩形狀者，亦可為其他形狀。此外，第三D圖之貫穿孔8數量係3個，不過並非限定貫穿孔8之數量者。
貫穿孔8具有作為將電解液供給到液室6為止之供給口的功能，並且具有使藉由金屬極3與空氣極4之反應所產生的生成物向金屬空氣電池單元1之外部排出的功能。
如此，只要可供給電解液並且排出生成物，無須將貫穿孔8之形成位置限定於框體5的下部5b，例如，亦可將貫穿孔8設於框體5的前部5c或後部5d。此時，貫穿孔8宜配置於前部5c或後部5d的下側。所謂「下側」，係前部5c及後部5d之高度尺寸的下半部分，並宜為高度尺寸之1/2以下的下側部分，更宜為高度尺寸之1/3以下的下側部分。如此，即使將貫穿孔8設於框體5之前部5c或後部5d，仍可供給電解液10、及排出生成物。
不過，因為生成物會藉由本身重量而下降到液室6內，所以宜將貫穿孔8形成於框體5的下部5b，可有效促進生成物之排出。此外，如後述，藉由在框體5之下部5b側形成水流，更可促進生成物之排出。
此外，第三D圖係在金屬極3之橫寬方向（從框體5之前部5c朝向後部5d的方向）等間隔地形成有複數個貫穿孔8，不過如第三D圖所示，亦可形成從左側之貫穿孔8至右側的貫穿孔8連通之長縫隙狀的貫穿孔8。不過，當貫穿孔8係長縫隙狀時，藉由金屬極3與空氣極4之反應所產生的生成物，即使一度經由貫穿孔8排出外部，生成物仍然容易藉由水流等再度經由貫穿孔8返回液室6內。因而，貫穿孔8如第三D圖所示地分成複數個形成時，生成物之排出效果優異。另外，無水流之構成亦可係連通各貫穿孔8之長縫隙狀。
如第一圖所示，並列設置複數個金屬空氣單電池2，並且以黏合劑等在位於兩側之金屬空氣單電池2的框部5j固定外壁部9。如第一圖及第四圖之剖面圖所示，藉由並列設置複數個金屬空氣單電池2，可在各金屬空氣單電池2之間相對的空氣極4間形成上方開放之空氣室7。此外，藉由在位於金屬空氣電池單元1之最兩端的金屬空氣單電池2之外側面分別配置外壁部9，如第四圖所示，可對位於最左側之金屬空氣單電池2的左側之空氣極4、及位於最右側的金屬空氣單電池2之右側的空氣極4分別設置空氣室7。
如第四圖所示，將第一圖所示之金屬空氣電池單元1浸在收容電解液10的發電槽11中。此時，電解液10係通過貫穿孔8而注入液室6中。此外，如使用第三C圖之說明，由於在金屬極3與框體5之上部5a的縫隙5g之間形成有連接於液室6的連通孔5k，因此電解液10往液室6內注入之際，因為液室6之空氣從連通孔5k排出外部，所以可將電解液10通過貫穿孔8而順利地導入液室6內部。
此外，如第四圖所示，在發電槽11之底面11a與金屬空氣電池單元1的下面1a之間設有突起部12，並在發電槽11之底面11a與金屬空氣電池單元1的下面1a之間形成有指定高度的間隙13。因此，金屬空氣電池單元1之下面1a不會與發電槽11的底面11a接觸。突起部12亦可固定於金屬空氣電池單元1之下面1a，亦可固定於發電槽11之底面11a。或是亦可在金屬空氣電池單元1之下面1a及發電槽11的底面11a兩者配置突起部。此時，設於金屬空氣電池單元1之下面1a及發電槽11的底面11a之各突起部亦可設於分別相對的位置，亦可設置成不相對。
如第四圖所示，為了在金屬空氣電池單元1之下面1a與發電槽11的底面11a之間設置間隙13，亦可使用另外的機構而不配置突起部12。例如，即使在金屬空氣電池單元1之液室6中裝滿電解液10，亦可將發電槽11之深度尺寸形成比金屬空氣電池單元1的高度大，來讓金屬空氣電池單元1之下面1a成為從發電槽11之底面11a浮起的狀態。
如第四圖所示，藉由將電解液10注入液室6，例如金屬極3係鎂時，在金屬極3附近會產生下述（1）所示的氧化反應。此外，空氣極4中會產生下述（2）所示的還原反應。整個鎂空氣電池引起下述（3）所示的反應來進行放電。 （1）2Mg→Mg2+ ＋4e－ （2）O2 ＋2H2 O＋4e－ →4OH－ （3）2Mg＋O2 ＋2H2 O→2Mg(OH)2
此時，電池反應之副反應所產生的氫可從連通於液室6之連通孔5k（參照第三C圖）排出外部。
此外，可將金屬極3與空氣極4之氧化還原反應時產生的生成物（Mg(OH)2 ）經由設於各金屬空氣單電池2下部的貫穿孔8而排出到發電槽11的底面11a側。因此，可抑制生成物滯留在各金屬空氣單電池2的液室6內部，可抑制電極破損或電特性惡化，並可謀求長壽命化。
如此，設於各金屬空氣單電池2之貫穿孔8具有將電解液10供給至液室6，並且將藉由金屬極3與空氣極4之反應而產生的生成物排出金屬空氣電池單元1外部的角色。
以上，採用本實施形態之金屬空氣電池時，在構成金屬空氣電池單元1之複數個金屬空氣單電池2中分別於金屬極3的兩側配置有空氣極4，各空氣極4係以露出狀態配置於金屬空氣單電池2的兩側。而後，藉由並列設置各金屬空氣單電池2，可在各金屬空氣單電池2露出之空氣極4間形成上方開放的空氣室7。
如此，本實施形態由於形成在各金屬空氣單電池2中不形成周圍經完全劃分之空氣室7，藉由並列設置複數個金屬空氣單電池2，而形成在各金屬空氣單電池2的空氣極4間形成空氣室7的單電池構造，因此可將構成各金屬空氣單電池2之框體5寬度（第二圖所示之前部5c及後部5d的寬度）縮小。因而，當在指定寬度尺寸內（此處之「寬度尺寸」係金屬空氣單電池2並列設置方向的尺寸）形成金屬空氣電池單元1時，可增加並列設置的金屬空氣單電池2數量，再加上在上述各單電池內將空氣極4配置於金屬極3兩側，而可有效獲得高輸出。
此外，在各金屬空氣單電池2之下部5b分別設有連通於液室6的貫穿孔8，藉由將金屬空氣電池單元1放入收容電解液10之發電槽11中，可在液室6中注入電解液10而可開始發電。如此，可輕易進行對各金屬空氣單電池2注入電解液10。
而且，本實施形態可通過貫穿孔8促進排出伴隨發電所生的生成物。本實施形態如第四圖所示，將金屬空氣電池單元1配置於發電槽11中時，係控制成在金屬空氣電池單元1之下面1a與發電槽11的底面11a之間空出間隙13，藉此，可將生成物從金屬空氣電池單元1之液室6朝向發電槽11的底面11a側排放。如此，本實施形態由於可從各金屬空氣單電池2之液室6通過貫穿孔8將生成物往外部排放，因此可長時間持續進行金屬極3與空氣極4之間產生的反應，可將隨發電所生之電壓長時間保持穩定，而可促進長壽命化。
本實施形態如第五圖所示，例如，宜在發電槽11內部配置作為回流部之水流泵浦20，而使電解液10回流。第五圖係使用水流泵浦20而在金屬空氣電池單元1之下面1a與發電槽11的底面11a之間的間隙13中產生水流，可使電解液10回流。藉此，如第五圖所示，排放至金屬空氣電池單元1之下面1a與發電槽11的底面11a間之間隙13的生成物21係擴散流至金屬空氣電池單元1的側方等，而不滯留於發電槽11的底面11a。此外，藉由在金屬空氣電池單元1之下面1a與發電槽11的底面11a之間的間隙13中使水流產生，可提高生成物21通過貫穿孔8排放至間隙13的排放速度，可更有效減少滯留在各金屬空氣單電池2之液室6中的生成物量。
依以上，如第五圖所示，藉由在發電槽11內之電解液10中產生水流，可促進生成物21從各金屬空氣單電池2之液室6往發電槽11中排放，可提供金屬極3反應至最後。如此，本實施形態可將金屬極3完全使用至最後，可抑制長期放電所導致輸出降低，可更有效獲得輸出之持續穩定性。
此外，宜將金屬極3可更換地支撐於框體5，讓金屬極3使用完時等，可將新的金屬極3配置於金屬空氣單電池2內。藉此，可更有效獲得輸出之持續穩定性。例如構成為可使金屬極3從金屬空氣單電池2外側朝向內部滑動而插入，一旦插入到指定位置後，無法繼續插入。
上述係更換了金屬極3，不過亦可在發電結束前後適當更換金屬空氣單電池2。如此藉由適當更換金屬極3或金屬空氣單電池2，雖是一次性電池，仍可獲得連續的發電。此外，本實施形態如後述係可使電解液循環，藉此，可長時間使用雜質少（反應生成物少）的電解液。如此亦擔任輔助連續發電效果的角色。另外，從作業性及框體設計的觀點而言，更宜可更換地支撐金屬空氣單電池2。亦即，更換金屬極3時，因為僅可更換金屬空氣單電池2中之金屬極3，所以單電池構造容易變得複雜。或是必須在金屬空氣單電池2上部設置縫隙等，而形成僅可取出金屬極3的構造，此外，更換時容易混入塵埃等。另外，若是更換金屬空氣單電池2，可按單電池一起更換，可提高作業性，並使框體設計簡便。
第六圖所示之金屬空氣電池係在配置金屬空氣電池單元1之發電槽11旁設有沈澱槽（收集部）30。如第六圖所示，以分隔板31分隔發電槽11與沈澱槽30之間。另外，分隔板31上設有缺口31a，可將回流沈澱槽30之電解液從缺口31a流至發電槽11內。
如第六圖及第七圖所示，在沈澱槽30中朝向電解液之回流方向，空出間隔而設有複數個分隔壁32，而形成有藉由沈澱槽30之外壁及分隔壁32所劃分的複數個沈澱室30a、30b、30c、30d。於缺口31a從遠側朝向近側分別為第一沈澱室30a、第二沈澱室30b、第三沈澱室30c、及第四沈澱室30d。如第七圖所示，依第一沈澱室30a、第二沈澱室30b、第三沈澱室30c及第四沈澱室30d的順序，各沈澱室之長度尺寸L變小（第七圖於第一沈澱室30a註記長度尺寸L作為代表）。
此外，如第六圖及第七圖所示，分隔壁32之高度比沈澱槽30之外壁及分隔板（除了缺口31a之位置）31的高度低。
如第六圖所示，在各分隔壁32之上部分別配置有筒狀體33。如第六圖所示，筒狀體33中形成有縫隙33a，筒狀體33經由縫隙33a而固定支撐於分隔壁32。
發電槽11內之因生成物而混濁的電解液使用未圖示之泵浦等機構輸送至第一沈澱室30a。此外，沈澱槽30中係產生水流，來讓電解液從第一沈澱室30a朝向第四沈澱室30d流動。如第七圖所示，電解液從第一沈澱室30a移動至第二沈澱室30b時，電解液中包含之一部分生成物21沈澱於第一沈澱室30a，而滯留於第一沈澱室30a的底部。而後，電解液上面澄清的部分從第一沈澱室30a依序輸送至第二沈澱室30b、第三沈澱室30c及第四沈澱室30d，此時電解液中包含之生成物21滯留在各沈澱室底。此時，滯留於沈澱室底之生成物量從第一沈澱室30a朝向第四沈澱室30d而逐漸減少。因而，宜藉由將生成物21最容易滯留之第一沈澱室30a的長度尺寸L形成最長，並依序縮短第二沈澱室30b、第三沈澱室30c及第四沈澱室30d的長度尺寸L，可提高生成物21之收集效果。
本實施形態係在各分隔壁32之上部配置有筒狀體33，如第七圖所示，從發電槽11輸送至沈澱槽30之電解液10的水面在比各筒狀體33上部低的位置。此時，藉由電解液10上面澄清的部分在筒狀體33內部之流路回流，可促進生成物21的沈澱。另外，筒狀體33係用於防止上面澄清部分直接移動到鄰接的槽中之柵欄，而不需要係圓筒，目的為為了促進沈澱而降低在槽內流動之液體的流速。
因此，沈澱槽30藉由使電解液10之上面澄清部分回流，將儘可能除去生成物21之電解液10從缺口31a送回發電槽11，可更有效地抑制輸出逐漸降低，並可謀求輸出持續的穩定性。此外，如之前的記載，本實施形態中可適當更換金屬極3或金屬空氣單電池2，可藉由長時間使用雜質少（反應生成物少）之電解液而更有效地連續發電。
另外，可取代第六圖及第七圖所示之沈澱槽30，或是與沈澱槽30一起另外設置過濾裝置（收集部）等來收集生成物21，可謀求延長電解液10之壽命。過濾裝置可配置於發電槽內，或是亦可配置於發電槽之外另設的槽內。
欲結束發電時，藉由從第四圖之狀態撈起金屬空氣電池單元1，並將電解液10從各金屬空氣單電池2之液室6經由貫穿孔8排出，即可輕易地停止發電。或是，亦可藉由從配置了金屬空氣電池單元1狀態下之發電槽11排出電解液10而停止發電。此外，提出作為負極之金屬極也仍可停止電池反應。
此外，亦可在第一圖所示之金屬空氣電池單元1的上面設置未圖示之頂板部。頂板部中也設有連通於各空氣室7之開口，讓空氣經由頂板部之開口而流入各空氣室7。
此外，亦可在上述之頂板部中設置將電池輸出供給至外部的外部連接用端子。外部連接用端子係連接器或是USB端子等，並無特別限定。並可設置複數個外部連接用端子。例如，可將行動裝置直接連接於設於金屬空氣電池單元1的外部連接用端子來供給電力。或是，例如亦可構成將USB集線器等連接基板連接於金屬空氣電池單元1的外部連接用端子，並經由連接基板對複數個行動設備供給電力。
採用上述實施形態之金屬空氣電池時，在緊急用電源之開發中，特別是從節省空間可設置多數個單電池、高輸出且輸出持續穩定性之觀點而開發本實施形態。亦即，本實施形態之金屬空氣電池係在金屬極的兩側相對配置空氣極，並且藉由增加並列設置之單電池數量，而可獲得高輸出。此外，因為更有效地抑制輸出持續降低，所以可有效促進排出伴隨發電所生的生成物。再者，雖係一次性電池，仍可更換金屬極或是金屬空氣單電池，而可連續地發電，不像過去般使用完畢即不再使用。
本實施形態之金屬空氣電池可用作節省空間的緊急用電源，可適用在辦公室、工廠、機械設施等。
本實施形態亦可串連連接、亦可並聯連接各金屬空氣單電池2的各電極，且配線方法並無特別限定。
此外，第六圖及第七圖所示之沈澱槽30的構成只是一例，並非限定於該構成者。例如第六圖、第七圖係4個沈澱室，不過並非限定數量者。此外，亦可取代筒狀體33，或是與筒狀體33一起使用另外的回流機構以促進電解液回流。
此外，本實施形態的金屬空氣電池之使用方法亦可將金屬空氣電池單元1放入收容了電解液10之發電槽11中使其開始發電，或是，亦可在預先或是使用者用手等將金屬空氣電池單元1配置於發電槽11中，注意避免電解液10進入空氣室7，仍將電解液10注入發電槽11使其開始發電。
此外，本實施形態之金屬極3、或金屬空氣單電池2係可更換地支撐於框體5。而後，本實施形態的金屬空氣電池之使用方法係可在更換金屬極3或金屬空氣單電池2仍繼續發電。另外，此處所謂「繼續發電」，係指可比普通之一次性電池延長發電，並定義為即使更換時停止發電，仍可在其前後「繼續發電」。從更換時之作業性的觀點而言，宜設為可更換金屬空氣單電池2，並可藉由更換金屬空氣單電池2而順利地持續發電。
說明與上述不同之實施形態的金屬空氣電池。如第八圖所示，金屬空氣電池40構成具有金屬空氣電池單元42、與盒43。
如第八圖所示，金屬空氣電池單元42構成為例如並列設置3個金屬空氣單電池44。並非限定金屬空氣單電池44之數量者，亦可為2個，亦可為4個以上。
金屬空氣電池單元42係複數個組合相同構造之金屬空氣單電池44者。就金屬空氣單電池44之構造詳述於後。
如第八圖所示，在3個金屬空氣單電池44之上面安裝有頂板部53。頂板部53中，例如在上面43a設有第一開口部45a。此外，如第八圖所示，在頂板部53之側面（第一圖所示之左側面）形成有第二開口部45b。此外，亦可在頂板部53之背面或右側面設置開口部，不過未圖示。
不過，第八圖所示之第一開口部45a及第二開口部45b的數量及形成位置僅是一例。亦即，各開口部亦可是1個，亦可是複數個。此外，亦可為並未形成第一開口部45a及第二開口部45b之至少一方的構成。此外，亦可不設頂板部53，或是亦可設置其他構成構件取代頂板部53。
第八圖所示之各開口部45a、45b係空氣孔，不過，例如亦可在第二開口部45b之位置設置將電池輸出供給至外部的外部連接用端子（無圖示）。外部連接用端子係連接器或是USB端子等，並無特別限定。並可設置複數個外部連接用端子。例如，可將行動設備直接連接於設於金屬空氣電池單元1的外部連接用端子來供給電力。或是，例如亦可構成將USB集線器等連接基板連接於金屬空氣電池單元1的外部連接用端子，並經由連接基板供給電力至複數個行動設備。
第八圖所示之盒43如後述，可發揮作為可收容電解液之容器的功能，不過當不使用金屬空氣電池40而保管時，例如係先使第八圖所示之盒43從金屬空氣電池單元42上罩上。藉此，可保護金屬空氣電池單元42，避免塵埃等經由開口部45a、45b進入。
此外，使盒43從金屬空氣電池單元42上罩上時，可保持盒43與金屬空氣電池單元42之間而形成一體化構造。此時，若在盒43外側面安裝把手時，則方便金屬空氣電池40搬運。
並非限定盒43之形狀者，不過盒43之外形宜為比金屬空氣電池單元42大一圈之金屬空氣電池單元42的相似形狀。
第九圖係將盒43從第八圖的狀態上下顛倒，在收容電解液55之盒43中放入金屬空氣電池單元42的狀態之金屬空氣電池40的剖面圖。
如第九圖所示，各金屬空氣單電池44構成具有空氣極46、金屬極47、框體48。如第九圖所示，空氣極46及金屬極47分別支撐於框體48。空氣極46與金屬極47在橫方向（紙面左右方向）空出指定間隔而相對配置。
如第九圖所示，在各金屬空氣單電池44之框體48中設置空氣室50與液室51。如第九圖所示，空氣室50之上部構成開放於外部的開口部50a。另外，第九圖中並未圖示第八圖所示之頂板部53。空氣係從第八圖所示之頂板部53的各開口部45a、45b導往第九圖所示的空氣室50。
另外，第九圖所示之實施形態中，圖示左側之金屬空氣單電池44與圖示正中央的金屬空氣單電池44之各空氣室50的右側面係分別以相鄰之右側的金屬空氣單電池44之框體48的側面構成。因此，藉由以鄰接之金屬空氣單電池44的框體彌補空氣室50側面的一部分，各金屬空氣單電池44可薄型化，可實現金屬空氣電池單元42之小型化，進而實現金屬空氣電池40的小型化。不過，位於第九圖所示之圖示右側的金屬空氣單電池44之空氣室50的右側面係新配置側壁部52而形成。
如第九圖所示，空氣極46配置於空氣室50與液室51之間。此時，空氣極46宜將其上部與下部、及側部之各邊固定支撐於框體48。如第九圖所示，空氣極46係在露出於空氣室50及液室51兩者狀態下配置。
如第九圖所示，金屬極47在液室51內配置於從空氣極46離開指定距離的位置。如第九圖所示，金屬極47係將其上部固定於框體48，而下部作為自由端（不固定）。
如第九圖所示，在框體48之底部48a設有連通至液室51之貫穿孔（給水口）56。因而，如第九圖所示，將金屬空氣電池單元42浸在倒入電解液55之盒43內時，電解液55經由貫穿孔56同時注入各液室51內。此時，如第九圖所示，電解液55之水位比空氣室50的開口部50a還下側，且電解液55不會流入空氣室50內。
另外，第九圖所示之實施形態雖將貫穿孔56設於框體48的底部48a，不過，例如亦可設於框體48之側部48b，或是亦可設於底部48a與側部48b兩者。此外，亦可將貫穿孔56設於框體48的上部，不過，此時需要使貫穿孔56位於比空氣室50之開口部50a還下側的位置。
此外，在金屬極47之周邊設有將電池反應所產生的氫等生成氣體從液室51外部往排出的孔，不過無圖示。
為了迅速地供應電解液55至各金屬空氣單電池44之液室51，宜將貫穿孔56設於框體48之底部48a。此外，如第十圖所示，可對各金屬空氣單電池44之底部48a設置複數個貫穿孔56。另外，並非限定貫穿孔56之數量者。此外，並非限定貫穿孔56之形狀者，例如第十圖所示，亦可係設有複數個小孔的構造，亦可係將長孔之貫穿孔56至少1個設於各金屬空氣單電池44的構成。
如第九圖所示，金屬極47宜與設於框體48之底部48a的貫穿孔56相對配置。易於將金屬極47與空氣極46之氧化還原反應時產生的生成物經由貫穿孔56而放出至盒43側。藉此，可抑制因生成物滯留於各金屬空氣單電池44內而造成電極破損或電特性惡化。
例如，亦可將貫穿孔56配置於框體48之側部48b的下側，亦可使金屬極47與貫穿孔56相對配置。所謂「側部48b的下側」係側部48b之高度尺寸的下半部分，並宜為高度尺寸之1/2以下的下側部分，更宜為高度尺寸之1/3以下的下側部分。藉此仍可獲得生成物之排放效果。另外，將金屬空氣電池單元42放入盒43內時，只要可將電解液55倒入液室51，且盒43內之電解液55不會到達金屬空氣電池單元42上部，則貫穿孔56之位置不拘。
此外，如第九圖所示，將金屬極47之下部作為自由端。藉此，可將金屬極47與貫穿孔56相對而適切地配置。此外，藉由將金屬極47之下部作為自由端，可使金屬極47之下部搖動。因而，當空氣極46與金屬極47之間堆積了生成物時，可使金屬極47撓曲，可緩和由生成物所生之推壓力，並可抑制金屬極47及空氣極46的破損。
採用本實施形態之金屬空氣電池40時，如第八圖所示，係並列設置複數個相同構造且具有空氣極46、金屬極47、及框體48之金屬空氣單電池44。此外，如第九圖所示，各金屬空氣單電池44之空氣室50係除上部之外，亦開放從液室51離開側之側部（圖示右側之側部）的形狀。而後，並列設置複數個金屬空氣單電池44，並且對最外端之金屬空氣單電池44配置側壁部52。如此，本實施形態之金屬空氣電池單元42係組合構成金屬空氣單電池44之複合零件、與側壁部52之2種零件而構成。另外，所謂「複合零件」係指由包含構成金屬空氣單電池44之電極及框體的複數個零件構成。
第八圖、第九圖所示之實施形態的金屬空氣電池40中，亦與第一圖等所示之實施形態的金屬空氣電池同樣地可增加並列設置的單電池數量，並可獲得高輸出。亦即，本實施形態可以減少零件數量之簡單構造而形成金屬空氣電池單元42。此外，在薄型之各金屬空氣單電池44中可適切地形成僅開放上部的空氣室50，可實現具備複數個金屬空氣單電池44之金屬空氣電池單元42的小型化。此外，因為更有效地抑制輸出逐漸降低，所以可有效促進排出伴隨發電所生的生成物。
本實施形態如第九圖所示，係在盒43中注入電解液55，而後，將金屬空氣電池單元42浸在盒43內。此時，電解液55係自然經由貫穿孔56進入各金屬空氣單電池44的液室51內而裝滿液室51。因此，使用者亦可不直接在各金屬空氣單電池44中注入電解液55，只要將金屬空氣電池單元42放入收容了電解液55之盒43內即可，因而可簡化對各金屬空氣單電池44注入電解液55。此外，採用本實施形態時，可以簡單構造對複數個金屬空氣單電池44形成往連通各液室51的貫穿孔56。
此外，本實施形態藉由從第九圖之狀態提出金屬空氣電池單元42，並從各金屬空氣單電池44之液室51將電解液55經由貫穿孔56排出，即可輕易停止發電。
本實施形態中，第八圖所示之盒43係可收容電解液55的容器。因而，因為使用者將第八圖所示之盒43顛倒過來，在盒43內倒入電解液55，而後，使金屬空氣電池單元42浸在盒43內的電解液55中而發電，所以在災害時等緊急狀況時可迅速使用金屬空氣電池40。另外，宜先設定作為倒入盒43之電解液55的水位標準之標記。藉此，使用者可在盒43內倒入適量的電解液55。
第八圖至第十圖所示之金屬空氣電池40中可適用第五圖至第七圖所示的發電槽11及沈澱槽30。因此，金屬空氣電池40可適合適用第一圖等之金屬空氣電池的構成之一部分。
此外，本實施形態之金屬空氣電池亦可適用鎂空氣電池，亦可適用其他金屬空氣電池。 ［實施例］
以下，藉由本發明之實驗例說明本發明的效果。另外，本發明之實施形態並非藉由以下實驗例而有任何限定者。
第十一圖顯示恆流放電試驗之實驗結果。實驗中使用之金屬空氣電池單元係採用並列設置3個金屬空氣單電池之第一圖所示的構造。各金屬空氣單電池之構成與第二圖及第三圖同樣。此外，金屬極與空氣極之間的間隔為4mm。實驗例1係不使電解液中產生水流。另外，實驗例2係使電解液中產生水流。
如第十一圖所示之實驗結果所示，瞭解產生水流之實驗例2比不產生水流的實驗例1更可抑制輸出逐漸降低。因此，藉由產生水流電解液更容易從金屬空氣單電池內部排出外部，可更有效持續金屬極與空氣極之間的反應。
此外，準備以下所示的3個樣品。 實施例1：有貫穿孔＋無循環 實施例2：有貫穿孔＋有循環 比較例1：無貫穿孔 另外，各樣品的金屬極與空氣極之間的間隔統一為4mm。
以下表1所示之輸出的「持續穩定性」之◎顯示輸出穩定至最後的狀態，○顯示輸出大致穩定至最後的狀態，×顯示輸出逐漸降低的狀態。此外，表1所示之「輸出時間」的◎顯示可確保如指定之輸出時間的狀態，○顯示可確保大致如指定之輸出時間的狀態，×顯示輸出時間短的狀態。
［表1］
Figure 108126886-A0304-0001
如表1所示，實施例1及實施例2之輸出的持續穩定性及輸出時間皆為◎或○，獲得了良好之結果。另外，實施例1與實施例2中，增加了循環之實施例2比實施例1其輸出之持續穩定性及輸出時間皆更為良好的結果（亦參照實驗例1及實驗例2）。另外，瞭解到並無貫穿孔的比較例1不論輸出之持續穩定性及輸出時間皆為×，無法達到節省空間化亦無法獲得穩定的輸出，作為緊急使用電源比實施例1及實施例2要差。 ［產業上之可利用性］
採用本發明之金屬空氣電池時，可使用作為高輸出且輸出之持續穩定性優異的緊急使用電源。
本申請案係依據2018年8月6日提出之日本特願2018-147530。該內容全部納入本文中。
1:金屬空氣電池單元 1a:下面 2:金屬空氣單電池 3:金屬極 3a:下端 4:空氣極 5:框體 5a:上部 5b:下部 5c:前部 5d:後部 5e,5f:側部 5g:縫隙 5h:窗 5i:固定部 5j:框部 5k:連通孔 6:液室 7:空氣室 8:貫穿孔 8a:上端 9:外壁部 10:電解液 11:發電槽 11a:底面 12:突起部 13:間隙 20:水流泵浦 21:生成物 30:沈澱槽 30a:第一沈澱室 30b:第二沈澱室 30c:第三沈澱室 30d:第四沈澱室 31:分隔板 31a:缺口 32:分隔壁 33:筒狀體 33a:縫隙 40:金屬空氣電池 42:金屬空氣電池單元 43:盒 43a:上面 44:金屬空氣單電池 45a:第一開口部 45b:第二開口部 46:空氣極 47:金屬極 48:框體 48a:底部 48b:側部 50:空氣室 50a:開口部 51:液室 52:側壁部 53:頂板部 55:電解液 56:貫穿孔 L:長度尺寸 T:寬度尺寸
第一圖係本實施形態之金屬空氣電池單元的立體圖。 第二圖係本實施形態之金屬空氣單電池的立體圖。 第三圖之第三A圖係第二圖所示之金屬空氣單電池的前視圖，第三B圖係沿著A－A線切斷第三A圖所示之金屬空氣單電池而從箭頭方向觀看的剖面圖，第三C圖係金屬空氣單電池之俯視圖，第三D圖係金屬空氣單電池之背面圖。 第四圖係本實施形態之金屬空氣電池的剖面圖。 第五圖係用於說明電解液之循環方式的金屬空氣電池之示意圖。 第六圖係本實施形態中具備沈澱槽之金屬空氣電池的立體圖。 第七圖係第六圖所示之沈澱槽內的剖面圖。 第八圖係另外實施形態之金屬空氣電池的立體圖。 第九圖係另外實施形態之金屬空氣電池的剖面圖。 第十圖係另外實施形態之金屬空氣電池單元的底視圖。 第十一圖係在恆流放電試驗中顯示時間與電壓之關係的曲線圖。
1:金屬空氣電池單元
9:外壁部
1a:下面
10:電解液
2:金屬空氣單電池
11:發電槽
4:空氣極
11a:底面
6:液室
12:突起部
7:空氣室
13:間隙
8:貫穿孔

Claims (17)

  1. 一種金屬空氣電池，其特徵為具備並列設置複數個金屬空氣單電池的金屬空氣電池單元，該金屬空氣單電池構成具有： 金屬極； 空氣極，其係在前述金屬極之兩側相對配置；及 框體，其係支撐前述金屬極及前述空氣極； 前述空氣極露出於前述框體之兩側外面， 並在各金屬空氣單電池中分別形成有液室，組合複數個前述金屬空氣單電池之前述金屬空氣電池單元中，在各金屬空氣單電池之間相對的前述空氣極間形成有上方開放之空氣室， 各金屬空氣單電池中形成有與前述液室連通，將電解液供給至前述液室，並且可將藉由前述金屬極與前述空氣極之反應而產生的生成物往前述金屬空氣電池單元外部排放的貫穿孔。
  2. 如申請專利範圍第1項之金屬空氣電池，其中前述金屬極係將下端作為自由端而支撐於前述框體，前述貫穿孔係形成於前述框體之底部，且前述金屬極之下端與前述貫穿孔的上端相對。
  3. 如申請專利範圍第2項之金屬空氣電池，其中前述金屬極的下端係配置於前述貫穿孔的上端以上之位置。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之金屬空氣電池，其中配置有前述空氣極之前述框體兩側的側部係構成具有：固定部，其係固定前述空氣極；及框部，其係除了上方之外包圍前述固定部的外周，且比前述固定部還突出； 前述空氣極固定於前述固定部， 並且互相對接前述金屬空氣單電池之前述各框部，而形成上方開放之前述空氣室。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之金屬空氣電池，其中前述金屬極或是前述金屬空氣單電池係可更換地支撐於前述框體。
  6. 一種金屬空氣電池，其特徵為具有：申請專利範圍第1項至第5項中任一項之金屬空氣電池單元；及可收容電解液之發電槽； 並將前述金屬空氣電池單元在將前述空氣室之開放的上部向上狀態下，放入收容了前述電解液之前述發電槽內，來讓前述金屬空氣電池單元之下面與前述發電槽的底面之間空出間隙，前述電解液經由前述貫穿孔而注入前述液室內，前述生成物則通過前述貫穿孔而排出至前述間隙。
  7. 如申請專利範圍第6項之金屬空氣電池，其中設置循環部，其係使前述發電槽內之前述電解液循環。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項之金屬空氣電池，其中設置收集部，其係收集排出至前述發電槽內之前述生成物。
  9. 一種金屬空氣電池，其特徵為具備並列設置複數個金屬空氣單電池的金屬空氣電池單元，該金屬空氣單電池構成具有： 空氣極； 金屬極，其係與前述空氣極相對而配置；及 框體，其係支撐前述空氣極及前述金屬極； 各框體內分別包含空氣室及液室，前述空氣室之上部開放於外部，前述框體中設有與前述液室連通，可將電解液供給至前述液室之貫穿孔。
  10. 如申請專利範圍第1項之金屬空氣電池，其中前述貫穿孔係設於前述框體之底部及側部的至少任何一方。
  11. 一種金屬空氣電池，其特徵為具有：申請專利範圍第9項或第10項之金屬空氣電池單元；及盒，其係可收容電解液； 前述金屬空氣電池單元係在將前述空氣室開放之上部向上的狀態下放入收容了前述電解液的前述盒內，前述電解液經由前述貫穿孔而注入至前述液室內。
  12. 一種金屬空氣電池之使用方法，其特徵為：將申請專利範圍第1項至第5項中任一項之金屬空氣電池單元在將前述空氣室之開放的上部向上狀態下，放入收容了電解液之發電槽內，來讓前述金屬空氣電池單元的下面與發電槽的底面之間空出間隙，或是，在配置前述金屬空氣電池單元之發電槽內放入電解液而開始發電。
  13. 如申請專利範圍第12項的金屬空氣電池之使用方法，其中係在前述發電槽內形成水流，使前述電解液循環而且發電。
  14. 如申請專利範圍第12項或第13項的金屬空氣電池之使用方法，其中係收集排出至前述發電槽之生成物而且使其發電。
  15. 如申請專利範圍第12項至第14項中任一項的金屬空氣電池之使用方法，其中係更換前述金屬極或是前述金屬空氣單電池同時，並且繼續發電。
  16. 一種金屬空氣電池之使用方法，其特徵為：係將申請專利範圍第9項或第10項之金屬空氣電池單元在將前述空氣室開放之上部向上的狀態放入收容了電解液之容器內，而開始發電。
  17. 如申請專利範圍第16項的金屬空氣電池之使用方法，其中係從在前述容器內放入了前述金屬空氣電池單元之狀態提出而停止發電。
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