WO2017130441A1 - 金属空気電池 - Google Patents

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case
electrode
air
air battery
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高橋　昌樹
奨 成田
由晴 中島
阪間　寛
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藤倉ゴム工業株式会社
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a metal-air battery, and more particularly to the structure of a metal electrode which is a negative electrode.
  • a metal-air battery oxygen in the atmosphere is used as a positive electrode active material in an air electrode which is a positive electrode, and a redox reaction of the oxygen is performed.
  • the metal electrode which is a negative electrode the oxidation-reduction reaction of metal is performed.
  • the energy density of the metal-air battery is high, and it is expected as a role of an emergency power source etc. at the time of a disaster or the like.
  • the air electrode is disposed, for example, on both sides of the casing, and the metal electrode is opposed between the air electrodes via an electrolytic solution (see FIG. 1 of Patent Document 1).
  • the metal electrode is composed of a current collector and an electrode active material formed on both sides of the current collector.
  • the conventional metal-air battery structure has the following problems. That is, the reaction product generated by the cell reaction is deposited between the air electrode and the metal electrode, and as a result, the sustainability of the predetermined output due to the reduction of the cell reaction becomes a problem.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and in particular, it is an object of the present invention to provide a metal-air battery capable of sustaining a high output and an output for a long time as compared with the prior art.
  • the metal-air battery according to the present invention includes a case, an air electrode disposed on both sides of the case, and a plurality of metal electrodes disposed inward from the air electrode, and the metal electrodes Are characterized by facing each other via a space.
  • the case is divided into a plurality of pieces, and the metal poles are respectively disposed in another case, and at least one of the metal poles is disposed inside the facing portion of the case.
  • a plurality of the cases may be combined with the facing portions facing each other to form the space between the metal electrodes.
  • a first case and a second case having an outer frame and an inner frame as the opposite portion, and a first case disposed on the outer frame of the first case An air electrode, a first metal electrode disposed on the inner frame side of the first case, a second air electrode disposed on the outer frame of the second case, and the second electrode And a second metal electrode disposed on the inner frame side of the case, wherein at least one of the first metal electrode and the second metal electrode is located inside the inner frame.
  • the first case and the second case are combined with the inner frame facing inward, and the first case and the second case are disposed between the first metal pole and the second metal pole. A space can be formed.
  • the air electrode may be formed in a cylindrical shape, or may have a shape in which a part of the cylindrical shape is missing.
  • a case an air electrode arranged in the case, a cylindrical shape or a shape in which a part of the cylindrical shape is missing, and an inner side spaced apart from the air electrode
  • a cylindrical or metal electrode having a shape in which a part of the cylinder is missing is provided, and the cylindrical inside of the metal electrode is a space.
  • the metal electrode is detachably attached to the case.
  • the metal electrode is provided with a slit or a hole penetrating from the inside to the outside of the metal electrode.
  • the metal pole is a fixed end fixed at one end to the case side, and the other end is a free end.
  • the metal constituting the metal electrode is not particularly limited, and is, for example, magnesium or a magnesium alloy.
  • reaction products can be prevented from being deposited between the air electrode and the metal electrode. Also, the degree of freedom of the distance between the air electrode and the metal electrode is high. According to the above, high output and output can be maintained for a long time as compared with the prior art.
  • FIG. 1 is a schematic view (longitudinal sectional view) of a metal-air battery according to a first embodiment of the present invention.
  • the longitudinal cross section refers to a cut surface cut along the height direction of the case. The same applies below.
  • the metal-air battery 1 has a case 2, an air electrode 3 disposed on both sides of the case 2, and a metal electrode 4 disposed spaced apart inside the air electrode 3. Is configured.
  • the air electrode 3 is a positive electrode
  • the metal electrode 4 is a negative electrode.
  • the case 2 is formed of a plastic resin, paper or the like which is electrically insulating and capable of preventing leakage of the electrolytic solution.
  • An opening window 5 is formed in each of the first side surface 2 a and the second side surface 2 b of the case 2.
  • a plurality of air electrodes 3 are fixed to the frames of the first side 2a and the second side 2b, respectively. At this time, the outer side surface of each air electrode 3 is exposed to air by the opening window 5.
  • the longitudinal dimension, the lateral dimension and the height dimension of the case appearance are several cm to several tens cm.
  • the shape of the case 2 is, for example, a rectangular parallelepiped, a cube, a cylinder, a prism, or the like. Case 2 may be configured as a single unit or may be a combination of a plurality of parts. The size, shape, and the like of the case 2 are not particularly limited.
  • an insertion hole 6 is provided in the ceiling portion 2c.
  • the metal electrode 4 can be inserted into the inside of the case from the outside of the metal air battery 1.
  • the metal electrode 4 is disposed inside the air electrode 3.
  • a predetermined gap (gap) G is provided between the air electrode 3 and the metal electrode 4.
  • the gap G is, for example, 0.5 to 20 mm, preferably 0.5 to 5 mm, and more preferably 0.5 to 2.5 mm. If it is 0.5 mm or more, the reaction product is deposited between the metal electrode 4 and the air electrode 3 and the air electrode 3 and the metal electrode 4 are not damaged, and 20 mm or less, preferably 5 mm or less, more preferably A sufficient output can be obtained if it is 2.5 mm or less.
  • the gap G is adjusted to be substantially the same between the left and right air electrodes 3-metal electrodes 4 shown in FIG. 1A in order to obtain a stable output.
  • the main surface is a thin flat plate such as a rectangle or a square.
  • the air electrode 3 is electrically connected to the positive electrode terminal 8.
  • the metal electrode 4 is connected to the negative electrode terminal 9.
  • the air electrode 3 and the metal electrode 4 are opposed to each other through the electrolytic solution 7.
  • the air electrode 3 and the metal electrode 4 are in contact with the electrolyte 7 each other.
  • the air electrode is disposed on both sides of the case, and the metal electrode is disposed substantially at the center position of the case.
  • the reaction product in the cell reaction is deposited between the air electrode and the metal electrode, which causes the problem of the sustainability of a predetermined output.
  • the degree of freedom of the distance between the air electrode and the metal electrode is low, and a sufficiently high output can not be obtained.
  • the present inventors have improved the structure of the metal electrode and came to construct a metal-air battery capable of suppressing the deposition of the reaction product between the air electrode and the metal electrode as compared with the prior art. That is, as shown in FIG. 1A, in the first embodiment, a plurality of metal electrodes 4 are provided, and these metal electrodes 4 face each other with a space S interposed therebetween. The space S communicates with a gap 13 provided between the metal electrode 4 and the case 2.
  • “space” is a three-dimensional spread that can be filled with the electrolyte solution 7 without filling the space between the inner surfaces (facing surfaces) 4 a of the metal electrodes 4 with a current collector as described in Patent Document 1 or the like. Point to.
  • the space S can be used as an area where reaction products can be deposited by causing the metal electrodes 4 to face each other via the space S. That is, in the present embodiment, the reaction product can be smoothly transferred from the gap 13 provided between the metal electrode 4 and the case 2 to the inner surface 4 a side of the metal electrode 4 in the case 2. The dispersibility of the reaction product of Therefore, the deposition amount of the reaction product between the air electrode 3 and the metal electrode 4 can be reduced compared to the prior art.
  • the degree of freedom of the gap G between the air electrode 3 and the metal electrode 4 can be increased. Therefore, in order to obtain a high output, the intervals G between the air electrode 3 and the metal electrode 4 can be narrowed.
  • the electrolytic solution 7 can be injected into the space S, and the capacity of the electrolytic solution 7 can be increased. As a result, the electrolyte solution 7 required for the battery reaction can be sufficiently retained. Thereby, high output and output can be maintained for a long time.
  • the configuration of the present embodiment is effective.
  • the metal pole 4 of 2 sheets is connected by the electroconductive flat connection part 10 in the position of the upper end 4b.
  • the negative electrode terminal 9 is electrically connected to the position of the connecting portion 10.
  • the connecting portion 10 is fixed and supported on the upper surface side of the ceiling portion 2 c of the case 2.
  • the metal electrode 4 connected by the connection part 10 is detachably supported to the case 2. Therefore, it is possible to replace the metal electrode 4 when the output decreases or the reaction ends.
  • the upper end 4 b of the metal pole 4 is electrically connected by a conductor 11 such as a lead.
  • a conductor 11 such as a lead.
  • the upper end 4b of the metal pole 4 protrudes above the ceiling 2c.
  • the upper ends 4 b of the metal poles 4 are connected by the conductors 11.
  • the metal electrode 4 is detachably supported to the case 2.
  • FIG. 2 is a schematic view (longitudinal sectional view) of a metal-air battery according to a second embodiment of the present invention.
  • the upper end 4 b of the metal pole 4 is connected by the conductive connecting portion 10, but the connecting portion 10 is accommodated in the case 2.
  • the upper end 4b of the metal pole 4 is electrically connected by the conductor 11 such as a lead wire, but the entire metal pole 4 is accommodated in the case 2.
  • the metal electrode 4 can not be attached to or detached from the case 2. Therefore, in FIG. 2, it becomes a disposable metal air battery 1.
  • FIG. 2C is a disposable metal-air battery 1 as in FIG. 2B, but in FIG. 2C, the lower end 4c of the metal electrode 4 is fixed by the fixing portion 12. As shown in FIG. 2C, the fixing portion 12 protrudes upward from the surface of the bottom portion 2 d of the case 2. In the configuration shown in FIG. 2C, the upper end 4b and the lower end 4c of the metal electrode 4 are fixed to the case 2 directly or indirectly. In FIG. 2C, although it appears that there is no gap between metal pole 4 and case 2 in the drawing, actually, there is a gap that leads to space S between the side faces of metal pole 4 and case 2 or the like. It is provided. Then, the reaction product can be transferred from the gap between the metal electrode 4 and the case 2 to the space S between the metal electrodes 4.
  • the upper end 4b side of the metal pole 4 is fixed to the ceiling 2c side of the case 2 via the conductor 11, but unlike FIG. 2C, the lower end 4c is fixed It has not been. That is, the lower end 4c is a free end.
  • FIG. 3 is a schematic view (longitudinal sectional view) of the metal-air battery for illustrating the state of the metal electrode by the reaction product in a structure in which the lower end of the metal electrode is a free end.
  • the lower end 4 c of the metal electrode 4 As shown in FIG. 3, by making the lower end 4 c of the metal electrode 4 a free end, the lower end 4 c side of the metal electrode 4 can be swung. Therefore, the lower end 4 c side of the metal electrode 4 can be displaced inward by the pressing force of the reaction product P deposited between the air electrode 3 and the metal electrode 4. As a result, the pressing force of reaction product P on air electrode 3 and metal electrode 4 can be alleviated, and damage to air electrode 3 and metal electrode 4 can be suppressed.
  • FIG. 4 is a schematic view (longitudinal sectional view) of a metal-air battery according to a third embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2 indicate the same parts as in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows the state before combining each case which comprises a metal air battery.
  • the case 2 is divided into a first case 32 and a second case 42.
  • the first case 32 includes an outer frame 32 a and an inner frame 32 b that face each other.
  • the second case 42 includes an outer frame 42a and an inner frame 42b that face each other.
  • a convex portion 50 is formed on the inner frame 32 b of the first case 32.
  • a recess 51 is formed in the inner frame 42 b of the second case 42. Therefore, the first case 32 is a male case structure, and the second case 42 is a female case structure.
  • the first air electrode 33 is disposed on the outer frame 32 a of the first case 32, and the first metal electrode 34 is disposed on the inner frame 32 b side of the first case 32. Will be installed.
  • the second air electrode 43 is installed in the outer frame 42 a of the second case 42, and the second metal electrode 44 is installed in the inner frame 42 b.
  • the first metal pole 34 is located inward (in the direction approaching the outer frame 32 a) than the inner frame 32 b of the first case 32.
  • the second metal pole 44 is located inside the inner frame 42 b of the second case 42 (in the direction approaching the outer frame 42 a).
  • “inside of the inner frame” indicates that the inner side than the surface of the inner frame excluding the case connecting portions such as the convex portion 50 and the concave portion 51.
  • the space S of a predetermined width can be formed between the metal electrodes 34 and 44.
  • the width of the space S can be adjusted by the installation position of the metal poles 34 and 44 disposed in the respective cases 32 and 42.
  • the gap (gap) G between the air electrodes 33, 43 and the metal electrodes 34, 44 can be adjusted.
  • the case 2 is divided into a plurality of pieces, and the metal electrodes 34 and 44 are disposed in the respective cases 32 and 42.
  • the metal electrodes 34 and 44 are disposed inside the inner frames 32 b and 42 b as opposed portions of the respective cases 32 and 42.
  • the desired space S can be easily provided between the metal electrodes 34 and 44 simply by combining the respective cases 32 and 42.
  • the structure of FIG. 4 is particularly useful, for example, in a structure in which the metal electrodes 34 and 44 are fixedly supported in the case 2. By dividing the case 2 and combining the divided cases 32, 42, the metal electrodes 34, 44 can be fixedly supported in the case 2 simply and properly.
  • both of the first metal electrode 34 and the second metal electrode 44 are positioned inside the inner frames 32 b and 42 b of the cases 32 and 42, but at least one of them is the case. It may be a structure located inside the inner frame of. Also by this, the space S can be formed between the metal electrodes 34 and 44 by combining the divided cases.
  • the first air electrode 33, the second air electrode 43, the first metal electrode 34, and the second metal electrode 44 are respectively disposed in separate cases, When the respective cases in which the poles 34 and 44 are arranged are combined, the space S may be formed between the metal poles 34 and 44.
  • the air electrode may not be divided into a plurality of parts like the first air electrode 33 and the second air electrode 43, and may be formed of a tubular body or the like described later.
  • FIG. 5 is a schematic view (front view) of a metal electrode in a fourth embodiment of the present invention.
  • the metal electrode 4 is provided with a slit 20.
  • the slit 20 is two in FIG. 5A, the number is not limited.
  • the slit 20 is provided to a position halfway from the lower end 4 c to the upper end 4 b of the metal electrode 4.
  • the slit 21 extends from the lower end 4c to the upper end 4b of the metal electrode 4 and is separated into three strip-like pieces. These strip pieces are connected, for example, by a connecting portion 10 shown in FIG. 1A.
  • slit-like holes 22 are formed in the metal electrode 4.
  • the shape and number of the holes 22 are not particularly limited.
  • the slits 20 and 21 and the holes 22 penetrate from the inner surface 4a of the metal electrode 4 shown in FIG. 1A to the outer surface (facing surface with the air electrode 3).
  • the reaction product is smoothly transferred to the space S (see FIG. 1 etc.) provided between the metal electrodes 4 through the slits and holes by providing the metal electrode 4 with slits or holes. It can be done. Therefore, according to the configuration of FIG. 5, it is possible to more effectively suppress the problem that the reaction product is deposited between the air electrode 3 and the metal electrode 4.
  • the fourth embodiment can be applied to the other embodiments.
  • FIG. 6 is a schematic view (cross-sectional view) of a metal-air battery according to a fifth embodiment of the present invention.
  • a cross section refers to the cross section which looked at the cut section cut along the plane direction of a case from the upper direction.
  • the air electrode 3 is formed in a tubular shape.
  • two metal electrodes 4 are provided inside the air electrode 3 at a distance.
  • "cylindrical” means hollow shape and all things which comprise ring shape by planar view are included.
  • the air pole 3 is comprised by the connection part 3b which connects between the opposing part 3a which opposes the metal pole 4, and the opposing part 3a.
  • the external shape of the air electrode 3 is not limited, for example, it may be a rounded rectangle shown in FIG. 6A, a polygon, a circle, an ellipse, or the like.
  • a part of the connection portion 3b of the air electrode 3 shown in FIG. 6A is cut off.
  • the air electrode 3 may be configured by combining a plurality of parts of the facing portion 3a and the connecting portion 3b, or the air electrode 3 is formed integrally with the facing portion 3a and the connecting portion 3b. It can also be done. In the configuration of FIG. 6, a large surface area of the air electrode 3 can be secured, and a high output can be obtained.
  • FIG. 7 is a schematic view (cross-sectional view) of a metal-air battery according to a sixth embodiment of the present invention.
  • both the air electrode 3 and the metal electrode 4 are formed in a tubular shape.
  • the air electrode 3 may have a plurality of configurations separated on both sides of the case as in the case of FIG. 1 and the like.
  • the cylindrical interior 15 of the metal electrode 4 is a space S. Moreover, the shape which a part of cylindrical metal pole 4 shown in FIG. 7 lacked may be sufficient.
  • the body surface area of the metal electrode 4 facing the air electrode 3 can be secured wide.
  • the gap G between the air electrode 3 and the metal electrode 4 can be set narrow all around. Thereby, high output can be achieved effectively.
  • the cylindrical interior 15 of the metal electrode 4 is a space S, and the space S is a gap provided between the metal electrode 4 and the case 2 (for example, a gap between the lower end of the metal electrode 4 and the case 2 In communication with For this reason, the space S can use the cylindrical inside 15 as a deposition area of the reaction product. Therefore, high output and output can be sustained for a long time.
  • the air electrode 3 can be formed with a laminated structure of a conductive material layer and a current collector.
  • the conductive material layer is an inner layer in contact with the electrolytic solution contained in the case 2.
  • the conductive material layer can be formed by binding a conductive material with a binder resin. It does not limit the conductive material which comprises a conductive material layer. Any of the materials that make up the conductive material layer of the metal-air battery that are conventionally known can be used.
  • suitable conductive materials may include carbon materials such as acetylene black, ketjen black, activated carbon, and carbon nanotubes.
  • the binder resin used for the conductive material layer of the air electrode 3 is not particularly limited.
  • suitable binder resins include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), Fluororesins such as polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF) and the like can be mentioned.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FEP tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer
  • ETFE ethylene-tetrafluoroethylene copolymer
  • Fluororesins such as polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene /
  • the conductive material layer may contain a conventionally known electrode catalyst for an air metal battery positive electrode.
  • the electrode catalyst may be platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), tungsten (W), lead (Pb), iron (Fe) Metals such as chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium (Ga), aluminum (Al), copper (Cu) and the like Examples thereof include compounds and alloys thereof.
  • the current collector layer constituting the air electrode 3 is an outer layer in contact with air.
  • a wire mesh made of a conductive metal material, an expanded metal, a woven fabric, a punching sheet, an etching foil, a foam or the like can be suitably used.
  • the conductive metal material is not particularly limited, and examples thereof include stainless steel (SUS), copper, nickel and the like.
  • the material of the metal electrode 4 is not limited, but metals such as zinc, aluminum, and magnesium or alloys thereof are preferable.
  • magnesium or a magnesium alloy is used for the metal electrode 4.
  • a metal air battery unit formed by connecting a plurality of metal air batteries 1 may be configured.
  • the metal-air battery of the present invention high output can be sustained for a long time as compared with the prior art. Therefore, the metal-air battery of the present invention can be effectively applied as an emergency power supply or the like at the time of disaster or the like.

Abstract

特に、従来に比べて、高い出力かつ出力を長期間持続させることが出来る金属空気電池を提供することを目的とする。本発明における金属空気電池（１）は、ケース（２）と、前記ケースの両側に配置された空気極（３）と、前記空気極から内側に離間して配置された複数枚の金属極（４）と、を有し、前記金属極同士は、間に空間（Ｓ）を介して対向していることを特徴とする。本発明の金属空気電池によれば、反応生成物が、空気極と金属極との間に堆積するのを抑制できる。また、空気極と金属極との間の距離の自由度が高い。以上により、高い出力かつ出力を長期間持続させることができる。

Description

金属空気電池
　本発明は、金属空気電池に係り、特に、負極である金属極の構造に関する。
　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。
　空気極は、例えば、筐体の両側に配置され、金属極は、空気極の間に電解液を介して対向している（特許文献１の図１参照）。特許文献１に記載の金属空気電池では、金属極が、集電体と、集電体の両側に形成された電極活性物質とで構成されている。
特開２０１５－９９７４０号公報
　従来における金属空気電池の構造では、以下のような問題点があった。すなわち、電池反応によって生じた反応生成物が、空気極と金属極との間に堆積し、この結果、電池反応の低下による、所定出力の持続性低下が問題となった。
　また、特許文献１に記載の金属空気電池のように、両側に空気極が配置され、その間に金属極が配置される構成では、空気極と金属極との間の距離の自由度が低く、十分に高い出力が得られない問題があった。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、特に、従来に比べて、高い出力かつ出力を長期間持続させることが出来る金属空気電池を提供することを目的とする。
　本発明における金属空気電池は、ケースと、前記ケースの両側に配置された空気極と、前記空気極から内側に離間して配置された複数枚の金属極と、を有し、前記金属極同士は、間に空間を介して対向していることを特徴とする。
　本発明では、前記ケースは、複数に分割されており、前記金属極は、夫々、別の前記ケースに配置されるとともに、各金属極の少なくとも一方は、前記ケースの対向部よりも内側に配置されており、複数の前記ケースが、前記対向部を対向させて組み合わされて、前記金属極の間に前記空間が形成される構成とすることが出来る。
　具体的には、一例として、外側枠体及び前記対向部としての内側枠体を有する第１のケース及び第２のケースと、前記第１のケースの前記外側枠体に配置される第１の空気極と、前記第１のケースの前記内側枠体側に配置される第１の金属極と、前記第２のケースの前記外側枠体に配置される第２の空気極と、前記第２のケースの前記内側枠体側に配置される第２の金属極と、を備えており、前記第１の金属極と前記第２の金属極のうち、少なくとも一方が、前記内側枠体よりも内側に配置されており、前記第１のケースと前記第２のケースとが、前記内側枠体を内側に向けて組み合わされて、前記第１の金属極と前記第２の金属極との間に前記空間が形成される構成とすることが出来る。
　本発明では、前記空気極は、筒状で形成されており、あるいは前記筒状の一部が欠けた形状であってもよい。
　また本発明における金属空気電池は、ケースと、前記ケース内に配置された、筒状、あるいは前記筒状の一部が欠けた形状の空気極と、前記空気極から内側に離間して配置された、筒状あるいは前記筒状の一部が欠けた形状の金属極と、を有し、前記金属極の筒状内部は、空間とされていることを特徴とする。
　本発明では、前記金属極は、前記ケースから着脱可能に取り付けられることが好ましい。また本発明では、前記金属極には、前記金属極の内側から外側にかけて貫通するスリット、あるいは穴が設けられていることが好ましい。
　また本発明では、前記金属極は、一端部が前記ケース側に固定された固定端であり、他端部が自由端とされていることが好ましい。
　また本発明では、前記金属極を構成する金属は、特に限定されないが、例えば、マグネシウム又はマグネシウム合金である。
　本発明の金属空気電池によれば、反応生成物が、空気極と金属極との間に堆積するのを抑制できる。また、空気極と金属極との間の距離の自由度が高い。以上により、従来に比べて、高い出力かつ出力を長期間持続させることが出来る。
本発明の第１の実施の形態における、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。 本発明の第２の実施の形態における、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。 金属極の下端を自由端とした構造において、反応生成物による金属極の状態を説明するための、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。 本発明の第３の実施の形態における、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。 本発明の第４の実施の形態における、金属極の模式図（正面図）である。 本発明の第５の実施の形態における、金属空気電池の模式図（横断面図）である。 本発明の第６の実施の形態における、金属空気電池の模式図（横断面図）である。
　以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）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。
＜第１の実施の形態＞
　図１は、本発明の第１の実施の形態における、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。縦断面とは、ケースの高さ方向に沿って切断した切断面を指す。以下、同様である。図１Ａに示すように、金属空気電池１は、ケース２と、ケース２の両側に配置された空気極３と、空気極３の内側に離間して配置された金属極４と、を有して構成される。空気極３は正極であり、金属極４は負極である。
　ケース２は、電気絶縁性であり、且つ、電解液の漏洩防止が可能なプラスチック樹脂や紙等で形成される。ケース２の第１の側面２ａと、第２の側面２ｂには、夫々、開口窓５が形成されている。複数の空気極３が、第１の側面２ａと第２の側面２ｂの枠に、夫々固定される。このとき、開口窓５により各空気極３の外側面は、空気に曝される。
　例えば、ケース外観の、縦寸法、横寸法及び高さ寸法は、数ｃｍ～数十ｃｍ単位である。また、ケース２の形状は、例えば、直方体、立方体、円柱、角柱等である。ケース２は、単体で構成されていてもよいし、複数のパーツを組み合わせたものであってもよい。なお、ケース２の大きさや形状等は、特に限定されるものでない。
　図１Ａに示すケース２には、天井部２ｃに、金属極４を、金属空気電池１の外側からケース内部に挿入可能な挿入孔６が設けられている。
　図１Ａに示すように、金属極４は、空気極３よりも内側に配置される。空気極３と金属極４との間には所定の間隔（ギャップ）Ｇが設けられる。間隔Ｇは、例えば、０．５～２０ｍｍであり、好ましくは、０．５～５ｍｍであり、更に好ましくは、０．５～２．５ｍｍである。０．５ｍｍ以上であれば、反応生成物が金属極４と空気極３の間に堆積し、空気極３及び金属極４を破損することがなく、２０ｍｍ以下、好ましくは、５ｍｍ以下、更に好ましくは２．５ｍｍ以下であれば十分な出力を得ることが出来る。なお、間隔Ｇは、安定した出力を得るため、図１Ａに示す左右両側の空気極３－金属極４間で略同一となるように調整される。
　また、空気極３及び金属極４の形状を限定するものでないが、例えば、主面が長方形、正方形等の薄い平板である。
　図１Ａに示すように、空気極３は、正極端子８に電気的に接続されている。また、金属極４は、負極端子９に接続されている。
　図１Ａに示すように、空気極３と金属極４とは電解液７を介して対向している。空気極３と金属極４は互いに電解液７に接触している。
　図１に示す金属空気電池１が、マグネシウム空気電池であるとき、金属極４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３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
　ところで、従来の金属空気電池においては、例えば、特許文献１に示すように、ケースの両側に空気極が配置され、ケースの略中心位置に金属極が配置される構成であった。しかしながら、このような構成においては、空気極と金属極との間に、電池反応における反応生成物が堆積することで、所定出力の持続性が問題とされた。また、空気極と金属極との間の距離の自由度が低く、十分に高い出力が得られない問題もあった。
　そこで本発明者らは、金属極の構造を改良し、空気極と金属極との間の反応生成物の堆積を、従来に比べて抑制できる金属空気電池を構築するに至った。すなわち図１Ａに示すように、第１の実施の形態では、金属極４は複数枚設けられ、これら金属極４同士が、間に空間Ｓを介して対向している。空間Ｓは、金属極４とケース２との間に設けられた隙間１３に連通している。ここで「空間」とは、金属極４の内面（対向面）４ａ間を、特許文献１のような集電体等で埋めずに、電解液７で満たすことができる三次元的な広がりを指す。
　このように、金属極４同士を、空間Ｓを介して対向させることで、空間Ｓを、反応生成物の堆積可能な領域として利用できる。すなわち、本実施の形態では、反応生成物を、金属極４とケース２との間に設けられた隙間１３から、金属極４の内面４ａ側にスムースに移行させることができ、ケース２内での反応生成物の分散性を向上させることが出来る。したがって、空気極３と金属極４との間の反応生成物の堆積量を、従来よりも低減させることが出来る。
　また本実施の形態では、複数枚の金属極４を、空間Ｓを介して対向させることで、空気極３と金属極４との間隔Ｇの自由度を高くできる。したがって、高い出力を得るために、空気極３と金属極４との各間隔Ｇを狭くすることが出来る。
　また本実施の形態では、金属極４同士を、空間Ｓを介して対向させることで、空間Ｓに電解液７を注入でき、電解液７の容量を大きくできる。この結果、電池反応に必要な電解液７を十分に保持することが出来る。これにより、高い出力且つ出力を長期間持続させることが出来る。特に、金属空気電池１の小型化に伴って、本実施の形態の構成は効果的である。
　図１Ａに示す構造では、２枚の金属極４が、上端４ｂの位置で導電性の平板状の連結部１０により連結されている。そして、負極端子９が連結部１０の位置に電気的に接続されている。連結部１０は、ケース２の天井部２ｃの上面側で固定支持される。
　図１Ａでは、連結部１０により連結された金属極４は、ケース２に対して着脱可能に支持されている。従って、出力低下や反応終了時等に伴い、金属極４の交換が可能である。
　図１Ｂに示す構成では、金属極４の上端４ｂがリード線等の導体１１にて電気的に接続されている。図１Ｂでは、金属極４の上端４ｂは、天井部２ｃよりも上方に突き出している。そして、金属極４の上端４ｂ間が導体１１で接続されている。図１Ｂに示す構成においても、金属極４は、ケース２に対して着脱可能に支持されている。
＜第２の実施の形態＞
　以下、第１の実施の形態以外の金属空気電池の構成について説明するが、金属極が、間に空間Ｓを介して対向している特徴的構成を備えていることに変わりがない。したがって、第２の実施の形態以降では、空間Ｓを介して金属極が対向配置される特徴的構成以外の異なる部分を中心に説明する。また、図２以降において、図１と同じ符号は、図１と同じ部分を指している。
　図２は、本発明の第２の実施の形態における、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。図２Ａは、図１Ａと同様に、金属極４の上端４ｂが導電性の連結部１０で連結されているが、連結部１０は、ケース２内に収納されている。また、図２Ｂは、図１Ｂと同様に、金属極４の上端４ｂが、リード線等の導体１１により電気的に接続されているが、金属極４全体がケース２内に収納されている。
　したがって、図２に示す実施の形態では、金属極４をケース２に対し着脱不可である。よって、図２では、使い捨ての金属空気電池１となる。
　図２Ｃは、図２Ｂと同様に、使い捨ての金属空気電池１であるが、図２Ｃでは、金属極４の下端４ｃが、固定部１２により固定されている。図２Ｃに示すように、固定部１２は、ケース２の底面部２ｄの表面から上方に突出している。図２Ｃに示す構成では、金属極４の上端４ｂと下端４ｃとがケース２に直接、あるいは、間接的に固定された構造とされている。なお、図２Ｃでは、図面上、金属極４とケース２との間に隙間がないように見えるが、実際には、金属極４とケース２との側面間等に、空間Ｓに通じる隙間が設けられている。そして、反応生成物を、金属極４とケース２との間の隙間から、金属極４間の空間Ｓに移行させることができる。
　図２Ｂの構成では、図２Ｃと同様に、金属極４の上端４ｂ側は、ケース２の天井部２ｃ側に導体１１を介して固定されているが、図２Ｃと異なって、下端４ｃは固定されていない。すなわち、下端４ｃは自由端とされている。
　図３は、金属極の下端を自由端とした構造において、反応生成物による金属極の状態を説明するための、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。
　図３に示すように、金属極４の下端４ｃを自由端とすることで、金属極４の下端４ｃ側を揺動させることができる。このため、空気極３と金属極４との間に堆積した反応生成物Ｐによる押圧力を受けて金属極４の下端４ｃ側を内側に変位させることが出来る。これにより、反応生成物Ｐによる空気極３及び金属極４への押圧力を緩和でき、空気極３や金属極４の破損を抑制することが出来る。
　なお、上記の効果は、図１に示す金属極４の構成においても適切に発揮することが出来る。
＜第３の実施の形態＞
　図４は、本発明の第３の実施の形態における、金属空気電池の模式図（縦断面図）である。図４において、図１、図２と同じ符号は、図１、図２と同じ箇所を示している。また、図４は、金属空気電池を構成する各ケースを組み合わせる前の状態を示す。
　図４に示すように、ケース２は、第１のケース３２及び第２のケース４２に分割されている。図４に示すように第１のケース３２は、相対向する外側枠体３２ａ及び内側枠体３２ｂを備える。同様に、第２のケース４２は、相対向する外側枠体４２ａ及び内側枠体４２ｂを備える。図４に示すように、第１のケース３２の内側枠体３２ｂには凸部５０が形成されている。また、図４に示すように、第２のケース４２の内側枠体４２ｂには凹部５１が形成されている。したがって、第１のケース３２は雄型のケース構造であり、第２のケース４２は雌型のケース構造である。
　図４に示すように、第１のケース３２の外側枠体３２ａには、第１の空気極３３が設置され、第１のケース３２の内側枠体３２ｂ側には、第１の金属極３４が設置される。同様に、第２のケース４２の外側枠体４２ａには第２の空気極４３が設置され、内側枠体４２ｂには、第２の金属極４４が設置される。
　図４に示すように、第１の金属極３４は、第１のケース３２の内側枠体３２ｂよりも内側（外側枠体３２ａに近づく方向）に位置している。同様に、第２の金属極４４は、第２のケース４２の内側枠体４２ｂよりも内側（外側枠体４２ａに近づく方向）に位置している。ここで、「内側枠体よりも内側」とは、凸部５０や凹部５１等のケース接続部を除く、内側枠体の表面よりも内側であることを指す。
　これにより、第１のケース３２の内側枠体３２ｂと、第２のケース４２の内側枠体４２ｂとを対向させて各ケース３２、３３を、例えば、凹凸嵌合により組み合わせると、図１、図２と同様に、金属極３４、４４の間に所定幅の空間Ｓを形成することが出来る。空間Ｓの幅は、各ケース３２、４２に配置する金属極３４、４４の設置位置により調整することが出来る。また、同時に、空気極３３、４３と、金属極３４、４４との間の間隔（ギャップ）Ｇを調整することができる。
　このように、図４の金属空気電池では、ケース２を複数に分割し、各ケース３２、４２に金属極３４、４４を配置する。しかも、金属極３４、４４を、各ケース３２、４２の対向部としての内側枠体３２ｂ、４２ｂよりも内側に配置する。これにより、各ケース３２、４２を合体させるだけで、所望の空間Ｓを、金属極３４、４４間に簡単に設けることが出来る。また、限定するものではないが、図４の構造は、例えば、ケース２内に、金属極３４、４４が固定支持される構造に特に有用である。ケース２を分割し、分割されたケース３２、４２を組み合わせる構造とすることで、簡単且つ適切にケース２内に金属極３４、４４を固定支持することが出来る。
　なお、図４では、第１の金属極３４及び第２の金属極４４の双方が、各ケース３２、４２の内側枠体３２ｂ、４２ｂよりも内側に位置しているが、少なくとも一方が、ケースの内側枠体よりも内側に位置している構造であってもよい。これによっても、分割された各ケースを組み合わせることで、金属極３４、４４間に空間Ｓを形成することが出来る。
　また図４とは異なって、例えば、第１の空気極３３、第２の空気極４３、第１の金属極３４、及び第２の金属極４４が夫々個別のケースに配置されており、金属極３４、４４を配置した各ケースを組み合わせたときに、金属極３４、４４間に空間Ｓが形成されるように構成してもよい。あるいは、空気極は、第１の空気極３３、及び第２の空気極４３のように複数に分割されておらず、後述する筒状体等で構成されていてもよい。
＜第４の実施の形態＞
　図５は、本発明の第４の実施の形態における、金属極の模式図（正面図）である。図５Ａに示すように、金属極４には、スリット２０が設けられている。図５Ａでは、スリット２０は２本であるが、数を限定するものではない。スリット２０は、金属極４の下端４ｃから上端４ｂに向けての途中の位置まで設けられている。
　一方、図５Ｂでは、スリット２１が、金属極４の下端４ｃから上端４ｂに至り、３枚の短冊状片に分離されている。これら短冊状片は、例えば図１Ａに示す連結部１０によって連結されている。
　また、図５Ｃでは、金属極４にスリット状の穴２２が形成されている。穴２２の形状や数を特に限定するものではない。
　これらスリット２０、２１や穴２２は、図１Ａに示す金属極４の内面４ａから外面（空気極３との対向面）にかけて貫通している。
　図５に示すように、金属極４にスリットや穴を設けることで、反応生成物を、スリットや穴を通して、金属極４の間に設けられた空間Ｓ（図１等参照）にスムースに移行させることが出来る。よって、図５の構成によれば、より効果的に、空気極３と金属極４との間に反応生成物が堆積する不具合を抑制できる。
　なお、第４の実施の形態は、他の実施の形態にも適用することが可能である。
＜第５の実施の形態＞
　図６は、本発明の第５の実施の形態における、金属空気電池の模式図（横断面図）である。横断面とは、ケースの平面方向に沿って切断した切断面を、上方向から見た断面を指す。
　図６Ａでは、空気極３が筒状に形成されている。一方、金属極４は、空気極３の内側に離間して２枚、設けられている。なお、「筒状」とは、中空形状を意味し、平面視にてリング状を成すものは全て含まれる。
　図６Ａに示すように、空気極３は、金属極４と対向する対向部３ａと、対向部３ａ間を接続する接続部３ｂとで構成される。空気極３の外観形状は限定されないが、例えば、図６Ａに示す角丸長方形や、多角形、円形、楕円形等である。一方、図６Ｂの構成では、図６Ａに示す空気極３の接続部３ｂの一部が欠けた形状とされている。
　なお、図６において、対向部３ａと接続部３ｂとの複数パーツを組み合わせて空気極３を構成してもよいし、対向部３ａと接続部３ｂとが一体で形成された空気極３とすることも出来る。
　図６の構成では、空気極３の表面積を広く確保でき、高い出力を得ることが出来る。
＜第６の実施の形態＞
　図７は、本発明の第６の実施の形態における、金属空気電池の模式図（横断面図）である。
　図７に示す構成では、空気極３と金属極４の双方が、筒状で形成されている。図７に示す構成において、空気極３は、図１等と同様に、ケースの両側に分離された複数枚の構成であってもよい。
　図７に示す構成では、金属極４の筒状内部１５が、空間Ｓとされている。また、図７に示す筒状の金属極４の一部が欠けた形状であってもよい。
　図７に示す構成では、空気極３に対向する金属極４の体表面積を広く確保することが出来る。加えて、空気極３と金属極４との間の間隔Ｇを全周にわたって狭く設定できる。これにより、効果的に高い出力を達成できる。しかも、金属極４の筒状内部１５が空間Ｓとされ、空間Ｓは、金属極４とケース２との間に設けられた隙間（例えば、金属極４の下端とケース２との間の隙間）と連通している。このため、空間Ｓは、筒状内部１５を反応生成物の堆積領域として使用できる。よって、高い出力且つ出力を長期間持続させることが出来る。
＜空気極＞
　続いて、空気極３の構成について説明する。空気極３は、導電材層と集電体との積層構造で形成することができる。なお、導電材層が、ケース２内に収容される電解液と接触する内側層である。
　導電材層は、導電性材料をバインダ樹脂により結着させることにより形成することが出来る。導電材層を構成する導電性材料を限定するものでない。従来から知られている金属空気電池の導電材層を構成する材料を全て使用できる。例えば、好適な導電性材料としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、及びカーボンナノチューブ等の炭素材料を挙げることが出来る。
　空気極３の導電材層に用いられるバインダ樹脂は、特に限定されない。例えば、好適なバインダ樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素樹脂を挙げることが出来る。
　なお、導電材層には、従来から知られている空気金属電池正極用の電極触媒が含有されていてもよい。例えば、電極触媒は、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の金属及びその化合物、並びに、これらの合金等を例示できる。
　空気極３を構成する集電体層は、空気と接する外側層である。集電体層は、導電性の金属材料からなる金網、エキスパンドメタル、織物、パンチングシート、エッチング箔、発泡体等を好適に使用することが出来る。
　導電性の金属材料としては特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅、ニッケル等を挙げることが出来る。
＜金属極＞
　本実施の形態では、金属極４の材質を限定するものでないが、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム等の金属又はそれらの合金が好ましい。
　なお合金としては、従来から知られている金属空気電池の負極を構成する全ての材質を適用できる。
　例えば、マグネシウム空気電池であれば、金属極４には、マグネシウム又はマグネシウム合金が使用される。
　なお、本実施の形態では、金属空気電池１を複数連結してなる金属空気電池ユニットを構成してもよい。
　本発明の金属空気電池によれば、従来に比べて、高い出力を、長時間、持続させることが出来る。したがって、本発明の金属空気電池を、災害時等における非常用電源等として有効に適用することが出来る。
　本出願は、２０１６年１月２６日出願の特願２０１６－０１２６２８に基づく。この内容は全てここに含めておく。
 
 

Claims (9)

  1. 　ケースと、
    　前記ケースの両側に配置された空気極と、
    　前記空気極から内側に離間して配置された複数枚の金属極と、を有し、
    　前記金属極同士は、間に空間を介して対向していることを特徴とする金属空気電池。
  2. 　前記ケースは、複数に分割されており、
    　前記金属極は、夫々、別の前記ケースに配置されるとともに、各金属極の少なくとも一方は、前記ケースの対向部よりも内側に配置されており、
    　複数の前記ケースが、前記対向部を対向させて組み合わされて、前記金属極の間に前記空間が形成されることを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池。
  3. 　外側枠体及び前記対向部としての内側枠体を有する第１のケース及び第２のケースと、
    　前記第１のケースの前記外側枠体に配置される第１の空気極と、
    　前記第１のケースの前記内側枠体側に配置される第１の金属極と、
    　前記第２のケースの前記外側枠体に配置される第２の空気極と、
    　前記第２のケースの前記内側枠体側に配置される第２の金属極と、を備えており、
    　前記第１の金属極と前記第２の金属極のうち、少なくとも一方が、前記内側枠体よりも内側に配置されており、
    　前記第１のケースと前記第２のケースとが、前記内側枠体を内側に向けて組み合わされて、前記第１の金属極と前記第２の金属極との間に前記空間が形成されることを特徴とする請求項２に記載の金属空気電池。
  4. 　前記空気極は、筒状で形成されており、あるいは前記筒状の一部が欠けた形状であ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. 　ケースと、
    　前記ケース内に配置された、筒状、あるいは前記筒状の一部が欠けた形状の空気極と、
    　前記空気極から内側に離間して配置された、筒状あるいは前記筒状の一部が欠けた形状の金属極と、を有し、
    　前記金属極の筒状内部は、空間とされていることを特徴とする金属空気電池。
  6. 　前記金属極は、前記ケースから着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の金属空気電池。
  7. 　前記金属極には、前記金属極の内側から外側にかけて貫通するスリット、あるいは穴が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の金属空気電池。
  8. 　前記金属極は、一端部が前記ケース側に固定された固定端であり、他端部が自由端とされていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の金属空気電池。
  9. 　前記金属極を構成する金属は、マグネシウム又はマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の金属空気電池。
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