JP6938403B2

JP6938403B2 - 金属空気電池、及びその使用方法

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Publication number: JP6938403B2
Application number: JP2018030514A
Authority: JP
Inventors: 高橋　昌樹; 昌樹高橋; 由佳雨森; 阪間　寛; 寛阪間
Original assignee: Fujikura Composites Inc
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2038-02-23
Also published as: JP2019145438A

Description

本発明は、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及び特許文献２）。

特許文献１によれば、金属極と空気極とを筐体内に組み込んだセルに電解液を注入し、発電させている。

特許文献２によれば、金属極と空気極とを筐体内に組み込んだセルとは別に、電解液を入れた容器を用意し、セルを容器内に入れることで、電解液をセル内に流入させ発電させている。

特開２０１６−１３１０６３号公報特開２０１６−７１９８６号公報

ところで、従来においては、販売時に、金属空気電池を梱包する等していたが、梱包材を用いると、使用時の開梱に手間が生じる問題があった。また、酸化等による劣化を抑制すべく優れた長期保管性を有することが必要とされる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で、長期保管性に優れる金属空気電池、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、金属空気電池本体と、前記金属空気電池本体を収納する収納体と、を有して構成され、前記収納体は、前記金属空気電池本体を収納可能なケースと、前記ケースの開口を塞ぐ前記ケースとは別体の蓋体と、を有して構成され、前記ケース及び前記蓋体は、バリア性素材を有して構成されることを特徴とする。
また、本発明の金属空気電池は、金属空気電池本体と、前記金属空気電池本体を収納する収納体と、を有して構成され、前記収納体は、前記金属空気電池本体を収納する袋体であり、前記袋体は、バリア性素材を有して構成されており、前記袋体に収納された前記金属空気電池本体は、ケースに収納されており、前記金属空気電池本体を取り除いた前記ケース内に電解液が収容可能とされており、前記金属空気電池本体が前記電解液を収容した前記ケース内に挿入されて、発電が開始されることを特徴とする。

本発明では、前記収納体は、全体、外面、或いは内面の少なくともいずれか一つが、前記バリア性素材で形成されることが好ましい。

本発明では、前記金属空気電池本体の上面には、前記ケースへの着脱用の掴み部が設けられていることが好ましい。

本発明では、前記ケースと、前記ケースの開口を塞ぐ蓋体とが、接着、融着又は圧着されていることが好ましい。

本発明は、上記に記載の金属空気電池の使用方法であって、前記金属空気電池本体を前記ケースから引き出す工程、前記ケース内に、電解液を供給する工程、前記ケース内に、前記金属空気電池本体を挿入する工程、を有することを特徴とする。

本発明の金属空気電池によれば、簡単な構造で、長期保管性に優れる。したがって、使用時には、金属空気電池を簡単に取り出すことができ、また、保管時には、酸化等による劣化を長期間防止することができる。また、金属空気電池本体を収納する収納体にバリア性を持たせたことで、金属空気電池を新たに外層フィルムで包む等の必要性が無くなる。このため、金属空気電池を構成するケース等の設計の自由度が増し、意匠性を向上させることができる。

また、本発明の金属空気電池の使用方法によれば、金属空気電池本体を取り外したケース内に電解液を供給し、そのケース内に金属空気電池本体を挿入することで、簡単に且つ素早く発電させることができる。したがって、非常用電池としての利便性を従来よりも向上させることができる。

第１実施形態の金属空気電池の斜視図である。ケース内に収納された金属空気電池本体の一部が見えるように、図１に示すケース及び蓋体を一部切り取った金属空気電池の斜視図である。本実施形態の金属空気電池本体の斜視図である。第１実施形態の金属空気電池の断面図である。第１実施形態の金属空気電池本体をケースから取り出し、ケース内に電解液を供給した状態を示す断面図である。本実施形態の金属空気電池本体を、電解液を有するケース内に挿入した状態を示す断面図である。第２実施形態の金属空気電池の断面図である。

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。

＜金属空気電池＞
図１及び図２に示すように、金属空気電池１は、金属空気電池本体２と、ケース３と、蓋体４と、を有して構成される。

図２、図３に示すように、金属空気電池本体２は、例えば、複数の金属空気電池セル２２を備えて構成される。金属空気電池セル２２の内部構造は後述する。図３では、金属空気電池セル２２の数は、３つであるが、金属空気電池セル２２の数を限定するものでなく、１つであっても、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

図２、図３に示すように、各金属空気電池セル２２の上面には、天井部８が取り付けられている。図２、図３に示すように、天井部８には、多数の空気穴８ａが設けられており、各金属空気電池セル２２の空気室に空気を供給できるようにされている。

また、天井部８に、電池出力を外部へ供給する外部接続用端子を設置することもできる。外部接続用端子は、コネクタや、ＵＳＢ端子等であり、特に限定するものではない。外部接続端子は、天井部８の上面に設けられることが好ましい。図２に示す実施形態では、金属空気電池本体２の全体が、ケース３内に収納されるため、天井部８の上面に外部接続端子を設けることで、簡単に携帯機器等を外部接続端子の接続することが可能になる。

図３に示すように、天井部８の上面には、掴み部９が設けられている。この掴み部９に指を入れて、金属空気電池本体２をケース３から取り外したり、或いは、金属空気電池本体２をケース３内に挿入することが簡単に行える。掴み部９は、図３に示すような天井部８に指穴が設けられた形態のみならず、例えば、取っ手を天井部８の上面に設けた構成としてもよい。また、掴み部９を、天井部８の中央付近に設けることが好ましい。

図４に示すように、各金属空気電池セル２２には、空気室１０と液室１１とが設けられる。空気室１０は、例えば、上部を除いて周囲が囲まれている。空気室１０の上面側には、図３に図示した天井部８が配置されており、天井部８の空気穴８ａから空気室１０に空気が入るようになっている。なお、図４には、天井部８の図示を省略した。一方、液室１１は、給水口１３を除いて周囲が囲まれている。給水口１３は、図４に示すように、液室１１の下部に設けられている。図４に示すように、空気室１０と液室１１とは隔離されており、液室１１に注入された電解液が、空気室１０に漏れ出ることがない。

図４に示すように、各金属空気電池セル２２は、電極として、空気極６と、金属極７とを、有して構成される。空気極６及び金属極７は、夫々、金属空気電池セル２２を構成する筐体に支持されている。図４に示すように、空気極６と金属極７とは、液室１１にて対向配置されている。空気極６の一方の面は、液室１１に露出し、空気極６の他方の面は、空気室１０に露出している。

図４に示すように、金属極７は、空気極６から液室１１内に所定距離だけ離れた位置に配置されている。金属極７は、その上部が固定されるが、下部は、自由端（非固定）とされている。

図１、図２、図４に示すケース３は、金属空気電池本体２を収容可能な大きさの上面が開口した容器である。ケース３は、金属空気電池本体２の縦幅及び横幅よりもやや大きい。すなわち、ケース３と、金属空気電池本体２との間には、多少の隙間が空いている。また、図２に示すように、ケース３内に収納された金属空気電池本体２の上面と蓋体４との間には空間１５が設けられている。図２に示すように、この空間１５に、金属空気電池１の付属品１６を置くことができる。例えば、付属品１６は、袋に入った食塩や説明書等であり、付属品１６を、図２に示す小型ケース内に収納することができる。使用者は、食塩を水に溶かすことで、電解液を作ることができる。

図４に示すように、ケース３は、ケース本体３ａと、ケース本体３ａの内面に設けられたバリア層３ｂとを有して構成される。ケース本体３ａの材質を問うものではないが、例えば、樹脂材や紙材で形成されることがコスト面で好ましい。また、バリア層３ｂは、ガスバリア性に優れることが好ましい。ガスバリア性は、例えば、酸素透過度で評価される。酸素透過度は、７０ｃｃ・２０μｍ／ｍ^２・ｄａｙ・ａｔｍ以下であることが好ましい。なお、酸素透過度の測定は、ＪＩＳＫ７１２６−１、又は、ＪＩＳＫ７１２６−２による。バリア層３ｂの材質を限定するものではないが、例えば、バリア層３ｂは、Ａｌの蒸着層や、ＥＶＯＨ等のバリア性樹脂である。このように、ケース本体３ａにバリア性素材のバリア層３ｂを形成することで、高バリア性のケース３を形成することができる。ＥＶＯＨ等のバリア性樹脂は、透明性を付与させる場合に使用することができる。

図４では、ケース本体３ａの内面にバリア層３ｂを形成したが、ケース本体３ａ全体、ケース本体３ｂの外面、或いは内面の少なくともいずれか１つが、バリア性素材で形成されていればよい。また、バリア性素材を、ケース本体３ａの外面及び内面の双方に設けることもできる。

ケース３の内壁面には、目印１７が設けられている。目印１７は、ケース３内に電解液を供給したときの給水量の目安を示す表示体（例えば、水位線）である。すなわち、電解液をあまり入れすぎると、天井部８を通して電解液が空気室１０内に入ってしまう可能性があるため、給水量の目安としての目印１７を付けておくことが好ましい。

金属空気電池本体２をケース３内から取り出し、ケース３内に電解液を入れ、該ケース３内に、金属空気電池本体２を挿入することで、発電を開始することができる。

また、蓋体４は、シート材４ａであり、シート材４ａの内面にバリア層４ｂを有することが好ましい。蓋体４もケース３と同様に、ガスバリア性及び水蒸気バリア性に優れ、７０ｃｃ・２０μｍ／ｍ^２・ｄａｙ・ａｔｍ以下の酸素透過度を有することが好ましい。バリア層４ｂは、ケース３のバリア層３ｂと同様に、Ａｌの蒸着層や、ＥＶＯＨ等のバリア性樹脂であることが好ましい。蓋体４を構成するシート材４ａ自体、シート材４ａの外面、或いは内面の少なくともいずれか１つが、バリア性素材で形成されていればよい。また、バリア性素材を、シート材４ａの外面及び内面の双方に設けることもできる。

蓋体４は、ケース３の鍔部３ｃにシールされている。ケース３と蓋体４とは、接着、融着又は圧着されていることが好ましい。使用者の力で、蓋体４をケース３から剥離することができる。図１、図２に示すように、ケース３と蓋体４に囲まれた内部空間は密閉空間とされる。その密閉空間内に、金属空気電池本体２が収納されている。例えば、金属空気電池本体２をケース３内に収納し、付属品１６を金属空気電池本体２の上面に載置し、真空引きしながら蓋体４をシールする。これにより、金属空気電池本体２の全面が、バリア層３ｂ、４ｂで囲まれた状態になり、金属空気電池本体２を、酸化や水蒸気等から適切に保護することができる。以上により、簡単な構造で、長期保管が可能である。また、樹脂材や紙材にＡｌを蒸着したり、ＥＶＯＨ等のバリア性樹脂を備えたケース３や蓋体４を用いることで素材単価を低減できコスト面でも優れる。また、樹脂ケースや樹脂フィルム自体、或いは、樹脂ケースや樹脂フィルムにバリア層として、ＥＶＯＨ等のバリア性樹脂を用いることで、高バリア性の透明樹脂とすることができる。また、使用する際には、蓋体４を剥がし、金属空気電池本体２をケース３から取り出せばよいので、従来のように、開梱に手間がかかる等の不具合は生じない。

また、本実施形態では、ケース３及び蓋体４をバリア性素材としたことで、例えば、金属空気電池１を外層フィルムで包む等の制限を受けず、金属空気電池１を構成するケース３及び蓋体４の設計の自由度を向上させることができる。このため、例えばケース３の意匠性を高めることができる。

＜金属空気電池の使用方法＞
次に、本実施形態の金属空気電気電池の使用方法について説明する。

本実施形態では、蓋体４をケース３から剥がし、金属空気電池本体２をケース３から取り出す。蓋体４とケース３は、接着、融着又は圧着されているので、使用者の力で簡単に、蓋体４をケース３から剥離することができ、ケース３からスムースに金属空気本体２を取り出すことができる。このとき、図３に示す摘み部９に指を入れて、金属空気電池本体２をケース３内から上方に持ち上げることができる。金属空気電池本体２をケース３から取り出した後、図５に示すように、ケース３内に電解液５を供給する。電解液５は、付属品１６としての食塩をケース３内に入れ、水に溶かして電解液としての食塩水を生成する。このとき、水の供給量がわかるように、ケース３の内壁面には目印１７としての水位線が設けられていることが好ましい。これにより、使用者は、水位線まで水を入れることができる。そして、食塩を水に混ぜることで、食塩水を生成することができる。

次に、ケース３の開口した上部３ｃから、一度取り出した金属空気電池本体２を、再び、ケース３内に挿入する。

図６に示すように、電解液５は、各金属空気電池セル２２の給水口１３から各液室１１内に導かれる。電解液５は、給水口１３を介して各液室１１内に同時に注入される。このとき、図６に示すように、電解液５は、空気室１０に流れ込むことがない。また、電解液５は、図５に示すように、一定の水位まで給水されているため、各液室１１内の電解液５も一定の水位まで満たされる。

図６に示すように、電解液５が液室１１に供給されると、例えば、金属極７がマグネシウムであるとき、金属極７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６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、発電が開始される。
（１）２Ｍｇ →２Ｍｇ^２＋＋４ｅ⁻
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ →４ＯＨ⁻
（３）２Ｍｇ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ →２Ｍｇ（ＯＨ）_２

また、図示しないが、金属極７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１１から外部へ排出する穴が、設けられていることが好ましい。

また、図６に示すように、金属極７は、各金属空気電池セル２２の底部に設けられた給水口１３と対向して配置されることが好ましい。金属極７と空気極６の酸化還元反応の際に生じる生成物を、給水口１３を介してケース３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２２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。

また、各金属空気電池セル２２の底部以外に給水口１３を設ける場合でも、例えば、給水口１３を、金属空気電池セル２２の側部の下側に配置し、金属極７を、給水口１３と対向配置させてもよい。「側部の下側」とは、側部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。

また、本実施形態では、金属極７の下部を自由端としている。これにより、金属極７を適切に給水口１３に対向して配置することができる。また、金属極７の下部を自由端とすることで、金属極７の下部を揺動させることができる。このため、空気極６と金属極７との間に生成物が堆積したときに、金属極７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７及び空気極６の破損を抑制することが出来る。

図６に示すように、電解液５が入ったケース３内に金属空気電池本体２を挿入することで、例えば上記した反応が起こり、発電が開始される。発電を停止したい場合は、金属空気電池本体２をケース３から取り出せばよい。

このように、本実施形態の金属空気電池１の使用方法によれば、金属空気電池本体２を取り外したケース３内に電解液５を供給し、そのケース３内に金属空気電池本体２を挿入することで、簡単に且つ素早く発電させることができる。したがって、非常用電池としての利便性を従来よりも向上させることができる。

また、廃棄する際には、図６の状態から、ケース３から金属空気電池本体２を取り出すと共に、ケース３内の電解液５を除去したうえで、金属空気電池本体２をケース３に入れて処分する。或いは、ケース３と金属空気電池本体２とを分別して処分する。上記のようにケース３内の電解液５を除去しているから、そのケース３内に、金属空気電池本体２を入れても発電せず、水素発生や電解液の漏れ出し等なく廃棄処分が可能である。

金属空気電池の別の実施形態について、図７を用いて説明する。図７では、金属空気電池本体２が、袋体３１に収納されている。袋体３１は、全体がバリア性素材で形成され、或いは、袋体３１の外面、袋体３１の内面、又は、外面及び内面の双方にバリア層が形成された形態である。袋体３１の開口は、接着、融着又は圧着されて閉じられている。使用者が、容易に袋体３１の閉じた箇所を容易に剥がして、袋体３１から金属空気電池本体２を取り出すことができる。

本実施形態では、袋体３１に収納された金属空気電池本体２をケース３０に収め、ケース３０の鍔部３０ａに、蓋体３２をシールしている。ケース３０と蓋体３２は、接着、融着又は圧着されており、使用者が簡単に、蓋体３２をケース３０から剥がすことができる。

この実施形態では、ケース３０及び蓋体３２は、バリア性素材で形成されていなくてもよい。ただし、ケース３０及び蓋体３２もバリア性素材で形成されていれば、より効果的に、バリア性を高めることができ、長期保管性に優れる。

また、図７に示す実施形態では、袋体３１と、ケース３０の底面との間、或いは、袋体３１と蓋体３２との間に、空間を設けて、食塩やＵＳＢインターフェイス基板等を収容することも可能である。

使用方法は、上記に記載した使用方法に準ずる。まず、蓋体３２をケース３０から剥がし、袋体３１に入った金属空気電池本体２を取り出す。次に、金属空気電池本体２を、袋体３１から取り出す。ケース３０には食塩を入れて水に溶かし、食塩水を生成する。そして、金属空気電池本体２を、食塩水の入ったケース３０内に挿入する。これにより、発電が開始される。

上記では、金属空気電池本体２を収納する収納体として、ケースや袋体を例示したが、収納体の形態は、これらに限定されるものではない。ただし、金属空気電池本体２を収納可能で且つ食塩水を生成可能なケースを備えることが好ましい。

本実施の形態における金属空気電池１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。

また、各金属空気電池セル２２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、金属空気電池本体２及びケース３は、直方体や立方体等の多面体であってもよいし、円柱状等であってもよい。

本発明の金属空気電池によれば、ケースから金属空気電池本体を簡単に取り出すことができ、誰でも簡単に且つ素早く発電させることができる。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。

１：金属空気電池
２：金属空気電池本体
３、３０：ケース
３ａ：ケース本体
３ｂ：バリア層
４、３２：蓋体
４ａ：シート材
４ｂ：バリア層
５：電解液
６：空気極
７：金属極
８：天井部
８ａ：空気穴
９：摘み部
１０：空気室
１１：液室
１３：給水口
１５：空間
１６：付属品
１７：目印
２２：金属空気電池セル
３１：袋体

Claims

金属空気電池本体と、前記金属空気電池本体を収納する収納体と、を有して構成され、
前記収納体は、前記金属空気電池本体を収納可能なケースと、前記ケースの開口を塞ぐ前記ケースとは別体の蓋体と、を有して構成され、前記ケース及び前記蓋体は、バリア性素材を有して構成されることを特徴とする金属空気電池。
金属空気電池本体と、前記金属空気電池本体を収納する収納体と、を有して構成され、
前記収納体は、前記金属空気電池本体を収納する袋体であり、前記袋体は、バリア性素材を有して構成されており、前記袋体に収納された前記金属空気電池本体は、ケースに収納されており、
前記金属空気電池本体を取り除いた前記ケース内に電解液が収容可能とされており、前記金属空気電池本体が前記電解液を収容した前記ケース内に挿入されて、発電が開始されることを特徴とする金属空気電池。
前記収納体は、全体、外面、或いは内面の少なくともいずれか一つが、前記バリア性素材で形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属空気電池。
前記金属空気電池本体の上面には、前記ケースへの着脱用の掴み部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金属空気電池。
前記ケースと、前記ケースの開口を塞ぐ蓋体とが、接着、融着又は圧着されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金属空気電池。
請求項１から５のいずれかに記載の金属空気電池の使用方法であって、
前記金属空気電池本体を前記ケースから引き出す工程、
前記ケース内に、電解液を供給する工程、
前記ケース内に、前記金属空気電池本体を挿入する工程、
を有することを特徴とする金属空気電池の使用方法。