特許 6771965 金属空気電池および金属空気組電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6771965

(24)【登録日】2020年10月2日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】金属空気電池および金属空気組電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 12/08 20060101AFI20201012BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20201012BHJP

【ＦＩ】

   H01M12/08 K

   H01M10/44 P

【請求項の数】10

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-130417(P2016-130417)

(22)【出願日】2016年6月30日

(65)【公開番号】特開2018-6121(P2018-6121A)

(43)【公開日】2018年1月11日

【審査請求日】2019年6月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005049

【氏名又は名称】シャープ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000947

【氏名又は名称】特許業務法人あーく特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西山 博

(72)【発明者】

【氏名】香川 敏章

(72)【発明者】

【氏名】水畑 宏隆

【審査官】 結城 佐織

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００５−５１５６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１０００６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２１９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１１６４１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １２／０８

Ｈ０１Ｍ １０／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

放電用の正極および充電用の正極と、
負極と、
前記放電用の正極および前記充電用の正極が並列に接続された正極出力部と、
前記負極に接続された負極出力部とを備えた金属空気電池であって、
前記放電用の正極および前記充電用の正極は、前記正極出力部との間に分岐点が設けられ、
前記放電用の正極と前記分岐点との間のみには、接続の開閉を行う１つのスイッチ部が設けられ、
前記スイッチ部は、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴで構成され、充電状態においてオフとされ、放電状態においてオンとされ、
前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードは、アノードが前記放電用の正極の側に位置し、カソードが前記分岐点の側に位置すること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項2】

請求項１に記載の金属空気電池であって、
前記充電用の正極は、充電状態において、酸素を生成し、
前記放電用の正極は、放電状態において、酸素を消費する構成とされていること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の金属空気電池であって、
前記充電用の正極は、立体的に連通する細孔を有する多孔性形状とされていること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
前記ＭＯＳＦＥＴは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴであること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項5】

請求項４に記載の金属空気電池であって、
前記ＰチャネルＭＯＳＦＥＴは、ドレインが前記放電用の正極に接続され、ソースが前記正極出力部に接続されていること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項6】

請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
前記スイッチ部は、２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴを有し、
前記２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴは、互いのドレインが向かい合わせに接続されており、一方のソースが前記正極出力部に接続され、他方のソースが前記放電用の正極に接続されていること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項7】

請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
前記ＭＯＳＦＥＴは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項8】

請求項７に記載の金属空気電池であって、
前記ＮチャネルＭＯＳＦＥＴは、ソースが前記放電用の正極に接続され、ドレインが前記正極出力部に接続されていること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項9】

請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の金属空気電池であって、
前記スイッチ部は、２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴを有し、
前記２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴは、互いのソースが向かい合わせに接続されており、一方のドレインが前記正極出力部に接続され、他方のドレインが前記放電用の正極に接続されていること
を特徴とする金属空気電池。

【請求項10】

請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の金属空気電池を複数備えた金属空気組電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、正極および負極を収容する筐体を備えた金属空気電池、および複数の金属空気電池を接続した金属空気組電池に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電極用金属の化学反応を用いた様々な電池が実用化されており、その１つとして金属空気電池が挙げられる。金属空気電池は、空気極（正極）、燃料極（負極）、および電解質（または電解液）等で構成されており、電気化学的な反応により、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、およびリチウム等の金属が金属酸化物に変化する過程で得られる電気エネルギーを取り出して利用する。

【0003】

また、金属空気電池においては、空気極および燃料極に加えて、補助極を設けることで、３極方式の充電式空気電池とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１３−５０５５４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の充電式電気化学セルシステムは、燃料極と、酸化剤極と、充電極とを備えた複数の電気化学セルで構成され、後段のセルの燃料極に対して、酸化剤極または充電極のいずれを接続するかを切り替えるスイッチを備えている。この構成では、酸化剤極と充電極との２箇所に接点を有しているが、接点で故障が発生することが懸念される。また、２つの接点を適宜切り替えるといった高度な制御が求められ、制御システムが複雑化するという課題があった。

【0006】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡素な構成で充放電を切り替えることができる金属空気電池および金属空気組電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る金属空気電池は、放電用の正極および充電用の正極と、負極と、前記放電用の正極および前記充電用の正極が並列に接続された正極出力部と、前記負極に接続された負極出力部とを備えた金属空気電池であって、前記放電用の正極および前記充電用の正極は、前記正極出力部との間に分岐点が設けられ、前記放電用の正極と前記分岐点との間のみには、接続の開閉を行う１つのスイッチ部が設けられ、前記スイッチ部は、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴで構成され、充電状態においてオフとされ、放電状態においてオンとされ、前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードは、アノードが前記放電用の正極の側に位置し、カソードが前記分岐点の側に位置することを特徴とする。

【0008】

本発明に係る金属空気電池では、前記充電用の正極は、充電状態において、酸素を生成し、前記放電用の正極は、放電状態において、酸素を消費する構成としてもよい。

【0009】

本発明に係る金属空気電池では、前記充電用の正極は、立体的に連通する細孔を有する多孔性形状とされている構成としてもよい。

【0011】

本発明に係る金属空気電池では、前記ＭＯＳＦＥＴは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴである構成としてもよい。

【0012】

本発明に係る金属空気電池では、前記ＰチャネルＭＯＳＦＥＴは、ドレインが前記放電用の正極に接続され、ソースが前記正極出力部に接続されている構成としてもよい。

【0013】

本発明に係る金属空気電池では、前記スイッチ部は、２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴを有し、前記２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴは、互いのドレインが向かい合わせに接続されており、一方のソースが前記正極出力部に接続され、他方のソースが前記放電用の正極に接続されている構成としてもよい。

【0014】

本発明に係る金属空気電池では、前記ＭＯＳＦＥＴは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである構成としてもよい。

【0015】

本発明に係る金属空気電池では、前記ＮチャネルＭＯＳＦＥＴは、ソースが前記放電用の正極に接続され、ドレインが前記正極出力部に接続されている構成としてもよい。

【0016】

本発明に係る金属空気電池では、前記スイッチ部は、２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴを有し、前記２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴは、互いのソースが向かい合わせに接続されており、一方のドレインが前記正極出力部に接続され、他方のドレインが前記放電用の正極に接続されている構成としてもよい。

【0018】

本発明に係る金属空気組電池は、本発明に係る金属空気電池を複数備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によると、正極側に設けた１つのスイッチ部で、充放電を切り替えることができ、簡素な構成とすることで、機械的な故障を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１実施形態に係る金属空気電池の概略構成図である。

【図2】スイッチ部を介して接続された金属空気電池を示す模式図である。

【図3A】放電状態での金属空気電池を示す模式図である。

【図3B】充電状態での金属空気電池を示す模式図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る金属空気電池の模式図である。

【図5】第２実施形態の変形例１を示す模式図である。

【図6】本発明の第３実施形態に係る金属空気電池の模式図である。

【図7】第３実施形態の変形例２を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。

【0022】

図１は、本発明の第１実施形態に係る金属空気電池の概略構成図である。

【0023】

金属空気電池１は、放電正極３（空気極）と、充電正極４（補助極）と、負極５（燃料極）とが筐体２に収納された構造とされている。筐体２の対向する２つの側面には、外部から空気を取り入れる空気取込口２ａが内部を開口するように形成されている。放電正極３は、空気取込口２ａが形成された２つの側面のそれぞれに沿って、２つ設けられている。負極５は、２つの放電正極３の間の略中央に設けられ、充電正極４は、２つの放電正極３と負極５との間の２箇所にそれぞれ設けられている。つまり、本実施の形態では、中央に設けられた負極５の両面側に、それぞれ放電正極３および充電正極４を設けた構成とされている。なお、各電極の配置は、これに限定されず、負極５の片側の表面に放電正極３および充電正極４を設けた構成とし、放電正極３、充電正極４、および負極５の順に配置すればよく、また、放電正極３、負極５、および充電正極４の順に配置した構成としてもよい。

【0024】

筐体２には、放電正極３、充電正極４、および負極５の各電極に加えて、さらに、電解液１０と、セパレータ９とが収納されている。電解液１０は、溶媒に電解質が溶解しイオン電導性を有する液体である。電解液１０の種類は、負極５に含まれる電極活物質の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解質水溶液であってもよい。電解液１０は、例えば、負極５の電極活物質が亜鉛、アルミニウム、および鉄である場合、水酸化ナトリウム水溶液および水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることができ、電極活物質がマグネシウムである場合、塩化ナトリウム水溶液を用いることができる。電解液１０には、電解質以外の有機添加物や無機添加物が添加されてもよく、高分子添加物によりゲル化されていてもよい。

【0025】

セパレータ９は、各電極の間に配置されており、電極間で電子伝導経路が形成されて短絡することを防ぐものであって、絶縁性の材料で形成されている。セパレータ９は、例えば、充電時に負極５で還元析出した金属デンドライトが、放電正極３や充電正極４に到達し、短絡することを抑制する。セパレータ９としては、例えば、多孔性樹脂シート、イオン交換膜などの固体電解質シートを利用することができ、セパレータ９を介してイオン伝導が起こる。

【0026】

放電正極３は、空気極触媒を有する多孔性の電極とされている。なお、放電正極３は、多孔性のガス拡散層と、ガス拡散層上に設けられた多孔性の空気極触媒層とを有する構成としてもよい。放電正極３では、電解液１０としてアルカリ性水溶液を使用する場合、空気極触媒上で電解液１０などから供給される水と、大気から供給される酸素ガスと、電子とが反応して水酸化物イオンを生成する放電反応が起こる。つまり、空気極では、酸素（気相）、水（液相）、および電子伝導体（固相）が共存する三相界面において放電反応が進行する。なお、各電極での反応については、後述する図３Ａおよび図３Ｂを参照して詳細に説明する。

【0027】

放電正極３は、多孔性で電子伝導性を有する材料で形成された放電正極集電体６を備えている。放電正極集電体６は、電解液１０としてアルカリ性水溶液を使用する場合、耐腐食性、放電反応に対する触媒能の観点から、ニッケル、あるいはステンレスなどの金属素材の表面に対してニッケルメッキを施した材料などが適している。

【0028】

充電正極４は、多孔性の電極とされ、電解液１０としてアルカリ性水溶液を使用する場合、水酸化物イオンから酸素、水、および電子が生成する反応が起こる（充電反応）。充電正極４は、放電状態における耐溶解性の観点から、立体的（３次元）に連通する細孔を有する多孔性形状とされていることが望ましく、例えば、発泡金属で形成されている。また、充電正極４は、充電反応に対する触媒能や、充電反応と放電反応とに対する耐腐食性などの観点から、ニッケル材料とすることが望ましい。なお、充電正極４は、放電正極３の放電正極集電体６と同様の充電正極集電体７を備えている。

【0029】

負極５は、金属元素を含む活物質で形成された電極であって、放電時には活物質の酸化反応が起こり、充電時には還元反応が起こる。金属元素としては、亜鉛、リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、および鉄などが用いられる。また、活物質は、還元状態や酸化状態の金属であってもよく、例えば、金属元素が亜鉛である場合、還元状態では金属亜鉛であり、酸化状態では酸化亜鉛である。また、負極５は、負極集電体８を備えており、ニッケルまたはステンレスなどの金属素材の表面に対して、水素過電圧の高い材料によるメッキを施した材料を使用することが望ましい。

【0030】

図２は、スイッチ部を介して接続された金属空気電池を示す模式図である。

【0031】

金属空気電池１は、放電正極３および充電正極４に接続された正極出力部１１と、負極５に接続された負極出力部１２とを備えており、正極出力部１１および負極出力部１２を介して、外部や他の金属空気電池１と接続される。金属空気電池１に放電正極３および充電正極４が２つ設けられている場合には、例えば、電力線等で２つの放電正極３同士を繋いで正極出力部１１に接続すればよく、充電正極４も同様にすればよい。

【0032】

図２に示すように、放電正極３と正極出力部１１との間には、接続の開閉を行うスイッチ部１３が設けられている。スイッチ部１３は、メカニカルリレーで構成されており、入力側のコイルに通電することによって発生する磁力を利用して、出力側の接点を物理的な金属部品の接触および非接触で、負荷側の回路の開閉を制御する。このように、物理的な部品を用いることで、回路を確実に遮断することができる。

【0033】

次に、スイッチ部１３を開閉した際の金属空気電池１の動作と電流の流れとについて説明する。

【0034】

図３Ａは、放電状態での金属空気電池を示す模式図である。

【0035】

放電状態では、スイッチ部１３がオン（短絡）とされている。放電状態においては、矢符Ａで示すように、負極出力部１２から正極出力部１１に向かって電流が流れている。

【0036】

本実施の形態では、負極５の活物質として亜鉛を用いており、この場合での負極５での反応を以下に説明する。負極５では、「Ｚｎ＋４ＯＨ^-→Ｚｎ（ＯＨ）₄^2-＋２ｅ^-」のように酸化した亜鉛が電解液１０中にジンケートイオンとして溶解する場合と、「Ｚｎ＋２ＯＨ^-→ＺｎＯ＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-」や「Ｚｎ＋２ＯＨ^-→Ｚｎ（ＯＨ）₂＋２ｅ^-」のように酸化亜鉛や水酸化亜鉛が生成される場合とがある。また、ジンケートイオンは、「Ｚｎ（ＯＨ）₄^2-→ＺｎＯ＋２ＯＨ^-＋Ｈ₂Ｏ」や「Ｚｎ（ＯＨ）₄^2-→Ｚｎ（ＯＨ）₂＋２ＯＨ^-」のような反応によって、酸化亜鉛や水酸化亜鉛として電解液１０中に析出することがある。

【0037】

放電正極３では、「Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^-」のように酸素を消費する反応が起こる。また、放電状態においても、充電正極４と正極出力部１１とが直に接続されている。

【0038】

充電正極４にニッケルを用いる場合には、充電時に二酸化ニッケル（ＮｉＯ₂）となった充電正極４が、放電状態において放電正極３と同電位になることで還元が進み、酸化数が減少してＮｉ₃Ｏ₄となったり、ＨＮｉＯ₂^-として溶解したりして、充電正極４が劣化する虞がある。しかしながら、充電正極４が立体的に連通する細孔を有する多孔性材料で形成されていれば、充電正極４の比表面積が大きくなり、充電時に生成する二酸化ニッケルの量を多くしておくことで、還元反応が進んでも、Ｎｉ₃Ｏ₄への酸化数の減少に留まり、ＨＮｉＯ₂^-として溶解する劣化反応を抑制することができる。

【0039】

図３Ｂは、充電状態での金属空気電池を示す模式図である。

【0040】

充電状態では、スイッチ部１３がオフ（開放）とされている。充電状態においては、矢符Ｂで示すように、正極出力部１１から負極出力部１２に向かって電流が流れている。

【0041】

負極５では、「Ｚｎ（ＯＨ）₄^2-＋２ｅ^-→Ｚｎ＋４ＯＨ^-」、「ＺｎＯ＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｚｎ＋２ＯＨ^-」、および「Ｚｎ（ＯＨ）₂＋２ｅ^-→Ｚｎ＋２ＯＨ^-」のように、放電状態と逆の反応が起こる。つまり、電解液１０中に溶解しているジンケートイオンの還元によって、亜鉛が生成する場合と、酸化亜鉛や水酸化亜鉛が亜鉛へと還元する場合とがある。

【0042】

充電正極４では、「２ＯＨ^-→１／２Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-」のように酸素を生成する反応が起こる。

【0043】

放電正極３では、スイッチ部１３がオフとされているので、正極出力部１１から放電正極３への電流流通が起こらず、反応しない。仮に、放電正極３の電極材料として二酸化マンガンやカーボンを用い、充電状態にスイッチ部１３がオンとされている場合には、「ＭｎＯ₂＋４ＯＨ^-→ＭｎＯ₄^2-＋２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-」や「Ｃ＋４ＯＨ^-→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-」といった反応が生じ、電極材料の酸化劣化が生じる。

【0044】

上述したように、本実施の形態では、正極側に設けた１つのスイッチ部１３で、充放電を切り替えることができ、接点が１つとされた簡素な構成とすることで、機械的な故障を抑制することができる。

【0045】

また、立体的に連通する多孔性形状の充電正極４を用いることで、放電状態での充電正極４の溶解反応による劣化を抑制することができる。

【0046】

ところで、充電時に充電正極４の近傍に溜まった酸素は、放電時に負極５と放電正極３との間でのイオン伝導パスの障害となり、放電性能を低下させるといった問題がある。これに対し、本実施の形態では、スイッチ部１３を正極出力部１１と放電正極３との間にのみ配置しているので、放電状態において、充電正極４と放電正極３とが同電位となる。その結果、充電正極４の近傍に蓄積している酸素は、放電状態において、充電正極４上で「Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^-」のように消費されるため、蓄積した酸素によって放電性能が低下する問題を解消することができる。

【0047】

図２では、１つの金属空気電池１を示したが、複数の金属空気電池１を接続して金属空気組電池を構成してもよい。例えば、金属空気電池１を直列に接続する際には、隣接する金属空気電池１に対して、正極出力部１１および負極出力部１２を順につなぐことで、金属空気組電池が構成される。

【0048】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る金属空気電池について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す第２実施形態および第３実施形態では、第１実施形態に対して、スイッチ部１３が異なる構成とされており、筐体２等の構造は、図１と同様とされているので、図面を省略する。

【0049】

図４は、本発明の第２実施形態に係る金属空気電池の模式図である。なお、第１実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0050】

第２実施形態では、スイッチ部１３がＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１（ＭＯＳＦＥＴの一例）で構成されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１は、ドレイン２１Ｄが放電正極３に接続され、ソース２１Ｓが正極出力部１１に接続されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲート２１Ｇには、制御回路１４からの信号が入力されて、スイッチ部１３のオンとオフとを切り替えられる。ＭＯＳＦＥＴは、機械的な接点を持たないため、静音、長寿命、小型で安全に繰り返しオンとオフとを切り替えることができる。

【0051】

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１としては、エンハンスメント型ＰチャネルＭＯＳＦＥＴおよびデプレッション型ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いることができる。なお、安全性の観点から考慮すると、ゲート電圧が印加されない故障が生じたときに、正極出力部１１と放電正極３との間の電流経路が遮断されるように、ノーマリーオフのエンハンスメント型ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いることが望ましい。

【0052】

また、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１は、放電時のオン抵抗によって電力損失が生じるため、オン抵抗が小さいＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１を用いることが望ましく、オン抵抗は、好ましくは１０ｍΩ以下、より好ましくは５ｍΩ以下であることが望ましい。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１の構造は、チャネル密度を上げることができ、オン抵抗を下げることができるトレンチゲート構造とされていることが望ましい。

【0053】

また、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１を用いる場合には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いた場合に必要となるチャージポンプ回路やブートストラップ回路を設けずに、スイッチング信号電圧を発生させることができ、制御回路を簡略化して、消費電力を低減することができる。

【0054】

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１は、寄生ダイオード（ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のボディダイオード２２）を有している。具体的に、ボディダイオード２２は、アノードが放電正極３側に位置し、カソードが正極出力部１１側に位置している。上述した向きに接続することで、ボディダイオード２２の順方向は、放電正極３から正極出力部１１への向きとされる。その結果、充電時において、正極出力部１１から放電正極３へボディダイオード２２を介して電流が流通し、放電正極３が充電されることを回避できるので、触媒の分解に起因する放電正極３の劣化を防止することができる。

【0055】

図５は、第２実施形態の変形例１を示す模式図である。

【0056】

変形例１では、図４に示す構造に対して、２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１でスイッチ部１３を構成している点が異なる。具体的に、２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１は、互いのドレイン２１Ｄが向かい合わせに接続されており、一方のソース２１Ｓが正極出力部１１に接続され、他方のソース２１Ｓが放電正極３に接続されている。２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲート２１Ｇには、制御回路１４が接続されている。したがって、２つのＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１におけるボディダイオード２２の向きが、それぞれ異なる方向となるので、電流が流通する方向がいずれの方向であっても、ボディダイオード２２を介して流れる電流を確実に遮断することができる。

【0057】

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る金属空気電池の模式図である。なお、第１実施形態および第２実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0058】

第３実施形態は、第２実施形態と略同様の構成とされ、スイッチ部１３がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３（ＭＯＳＦＥＴの一例）で構成されている点が異なる。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３は、ソース２３Ｓが放電正極３に接続され、ドレイン２３Ｄが正極出力部１１に接続され、ゲート２３Ｇに信号を入力する制御回路１４が接続されている。

【0059】

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３としては、エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴおよびデプレッション型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いることができる。なお、安全性の観点から考慮すると、ゲート電圧が印加されない故障が生じたときに、正極出力部１１と放電正極３との間の電流経路が遮断されるように、ノーマリーオフのエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いることが望ましい。

【0060】

また、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３は、放電時のオン抵抗によって電力損失が生じるため、オン抵抗が小さいＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いることが望ましく、オン抵抗は、好ましくは１０ｍΩ以下、より好ましくは５ｍΩ以下であることが望ましい。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３の構造は、チャネル密度を上げることができ、オン抵抗を下げることができるトレンチゲート構造とされていることが望ましい。

【0061】

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１と同様に、寄生ダイオード（ボディダイオード２４）を有している。具体的に、ボディダイオード２４は、アノードが放電正極３側に位置し、カソードが正極出力部１１側に位置している。このように、ボディダイオード２４の向きを調整することで、ボディダイオード２４を介して電流が流れることを防止できる。

【0062】

また、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３を用いることで、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いた場合よりも低オン抵抗で高効率のスイッチング制御を実施することができる。

【0063】

図７は、第３実施形態の変形例２を示す模式図である。

【0064】

変形例２では、図６に示す構造に対して、２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３でスイッチ部１３を構成している点が異なる。２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３は、互いのソース２３Ｓが向かい合わせに接続されており、一方のドレイン２３Ｄが正極出力部１１に接続され、他方のドレイン２３Ｄが放電正極３に接続されている。２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３のゲート２３Ｇには、制御回路１４が接続されている。この構成でも、ボディダイオード２４の向きが、それぞれ異なる方向となるので、電流が流通する方向がいずれの方向であっても、ボディダイオード２４を介して流れる電流を確実に遮断することができる。

【0065】

なお、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

【符号の説明】

【0066】

１ 金属空気電池
２ 筐体
２ａ 空気取込口
３ 放電正極
４ 充電正極
５ 負極
６ 放電正極集電体
７ 充電正極集電体
８ 負極集電体
９ セパレータ
１０ 電解液
１１ 正極出力部
１２ 負極出力部
１３ スイッチ部
１４ 制御回路
２１ ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴの一例）
２１Ｄ ドレイン
２１Ｇ ゲート
２１Ｓ ソース
２３ ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴの一例）
２３Ｄ ドレイン
２３Ｇ ゲート
２３Ｓ ソース

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】