特許 7100369 金属空気電池

(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】

(24)【登録日】2022-07-05

(45)【発行日】2022-07-13

(54)【発明の名称】金属空気電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 12/06 20060101AFI20220706BHJP

【ＦＩ】

H01M12/06 E

H01M12/06 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019187092

(22)【出願日】2019-10-10

(65)【公開番号】P2021064462

(43)【公開日】2021-04-22

【審査請求日】2021-06-14

(73)【特許権者】

【識別番号】519366525

【氏名又は名称】ＱＥエナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100168251

【弁理士】

【氏名又は名称】矢上 礼宣

(74)【代理人】

【識別番号】100134072

【弁理士】

【氏名又は名称】白浜 秀二

(72)【発明者】

【氏名】森 俊哉

(72)【発明者】

【氏名】石川 忠

【審査官】近藤 政克

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１７６６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４７－０３９０５６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１８－１９５５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－００７２７４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５６－００７２６８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５２－０５２６２５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１６－１５２１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７９１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １２／０６

Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５０／５９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上下方向、幅方向及び前後方向を有し、収容ケースと前記収容ケースに収容された電池セルユニットとを含む金属空気電池において、
前記電池セルユニットは、カソード体と、前記カソード体と前記前後方向において対向して位置するアノード体を備えた負極パネルとを有する複数の電池セルを含み、
前記負極パネルの上面には、前記幅方向へ延びる取手部材が取り付けられていて、
前記取手部材は、長手方向の中央に位置する把持部と、前記把持部の両側に位置するフレーム状の連結部とを有し、前記連結部に前記アノード体の負極端子板の両端が挿入されることによって、前記取手部材が前記負極パネルに取り付けられることを特徴とする前記金属空気電池。

【請求項2】

前記負極端子板は、他の部分に比して幅狭の一対の幅狭部分を有し、前記幅狭部分が前記取手部材の前記連結部に挿入されることによって、前記連結部は前記幅狭部分に対して前記幅方向へ摺動可能である請求項１に記載の金属空気電池。

【請求項3】

前記電池セルユニットの上面を蓋止する中蓋をさらに有し、前記中蓋の底面には、弾性かつ突起状の複数の押し当て部が配置されていて、前記中蓋が閉蓋された状態において、前記複数の電池セル内に配置された前記負極パネルの負極端子と接続端子とが、前記押し当て部によって圧接される請求項１又は２に記載の金属空気電池。

【請求項4】

前記アノード体の全体が、網目状の被覆カバーによって被覆される請求項１～３のいずれかに記載の金属空気電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気や水等の自然燃料を利用して発電する金属空気電池に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、空気や水等の自然燃料を利用して発電する金属空気電池は、公知である。例えば、特許文献１には、収容ケース内に複数の電池セルが内部に配置された金属空気電池が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１８９３４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示の金属空気電池によれば、収容ケース内に、カソード体とアノード体を有する負極パネルとを備えた複数の電池セルを幅方向に並べて電気的に直列接続することで、比較的に高い起電力を出力することができる。

【0005】

しかし、電池セルは収容ケース内においてほぼ隙間なく配置されていることから、使用済の負極パネルを交換するときに、把持して引き出し難く、交換作業が手間であった。

【0006】

本発明は、従来の金属空気電池の改良であって、負極パネルの交換を素早く行うことのできる金属空気電池の提供に関する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上下方向、幅方向及び前後方向を有し、収容ケースと前記収容ケースに収容された電池セルユニットとを含む金属空気電池に関する。

【0008】

本発明に係る金属空気電池は、前記電池セルユニットは、カソード体と、前記カソード体と前記前後方向において対向して位置するアノード体を備えた負極パネルとを有する複数の電池セルを含み、前記負極パネルの上面には、前記幅方向へ延びる取手部材が取り付けられていることを特徴とする。

【0009】

本発明は、少なくとも下記の実施の形態を含むことができる。該実施の形態は、分離して又は互いに組み合わせて採択することができる。
（１）前記取手部材は、長手方向の中央に位置する把持部と、前記把持部の両側に位置するフレーム状の連結部とを有し、前記連結部に前記アノード体の負極端子板の両端が挿入されることによって、前記取手部材が前記負極パネルに取り付けられる。
（２）前記負極端子板は、他の部分に比して幅狭の一対の幅狭部分を有し、前記幅狭部分が前記取手部材の前記連結部に挿入されることによって、前記連結部は前記幅狭部分に対して前記幅方向へ摺動可能である。
（３）前記電池セルユニットの上面を蓋止する中蓋をさらに有し、前記中蓋の底面には、弾性かつ突起状の複数の押し当て部が配置されていて、前記中蓋が閉蓋された状態において、前記複数の電池セル内に配置された前記負極パネルの負極端子と接続端子とが、前記押し当て部によって圧接される。
（４）前記アノード体の全体が、網目状の被覆カバーによって被覆される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施の形態に係る金属空気電池においては、負極パネルの上面に取手部材が取り付けられていることから、電池セルユニットから各負極パネルを容易に取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

図面は、本発明の特定の実施の形態を示し、発明の不可欠な構成ばかりでなく、選択的及び好ましい実施の形態を含む。

【図1】本発明に係る金属空気電池の斜視図。

【図2】発電装置の分解斜視図。

【図3】中蓋と電池セルユニットとが分離した状態を示す図。

【図4】電池セルユニットから負極パネルを引き出す様子を示す図。

【図5】負極パネルの分解斜視図。

【図6】（ａ）中蓋の底面の平面図。（ｂ）中蓋が閉蓋した状態における、負極端子と接続端子とが接触した様子を示す図。

【図7】（ａ）負極パネルを上方から視た斜視図。（ｂ）取手部材を引き出した状態における図７（ａ）と同様の図。

【図8】変形例の一例における、負極パネルの斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

下記の各実施の形態は、図１～８に示す金属空気電池１に関し、発明の不可欠な構成ばかりではなく、選択的及び好ましい構成を含む。

【0013】

図１及び図２を参照すると、可搬用の金属空気電池（水電池、電源装置、発電装置）１は、上下方向Ｙ、幅方向Ｘ及び前後方向Ｚを有し、その外形をなす収容ケース１０を含む。収容ケース１０は、前面１０ａと、後面１０ｂと、上面１０ｃと、底面１０ｄと、幅方向Ｘにおいて互いに対向する両側面１０ｅ，１０ｆとを有し、電池ユニットが収容されたケース本体２０と、開閉可能に取り付けられた蓋体３０とを備える。収容ケース１０は、非導電性の材料、例えば、硬質プラスチック材料から形成することができる。

【0014】

ケース本体２０の内部空間Ｓには、複数の電池セル（小収容室）４１を有する電池セルユニット４０と、電池セルユニット４０用の中蓋５０とが収容される。電池セル４１には、それぞれ、プレート状のアノード体６２を有する負極パネル６０が配置されている。電池セル４１は、カソード体（空気極）４２を有し、カソード体４２に空気が供給されるとともに、内部空間Ｓに注入された反応液が酸化触媒として作用してカソード体４２とアノード体６２との間にイオン化反応が生じることによって、所定の起電力が発生する。反応液には、水のほかに、塩水などの各種反応液を好適に使用することができる。

【0015】

蓋体３０は、背面側に位置するヒンジ部を介してケース本体２０に開閉可能に取り付けられていて、閉蓋された状態において、前面１０ａ側に位置する係合孔２１に係止された係止部３１を押圧して係止を解除することによって、開蓋することができる。蓋体３０の上面１０ｃには、カソード体４２とアノード体６２との電気化学反応によって収容ケース１０内に発生した反応ガスを外部に排出するための一対の排気口と、それを被覆する排気カバー３２とが配置されている。排気カバー３２は、略６角形状であって、下面に複数の支持突起を有し、該複数の支持突起を排気口の周辺に配置された複数の開口に挿入することで、蓋体３０の上面１０ｃから着脱可能及び起立可能に配置される。

【0016】

蓋体３０の内部には、発電装置１の制御回路（図示せず）が設けられていて、その前面には、ＵＳＢデバイスに電流を供給するための複数のＵＳＢポート３３が幅方向Ｘに並んで配置されている。ＵＳＢポート３３の下方には、発電装置１の残電池容量を示す複数のＬＥＤランプ（インジケータ）３４が配置されている。使用者は、ＬＥＤランプ３４の点灯数によって残電池容量を確認することができ、電池セル４１の交換時期を容易に識別することができる。

【0017】

蓋体３０（収容ケース１０）の上面１０ｃの後面１０ｂ側の隅部には、内部空間Ｓに反応液を注入するための注入口と、それを封止するための注入口キャップ３５が配置されている。注入口が、上面１０ｃの前面１０ａ側または中央近傍に位置する場合には、注水するときにいきおい前面１０ａ側に反応液が垂れてＵＳＢポート３３が濡れてしまい、ＵＳＢポート３３の金属の腐食化の原因となるおそれがある。本実施形態においては、注入口が上面１０ｃの後面１０ｂ側の隅部に位置することで、注水口が前面１０ａ側や中央近傍に位置する場合に比べて、反応液が前面１０ａ側に垂れるのを抑制することができる。

【0018】

また、蓋体３０の前面において、ＵＳＢポート３３及びＬＥＤランプ３４は、周壁３６に囲まれた領域に配置されている。ＵＳＢポート３３が周壁３６に囲まれた領域に配置されていることによって、反応液の注入時に前面１０ａ側へ垂れた反応液が直接ＵＳＢポート３３に入り込むのを制御することができる。

【0019】

ケース本体２０の前面には、発電装置の電源スイッチ２２が位置している。また、電源スイッチ２２の下方には、ケース本体２０の開口２４とそれに連通された電池セルユニット４０の開口４９とを貫通するようにスラブオフ棒７０が前後方向Ｚに延びている。スラブオフ棒７０は、水栓キャップ７１と、水栓キャップ７１から延出するスラブ受容部７２とを有する。水栓キャップ７１は、ケース本体２０の周辺から前方へ突出する突出部分に着脱可能に螺着されている。

【0020】

スラブ受容部７２は、その延在方向に並ぶ分離壁を有し、分離壁間に電池セルユニット４０の各電池セル４１が位置する。発電時において、スラブ受容部７２の該区域に各電池セル４１で発生した析出物が受容される。析出物がスラブ受容部７２に受容されることによって、電池セルユニット４０の底に析出物が堆積するのを防止することができる。また、電池セルユニット４０を貫通するスラブオフ棒７０を外部に取り出すことによって、すべての電池セル４１で発生した析出物を同時に廃棄処理することができるので、電池セル４１ごとに析出物を取り出して廃棄処理する場合に比べて、素早く廃棄処理を行うことができる。

【0021】

ケース本体２０の両側面には、ベルト（ショルダーベルト）５の取付金具５ａを係止するためのフック６が配置されている。フック６の耐荷重は少なくとも１５ｋｇ以上、好ましくは３０ｋｇ以上であって、ケース本体２０に十分な量の反応液（例えば、１．５～５．０Ｌ）を注入して加重されたとしても、金属空気電池１を吊持した状態で安全に持ち運ぶことができる。

【0022】

また、ケース本体２０の両側面のうちの一方側面には、外部の空気を収容ケース２０の内部に取り込むための通気口７が設けられていて、他方面には、収容ケース内の空気を外部に排出するための排気口８が設けられている。図示していないが、収容ケース１０は、その内部において、通気口７から取り入れた酸素をカソード体４２に供給するための吸気ファンと、収容ケース１０内の空気を排気口８から外部に排出するための排気ファンとを含む、制御回路によって制御された換気機構を備えている。

【0023】

図４を参照すると、電池セルユニット４０は、絶縁材料、例えば、硬質プラスチック材料から形成されたハウジング４３を有する。ハウジング４３は、前面部４３ａと、後面部４３ｂと、両側部４３ｃ，４３ｄと、前後面部４３ａ，４３ｂ間において前後方向Ｚに並ぶ分離壁４４と、それらによって隔離された複数の電池セル４１と、一方側部４３ｃの上方に位置する連結板４５と、他方側部４３ｄに位置するサイド壁部４６とを有する。サイド壁部４６は、幅方向Ｘの外側へ延びて、さらに上方へ屈曲した形状を有する。電池セル４１には、それぞれ、負極パネル６０が配置されている。

【0024】

サイド壁部４６には、締結ナット５２を操作するための操作具（ソケットレンチ等）９を収納するためのスペースが設けられている。具体的には、サイド壁部４６の底面には、前後方向へ延びる一対の支持突起が位置していて、操作具９を支持突起間に挟圧した状態で配置することによって、収容ケース１０内に安定的に操作具９を収納することができる。

【0025】

ハウジング４３の前後面部４３ａ，４３ｂと分離壁４４とには、格子状の複数の窓を有する窓枠が設けられていて、窓枠の内側または外側には、それを覆うように薄膜状のカソード体（空気極）４２が取り付けられている。カソード体４２は、電気伝導率の良好な金属、例えば、金、銀、銅合金や活性炭、塩化銀、ステンレス等を用いることができる。カソード体４２は、単層から形成することのほかに、起電力及び集電性能を向上させるために、例えば、カーボン材等の導電性材料から形成された第１層（電極層）と、第１層の一方面に取り付けられた活性炭等の正極活物質から形成された第２層（活性層）と、第１層の他方面に取り付けられた、導電性金属から形成された板状の第３層（集電層）とから構成された複数層から形成することもできる。

【0026】

負極パネル６０は、基部６１と、基部６１から下方へ延出するアノード体６２とを有する。アノード体６２は、薄板状であって、イオン化傾向の比較的に大きな電極活物質、例えば、金属マグネシウム、アルミニウム、亜鉛等を用いることができる。

【0027】

かかる構成を有する発電装置１を使用する場合には、まず、上面１０ｃの後面１０ｂ側の隅部に位置する注入口キャップ３５を取り外した状態において、注入口から反応液を注入する。注入された反応液は、注入口から内部空間Ｓに延びる通液チューブ７５を介して電池セルユニット４０内に移動する。所要量（例えば、約３．０Ｌ）の反応液が注入されることによって電池セルユニット４０内には注液域が形成され、電池セルユニット４０の前後面部４０ａ，４０ｂ及び分離壁４４の窓枠に取り付けられたカソード体４２と、各電池セル４１内に挿入された負極パネル６０のアノード体６２とが注液域内において前後方向Ｚに対向して位置する。

【0028】

反応液の注入後、電源スイッチ２２をＯＮにすることによって、発電装置１の回路が閉じて、換気機構が作動して収容ケース１０内に通気口から空気が取り込まれてカソード体４２に空気が供給されるとともに、注液域の反応液が酸化触媒として作用してカソード体４２とアノード体６２との間にイオン化反応が生じる。すなわち、イオン化したアノード体６２から発生した電子がカソード体４２で酸素と反応液中の水と反応して放電反応が生じ、カソード体４２とアノード体６２との間に電位差が生じて所定の起電力が発生する。電池セルユニット４０内で発生した水素等の反応ガスは、排気チューブ７６を介して蓋体３０の排気口から外部に放出される。

【0029】

図５を参照すると、負極パネル６０の基部６１は、上面側から下面側へ凹となり、かつ、幅方向Ｘへ延びる配置凹部６３と、下面からさらに下方へ延びる一対の固定部６４とを有する。固定部６４は、上下方向Ｙに貫通された貫通孔を有し、該貫通孔にはアノード体６２のうちの上方へ延びる突出部分６２ａが嵌挿されている。基部６１の配置凹部６３には、幅方向Ｘへ延びる、銅、銀等の優れた導電性を有する材料から形成された薄板帯状の負極端子板６５が配置されている。負極端子板６５の両端には、透孔が位置し、該透孔を貫通するねじ（締結手段）６６ａが固定部６４に嵌挿されたアノード体６２の突出部分６２ａにまで延びて、負極端子板６５とアノード体６２とが互いに締結している。

【0030】

負極端子板６５は、ねじ６６ａの幅方向Ｘの外側であって、上方へ屈曲した部分の先端に位置する負極端子６６をさらに有する。負極端子６６は透孔を有し、基部６１の両端壁に形成された開口を通過して基部６１からさらに幅方向Ｘの外側へ延出している。

【0031】

絶縁材料から形成された連結板４５には、複数の接続端子４７が前後方向Ｚへ並んで配置されている。接続端子４７は連結板４５を貫通した状態で配置されていて、各接続端子４７の上端に負極パネル６０の負極端子６６が接触されるとともに、該接続端子４７の下端に該負極パネル６０の位置する電池セル４１に隣接するカソード体４２の正極端子が接続されることによって、複数の電池セル４１は電気的に直列接続される。なお、本実施形態において、電池セル４１は電気的に直列接続されているが、並列接続されていてもよいし、直列接続と並列接続とが併用されていてもよい。

【0032】

図６（ａ），（ｂ）を参照すると、また、硬質合成樹脂製の中蓋５０の底面５０ｂには、中蓋５０とは別体に形成された、軟質合成樹脂製からなる弾性を有する押し当て部５１が位置する。押し当て部５１は、負極端子６６よりも僅かに大きな略円形状を有する。発電装置１の組立工程において、中蓋５０をハウジング４３の上面から上方へ突出する複数の螺旋凸部４８に締結ナット５２を締結することで電池セルユニット４０に固定する際に、押し当て部５１が負極端子６６に押し当てられて負極端子６６が接続端子４７に圧接される。押し当て部５１の弾性反撥性を利用して負極端子６６と接続端子４７とをより強く圧接させることができることから、負極パネル６０の負極端子６６の浮き上りを確実に防止することができる。

【0033】

図３を参照すると、中蓋５０は、電池セルユニット４０の上面から上方へ突出する複数の螺旋凸部４８と、中蓋５０の両側部に位置する凹部に配置された締結ナット５２とによる締結手段によって電池セルユニット４０に固定されている。締結手段を構成する締結ナット５２は、中蓋５０の両側部に２つずつ（合計で４つ）で配置されている。従来、この種の金属空気電池においては、負極端子６６を接続端子４７に圧接するために、負極端子６６の真上にそれと同数の締結ナット５２を配置して締結する必要があり、手間であった。本実施形態においては、中蓋５０の底面５０ｂに弾性の押し当て部５１を設けることで、その弾性を利用して負極端子６６と接続端子４７とを圧接できるようにしたことから、固定ボルトの数を４つに減らしても、使用中に、負極端子６６が接続端子４７から浮き上ってしまうおそれはない。

【0034】

このように、締結ナット５２の数を比較的に少なくすることによって、素早く中蓋５０の取付け及び取外し操作を行うことができるので、発電装置１の組立時や負極パネル６０の交換時における手間を軽減することができる。

【0035】

電池セルユニット４０によって発生した電力は制御回路（図示せず）によって制御され、ＤＣ－ＤＣコンバータを介して安定的に１０．０～１５．０Ｖ程度の電圧が供給される。また、制御回路によって換気機構が制御されて吸気ファンと排気ファンとが作動するとともに、３～８Ｖ程度に制御された電圧がＵＳＢポートに供給される。

【0036】

図５及び図７（ａ），（ｂ）を参照すると、負極パネル６０は、幅方向Ｘへ延びる取手部材６７を有する。取手部材６７は、薄板帯状を有し、絶縁かつ軟質の材料、例えば、シリコン、軟質ゴム、軟質合成樹脂等から形成されたものであって、中央に位置する把持部６７ａと、両側に位置して透孔を有する連結端部６７ｂとを備える。また、取手部材６７のうちの把持部６７ａと連結端部６７ｂとの間には、取手部材６７に局部的に剛性を付与するための上方へ突出する突起６８が位置する。負極パネル６０の基部６１の配置凹部６３に配置された負極端子板６５は、幅方向Ｘにおいて離間して位置する幅狭部分６５ａを有し、取手部材６７の連結端部６７ｂに幅狭部分６５ａが挿通されることによって、取手部材６７は負極端子板６５に連結されている。

【0037】

図４及び図７（ａ）を参照すると、取手部材６７が負極端子板６５に連結された態様において、把持部６７ａは負極端子板６５から上方へ僅かに離間している。電池セルユニット４０内に負極パネル６０が収容された状態において、取手部材６７の把持部６７ａと負極端子板６５とが互いに重なるように接触している場合には取手部材６７を把持し難いところ、使用者は取手部材の把持部を容易に把持することができる。使用者が把持部６７ａを把持して引き上げたときには、取手部材６７の連結端部６７ｂが負極端子板６５の幅狭部分６５ａに摺接しながら互いに接近するように移動し、把持部６７ａはさらに上方へ離間した態様となって、より簡易に引き出し操作を行うことができる。

【0038】

使用者が負極パネル６０を引き出してアノード体６２を交換した後に、把持部６７ａを把持して負極パネル６０を電池セル４１内に再び挿し入れて、使用者が把持部６７ａから手を放すと、取手部材６７が上方へ引っ張る力から解放される。
それによって、取手部材６７の連結端部６７ｂは、自動的に幅狭部分６５ａを摺接しながら互いに離間するように幅方向Ｘの外側へ移動する。

【0039】

＜変形例＞
図８は、金属空気電池１の変形例の一例における、負極パネルの斜視図である。
本変形例にかかる負極パネル６０のアノード体６２は、被覆カバー８０によって全体的に被覆されている。被覆カバー８０は、網目（メッシュ）状であって、プラスチックフィルム、天然繊維、合成樹脂繊維等を使用した繊維不織布シート、フィルムと不織布との積層シート等から形成することができる。被覆カバー８０の網目は、注液域内の反応液をアノード体６２に供給することができるとともに、水酸化マグネシウム等の析出物が網目を通過して外部に露出せずに被覆カバー８０内に沈殿させることができる程度の大きさを有する。

【0040】

本変形例によれば、各負極パネル６０で発生した析出物を被覆カバー８０内に滞留させることができるので、析出物が注液域内において沈殿することで、交換後の新しい反応液による電気化学反応を阻害するおそれはない。

【符号の説明】

【0041】

１ 金属空気電池
１０ 収容ケース
４０ 電池セルユニット
４１ 電池セル
４２ カソード体
４７ 接続端子
５０ 中蓋
５０ｂ 中蓋の底面
５１ 押し当て部
６２ アノード体
６５ 負極端子板
６５ａ 幅狭部分
６６ 負極端子
６７ 取手部材
６７ａ 把持部
６７ｂ 連結部
８０ 被覆カバー
Ｘ 幅方向
Ｙ 上下方向
Ｚ 前後方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】