(57)【要約】【課題】充電反応時に発生する二酸化炭素を筐体内から排気できる空気電池システムを提供する。【解決手段】正極と、負極と、正極および負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を有する発電部、並びに、該発電部を収容する筐体、を備えており、筐体の内壁と正極との間に空隙部が設けられ、空隙部を換気することができる換気手段を備えた、空気電池システムとする。【選択図】図１
2010244962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、前記正極および前記負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を有する発電部、並びに、該発電部を収容する筐体、を備えており、
前記筐体の内壁と前記正極との間に空隙部が設けられ、
前記空隙部を換気することができる換気手段を備えた、空気電池システム。
【請求項２】
前記換気手段が、
前記発電部で放電反応が開始される前に前記空隙部内を換気できる手段である、請求項１に記載の空気電池システム。
【請求項３】
前記換気手段が、
前記発電部で充電反応が行われているときに、前記空隙部に空気を流入させることができる空気流入部と、
前記発電部で充電反応が行われているときに、前記空隙部内から気体を排出することができる気体排出部と、
を備えている、請求項１または２に記載の空気電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の空気電池システムを搭載しており、
前記空気流入部が前方に向けて設けられている、車両。
【請求項５】
前記換気手段が、
前記発電部で放電反応が開始されるときに、前記空隙部から気体を排出させることができる気体排出部と、
前記発電部で放電反応が開始されるときに、前記空隙部に酸素含有ガスを供給することができる酸素供給部と、
を備えている、請求項１または２に記載の空気電池システム。
【請求項６】
前記気体排出部が、前記発電部で充電反応が行われているときにも前記空隙部から気体を排出させることができる、請求項５に記載の空気電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気電池は、酸素を正極活物質とする電池であり、放電時には酸素を含む空気を外部から取り込んで用いる。そのため、正極および負極の活物質を電池内に有する他の一般的な電池に比べて、電池容器内に占める負極活物質の割合を大きくすることが可能である。したがって、原理的に放電できる電気容量が大きく、小型化や軽量化が容易であるという特徴を有している。また、正極活物質として用いる酸素の酸化力は強力であるため、電池起電力が比較的高い。さらに、酸素は資源的な制約がなくクリーンな材料であるという特徴も有するため、空気電池は環境負荷が小さい。このように、空気電池は多くの利点を有しており、携帯機器用電池、電気自動車用電池、ハイブリッド車用電池、燃料電池自動車用電池などへの利用が期待されている。
【０００３】
空気電池は、上記のように正極に酸素を取り込むことにより、電池反応を起こさせる。すなわち、正極と酸素含有ガスとが接触していると、例えば、空気電池停止時においても自己放電が起こり得る。これは特に開放系の空気電池において顕著である。
【０００４】
上記問題を解決するための技術として、例えば、特許文献１には以下の技術が開示されている。すなわち、特許文献１には、使用していないときには正極を空気の流れから隔離し、使用中に空気に触れさせることにより、寿命を延ばすことができる空気電池に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−５３８５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示されている技術のように、空気電池の筐体内の気体状態を制御することによって自己放電を抑制すれば、空気電池の寿命を延ばすことができると考えられる。しかしながら、本発明者は以下の点から筐体内の気体状態の制御について改善の余地があることを見出した。すなわち、本発明者が、空気電池の充放電時の反応機構について研究を進めた結果、空気電池の充電反応時には二酸化炭素が発生する場合があり、その二酸化炭素が空気電池の筐体内に溜まることによって放電反応の効率を悪化させる虞があることを知見した。
【０００７】
そこで本発明は、充電反応時に発生する二酸化炭素を筐体内から排気できる空気電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、正極と、負極と、正極および負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を有する発電部、並びに、該発電部を収容する筐体、を備えており、筐体の内壁と正極との間に空隙部が設けられ、空隙部を換気することができる換気手段を備えた、空気電池システムである。
【０００９】
上記本発明の空気電池システムにおいて、換気手段が、発電部で放電反応が開始される前に空隙部内を換気できる手段であることが好ましい。かかる形態とすることによって、放電反応開始直後から効率良く放電反応を行うことができる。
【００１０】
上記本発明の空気電池システムにおいて、換気手段が、発電部で充電反応が行われているときに、空隙部に空気を流入させることができる空気流入部と、発電部で充電反応が行われているときに、空隙部内から気体を排出することができる気体排出部と、を備えている形態とすることができる。かかる形態とすることによって、充電反応時に空隙部内を換気することができる。
【００１１】
また、換気手段が、発電部で充電反応が行われているときに、空隙部に空気を流入させることができる空気流入部と、発電部で充電反応が行われているときに、空隙部内から気体を排出することができる気体排出部と、を備えている本発明の空気電池システムを搭載した車両を提供することができる。本発明の空気電池システムを車載用電源とする場合は、空気流入部が車両の前方に向けて設けられていることが好ましい。かかる形態とすることによって、充電反応時に空隙部内に空気を流入させることが容易になる。また、気体排出部が設けられる向きは特に限定されないが、後方に向けて設けられていることが好ましい。かかる形態とすることによって、充電反応時に空隙部内を容易に換気することができる。
【００１２】
上記本発明の空気電池システムにおいて、換気手段が、発電部で放電反応が開始されるときに、空隙部から気体を排出させることができる気体排出部と、発電部で放電反応が開始されるときに、空隙部に酸素含有ガスを供給することができる酸素供給部と、を備えている形態とすることができる。
【００１３】
本発明において「放電反応が開始されるとき」とは、放電反応を開始する直前または直後の時間を含む所定時間内のときを意味する。ここに「所定時間」とは、充電反応時に生成されて空隙部に溜まった二酸化炭素の分圧を低下させることを目的として空隙部内の気体を十分に換気するために要する時間を意味し、具体的な時間の長さは、本発明の空気電池システムの使用状況などに応じて適宜決定される。
【００１４】
また、換気手段が、発電部で放電反応が開始されるときに、空隙部から気体を排出させることができる気体排出部と、発電部で放電反応が開始されるときに、空隙部に酸素含有ガスを供給することができる酸素供給部と、を備えている本発明の空気電池システムにおいて、気体排出部が、発電部で充電反応が行われているときにも空隙部から気体を排出させることができることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、充電反応時に発生する二酸化炭素を筐体内から排気できる空気電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）放電反応時の空気電池システム１００を概略的に示す図である。（ｂ）充電反応時の空気電池システム１００を概略的に示す図である。
【図２】（ａ）充電反応時の空気電池システム２００を概略的に示す図である。（ｂ）放電反応が開始されるときの空気電池システム２００を概略的に示す図である。（ｃ）放電反応時の空気電池システム２００を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明にかかる空気電池システムを、筐体内に、正極、負極、および当該正極と負極との間に介在する電解質層を有する発電部を備えたリチウム空気電池に適用した場合を中心に説明する。但し、本発明は、筐体内の気体状態の制御を目的として、他の空気電池（亜鉛系空気電池、アルミニウム系空気電池、ナトリウム系空気電池等）にも適用することができる。
【００１８】
１．第１実施形態
第１実施形態にかかる本発明の空気電池システム１００について、図１を参照しつつ以下に説明する。
【００１９】
１．１．空気電池システム１００の構成
図１（ａ）は、放電反応時の空気電池システム１００を概略的に示す図である。図１（ｂ）は、充電反応時の空気電池システム１００を概略的に示す図である。図１に示すように、空気電池システム１００は、正極１と、負極２と、正極１および負極２の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層３と、を有する発電部４、並びに、発電部４を収容する筐体６、を備えている。また、筐体６の内壁と正極１との間には空隙部７が設けられており、ここに酸素含有ガスが供給されることにより、正極１に酸素が取り込まれて放電反応に供される。さらに、筐体６の外部には空気流入部２０、気体排出部３０、酸素供給部４０、および制御部（不図示）が設けられており、後に詳述するように、空気流入部２０、気体排出部３０、および図示していない制御部が換気手段を構成する。以下、空気電池システム１００について、構成ごとに説明する。
【００２０】
＜発電部４＞
空気電池システム１００においては、正極１、電解質層３、および負極２をこの順に積層されてなる積層体を発電部４とすることができる。正極１、電解質層３、および負極２を積層する方法については、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。
【００２１】
（正極１）
正極１は、導電性材料、触媒、および、これらを結着させる結着材を含有している。また、正極１には、正極１の内部または外面に当接して、正極１の集電を行う正極集電体が設けられる。
【００２２】
正極１に含有される導電性材料は、空気電池システム１００の使用時における環境に耐えることができ、且つ、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。正極１に含有される導電性材料としては、カーボンブラックやメソポーラスカーボン等の炭素材料等を例示することができる。また、反応場の減少および電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極１における導電性材料の含有量は、１０質量％以上とすることが好ましい。また、充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極１における導電性材料の含有量は、９９質量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
正極１に含有される触媒としては、コバルトフタロシアニンおよび二酸化マンガン等を例示することができる。充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極１における触媒の含有量は、１質量％以上とすることが好ましい。また、反応場の減少および電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極１における触媒の含有量は、９０質量％以下とすることが好ましい。
【００２４】
正極１に含有される結着材としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を例示することができる。正極１における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば１０質量％以下とすることが好ましく、１質量％以上５質量％以下とすることがより好ましい。
【００２５】
正極集電体は、導電性を有する材料からなるものであれば特に限定されずに用いることができる。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、および、カーボン等からなる箔、メッシュ、グリッド等を用いることができる。また、正極集電体が筐体６内の空間７から正極１へと酸素を導く通り道としても機能し得る形態としてもよい。すなわち、後述する酸素層５を正極集電体５としてもよい。
【００２６】
正極１は、例えば、カーボンブラック、触媒、および、結着材からなる塗料を、正極集電体の表面に、ドクターブレード法にて塗布する等の方法により作製することができる。このほか、カーボンブラックおよび触媒を含む混合粉末を熱圧着する等の方法により作製することもできる。
【００２７】
（酸素層５）
酸素層５は、空隙部７内に存在する酸素ガスを、正極１へと導く機能を担う。酸素層５は、正極１へと導かれる酸素ガスの通り道であり、例えば、正極１の内部または外面に当接して、正極１の集電を行う正極集電体に備えられる孔が、酸素層５として機能する。
【００２８】
（負極２）
負極２は、負極活物質として機能する金属を含有している。また、負極２には、負極２の内部または外面に当接して、負極２の集電を行う負極集電体（不図示）が設けられる。
【００２９】
負極２に含有され得る金属の単体としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｚｎ等を例示することができる。これら金属を含む合金、例えば、Ｌｉ合金等も例示することができる。空気電池システム１００がリチウム空気二次電池の場合、高容量化を図りやすい空気電池システム１００を提供する等の観点からは、負極２にＬｉが含有されることが好ましい。
【００３０】
負極２は少なくとも負極活物質を含有していれば良く、さらに、導電性を向上させる導電性材料やアルカリ金属等を固定化させる結着材を含有していても良い。反応場の減少および電池容量の低下を抑制する等の観点から、負極２における導電性材料の含有量は１０質量％以下とすることが好ましい。また、負極２における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば１０質量％以下とすることが好ましく、１質量％以上５質量％以下とすることがより好ましい。負極２に含有され得る導電性材料および結着材の種類、使用量等は、正極１の場合と同様にすることができる。
【００３１】
負極２には、内部または外面に当接して負極集電体が設けられる。負極集電体は、負極２の集電を行う機能を担う。空気電池システム１００において、負極集電体の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではない。負極集電体の材料としては、銅、ステンレス鋼、および、ニッケル等を例示することができる。また、負極集電体の形状としては、箔状、板状、および、メッシュ（グリッド）状等を例示することができる。空気電池システム１００において、負極２は、例えば正極１と同様の方法により作製することができる。
【００３２】
（電解質層３）
電解質層３には、正極１および負極２の間でイオン（アルカリ金属のイオン）の伝導を担う電解質（液体または固体）が収容される。特に電解液を用いることが好ましい。
【００３３】
電解質層３に液体の電解質（電解液）が用いられる場合、電解液の形態は、金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ＫＯＨ水溶液などの水系電解液、または非水電解液を挙げることができる。電解質層３に用いられる電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気電池とした場合、非水電解液を用いることが好ましい。当該非水電解液は、リチウム塩および有機溶媒を含有する。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４およびＬｉＡｓＦ６等の無機リチウム塩のほか、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等の有機リチウム塩等を例示することができる。また、有機溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシメタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランや、その他フッ素系の溶媒およびこれらの混合物等を例示することができる。また、電池内部への水の混入を抑える観点からは、疎水性の溶媒を用いることが好ましい。非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば０．２ｍｏｌ／Ｌ以上３ｍｏｌ／Ｌ以下とする。なお、本発明の空気電池システムにおいては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いることもできる。
【００３４】
また、電解質層３に電解液が用いられる場合、電解質層３は、セパレータやゲルポリマーに上記電解液が保持される形態とすることが好ましい。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。また、ゲルポリマーとしては、アクリレート系高分子化合物や、ポリエチレンオキサイド等のエーテル系高分子化合物およびこれらを含む架橋体や、ポリメタクリレート等のメタクリレート高分子化合物や、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンの共重合体等のフッ素系高分子化合物等を用いることができる。ゲルポリマーの形態は粒子状等、電解液が保持可能な形態であれば特に限定されるものではない。電解質層３の作製については、特に限定されるものではないが、適切に成形されたセパレータや、ゲルポリマー充填層に、上記電解液を含ませ、セパレータやゲルポリマーに電解液を保持させることにより、所定形状の電解質層３が作製される。
【００３５】
＜筐体６＞
筐体６には発電部４が収容され、且つ、筐体６の内壁と正極１との間には空隙部７が設けられている。空気電池システム１００において、筐体６の形状は特に限定されるものではない。筐体６の構成材料は、用いる電解質に対して安定である等、空気電池の筐体に使用可能な材料を適宜用いることができる。筐体６の側面には、後述する空気流入部２０の空気流入管２１を接続可能な接続部２３（例えば孔）が設けられている。また、筐体６の、空気流入管２１を接続可能な接続部が設けられた側面と対向する側面には、後述する気体排出部３０の気体排出管３１を接続可能な接続部３３（例えば孔）が設けられている。
【００３６】
なお、正極１が鉛直方向上方に配置されるように発電部４が設けられた場合、二酸化炭素は酸素に比べて重いため、二酸化炭素が正極１上に留まりやすい。かかる形態の場合、正極１の表面付近を換気することが好ましいため、接続部２３および３３は正極１の表面近くに備えられることが好ましい。
【００３７】
＜酸素供給部４０＞
酸素供給部４０は、筐体６の側面に接続され、気体排出管３１に連通している酸素供給管４１を有しており、後述する開閉弁３２を気体排出部３０と共有している。気体排出部３０と開閉弁３２を共有することによって、一つの弁で酸素供給管４１および気体排出管３１の閉鎖／開放を行うことができる。開閉弁３２によって酸素供給管４１側を開く（図１（ａ）参照）ことで酸素供給管４１および気体排出部３０の気体排出管３１の一部を通して空隙部７に酸素含有ガスを供給することができ、開閉弁３２によって酸素供給管４１側を閉じる（図１（ｂ）参照）ことで、空隙部７への酸素含有ガスの供給を止めることができる。酸素供給管４１には他にフィルタ（不図示）が備えられて、酸素含有ガスから水分を除去可能な形態とされていてもよい。また、酸素供給部４０にはポンプ（不図示）が備えられて、酸素含有ガスを空隙部７に効率的に供給することが可能な形態とされていてもよい。なお、開閉弁３２の開閉は、図示しない制御部によって、電池の使用状態に応じて適宜制御され得る形態とされている。
【００３８】
酸素供給部４０から空隙部７に供給させる酸素含有ガスは、空気や乾燥空気、圧力が１．０１×１０５Ｐａで酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等とすることができ、高濃度の酸素であることが好ましい。
【００３９】
酸素供給管４１、および開閉弁３２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管および公知の電磁弁等を用いることができる。
【００４０】
＜換気手段＞
空気電池システム１００に備えられる換気手段は、発電部４の充電反応時に空隙部７内の気体を換気できる手段であって、「１．２．空気電池システム１００の動作」においてその動作を詳細に説明するように、空気流入部２０、気体排出部３０、および図示しない制御部によって構成されている。
【００４１】
（空気流入部２０）
空気流入部２０は、筐体６の側面に接続され、空隙部７へと連通している空気流入管２１と、空気流入管２１に設けられた開閉弁２２とを有している。開閉弁２２を開くことで空気流入管２１から空隙部７へと空気を流入させることができ、開閉弁２２を閉じることで空気流入管２１から空隙部７への空気の流入を止めることができる。空気流入管２１には他にフィルタ（不図示）が備えられて、空気流入管２１に流通させる空気から水分を除去可能な形態とされていてもよい。また、空気流入部２０にはポンプ（不図示）が備えられて、空気流入管２１に流通させる空気を空隙部７に効率的に供給することが可能な形態とされていてもよい。ただし、空気電池システム１００を車載用電源とする場合には、車両前方から空隙部７に向けて空気流入管２１を真っ直ぐ配設することが好ましい。かかる形態とすることによって、空気電池システム１００を搭載している車両が走行している際に開閉弁２２を開けば、空気流入管２１から空隙部７に空気を取り込むことが容易になる。
【００４２】
空気流入管２１および開閉弁２２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管および公知の電磁弁等を用いることができる。
【００４３】
（気体排出部３０）
気体排出部３０は、筐体６の側面のうち空気流入部２０が備えられる側面と対向する側面に接続された気体排出管３１と、気体排出管３１に設けられ、上記した酸素供給部４０と共有する開閉弁３２とを有している。開閉弁３２によって気体排出管３１側を開く（図１（ｂ）参照）ことで空隙部７から気体排出管３１を通って空隙部７内の気体を排出させることができ、開閉弁３２によって気体排出管３１側を閉じる（図１（ａ）参照）ことで、空隙部７からの気体の排出を止めることができる。気体排出管３１により排出される気体は、発電部４での放電反応に供されなかった残存ガスおよび発電部４での充電反応によって生じるガスなどである。気体排出部３０には、ポンプ（不図示）が備えられて、上記気体を効率的に排出することが可能な形態とされていてもよい。ただし、空気電池システム１００を車載用電源とする場合には、空気流入管２１、空隙部７、および気体排出管３１を、その順で車両の前方から後方に向けて真っ直ぐ配設することが好ましい。かかる形態とすることによって、空気電池システム１００を搭載している車両が走行している際に開閉弁２２および３２を開けば、空隙部７内を空気によって容易に換気することができる。
【００４４】
空気流入管２１および気体排出管３１の管径、並びに、筐体６に設けられた連結部（孔）２３および３３の大きさなどは、空気流入管２１、空隙部７、および気体排出管３１を空気が効率よく流通できるように設計することが好ましい。
【００４５】
気体排出管３１および開閉弁３２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管および公知の電磁弁等を用いることができる。
【００４６】
（制御部）
制御部は、電池の使用状態に応じて信号を発し、開閉弁２２および３２の開閉動作を適宜制御する部分である。制御部としては公知の制御装置を用いることができる。
【００４７】
１．２．空気電池システム１００の動作
空気電池システム１００は、上記のような構成を有しており、充電反応時に発生する二酸化炭素を筐体６内から排気することができる。以下、電池使用状態に応じた空気電池システム１００の動作について説明する。
【００４８】
＜放電反応時＞
まず、放電反応時の空気電池システム１００の動作について説明する。空気電池システム１００は、発電部４で放電反応を行っているとき、図１（ａ）に示すように、空気流入部２０の開閉弁２２が閉鎖され、開閉弁３２によって気体排出管３１側が閉鎖されるとともに酸素供給管４１側が開放されることによって、矢印ＡおよびＢの方向に沿って酸素供給部４０から酸素含有ガスが空隙部７に供給され続ける。
【００４９】
このようにして筐体６の外部から空隙部７に供給された酸素含有ガスは、発電部４での放電反応に供される。上記したように正極１の空隙部７側表面には酸素層５が形成されており、ここから酸素が取り込まれることで安定的に放電反応が行われている。これにより、例えば、空気電池システム１００を車載用電源とした場合には、車両に搭載されたモータ等に電気エネルギーが安定的に供給され、該車両の動作・停止をスムーズに行うことができる。
【００５０】
空気電池システム１００を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のアクセルが踏まれたことをきっかけとして発電部４で放電反応が行われる。そのとき、公知の感知手段等から制御部に信号が発せられる形態とすることによって、発電部４で放電反応が開始されると同時に該制御部から開閉弁２２および３２に信号を発信して、上記のように開閉弁２２および３２の開閉を行うことができる。
【００５１】
＜充電反応時＞
次に、充電反応時の空気電池システム１００の動作について説明する。空気電池システム１００は、発電部４で充電反応を行っているとき、図１（ｂ）に示すように、空気流入部２０の開閉弁２２が開放され、開閉弁３２によって酸素供給管４１側が閉鎖されるとともに気体排出管３１側が開放されることによって、矢印ＣおよびＤの方向に沿って筐体６の外部から空気が空隙部７に流入するとともに、矢印ＥおよびＦの方向に沿って空隙部７内の気体が排出され、空隙部７内が換気される。
【００５２】
空気電池システム１００を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のブレーキを踏んだことをきっかけとして発電部４で充電反応が行われる。そのとき、公知の感知手段等から制御部に信号が発せられる形態とすることによって、発電部４で充電反応が開始されると同時に該制御部から開閉弁２２および３２に信号を発信して、上記のように開閉弁２２および３２の開閉を行うことができる。
【００５３】
このように、空気電池システム１００によれば、充電反応時に空隙部７内が換気されるため、充電反応時に生じる二酸化炭素を空隙部７内から排出させることができる。したがって、放電反応を開始する際には充電反応で生じた空隙部７内の二酸化炭素の分圧が低下しており、効率よく放電反応を開始することができる。
【００５４】
これまでの空気電池システム１００の説明では、空気流入部２０、気体排出部３０、および酸素供給部４０について、所定の位置関係を有して、筐体６の側面に接続されるものとして説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、これまでに説明した空気流入部２０、気体排出部３０、および酸素供給部４０としての機能を果たせる形態であれば、空気流入部２０、気体排出部３０、および酸素供給部４０の接続箇所および設置数は制限されない。例えば、図１では、酸素供給部４０が開閉弁３２を気体排出部３０と共有し、酸素供給管４１が気体排出管３１に連通している形態を例示しているが、本発明の空気電池システムはかかる形態に限定されず、酸素供給管が空隙部に直接連通するとともに、該酸素供給管に他の開閉弁を備える形態とすることもできる。また、空気流入部から高濃度の酸素を空隙部に流入させることができる場合、放電反応時にも該空気流入部から空隙部に高濃度の酸素を供給する形態とすれば、酸素供給部を設けなくてもよい。
【００５５】
２．第２実施形態
第２実施形態にかかる本発明の空気電池システム２００について、図２を参照しつつ以下に説明する。
【００５６】
２．１．空気電池システム２００の構成
図２（ａ）は、充電反応時の空気電池システム２００を概略的に示す図である。図２（ｂ）は、放電反応が開始されるときの空気電池システム２００を概略的に示す図である。図２（ｃ）は、放電反応時の空気電池システム２００を概略的に示す図である。なお、上記したように、本発明において「放電反応が開始されるとき」とは、放電反応を開始する直前または直後の時間を含む所定時間内の時間を意味するため、「充電反応時」と「放電反応が開始されるとき」または「放電反応時」と「放電反応が開始されるとき」では重なる時間が生じるが、以下の説明において、「充電反応時」とは「放電反応が開始されるとき」に含まれる時間を除いた充電反応時を意味し、「放電反応時」とは「放電反応が開始されるとき」に含まれる時間を除いた放電反応時を意味する。
【００５７】
図２に示すように、空気電池システム２００は、正極１と、負極２と、正極１および負極２の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層３と、を有する発電部４、並びに、発電部４を収容する筐体２６、を備えている。また、筐体２６の内壁と正極１との間には空隙部７が設けられており、ここに酸素含有ガスが供給されることにより、正極１に酸素が取り込まれて放電反応に供される。さらに、筐体２６の外部には酸素供給部６０、気体排出部７０、および制御部（不図示）が設けられており、後に詳述するように、酸素供給部６０、気体排出部７０、および図示していない制御部が換気手段を構成する。以下、空気電池システム２００について、構成ごとに説明する。なお、図２では、図１で示した空気電池システム１００と同様の構成のものには同符号を付しており、以下の空気電池システム２００の説明において、空気電池システム１００の説明で説明した構成については、詳細な説明を省略する。
【００５８】
＜筐体２６＞
筐体２６には発電部４が収容され、且つ、筐体２６の内壁と正極１との間には空隙部７が設けられている。空気電池システム２００において、筐体２６の形状は特に限定されるものではない。筐体２６の構成材料は、用いる電解質に対して安定である等、空気電池の筐体に使用可能な材料を適宜用いることができる。筐体２６の側面には、後述する酸素供給部６０の酸素供給管６１を接続可能な接続部６３（例えば孔）が設けられている。また、筐体２６の、酸素供給管６１を接続可能な接続部が設けられた側面と対向する側面には、後述する気体排出部７０の気体排出管７１を接続可能な接続部７３（例えば孔）が設けられている。
【００５９】
なお、正極１が鉛直方向上方に配置されるように発電部４が設けられた場合、二酸化炭素は酸素に比べて重いため、二酸化炭素が正極１上に留まりやすくなる。かかる形態の場合、正極１の表面付近を換気することが好ましいため、接続部６３および７３は正極１の表面近くに備えられることが好ましい。
【００６０】
＜換気手段＞
空気電池システム２００に備えられる換気手段は、発電部４の充電反応時に空隙部７内の気体を排出させることができ、発電部４で放電反応が開始されるときに、空隙部７内の気体を排出または換気できる手段であって、「２．２．空気電池システム２００の動作」においてその動作を詳細に説明するように、酸素供給部６０、気体排出部７０、および図示していない制御部によって構成されている。
【００６１】
（酸素供給部６０）
酸素供給部６０は、筐体２６の側面に接続され、空隙部７に連通している酸素供給管６１と、酸素供給管６１に設けられた開閉弁６２とを有している。開閉弁６２を開くことで酸素供給管６１を通して空隙部７に酸素含有ガスを供給することができ、開閉弁６２を閉じることで、空隙部７への酸素含有ガスの供給を止めることができる。酸素供給管６１には他にフィルタ（不図示）が備えられて、酸素含有ガスから水分を除去可能な形態とされていてもよい。また、酸素供給部６０にはポンプ（不図示）が備えられて、酸素含有ガスを空隙部７に効率的に供給することが可能な形態とされていてもよい。なお、開閉弁６２の開閉は、筐体２６の外部に設けられた図示していない制御部により、電池の使用状態に応じて適宜制御され得る形態とされている。
【００６２】
酸素供給管６１および開閉弁６２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管および公知の電磁弁等を用いることができる。酸素供給部６０から空隙部７に供給させる酸素含有ガスは、空気や乾燥空気、圧力が１．０１×１０５Ｐａで酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等とすることができ、発電部４で放電反応が行われる際には特に高濃度の酸素であることが好ましい。
【００６３】
（気体排出部７０）
気体排出部７０は、筐体２６の側面のうち酸素供給部６０が備えられる側面と対向する側面に接続された気体排出管７１と、気体排出管７１に設けられた開閉弁７２とを有している。開閉弁７２を開くことで空隙部７から気体排出管７１を通って空隙部７内の気体を排出させることができ、開閉弁７２を閉じることで、空隙部７からの気体の排出を止めることができる。気体排出管７１により排出される気体は、発電部４での放電反応に供されなかった残存ガスおよび発電部４での充電反応によって生じるガスなどである。気体排出部７０には、ポンプ（不図示）が備えられて、上記気体を効率的に排出することが可能な形態とされていてもよい。
【００６４】
気体排出管７１および開閉弁７２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管および公知の電磁弁等を用いることができる。
【００６５】
空隙部７内の換気を効率良く行うという観点からは、酸素供給管６１および気体排出管７１の管径、並びに、筐体２６に設けられた連結部（孔）６３および７３の大きさなどは、酸素供給管６１、空隙部７、および気体排出管７１を酸素などの気体が効率よく流通できるように設計することが好ましい。
【００６６】
（制御部）
制御部は、電池の使用状態に応じて信号を発し、開閉弁６２および７２の開閉動作を適宜制御する部分である。制御部としては公知の制御装置を用いることができる。
【００６７】
２．２．空気電池システム２００の動作
空気電池システム２００は、上記のような構成を有しており、充電反応時に発生する二酸化炭素を筐体２６内から排気することができる。以下、電池使用状態に応じた空気電池システム２００の動作について説明する。
【００６８】
＜充電反応時＞
まず、充電反応時の空気電池システム２００の動作について説明する。空気電池システム２００は、発電部４の充電反応時、酸素供給部６０の開閉弁６２が閉鎖され、気体排出部７０の開閉弁７２が開放されることによって、図２（ａ）に示した矢印ＧおよびＨの方向に沿って空隙部７内の気体が排出される。
【００６９】
空気電池システム２００を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のブレーキが踏まれたことをきっかけとして発電部４で充電反応が行われる。そのとき、公知の感知手段等から図示していない制御部に信号が発せられる形態とすることによって、発電部４で充電反応が開始されると同時に図示していない該制御部から開閉弁６２および７２に信号を発信して、開閉弁６２を閉鎖するとともに開閉弁７２を開放することができる。
【００７０】
＜放電反応が開始されるとき＞
次に、発電部４で放電反応が開始されるときの空気電池システム２００の動作について説明する。「放電反応が開始されるとき」とは、発電部４で放電反応を開始する直前または直後の時間を含む所定時間内の時間を意味する。ここに「所定時間」とは、空隙部７に溜まった二酸化炭素の分圧を低下させることを目的として空隙部７内の気体を換気するために要する時間を意味し、具体的な時間の長さは、空気電池システム２００の使用状況などに応じて適宜決定される。空気電池システム２００を車載用電源とする場合には、上記所定時間を、車両が一定距離を走行するまで時間や、車両が一定速度を超えるまでの時間などにすることができる。上記所定時間が短過ぎれば空隙部７内の換気を十分に行えず、逆に長過ぎれば酸素供給部６０から空隙部７に供給される酸素含有ガスの無駄が多くなる。
【００７１】
空気電池システム２００は、発電部４で放電反応が開始されるとき、酸素供給部６０の開閉弁６２および気体排出部７０の開閉弁７２が開放されることによって、図２（ｂ）に示した矢印ＩおよびＪの方向に沿って酸素含有ガスが空隙部７内に供給されるとともに、空隙部７内の気体が矢印ＫおよびＬの方向に沿って排出される。
【００７２】
空気電池システム２００を車載用電源として用いた場合は、例えば、エンジン始動時や車両のアクセルが踏まれた時に公知の感知手段等から図示していない制御部に信号が発せられる形態とすることによって、その信号を制御部が受けると同時に制御部から開閉弁６２および７２に信号を発信して、上記のように開閉弁６２および開閉弁７２を開閉することができる。かかる形態とすることによって、空隙部７内が換気されて二酸化炭素の分圧が低下し、酸素濃度が高い状態で、発電部４で放電反応を行うことができる。
【００７３】
＜放電反応時＞
次に、放電反応時の空気電池システム２００の動作について説明する。空気電池システム２００は、発電部４の放電反応時、酸素供給部６０の開閉弁６２は開放されたままで、気体排出部７０の開閉弁７２が閉鎖されることによって、図２（ｃ）に示した矢印ＭおよびＮの方向に沿って酸素含有ガスが空隙部７内に供給され続け、空隙部７内が酸素含有ガスで充満される。
【００７４】
このようにして筐体２６の外部から空隙部７に供給された酸素含有ガスは、発電部４での放電反応に供される。上記したように正極１の空隙部７側表面には酸素層５が形成されており、ここから酸素が取り込まれることで安定的に放電反応が行われている。これにより、例えば、空気電池システム２００を車載用電源とした場合には、車両に搭載されたモータ等に電気エネルギーが安定的に供給され、該車両の動作・停止をスムーズに行うことができる。
【００７５】
このように、空気電池システム２００によれば、充電反応時に空隙部７内の気体が排出され、放電反応が開始されるときに空隙部７内が換気されるため、発電部４の充電反応で生成された二酸化炭素を空隙部７内から排出させることができる。したがって、放電反応時には充電反応で生じた空隙部７内の二酸化炭素の分圧が低下しており、効率よく放電反応を行うことができる。
【００７６】
これまでの空気電池システム２００の説明では、酸素供給部６０および気体排出部７０について、所定の位置関係を有して、筐体２６の側面に接続されるものとして説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、これまでに説明した酸素供給部６０および気体排出部７０としての機能を果たせる形態であれば、酸素供給部６０および気体排出部７０の接続箇所および設置数は制限されない。
【００７７】
また、これまでの本発明の説明において、正極１、電解質層３、および負極２が積層された発電部４が、筐体６または２６内に一つのみ収容されてなる空気電池システム１００または２００について説明したが、筐体内に収容される発電部の数、および形態について、本発明はこれに限定されるものではない。発電部を筐体内に複数収容してもよい。また、発電部を円柱状や円筒状等、他の形態に成形して筐体内に収容してもよい。これらの場合であっても、筐体内の二酸化炭素を排出させることができる。
【００７８】
以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う空気電池システムもまた本発明の技術範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【符号の説明】
【００７９】
１  正極
２  負極
３  電解質層
４  発電部
５  酸素層
６  筐体
７  空隙部
２０  空気流入部（換気手段）
２１  空気流入管
２２  開閉弁
２６  筐体
３０  気体排出部（換気手段）
３１  気体排出管
３２  開閉弁
４０  酸素供給部
４１  酸素供給管
６０  酸素供給部（換気手段）
６１  酸素供給管
６２  開閉弁
７０  気体排出部（換気手段）
７１  気体排出管
７２  開閉弁
１００  空気電池システム
２００  空気電池システム
【図１】
2010244962.tif 000003
【図２】
2010244962.tif 000004