(57)【要約】【課題】液抵抗による損失が好適に抑制された空気電池を提供すること。【解決手段】本発明の空気電池によれば、正極と負極との間には、これらの両極によって両側から挟持される多孔性かつ絶縁性のセパレータが設けられており、負極は、押圧手段によってセパレータに対して押圧し続けられているので、発電時間の経過に伴って負極が消費されたとしても、負極と正極との離間距離を発電時間の経過とは無関係に維持することができる。よって、負極と正極との間の距離を、常時、セパレータの厚さに応じた最小限の距離に留めることができるので、液抵抗の大きさに起因する損失を常時最小限に抑制することができ、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質として酸素を用いる空気電池であって、
多孔性かつ導電性を有する正極と、
金属イオンを放出可能な負極と、
前記負極と前記正極との間に介在される電解質液と、
前記負極と前記正極とにより両側から挟持される多孔性かつ絶縁性のセパレータと、
前記負極を前記セパレータに対して押圧する押圧手段と、を備えていることを特徴とする空気電池。
【請求項２】
発電に伴い生成し前記正極に付着した酸素還元種を、該正極を流通する酸素を含む流体を用いて排出する排出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の空気電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気電池に関し、特に、液抵抗による損失が好適に抑制された空気電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用いる電池である（例えば、特許文献１）。この空気電池における負極活物質は、一般的に金属である。空気電池では、正極における酸素の還元反応と、負極における電子放出を伴う金属のイオン化反応との組み合わせによって起電力を得る（発電する）。
【特許文献１】特開２００８−１８１８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
負極から正極へ向かって電解質液内を移動するイオンの移動距離が長い程、それだけ液抵抗は大きくなり、電池特性が低下する。かかる問題は、特に、導電率が低い電解質液を使用した場合に顕著に生じる。
【０００４】
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、液抵抗による損失が好適に抑制された空気電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するために、請求項１記載の空気電池は、正極活物質として酸素を用いるものであって、多孔性かつ導電性を有する正極と、金属イオンを放出可能な負極と、前記負極と前記正極との間に介在される電解質液と、前記負極と前記正極とにより両側から挟持される多孔性かつ絶縁性のセパレータと、前記負極を前記セパレータに対して押圧する押圧手段と、を備えている。
【０００６】
請求項２記載の空気電池は、請求項１記載の空気電池において、発電に伴い生成し前記正極に付着した酸素還元種を、該正極を流通する酸素を含む流体を用いて排出する排出手段を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の空気電池によれば、正極と負極との間には、これらの両極によって両側から挟持される多孔性かつ絶縁性のセパレータが設けられている。発電（放電）時における負極の電極反応の結果、負極からは金属イオンが放出されるので、負極は表面から次第に消費されていく。
【０００８】
ここで、負極は、押圧手段によってセパレータに対して押圧されているので、発電時間（放電時間）の経過に伴って負極が消費されたとしても、負極と正極との離間距離を発電時間の経過とは無関係に維持することができる。
【０００９】
よって、負極と正極との間の距離を、常時、セパレータの厚さに応じた最小限の距離に留めることができるので、液抵抗の大きさに起因する損失を常時最小限に抑制することができる。従って、発電時間の経過に伴う電池特性の低下が抑制され、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができるという効果がある。
【００１０】
請求項２記載の空気電池によれば、請求項１記載の空気電池の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。排出手段によって、発電に伴い生成し正極に付着した酸素還元種が排出されるので、発電に伴って生じた酸素還元種の付着による反応効率の低下を抑制することができ、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができるという効果がある。なお、排出手段による酸素還元種の排出は、正極を流通する酸素を含む流体を用いて行われるので、正極への正極活物質（酸素）の供給と併用して酸素還元種の排出を行うことができる。
【００１１】
また、排出手段によって、正極に付着した酸素還元種が排出されるので、酸素還元種の付着の影響を受けないように正極を厚くする必要がないので、正極の厚さを薄くできるという効果がある。正極の厚さを薄くできることにより、多孔性及び導電性を有する正極の孔に浸入した電解質液に起因する液抵抗を小さくすることができるので、液抵抗による損失が抑制され、良好な電池特性を持つ空気電池の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の空気電池について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の空気電池（空気電池１００）を示す模式図である。図１に示すように、本発明の空気電池１００は、空気中の酸素を正極活物質とする電池であり、正極としての空気極１１と、負極としての金属電極１２と、両電極１１，１２間に介在する電解液１３と、電解液１３を貯留する液槽としての電解液槽１４と、空気極１１と金属電極１２との間に挟持されるセパレータ１５と、金属電極１２をセパレータ１５へと押し付ける押し付け部材１６と、空気極１１へ空気を供給する空気流路１８とを有している。
【００１３】
空気極１１は、多孔性及び導電性を有するガス拡散電極であり、酸素還元触媒（例えば、Ｐｔ、ＭｎＯ２、ペロブスカイト型酸化物、など）を含有する触媒層を有する一般的なガス拡散電極を使用することができる。
【００１４】
この空気極１１は、多孔性のガス拡散電極であるので、孔内に電解液１３が浸入する。よって、空気極１１の厚さが厚くなると、空気極１１に浸漬した電解液１３による液抵抗が増すので、空気極１１の薄型化は、液抵抗による影響が低減されて好ましく、例えば、１０μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
空気極１１には、図示されない集電体を介して負荷２０に接続される正極端子１１’が接続されている。なお、空気極１１で生じた電気を集電する集電体は、空気極１１の一部として設けられていてもよいし、空気電池１００を収容する電池ケース（図示せず）の一部として設けられていてもよい。
【００１６】
空気極１１は、図示されない空気流入口から流入されて空気流路１８を流通する空気（又は酸素）が空気極１１に供給される。あるいは、電解液１３を循環させる構成とし、空気をバブリングさせることによって酸素量を富化させた電解液１３を空気流路１８に流すことによって、空気（酸素）を空気極１１に供給してもよい。
【００１７】
金属電極１２は、金属イオンを放出可能な負極活物質を含む反応層と、その反応層において生じた電気を集電する集電体とを有しており、集電体には、負荷２０に接続される負極端子１２’が接続されている。
【００１８】
ここで、金属電極１２の反応層に使用可能な負極活物質としては、例えば、リチウムイオンや、アルミニウムイオンや、マグネシウムイオンや、ナトリウムイオンや、亜鉛イオンや、鉄イオンなどの金属イオンを放出可能な物質（例えば、金属、金属化合物、合金など）を挙げることができるが、空気極１１と金属電極１２との間を金属イオンが移動して起電力を生じさせるものであれば、特に限定されるものではない。
【００１９】
なお、金属電極１２の大きさは、空気極１１より小さいことが好ましい。金属電極１２を空気極１１より小さく構成し、両電極１１，１２の略中心が合うように配設することにより、金属電極１２における空気極１１側の面における端部への電流の回り込みを促進することができ、それによって、金属電極１２における空気極１１側の面の放電に伴う消費を均一に近づけることができ、かかる面の平滑性の維持に寄与する。
【００２０】
電解液１３は、金属電極１２から放出された金属イオンを伝導可能な液体であれば特に限定されないが、金属電極１２の自己放電が抑制されて高いセル電圧を得やすい非水電解質液であることが好ましい。
【００２１】
非水電解質液としては、例えば、室温で液体となる常温溶融塩（以下、「イオン液体」と称する）や、電解質を有機溶媒に溶解した電解液が挙げられる。なお、電解質を有機溶媒に溶解した電解液を構成する電解質（支持塩）としては、空気電池の電解質液として使用可能な公知の電解質を使用することができ、かかる電解質を溶解可能な有機溶媒を、電解質を有機溶媒に溶解した電解液を構成する有機溶媒として使用することができる。
【００２２】
特に、電解液１３は、イオン液体であることが好ましい。イオン液体は、蒸気圧が低いので、電解液１３として使用した場合に、電解液１３が空気極１１から揮発し難く、電解液１３の減少による出力低下を防ぐことができる。また、イオン液体は、空気極１１からの揮発を抑制できるだけでなく、難燃性であるので、電解液１３として使用することにより、空気電池１００の安全性を高めることができる。
【００２３】
また、電解液１３は、疎水性の非水電解質液であることが好ましい。電解液１３を疎水性の非水電解質液とすることにより、空気極１１を介して水分が電解液１３に混入し難くなるので、系外から混入した水分による電池性能の低下を好適に抑制できる。
【００２４】
電解液１３として好ましい非電解質液としては、フルオロハイドロジェネート系のイオン液体、ＴＦＳＩ（ビストリフルオロメタンスルホニルイミド）系のイオン液体、ジエチルメチルアンモニウム−トリフルオロメタンスルホネートなどの疎水性の非電解質液が適用できる。
【００２５】
セパレータ１５は、空気極１１と金属電極１２との間に電解液１３を介在させるべく多孔性を有すると共に、空気極１１と金属電極１２とを絶縁すべく絶縁性を有している。かかるセパレータ１５は、多孔性及び絶縁性の両方を兼ね備えていれば、特に限定されるものではなく、例えば、多孔性ポリマーシートや、多孔性のセラミック板などを使用できる。
【００２６】
セパレータ１５は、空気極１１と金属電極１２との間隔（即ち、金属イオンの移動距離）を短くできるよう、その厚さが薄い方が好ましい。よって、好ましいセパレータ１５としては、例えば、多孔性ポリマーシートが挙げられる。ここで、多孔性ポリマーシートの例としては、セルロース縮合エステルメンブレンフィルタなどが挙げられる。
【００２７】
図１に示すように、本発明の空気電池１００は、金属電極１２をセパレータ１５に押し付ける押圧手段としての押し付け部材１６を有している。なお、図１に示す例では、図面を簡略化する目的で、１つの押し付け部材１６のみが図示されているが、押し付け部材１６の取り付け数は、複数であってもよい。
【００２８】
図１に示す例では、押し付け部材１６は、一端が金属電極１２に取り付けられ、他端が電解液槽１４に取り付けられた弾性体（例えば、バネ部材）として構成されている。この押し付け部材１６としての弾性体は、弾性体の復元力を利用して金属電極１２をセパレータ１５に対して押圧し続ける。
【００２９】
ところで、金属電極１２は、放電（発電）時における電極反応の結果として金属イオンが放出される。そのため、放電時間（発電時間）が経過するにつれて、金属電極１２は表面から次第に消費される。かかる金属電極１２の消費は、主に、空気極１１に対向する面、即ち、セパレータ１５に接する面において生じる。よって、放電時間が経過するにつれ、金属電極１２と空気極１１との離間距離は次第に増加する。
【００３０】
金属電極１２から空気極１１までの距離が増加すると、金属電極１２から空気極１１へ向かって電解液１３内を移動するイオンの移動距離が長くなるので、液抵抗が増大し、その結果、電池特性が低下する。金属電極１２と空気極１１との離間距離の増大に伴う電池特性の低下は、電解液１３が、電解質水溶液である場合に比べて導電率の低い非水電解質液である場合に顕著となる。
【００３１】
これに対し、本発明の空気電池１００によれば、押し付け部材１６が、金属電極１２をセパレータ１５に対して押圧し続けるので、かかる金属電極１２と空気極１１との間の距離を、放電時間の経過とは無関係に、最小限であるセパレータ１５の厚み程度に維持することができる。
【００３２】
その結果、金属電極１２と空気極１１との間に介在される電解液１３の液抵抗による損失も常時最小限に抑制されるので、放電時間の経過に伴う空気電池１００の電池性能の低下を抑制することができる。
【００３３】
なお、図１に示す例では、押し付け部材１６を弾性体（例えば、バネ部材）とし、かかる弾性体の復元力を利用して金属電極１２をセパレータ１５に押し付ける構成としたが、押し付け部材１６を電動アクチュエータとして構成してもよい。
【００３４】
押し付け部材１６を電動アクチュエータとして構成した場合には、必要に応じて、金属電極１２をセパレータ１５に押し付ける押圧力を適宜制御することが可能となる。例えば、押し付け部材１６としての電動アクチュエータを複数設けると共に、電池ケース（図示せず）に金属電極１２の表面形状を外部から検出可能な窓を設け、窓を介してレーザセンサなどを用いて外部から検出された金属電極１２の表面形状に応じて、各電動アクチュエータの押圧力を制御することによって、セパレータ１５の一部分に押圧力が集中することを防ぐことが可能となる。
【００３５】
ところで、上述した通り、空気極１１と金属電極１２との離間距離が短い程、電解液１３の液抵抗による損失が小さくなる。しかしながら、空気極１１と金属電極１２との距離が近い程、発電反応に伴って生じた酸素還元種である酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３や、Ｌｉ２Ｏ２など）が空気極１１に付着し易くなる。空気極１１に酸素還元種が付着し、触媒層における反応部位が酸素還元種により覆われると、その分、反応効率が低下する。特に、電解液１３が非水電解質液である場合には、電解液１３に対する酸素還元種の溶解度が低くなる傾向にあるため、空気極１１への酸化還元種の付着が顕著となる。
【００３６】
また、上述した通り、液抵抗による影響を低減できるという点において、空気極１１の厚さは薄い程に好ましいが、その一方で、空気極１１の厚さを薄くすると、酸素還元種の付着による反応効率の低下が顕著に生じる。
【００３７】
そこで、本発明の空気電池１００は、空気電池１００による発電（放電）に伴って空気極１１の表面に付着した酸素還元種を、空気極１１を流通する空気（即ち、正極活物質である酸素を含む流体）を用いて系外へ排出する図示されない排出手段を有している。
【００３８】
よって、空気極１１の表面に付着した酸素還元種が排出手段によって系外に排出されるので、空気極１１と金属電極１２とを近接させたり、空気極１１の厚さを薄くした場合であっても、空気極１１への酸素還元種の付着による反応効率の低下を好適に抑制することができる。
【００３９】
ここで、排出手段による酸素還元種の排出は、空気極１１を流通する空気を用いて行われるので、空気極１１への正極活物質の供給と併用して酸素還元種の排出を行うことができる。なお、排出手段により排出された酸素還元種を捕捉するフィルタ手段をさらに有していることが好ましい。
【００４０】
図示されない排出手段としては、例えば、空気極１１へ供給する空気の流量が必要量より多くなるよう調整する空気量調整手段（例えば、ファンやエアポンプなど）を有する構成が挙げられる。また、空気供給手段によって空気の流量を必要量より多くした上で、空気極１１にて乱流を生じさせる乱流発生手段（例えば、空気流路１８の形状）を設ける構成としてもよい。
【００４１】
ここで、酸素量を富化させた電解液１３を空気流路１８に流通させ、それによって空気を空気極１１に供給する場合、即ち、正極活物質である酸素を含む流体が電解液１３である場合には、電解液１３の流量が必要量より多くなるよう調整する電解液流量調整手段（例えば、ポンプなど）を排出手段とすることができる。また、電解液流量調整手段によって電解液１３の流量を必要量より多くした上で、空気極１１にて電解液１３の乱流を生じさせる乱流発生手段（例えば、空気流路１８の形状）を設ける構成としてもよい。
【００４２】
あるいは、例えば、空気極１１に付着した酸素還元種を剥離させる剥離手段（例えば、超音波などのエネルギーを付与する装置）と、空気流路１８の表面を静電気により帯電させ、空気極１１から剥離された酸素還元種を静電気のクーロン力により空気流路１８側に引き寄せる静電吸着手段を設け、空気流路１８の表面に帯電した電荷を必要に応じて放電することによって、空気流路１８側に引き寄せられた酸素還元種を空気に乗せて系外へ排出する構成を、排出手段としてもよい。なお、静電吸着手段としては、内部に電極を配置して、その電極に電圧を印加することによって、表面に静電気を帯電させる一般的な静電吸着装置を適用できる。
【００４３】
以上、説明した通り、本発明の空気電池１００によれば、金属電極１２をセパレータ１５に対して押圧し続ける押し付け部材１６を有しているので、金属電極１２と空気極１１との間の距離を、放電時間の経過とは無関係に、最小限であるセパレータ１５の厚み程度に維持することができ、発電時間の経過に伴う電池特性の低下が抑制され、その結果、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができる。
【００４４】
また、本発明の空気電池１００によれば、空気電池１００による発電（放電）に伴って空気極１１の表面に付着した酸素還元種が、空気極１１を流通する流体（即ち、正極活物質である酸素を含む流体）を用いる排出手段によって系外へと排出されるので、空気極１１への酸素還元種の付着による反応効率の低下を好適に抑制することができ、長時間に亘って良好な電池特性を発揮させることができる。
【００４５】
また、空気極１１の表面に付着した酸素還元種が、空気極１１を流通する流体を用いる排出手段によって系外へと排出されるので、空気極１１と金属電極１２との離間距離を短くできると共に、空気極１１を薄く構成することが可能となる。
【００４６】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の空気電池を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１１      空気極（正極）
１２      金属電極（負極）
１３      電解液（電解質液）
１５      セパレータ
１６      押し付け部材（押圧手段）
１００    空気電池
【図１】
2010157401.tif 000003