(57)【要約】【課題】本発明は、金属からなる電極活物質の表面に金属酸化物が形成されることを抑制して電極活物質を運搬することができる電極集合体を提供する。【解決手段】本発明の電極集合体は、少なくとも２つの電池用電極体を備え、各電池用電極体は、少なくとも２つの金属電極と、前記少なくとも２つの金属電極にそれぞれ接続された連結部材とを備え、各金属電極は、金属からなる電極活物質部を有し、前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記金属電極が積層するように組み合わされたことを特徴とする。【選択図】図３
2014026916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電池用電極体を備え、
各電池用電極体は、少なくとも２つの金属電極と、前記少なくとも２つの金属電極にそれぞれ接続された連結部材とを備え、
各金属電極は、金属からなる電極活物質部を有し、
前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記金属電極が積層するように組み合わされたことを特徴とする電極集合体。
【請求項２】
前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記電極活物質部の対向する表面が露出しないように組み合わされた請求項１に記載の電極集合体。
【請求項３】
前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記金属電極に含まれる前記電極活物質部が接触するように組み合わされた請求項１または２に記載の電極集合体。
【請求項４】
各金属電極は、前記電極活物質部を支持しかつ前記連結部材に接続された支持用集電体をさらに有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の電極集合体。
【請求項５】
前記連結部材は、導電性を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の電極集合体。
【請求項６】
前記電池用電極体は、金属空気電池用電極体である請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極集合体。
【請求項７】
前記電池用電極体は、金属空気電池に装着可能に形成された請求項６に記載の電極集合体。
【請求項８】
前記連結部材は、少なくとも１つの主要面を有し、
前記少なくとも２つの金属電極は、それぞれ前記連結部材の１つの主要面に、実質的に垂直となるように接続され、
前記少なくとも２つの電池用電極体は、１つの電池用電極体に含まれる２つの金属電極の間に、他の電池用電極体に含まれる金属電極が配置されるように組み合わされた請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極集合体。
【請求項９】
４つの前記電池用電極体を備え、
４つの電池用電極体は、１つの電池用電極体に含まれる２つの金属電極の間に、他の３つの電池用電極体にそれぞれ含まれる金属電極が配置されるように組み合わされた請求項８に記載の電極集合体。
【請求項１０】
前記金属電極は、前記連結部材に着脱可能に接続された請求項１〜９のいずれか１つに記載の電極集電体。
【請求項１１】
前記電池用電極体は、前記金属電極上に設けられた第１絶縁部材をさらに備え、
第１絶縁部材は、前記連結部材と共に前記金属電極を挟むように配置された請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電極集合体。
【請求項１２】
前記電池用電極体は、前記連結部材上に設けられた第２絶縁部材をさらに備え、
第２絶縁部材は、２つの金属電極の間に配置された請求項１〜１１のいずれか１つに記載の電極集合体。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の電極集合体を分解することにより得られる電池用電極体と、電解液を溜める電解液槽と、カソードとなる少なくとも２つの空気極とを備え、
前記電池用電極体は、着脱可能に設けられ、
前記電池用電極体に含まれる金属電極は、前記電解液槽内に配置されかつアノードとなる金属空気電池。
【請求項１４】
前記電池用電極体に含まれる金属電極は、前記電解液槽内から抜き出すことができかつ電解液槽内への挿入することができるように設けられた請求項１３に記載の金属空気電池。
【請求項１５】
前記電池用電極体に含まれる金属電極は、２つの前記空気極に挟まれるように配置された請求項１３または１４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、電極集合体および金属空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属からなる電極活物質を有する金属電極をアノードとし、空気極をカソードとする金属空気電池は、高いエネルギー密度を有するため、次世代の電池として注目されている。
金属空気電池を二次電池として用いると充電時に電池内部において金属電極から空気極に向けて樹枝状のデンドライトが生成し短絡の原因となる場合がある。このため、金属空気電池を一次電池として用い、副生成物である金属酸化物などを還元処理することにより、金属からなる電極活物質を製造し金属空気電池に供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一次電池として用いられる金属空気電池として亜鉛空気電池が挙げられる。図１８は亜鉛空気電池の放電反応を説明するための模式的な断面図である。亜鉛空気電池は、図１８に示すようにアルカリ性電解液１０３中に電極活物質である金属亜鉛を含む亜鉛電極１０１を設け、空気極１０５を電解液１０３と接するアニオン交換膜１０６上に設けた構造を有しており、放電反応が進行することにより亜鉛電極１０１と空気極１０５とから電力を出力する。なお、空気極１０５は、一般的にカーボン担体に空気極触媒を担持したものが用いられる。
【０００４】
亜鉛空気電池の放電反応において、亜鉛電極１０１の金属亜鉛がアルカリ性電解液１０３中の水酸化物イオンと反応し、水酸化亜鉛となり亜鉛電極１０１中に電子を放出する。その後、この水酸化亜鉛は脱水して酸化亜鉛が電解液中に析出する。また、空気極１０５において、電子と水と酸素が反応することにより水酸化物イオンが生成され、この水酸化物イオンは、アニオン交換膜１０６を導電し、アルカリ性電解液１０３に移動する。このような放電反応が進行すると、亜鉛電極１０１の金属亜鉛が消費されるため、亜鉛空気電池に電極活物質である金属亜鉛を供給する必要がある。
【０００５】
また、複数の金属電極を電解液槽中に挿入することにより、金属空気電池に金属からなる電極活物質を供給する金属空気電池が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−４５２７０号公報
【特許文献２】特表２００５−５０９２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の金属空気電池を一次電池として用いるシステムでは、製造した金属からなる電極活物質を金属空気電池の設置場所まで運搬する必要があり、運搬中に電極活物質の表面が空気酸化され、金属酸化物が形成される。このため、電極活物質を金属空気電池内に供給する前に電極活物質の表面を酸化させない工夫をする必要がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、金属からなる電極活物質の表面に金属酸化物が形成されることを抑制して電極活物質を運搬することができる電極集合体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、少なくとも２つの電池用電極体を備え、各電池用電極体は、少なくとも２つの金属電極と、前記少なくとも２つの金属電極にそれぞれ接続された連結部材とを備え、各金属電極は、金属からなる電極活物質部を有し、前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記金属電極が積層するように組み合わされたことを特徴とする電極集合体を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの金属電極が積層するように組み合わされているため、本発明の電極集合体を分解することにより電池用電極体を得ることができる。
また、電池用電極体が組み合わされた状態で電極活物質部を有する電池用電極体を運搬・貯蔵することができるため、単位体積当りの運搬・貯蔵できる電極活物質の量を多くすることができ、電極集合体のエネルギー密度を高くすることができる。従って、電極活物質を高いエネルギー密度で運搬したり、貯蔵したりすることができる。
さらに、隣接する２つの金属電極が積層されているため、隣接する２つの金属電極に含まれる電極活物質部の対向する表面が空気に触れることを抑制することができ、この電極活物質部の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。このため、本発明の電極集合体を分解し得られる各電池用電極体が備える金属電極の電極活物質部の表面は金属酸化物の形成が抑制されており、電極活物質部をそのまま電池に供給することができる。その結果、電極活物質部の表面の金属酸化物を除去する工程を行う必要がなくコストを低減することができ、また、電池に供給する電極活物質の量を多くすることができる。
【００１０】
本発明によれば、電池用電極体は、少なくとも２つの金属電極と、前記少なくとも２つの金属電極にそれぞれ接続された連結部材とを備え、各金属電極は、金属からなる電極活物質部を有するため、各金属電極を電池に組み込むことにより、各金属電極を電池の電極とすることができる。このことにより、電池用電極体により電極活物質が供給された電池により発電することができる。
また、複数の金属電極を電池の電極とすることができるため、電池に供給する電極活物質の量を多くすることができる。このことにより、この電池用電極体を備える電池の発電量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の電極集合体の構成を示す概略側面図である。
【図２】図１の破線Ａ−Ａにおける電極集合体の概略断面図である。
【図３】図２の破線Ｂ−Ｂにおける電極集合体の概略断面図である。
【図４】図１〜３に示した電極集合体の組み合わせ方法および分解方法の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態の電極集合体の構成を示す概略側面図である。
【図６】本発明の一実施形態の電極集合体に含まれる電池用電極体の概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の電極集合体に含まれる電池用電極体の概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の電極集合体に含まれる電池用電極体の概略断面図である。
【図９】本発明の一実施形態の電極集合体の組み合わせ方法の説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態の電極集合体の構成を示す概略側面図である。
【図１１】図１０の破線Ｃ−Ｃにおける電極集合体の概略断面図である。
【図１２】図１０の一点鎖線Ｄ−Ｄにおける電極集合体の概略断面図である。
【図１３】図１０〜１２に示した電極集合体の組み合わせ方法および分解方法の説明図である。
【図１４】図１０〜１２に示した電極集合体を複数組み合わせた輸送物の概略側面図である。
【図１５】図１４の破線Ｅ−Ｅにおける輸送物の概略断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図である。
【図１７】本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図である。
【図１８】亜鉛空気電池の放電反応を説明するための模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の電極集合体は、少なくとも２つの電池用電極体を備え、各電池用電極体は、少なくとも２つの金属電極と、前記少なくとも２つの金属電極にそれぞれ接続された連結部材とを備え、各金属電極は、金属からなる電極活物質部を有し、前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記金属電極が積層するように組み合わされたことを特徴とする。
【００１３】
本発明において、金属電極とは、金属空気電池、アルカリ・マンガン電池、マンガン電池などの電池の電極であり、電極活物質である金属を備える。
本発明において、連結部材とは、複数の金属電極を連結する部材である。
本発明において、電池用電極体とは電池の電極となる金属電極を含むものであり、電池の一部を構成できるものをいう。
本発明において、電極集合体とは少なくとも２つの電池用電極体が組み合わされたものをいい、主に電池用電極体を輸送するときや貯蔵するときに形成される。
【００１４】
本発明の電極集合体において、前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記電極活物質部の対向する表面が露出しないように組み合わされたことが好ましい。
このような構成によれば、この電極活物質部の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
本発明の電極集合体において、前記少なくとも２つの電池用電極体は、隣接する２つの前記金属電極に含まれる前記電極活物質部が接触するように組み合わされたことが好ましい。
このような構成によれば、この電極活物質部の接触面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
本発明の電極集合体において、各金属電極は、前記電極活物質部を支持しかつ前記連結部材に接続された支持用集電体をさらに有することが好ましい。
このような構成によれば、金属電極の破損を抑制することができる。また、金属電極を用いて電池を構成した際、電極活物質部が電池反応の進行に伴い分離してしまうことを抑制することができる。さらに、支持用集電体を導電率の高い材料で構成することにより、金属電極を用いて電池を構成した際、配線抵抗を小さくすることができる。
本発明の電極集合体において、前記電池用電極体は、金属空気電池用電極体であることが好ましい。
このような構成によれば、各金属電極を金属空気電池に組み込むことにより、各金属電極を金属空気電池のアノードとすることができる。このことにより、電池用電極体により電極活物質が供給された金属空気電池により発電することができる。
本発明の電極集合体において、前記電池用電極体は、金属空気電池に装着可能に形成されたことが好ましい。
このような構成によれば、電極集合体を分解して得られる電池用電極体をすぐに金属空気電池に装着することができ、電極活物質部の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
本発明の電極集合体において、前記連結部材は、少なくとも１つの主要面を有し、
前記少なくとも２つの金属電極は、それぞれ前記連結部材の１つの主要面に、実質的に垂直となるように接続され、前記少なくとも２つの電池用電極体は、１つの電池用電極体に含まれる２つの金属電極の間に、他の電池用電極体に含まれる金属電極が配置されるように組み合わされたことが好ましい。
このような構成によれば、電極集合体に含まれる隣接する２つの金属電極に含まれる電極活物質部を接触させることができ、電極活物質部の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。また、単位体積当りの運搬・貯蔵できる電極活物質の量を多くすることができる。
本発明の電極集合体において、４つの前記電池用電極体を備え、４つの電池用電極体は、１つの電池用電極体に含まれる２つの金属電極の間に、他の３つの電池用電極体にそれぞれ含まれる金属電極が配置されるように組み合わされたことが好ましい。
このような構成によれば、電極集合体に含まれる隣接する２つの金属電極に含まれる電極活物質部を接触させることができ、電極活物質部の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。また、単位体積当りの運搬・貯蔵できる電極活物質の量を多くすることができる。
【００１５】
本発明の電極集合体において、前記金属電極は、前記連結部材に着脱可能に接続されたことが好ましい。
このような構成によれば、金属電極を連結部材から取り外した後、電極集合体を分解することができる。
本発明の電極集合体において、前記電池用電極体は、前記金属電極上に設けられた第１絶縁部材をさらに備え、第１絶縁部材は、前記連結部材と共に前記金属電極を挟むように配置されたことが好ましい。
このような構成によれば、電池用電極体を電池に装着し、放電反応を進行させた際、金属電極と電解液槽などとを絶縁することができ、短絡電流が流れることを抑制することができる。また、電極集合体を形成する際に、電極活物質部が傷ついたり、変形したりすることを抑制することができる。
【００１６】
本発明の電極集合体において、前記電池用電極体は、前記連結部材上に設けられた第２絶縁部材をさらに備え、第２絶縁部材は、２つの金属電極の間に配置されたことが好ましい。
このような構成によれば、電池用電極体を電池に装着し、放電反応を進行させた際、連結部材と、イオン交換膜または空気極などとを絶縁することができ、短絡電流が流れることを抑制することができる。
本発明は、本発明の電極集合体を分解することにより得られる電池用電極体と、電解液を溜める電解液槽と、カソードとなる少なくとも２つの空気極とを備え、前記電池用電極体は、着脱可能に設けられ、前記電池用電極体に含まれる金属電極は、前記電解液槽内に配置されかつアノードとなる金属空気電池も提供する。
本発明の金属空気電池によれば、電極活物質部の表面に金属酸化物がほとんど形成されていない金属電極をアノードとすることができるため、起動時から安定して発電することができる。
【００１７】
本発明の金属空気電池において、前記電池用電極体に含まれる金属電極は、前記電解液槽内から抜き出すことができかつ電解液槽内への挿入することができるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、電池用電極体と共に金属電極を取り替えることにより金属空気電池に電極活物質である金属を供給することができる。
本発明の金属空気電池において、前記電池用電極体に含まれる金属電極は、２つの前記空気極に挟まれるように配置されたことが好ましい。
このような構成によれば、金属空気電池に含まれる発電セルを並列に設けることができ、金属空気電池を小型化することができる。
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１８】
図１は本実施形態の電極集合体の構成を示す概略側面図であり、図２は図１の破線Ａ−Ａにおける電極集合体の概略断面図であり、図３は図２の破線Ｂ−Ｂにおける電極集合体の概略断面図である。また、図４は、図１〜３に示した電極集合体の組み合わせ方法および分解方法の説明図である。
図５は本実施形態の電極集合体の構成を示す概略側面図であり、図６〜８は、それぞれ本実施形態の電極集合体に含まれる電池用電極体の概略断面図である。図９は本実施形態の電極集合体の組み合わせ方法の説明図である。
【００１９】
図１０は本実施形態の電極集合体の構成を示す概略側面図であり、図１１は図１０の破線Ｃ−Ｃにおける電極集合体の概略断面図であり、図１２は図１０の一点鎖線Ｄ−Ｄにおける電極集合体の概略断面図である。また、図１３は、図１０〜１２に示した電極集合体の組み合わせ方法および分解方法の説明図である。
図１４は、図１０〜１２に示した電極集合体を複数組み合わせた輸送物の概略側面図であり、図１５は、図１４の破線Ｅ−Ｅにおける輸送物の概略断面図である。
また、図１６、１７は、本実施形態の金属空気電池の概略断面図である。
【００２０】
本実施形態の電極集合体１０は、少なくとも２つの電池用電極体１を備え、各電池用電極体１は、少なくとも２つの金属電極２と、前記少なくとも２つの金属電極２にそれぞれ接続された連結部材５とを備え、各金属電極６は、金属からなる電極活物質部９を有し、前記少なくとも２つの電池用電極体１は、隣接する２つの金属電極６が積層するように組み合わされたことを特徴とする。
以下、本実施形態の電極集合体１０について説明する。
【００２１】
本実施形態の電極集合体１０は、少なくとも２つの電池用電極体１が組み合わされたものであり、電池用電極体１を輸送するときや、貯蔵するときに形成される。少なくとも２つの電池用電極体１を組み合わせて輸送や貯蔵をすることにより、輸送できる電極活物質の量や貯蔵できる電極活物質の量を多くすることができる。
【００２２】
電極集合体１０は、例えば、図１〜３に示した電極集合体１０のように組み合わされた２つの電池用電極体１ａ、１ｂにより構成される。組み合わせる電池用電極体１の数は特に限定されず、３つ、４つ、５つ、６つでもよい。また、図１０〜１２に示した電極集合体１０では、４つの電池用電極体１ａ〜１ｄを組み合わせている。
【００２３】
電極集合体１０を構成する電池用電極体１は、金属空気電池、アルカリ・マンガン電池、マンガン電池などの電極となる少なくとも２つの金属電極２と、金属電極２が接続された連結部材５とを備える。また、金属電極２は、一次電池の電極となるものであってもよい。
電池用電極体１は、電解液槽などと組み合わせることにより電池を形成できるように形成される。電池用電極体１が金属空気電池用電極体１である場合、電池用電極体１は、電解液槽などと組み合わされることにより金属空気電池を形成できるように構成される。
また、金属電極２は、金属からなる電極活物質部９を有する。また、金属電極２は、電極活物質部９を支持し連結部材５に接続された支持用集電体７を有することができる。
電池用電極体１が備える金属電極２の数は、例えば、２つ以上２０つ以下とすることができる。また、電池用電極体１が備える金属電極２の数は、電池用電極体１を電解液槽１１などに組み込み形成される金属空気電池２５などの発電セルの数と同じにすることができる。
【００２４】
金属電極２は、連結部材５に着脱可能に接続することができる。例えば、図６に示した電池用電極体１のように連結部材５に接続用金具２８を設け、この金具２８に金属電極２の支持用集電体７を接続することにより、金属電極２を連結部材５に着脱可能に接続することができる。例えば、連結部材５と接続用金具２８との間の隙間に支持用集電体７の一部を挿入できるように接続用金具および支持用集電体７を設けることができる。
【００２５】
電極活物質部９を構成する金属は、金属空気電池などの電極活物質となる金属であれば特に限定されないが、例えば、金属亜鉛、金属アルミニウム、金属鉄、金属マグネシウム、金属リチウム、金属ナトリウム、金属カルシウムなどである。
これらの電極活物質は、金属電極２が金属空気電池などに設置され電池反応が進行すると、電極反応により消費される。
電極活物質部９を構成する金属は、例えば、鉱石などの精錬や、金属酸化物の乾式法や湿式法などによる還元などにより製造される。なお、電極活物質となる金属を電解析出により製造する場合、支持用集電体７上に金属を電解析出させてもよい。
電極活物質部９の構造は、例えば、板状、層状、棒状などである。
また、電極活物質部９は、支持用集電体７上に電解析出させた金属層であってもよく、金属スラリーを乾燥させることにより成型した金属塊であってもよく、粉末状の金属を押し固めることにより成型した金属塊であってもよい。
【００２６】
支持用集電体７は、電極活物質部９を支持することができ、電極活物質部９を構成する電極活物質から集電できれば特に限定されないが、例えば、金属板、金属ワイヤーなどである。支持用集電体７を構成する金属は、高い導電率を有し、電解液に対する耐食性を有すれば、限定されない。支持用集電体７を構成する金属は、例えば、ステンレス、ニッケルとすることができる。
金属電極２が支持用集電体７を備えることにより、金属電極２において金属空気電池のアノード反応が進行するとき、電極活物質の大きな塊が金属電極２から分離することを抑制することができる。また、支持用集電体７に導電率の高い金属を用いることにより、アノード反応により生じるキャリアを集電することができる。
【００２７】
また、支持用集電体７は、連結部材５に接続される。また、支持用集電体７は、連結部材５に固定されてもよい。連結部材５が導電性を有する場合、金属電極２は、連結部材５を介して外部回路と接続することができ、金属空気電池が放電することができる。
なお、金属電極２が支持用集電体７を備えない場合、電極活物質部９を連結部材５に接続する。
連結部材５は、接続される金属電極２を連結できる剛性を有すれば特に限定されないが、例えば、板状であってもよく、図９に示した連結部材５のように帯状であってもよい。また、連結部材５は、導電性材料からなってもよく、絶縁性材料からなってもよいが、連結部材５が集電体である場合、連結部材５は高い導電率を有する金属からなる。
【００２８】
連結部材５は、１つの主要面を有することができ、この主要面上に複数の金属電極２が接続されてもよい。このことにより、例えば、図１〜３に示した電極集合体１０または図１０〜１２に示した電極集合体１０のように、複数の電池用電極体１を、隣接する２つの金属電極２が接触するように組み合わせることができ、電極集合体１０を形成することができる。また、電池用電極体１を電解液槽１１などと組み合わせて金属空気電池２５などを形成するとき、連結部材５の主要面が電解液槽側となるように組み合わせることにより、複数の金属電極２を電解液槽１１内に配置することができる。
例えば、図１〜３に示した電極集合体１０を分解することにより得られた電池用電極体１と電解液槽１１などとを組み合わせて図１６に示した金属空気電池２５を形成するとき、連結部材５の主要面が電解液槽１１側となるように金属空気電池２５を形成することができる。
【００２９】
また、複数の金属電極２を連結部材５の主要面上に並列に配置することができる。このことにより、電池用電極体１と電解液槽１１などとを組み合わせて、複数の発電セルを有する金属空気電池２５などを製造することができる。また、連結部材５上の３つ以上の金属電極２が同じ間隔で並列に配置されてもよい。
電極集合体１０を構成する複数の電池用電極体１の連結部材５の主要面上に並列に配置された金属電極２の間隔は、同じであってもよい。このことにより隙間なく複数の電池用電極体１を組み合わせて電極集合体１０を形成することができる。
【００３０】
２つの電池用電極体１を組み合わせて電極集合体１０を形成するとき、１つの電池用電極体１の連結部材５の主要面上に並列に配置された金属電極２の間隔は、金属電極２の厚さと実質的に同じとなるように設けることができる。このことにより、同じ厚さの金属電極２を有する２つの電池用電極体１を隙間なく組み合わせることができる。
３つの電池用電極体１を組み合わせて電極集合体１０を形成するとき、１つの電池用電極体１の連結部材５の主要面上に並列に配置された金属電極２の間隔は、金属電極２の厚さの実質的に２倍となるように設けることができる。このことにより、同じ厚さの金属電極２を有する３つの電池用電極体１を隙間なく組み合わせることができる。
４つの電池用電極体１を組み合わせて電極集合体１０を形成するとき、１つの電池用電極体１の連結部材５の主要面上に並列に配置された金属電極２の間隔は、金属電極２の厚さの実質的に３倍となるように設けることができる。このことにより、同じ厚さの金属電極２を有する４つの電池用電極体１を隙間なく組み合わせることができる。
５つ以上の電池用電極体１を組み合わせて電極集合体１０を形成するときにも同様に金属電極２の間隔を設定することができる。
【００３１】
電池用電極体１は、絶縁部材２０を備えることができる。絶縁部材２０は、例えば、図７のように連結部材５と共に金属電極２を挟むように金属電極２上に設けられてもよい。電池用電極体１と電解液槽１１などとを組み合わせ金属空気電池２５を形成した際、このような絶縁部材２０を設けることにより、金属電極２と電解液槽１１とが電気的に接続することを抑制することができ、短絡電流が流れることを抑制することができる。
また、複数の電池用電極体１を組み合わせ電極集合体１０を形成する際、このような絶縁部材２０を設けることにより、金属電極２に含まれる電極活物質部９が傷ついたり変形したりすることを抑制することができる。
このような絶縁部材２０は、例えば、耐電解液性を有するプラスチック板などにより構成される。また絶縁部材２０は、支持用集電体７に固定される。
【００３２】
また、絶縁部材２０は、例えば、図８のように２つの金属電極２の間の連結部材上に設けられてもよい。電池用電極体１と電解液槽１１などとを組み合わせ金属空気電池２５を形成した際、このような絶縁部材２０を設けることにより、連結部材５と電解液槽１１、イオン交換膜１３または空気極１４とが電気的に接続することを抑制することができ、短絡電流が流れることを抑制することができる。
このような絶縁部材２０は、例えば、連結部材５上に設けられた絶縁性高分子膜、ＳｉＯ2膜などの絶縁性膜などとすることができる。
【００３３】
図１〜３に示した電極集合体１０は、例えば、図４に示した２つの電池用電極体１ａ、１ｂを組み合わせることにより形成される。２つの電池用電極体１ａ、１ｂは、例えば、電池用電極体１ａに含まれる金属電極２ａが電池用電極体１ｂに含まれる２つの金属電池２ｂの間に挿入することにより組み合わせることができる。このことにより、隣接する２つの金属電極２ａ、２ｂを積層するように、電池用電極体１ａ、１ｂを組み合わせることができ、電極集合体１０を形成することができる。この結果、隣接する２つの電極活物質部９ａ、９ｂの対向する表面が露出しないようにすることができ、電極活物質部９ａ、９ｂの対向する表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
電極集合体１０は、隣接する２つの金属電極２ａ、２ｂに含まれる電極活物質部９ａ、９ｂが接触するように電池用電極体１ａ、１ｂを組み合わせ、形成することができる。また、電極集合体１０は、隣接する２つの金属電極２ａ、２ｂに含まれる電極活物質部９ａ、９ｂの間にフィルム材やプラスチック材などを挟んだ状態で電池用電極体１ａ、１ｂを組み合わせ、形成することもできる。
また、電池用電極体１ａに含まれる金属電極２ａを電池用電極体１ｂに含まれる連結部材５ｂに接触させ、電池用電極体１ｂに含まれる金属電極２ｂを電池用電極体１ａに含まれる連結部材５ａに接触させるように電池用電極体１ａ、１ｂを組み合わせることができ、電極集合体１０を形成することができる。
【００３４】
また、電極集合体１０は、図５のように形成することができる。この場合、電極集合体１０を構成する電池用電極体１では、電極集合体１０の金属電極２の積層方向の端面には、電極活物質部９が形成されておらず、板状の支持用集電体７が露出している。このことにより電極集合体１０の金属電極２の積層方向の端面において、電極活物質部９の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
【００３５】
図１０〜１２に示した電極集合体１０は、例えば、図１３に示した４つの電池用電極体１ａ〜１ｄを組み合わせることにより形成される。４つの電池用電極体１ａ〜１ｄは、例えば、電池用電極体１ａに含まれる２つの金属電池２ａの間に電池用電極体１ｂに含まれる金属電極２ｂを挿入し、金属電極２ａと金属電極２ｂとの間に電池用電極体１ｃに含まれる金属電極２ｃを挿入し、金属電極２ａと金属電極２ｃとの間に電池用電極体１ｄに含まれる金属電極１ｃを挿入することにより組み合わせることができる。
【００３６】
このことにより、電池用電極体１ａ〜１ｄを、隣接する２つの金属電極２ａ、２ｂに含まれる電極活物質部９ａ、９ｂが接触し、隣接する２つの金属電極２ｂ、２ｃに含まれる電極活物質部９ｂ、９ｃが接触し、隣接する２つの金属電極２ｃ、２ｄに含まれる電極活物質部９ｃ、９ｄが接触し、隣接する２つの金属電極２ｄ、２ａに含まれる電極活物質部９ｄ、９ａが接触するように組み合わせることができ、電極集合体１０を形成することができる。なお、この場合も隣接する２つの電極活物質部が、フィルム材やプラスチック材を挟むように電池用電極体１ａ〜１ｄを組み合わせることができる。
【００３７】
また、電池用電極体１ａに含まれる金属電極２ａを電池用電極体１ｂに含まれる連結部材５ｂに接触させ、電池用電極体１ｂに含まれる金属電極２ｂを電池用電極体１ａに含まれる連結部材５ａに接触させ、電池用電極体１ｃに含まれる金属電極２ｃを電池用電極体１ｄに含まれる連結部材５ｄに接触させ、電池用電極体１ｄに含まれる金属電極２ｄを電池用電極体１ｃに含まれる連結部材５ｃに接触させるように電池用電極体１ａ〜１ｄを組み合わせることができ、電極集合体１０を形成することができる。
【００３８】
電極集合体１０は、図４、１３のように電池用電極体１の金属電極２が設けられた側を向かい合わせ又は直交するようにし１つの電池用電極体１に含まれる２つの金属電極２間に他の電池用電極体１に含まれる１つの金属電極２を挿入することにより形成されてもよく、図９のように複数の電池用電極体１を連結部材５が同じ側となるように配置し、一方の電池用電極体１に含まれる２つの金属電極２間に他方の電池用電極体１に含まれる１つの金属電極２を挿入するようにスライドさせることにより形成されてもよい。
【００３９】
このような電池用電極体１の組み合わせることによる電極集合体１０の形成は、電池用電極体１を製造した直後に行うことができる。このことにより、電池用電極体１の金属電極２に含まれる電極活物質部９の表面に金属酸化物が形成される前に電極集合体１０を形成することができる。電極集合体１０を形成した後は、隣接する２つの金属電極２に含まれる電極活物質部９は接触しているまたはプラスチック材などを挟んでいるため、接触面１６には空気はほとんど存在せず、接触面を形成する電極活物質部９の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
また、電極集合体１０は、電池用電極体１に含まれる金属電極２が対向する電池用電極体１に含まれる連結部材５に接触するように形成できるため、連結部材５に接触する電極活物質部９の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
このような電極集合体１０を運搬したり、貯蔵したりすることにより、運搬中や貯蔵中に電極活物質部９の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
【００４０】
例えば、図１０〜１２に示した電極集合体１０を運搬する際や貯蔵する際、複数の電極集合体１０により、図１４および１５に示したような輸送物３０を形成することができる。このような輸送物３０を形成すると、単位体積当りの電極活物質の量を多くすることができ、電極活物質を効率よく運搬や貯蔵することができる。
図１４、１５に示した輸送物３０では、横方向に３つの電極集合体１０が並び、縦方向に３つの電極集合体１０が並ぶように９つの電極集合体１０を配置し、この９つの電極集合体１０が前後方向に３つ並ぶように合計２７つの電極集合体が配置されている。このように電極集合体１０を配置することにより、単位体積当りの電極活物質の量を多くすることができ、電極活物質を効率よく運搬や貯蔵することができる。また、前後方向に隣接する２つの電極集合体１０の電極活物質部２が露出した表面を接触させることができ、電極集合体１０の端面の露出した電極活物質部２の表面に金属酸化物が形成されることを抑制することができる。
【００４１】
図１〜３に示した電極集合体１０は、例えば、図４に示した２つの電池用電極体１ａ、１ｂに分解することができる。組み合わされた２つの電池用電極体１ａ、１ｂは、例えば、電池用電極体１ｂに含まれる２つの金属電極２ｂの間から電池用電極体１ａに含まれる金属電極２ａを抜き出すように分解することができる。
【００４２】
図１０〜１２に示した電極集合体１０は、例えば、図１３に示した４つの電池用電極体１ａ〜１ｄに分解することができる。図１０〜１２に示した電極集合体１０は、例えば、電極集合体１０から電池用電極体１ｄ、１ｃ、１ｂの順で抜き出すことにより分解することができる。
【００４３】
このように分解された電池用電極体１の金属電極２に含まれる電極活物質部９の表面のうち、他の金属電極２に含まれる電極活物質部９などと接触していた表面または連結部材５と接触していた表面には、金属酸化物がほとんど形成されていない。このため、電極集合体１０を分解することにより得られた電池用電極体１は、金属空気電池２５などに装着させる前に電極活物質部９の表面の金属酸化物を除去する必要がない。
【００４４】
電極集合体１０を分解することにより得られた電池用電極体１は、電解液槽１１などに組み込まれ、金属空気電池２５などが形成される。例えば、図１〜３に示した電極集合体１０を分解して得られた電池用電極体１は、電解液槽１１などに組み込まれ、図１６のような金属空気電池２５を形成することができる。
【００４５】
一次電池として用いる金属空気電池２５は、放電反応が進行するとアノードの電極活物質である金属が消費されるため、金属電極２の電極活物質部９を構成する金属の量が放電反応に伴い減少していく。このアノードの電極活物質である金属が消費された金属電極２は、電池用電極体１の一部として金属空気電池２５から取外し、電極集合体１０を分解することにより得られた電池用電極体１を金属空気電池２５に装着し、金属空気電池２５を形成することができる。このことにより、金属空気電池２５にアノードの電極活物質である金属を電池に供給することができる。
また、一次電池であるアルカリ・マンガン電池やマンガン電池でも同様に電極活物質である金属を電池に供給することができる。
【００４６】
電極集合体１０を分解することにより得られた電池用電極体１では、電極活物質部９の表面の大部分に金属酸化物が形成されていないため、金属空気電池２５などに電極活物質である金属を供給した後、すぐに金属電極２の表面においてアノード反応を進行させることができ、金属空気電池２５などの初期特性を高めることができる。
【００４７】
金属空気電池の構成
本実施形態の金属空気電池２５は、電極集合体１０を分解することにより得られる１つの電池用電極体１と、電解液１８を溜める電解液槽１１と、カソードとなる少なくとも２つの空気極１４とを備え、電池用電極体１は、着脱可能に設けられ、電池用電極体１に含まれる金属電極２は、電解液槽１１内に配置されかつアノードとなる。
【００４８】
本実施形態の金属空気電池２５は、少なくとも２つの金属電極２と前記少なくとも２つの金属電極２が接続された連結部材５とを備えた電池用電極体１を電解液槽１１などに組み合わせることにより形成される。
【００４９】
また、本実施形態の金属空気電池２５は、例えば、金属電極２、電解液槽１１、イオン交換膜１３、空気極１４および空気流路１５からなる発電セルを複数備えることができる。また、金属空気電池２５が備える発電セルは、１つの金属電極２に対し２つの空気極１４を有してもよい。２つの空気極１４は、金属電極２の両側に設けることができる。
図１６、１７に示した金属空気電池２５は、３つの発電セルを備えている。金属空気電池２５が備える発電セルの数は、電池用電極体１が有する金属電極２の数と同じとすることができる。なお、図１６に示した金属空気電池２５では、発電セルは、１つの金属電極２と１つの空気極１４とを有しており、図１７に示した金属空気電池２５では、発電セルは、１つの金属電極２と金属電極２を挟むように設けられた２つの空気極１４とを有している。
【００５０】
金属空気電池２５が備える発電セルは、図１６のように並列に接続されてもよく、図１７のように直列に接続されてもよい。例えば、図１６のように発電セルが並列に接続する場合、連結部材５を導電性材料で構成することにより連結部材５に接続した各金属電極を電気的に接続し、各空気極１４を配線などで接続することにより並列接続することができる。
例えば、図１７のように発電セルが直列に接続する場合、連結部材５を絶縁性材料で構成し隣接する発電セルの金属電極２と空気極１４とを配線などで接続することにより直列接続することができる。
【００５１】
電極集合体１０を分解することにより得られる電池用電極体１は、着脱可能に設けられる。具体的に説明すると、電池用電極体１に含まれる金属電極２を電解液槽１１内に挿入し、電池用電極体１を金属空気電池２５に装着することができる。また、電池用電極体１に含まれる金属電極２を電解液槽１１内から抜き出し、電池用電極体１を金属空気電池２５から脱離させることができる。
十分な電極活物質を有する金属電極２を備えた電池用電極体１を金属空気電池２５に装着し、金属空気電池２５により発電することができる。その後、金属電極２の電極活物質が電池反応により消費された電池用電極体１を金属空気電池２５から脱離させ、十分な電極活物質を有する金属電極２を備えた電池用電極体１を金属空気電池２５に装着し金属空気電池２５により発電することができる。このようなサイクルを繰り返すことにより、金属空気電池２５に電極活物質を供給することができ、金属空気電池２５により連続的に発電することができる。
【００５２】
電解液槽１１は、電解液１８を溜める電解槽であり、電解液１８に対して耐食性を有する材料からなる。また、電解液槽１８は、その中に金属電極２を設置することができる構造を有する。また、電解液槽１１は、溜めた電解液１８に含まれるイオンが空気極１４に移動できる構造を有する。このことにより電解液槽１１に溜める電解液１８を介して金属電極２と空気極１４との間をイオンが伝導することができる。また、電解液槽１１は、金属空気電池２５が備える発電セルの数と同じ数の電解槽を有することができる。例えば、図１６に示した金属空気電池２５が有する電解液槽１１は３つの電解槽を有している。また、金属空気電池２５は、発電セルごとに電解液槽１１を備えてもよい。
【００５３】
電解液１８は、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する液体である。電解液１８の種類は、電極活物質部９を構成する金属の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解液（電解質水溶液）であってもよく、有機溶媒を用いた電解液（有機電解液）であってもよい。
例えば、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、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、マグネシウム空気電池の場合、電解液には塩化ナトリウム水溶液を用いることができる。また、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、有機電解液を用いることができる。
また、電解液槽１１が固体電解質からなる隔壁を有し、隔壁で仕切られた一方側に電解質水溶液が溜められ、他方側に有機電解液が溜められてもよい。
【００５４】
空気極１４は、例えば、導電性の多孔性担体と多孔性担体に担持された空気極触媒からなる。このことにより、空気極触媒上において、酸素ガスと水と電子を共存させることが可能になり、電極反応を進行させることが可能になる。電極反応に使われる水は、大気中から供給されてもよく、電解液から供給されてもよい。
【００５５】
多孔性担体には、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。
空気極触媒には、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。この合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。
【００５６】
また、空気極１４に含まれる多孔性担体は、その表面に陽イオン基が固定イオンとして存在するように表面処理がなされていてもよい。このことにより、多孔性担体の表面を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
また、空気極１４は、多孔性担体に担持されたアニオン交換樹脂を有してもよい。このことにより、アニオン交換樹脂を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
【００５７】
空気極１４は、空気流路１５に接して設けてもよい。このことにより、空気極１４に酸素ガスを供給することができる。また、空気流路１５を設ける場合、空気流路１５に加湿された空気を流すことにより、空気極１４に酸素ガスと共に水も供給できる。空気流路１５は、例えば、集電部材に設けることができる。このことにより、空気流路１５を形成することができると共に集電部材を介して空気極１４と外部回路とを接続することができ、金属空気電池２５の電力を外部回路に出力することができる。
【００５８】
空気極１４は電解液槽１１に溜める電解液１８に接触するように設けてもよい。このことにより、空気極１４で生成した水酸化物イオンが容易に電解液１８へ移動することができる。また、空気極１４における電極反応に必要な水が電解液１８から空気極１４に供給されやすくなる。
また、空気極１４は、電解液槽１１に溜める電解液１８と接触するイオン交換膜１３と接触するように設けてもよい。イオン交換膜１３は、アニオン交換膜であってもよい。このことにより、空気極１４で発生した水酸化物イオンがアニオン交換膜を伝導し、電解液へ移動することができる。
【００５９】
イオン交換膜１３を設けることにより、空気極１４と電解液１８との間を移動するイオン種を限定することができる。イオン交換膜１３がアニオン交換膜である場合、アニオン交換膜は、固定イオンである陽イオン基を有するため、電解液中の陽イオンは空気極１４に伝導することはできない。これに対し、空気極１４で生成した水酸化物イオンは陰イオンであるため、電解液へと伝導することができる。このことにより、金属空気電池２５の電池反応が進行させることができ、かつ、電解液１８中の陽イオンが空気極１４に移動するのを防止することができる。このことにより、空気極１４における金属や炭酸化合物の析出を抑制することができる。
【００６０】
また、イオン交換膜１３を設けることにより、電解液に含まれる水が空気極に過剰に供給されることを抑制することができる。
イオン交換膜１３としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系の固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。
【符号の説明】
【００６１】
１：電池用電極体    １ａ：第１電池用電極体    １ｂ：第２電池用電極体
２：金属電極    ２ａ：第１金属電極    ２ｂ：第２金属電極
５：連結部材    ５ａ：第１連結部材    ５ｂ：第２連結部材    ５ｃ：第３連結部材    ５ｄ：第４連結部材
７：支持用集電体    ７ａ：第１支持用集電体    ７ｂ：第２支持用集電体
９：電極活物質部    ９ａ：第１電極活物質部    ９ｂ：第２電極活物質部
１０：電極集合体    １１：電解液槽    １３：イオン交換膜    １４：空気極    １５：空気流路    １６：電極活物質部の接触面    １８：電解液    ２０：絶縁部材    ２２：空気供給配管    ２５：金属空気電池    ２８：接続用金具    ３０：輸送物
１０１：亜鉛電極    １０３：アルカリ性電解液    １０５：空気極    １０６：アニオン交換膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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