(57)【要約】【課題】本発明は、水素ガスが金属空気電池から排出されやすい金属空気電池を提供する。【解決手段】本発明の金属空気電池は、電解液を収容する電解液槽と、前記電解液槽中に設けられかつアノードとなる燃料極と、カソードとなる空気極と、前記燃料極を前記電解液槽中に挿入するための電極挿入口と、前記電極挿入口の周りの口縁部とを備え、前記燃料極または前記口縁部は、凹部または貫通孔を有し、前記凹部または前記貫通孔は、前記電解液の液面が前記凹部内または前記貫通孔内に形成されるように設けられたことを特徴とする。【選択図】図１
2015099740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液を収容する電解液槽と、前記電解液槽中に設けられかつアノードとなる燃料極と、カソードとなる空気極と、前記燃料極を前記電解液槽中に挿入するための電極挿入口と、前記電極挿入口の周りの口縁部とを備え、
前記燃料極または前記口縁部は、凹部または貫通孔を有し、
前記凹部または前記貫通孔は、前記電解液の液面が前記凹部内または前記貫通孔内に形成されるように設けられたことを特徴とする金属空気電池。
【請求項２】
前記凹部は、前記液面における前記燃料極と前記口縁部との間隔が前記凹部が設けられていない部分における前記燃料極と前記口縁部との間隔よりも広くなるように設けられた請求項１に記載の金属空気電池。
【請求項３】
前記凹部または前記貫通孔は、前記燃料極に設けられた請求項１又は２に記載の金属空気電池。
【請求項４】
前記凹部は、前記口縁部に設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の金属空気電池。
【請求項５】
前記凹部または前記貫通孔は、複数個設けられた請求項１〜４のいずれか１つ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、金属空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。金属空気電池は、電極活物質を含み電解液中に配置される燃料極をアノードとし、空気極をカソードとすることにより発電する。
代表的な金属空気電池として、金属亜鉛を電極活物質とする亜鉛空気電池が挙げられる。亜鉛空気電池では、カソードにおいて以下の化学式１のような電極反応が進行すると考えられる。
（化学式１）：O2＋２H2O＋４ｅ-→４OH-
また、アノードにおいて以下の化学式２のような電極反応が進行し、電解液中において以下の化学式３のような反応が進行すると考えられる。
（化学式２）：Zn＋４OH-→Zn(OH)42-＋２ｅ-
（化学式３）：Zn(OH)42-→ZnO＋２OH-＋H2O
このような電極反応が進行すると燃料極の電極活物質は消費されるため、金属空気電池は、電極活物質となる金属を供給するために燃料極を交換することができる構造を有する（例えば、特許文献１参照）。このため、金属空気電池本体は、燃料極を交換するための燃料極挿入口を備えている。
このような燃料極挿入口を備えた金属空気電池では、電極間距離を短くするため、および、電解液の蒸発や吹き出し、二酸化炭素の混入等を防ぐため、燃料極挿入口のサイズを燃料極よりも少し大きいサイズで形成している。
【０００３】
また、化学式２により燃料極（アノード）に生じた電子は、外部回路を介して空気極（カソード）へと流れ、化学式１の電極反応に利用される。しかし、燃料極に生じた電子の一部は、燃料極表面において水素ガスを生成する局部電池反応に利用される場合がある。燃料極表面に水素ガスの気泡が生成されると、燃料極における化学式２の反応を阻害する場合があり、金属空気電池の出力を低下させる原因となる場合がある。このため、水素ガスの気泡が生じた場合、この水素ガスを速やかに金属空気電池の外部へ排出する必要がある。また、燃料極表面に水素ガスの気泡が生成されると、電解液の噴き出しの原因となる場合がある。
このため、水素ガスの排出孔を備えた金属空気電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。
なお、水素ガスを生成する局部電池反応は、金属空気電池により放電を行っていない場合でも進行する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５０９２６２号公報
【特許文献２】特開平２−２９５０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の燃料極挿入口を備えた金属空気電池では、燃料極と燃料極挿入口の側壁との隙間が狭いため、電解液と燃料極との界面において発生した気泡内の水素ガスが電解液の液面上の気相中に放出されにくい。このため、水素ガスが気泡として電解液中や燃料極の表面に滞留しやすく、水素ガスが金属空気電池から排出されにくい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスが金属空気電池から排出されやすい金属空気電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電解液を収容する電解液槽と、前記電解液槽中に設けられかつアノードとなる燃料極と、カソードとなる空気極と、前記燃料極を前記電解液槽中に挿入するための電極挿入口と、前記電極挿入口の周りの口縁部とを備え、前記燃料極または前記口縁部は、凹部または貫通孔を有し、前記凹部または前記貫通孔は、前記電解液の液面が前記凹部内または前記貫通孔内に形成されるように設けられたことを特徴とする金属空気電池を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電解液を収容する電解液槽と、電解液槽中に設けられかつアノードとなる燃料極と、カソードとなる空気極とを備えるため、燃料極においてアノード反応を進行させることができ、空気極においてカソード反応を進行させることができる。このことにより、燃料極と空気極との間に起電力を生じさせることができる。
なお、燃料極を電解液中に配置すると、局所電池反応により燃料極の表面上に水素ガスの気泡が生じる。この気泡は、電解液槽内の電解液中を上昇し電極挿入口へ向かい、そして、気泡中の水素ガスを電解液の液面上の気相中に放出することにより消滅する。
本発明によれば、燃料極を電解液槽中に挿入するための電極挿入口と、電極挿入口の周りの口縁部とを備えるため、使用済みとなった燃料極を電極挿入口から抜き出すことができ、新たな燃料極を電極挿入口から電解液槽中に挿入することができる。このことにより、電極活物質を金属空気電池に供給することができる。
本発明によれば、燃料極または口縁部は、凹部または貫通孔を有し、凹部または貫通孔は、電解液の液面が凹部内または貫通孔内に形成されるように設けられるため、電極活物質層の表面上で生じた水素ガスの気泡が電解液の液面に向かう経路を凹部内の電解液中または貫通孔内の電解液中に形成することができる。また、電解液の液面が広くなるため、気泡中の水素ガスが気相中に放出されやすくなる。このことにより、電解液中に水素ガスの気泡が滞留することを抑制することができ、気泡がアノード反応を阻害することを抑制することができる。この結果、金属空気電池の出力が低下することを抑制することができる。また、金属空気電池から電解液が噴き出すことを抑制することができ、金属空気電池の安全性を向上させることができる。また、電解液中で水素ガスの気泡が合体することにより成長することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態の金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略斜視図であり、（ｃ）は本発明の一実施形態の金属空気電池に含まれる金属空気電池本体の概略斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ａ−Ａにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｂ−Ｂにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｄ）は（ｂ）の一点鎖線で囲んだ範囲Ｄの拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態の金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略側面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、水素ガスの気泡が電解液中を上昇し液面上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。
【図５】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｅ−Ｅにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｆ−Ｆにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略側面図である。
【図７】（ａ）（ｂ）は、水素ガスの気泡が電解液中を上昇し液面上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。
【図８】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｈ−Ｈにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｊ−Ｊにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図９】本発明の一実施形態の金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略側面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｌ−Ｌにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｍ−Ｍにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態の金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略側面図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は、水素ガスの気泡が電解液中を上昇し液面上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。
【図１３】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｏ−Ｏにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｐ−Ｐにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図１４】図１３（ａ）の一点鎖線Ｒ−Ｒにおける金属空気電池の概略断面図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）は、水素ガスの気泡が電解液中を上昇し液面上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。
【図１６】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｓ−Ｓにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｔ−Ｔにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図１７】図１６（ａ）の一点鎖線Ｕ−Ｕにおける金属空気電池の概略断面図である。
【図１８】（ａ）（ｂ）は、水素ガスの気泡が電解液中を上昇し液面上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。
【図１９】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｗ−Ｗにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｘ−Ｘにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図２０】図１９（ａ）の一点鎖線Ｙ−Ｙにおける金属空気電池の概略断面図である。
【図２１】（ａ）（ｂ）は、水素ガスの気泡が電解液中を上昇し液面上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。
【図２２】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ａ−Ａにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｂ−Ｂにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図２３】図２２（ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｃにおける金属空気電池の概略断面図である。
【図２４】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｅ−Ｅにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｆ−Ｆにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【図２５】（ａ）（ｂ）は、水素ガスの気泡が電解液中を上昇し液面上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。
【図２６】（ａ）は本発明の一実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｈ−Ｈにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の破線Ｊ−Ｊにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の金属空気電池は、電解液を収容する電解液槽と、前記電解液槽中に設けられかつアノードとなる燃料極と、カソードとなる空気極と、前記燃料極を前記電解液槽中に挿入するための電極挿入口と、前記電極挿入口の周りの口縁部とを備え、前記燃料極または前記口縁部は、凹部または貫通孔を有し、前記凹部または前記貫通孔は、前記電解液の液面が前記凹部内または前記貫通孔内に形成されるように設けられたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の金属空気電池において、前記凹部は、前記液面における前記燃料極と前記口縁部との間隔が前記凹部が設けられていない部分における前記燃料極と前記口縁部との間隔よりも広くな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、凹部において水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡が滞留することを抑制することができる。
本発明の金属空気電池において、前記凹部または前記貫通孔は、前記燃料極に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、燃料極または燃料極ホルダーの重量を軽くすることができる。このため、燃料極の材料コストを低減することや、燃料極の輸送コストを低減することができる。
【００１１】
本発明の金属空気電池において、前記凹部は、前記口縁部に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、燃料極に凹部または貫通孔を設ける必要が無いため、燃料極の製造コストを低減することができる。また、口縁部に凹部を設けることにより、金属空気電池本体を軽量化することができる。
本発明の金属空気電池において、前記凹部または前記貫通孔は、複数個設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、各凹部または各貫通孔において水素ガスの排出を促進することができ、電解液槽２中に気泡が滞留しやすい箇所が生じることを抑制することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
金属空気電池の構成
図１（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図１（ｂ）は本実施形態の金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略斜視図であり、図１（ｃ）は本実施形態の金属空気電池に含まれる金属空気電池本体の概略斜視図である。
図２（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の破線Ａ−Ａにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）の破線Ｂ−Ｂにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図２（ｄ）は図２（ｂ）の一点鎖線で囲んだ範囲Ｄの拡大図である。なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）（ｃ）の破線Ｃ−Ｃにおける金属空気電池の概略断面図である。
図３は本実施形態の金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略側面図である。
【００１４】
本実施形態の金属空気電池３５は、電解液３を収容する電解液槽２と、電解液槽２中に設けられかつアノードとなる燃料極５と、カソードとなる空気極９と、燃料極５を電解液槽２中に挿入するための電極挿入口１５と、電極挿入口１５の周りの口縁部１７とを備え、燃料極５は、板状の燃料極集電体７と、燃料極集電体７上に設けられた電極活物質層８とを有し、電解液槽２は、燃料極５を電解液３中に挿入した状態において電解液の液面２０が口縁部１７と接触するように構成され、燃料極５または口縁部１７は、凹部２２、２５または貫通孔２３を有し、凹部２２、２５または貫通孔２３は、液面２０が凹部２２、２５内または貫通孔２３内に形成されるように設けられたことを特徴とする。
電解液槽２、燃料極５および空気極９は、セル４を構成してもよい。また、本実施形態の金属空気電池３５は、複数のセル４を重ねたセル集合体を有してもよい。
また、凹部２２、２５、および貫通孔２３は、ガス排出構造を構成することができる。
以下、本実施形態の金属空気電池３５について説明する。
【００１５】
１．セル
セル４は、金属空気電池３５の構成単位であり、電解液槽２中に設けられかつアノードとなる燃料極５と、カソードとなる空気極９とからなる電極対を有する。セル４は、例えば、１つの空気極９と１つの燃料極５とが電解液３を挟むように設けられた電極対を有してもよく、図１（ａ）に示した金属空気電池３５のように２つの空気極９が１つの燃料極５を挟むように設けられた電極対を有してもよい。
また、セル４は、電解液槽２と、電解液槽２中に設けられかつアノードとなる燃料極５と、カソードとなる空気極９とを備えてもよい。また、金属空気電池３５は、１つのセル４を含む単セル構造を有してもよく、複数のセル４が重ねられたセル集合体（スタック構造）を有してもよい。
【００１６】
セル４は、燃料極５を電解液槽２中に挿入するための電極挿入口１５と電極挿入口１５の周りの口縁部１７とを備える。この構成により、電極活物質が消費された燃料極５を電解液槽２中から除去し、新たな電極活物質を有する燃料極５を電解液槽２中に挿入することができる。このことにより、燃料となる電極活物質をセル４（金属空気電池３５）に供給することができる。
セル４は、例えば、図１（ａ）に示したような構成を有することができる。また、セル４は、例えば、図１（ｂ）に示したような金属ホルダー３０に含まれる燃料極５を、図１（ｃ）に示したような金属空気電池本体３１に設けられた電極挿入口１５から電解液槽２内に挿入することにより組み立てることができる。
【００１７】
２．セル集合体
セル集合体は、複数のセル４を重ねたスタック構造を有する。セル集合体は、複数のセル４が１つの電解液槽２内に設けられてもよく、それぞれのセル４が電解液槽２を有してもよい。なお、セル集合体を構成するセル４の数は特に限定されず、必要となる発電能力に応じてセル４の数量を決定すればよい。
また、セル集合体を構成する複数のセル４がそれぞれ電解液槽２を有する場合、各セル４が有する電解液槽２は共通の筐体１に設けられてもよく、各セル４が筐体１を有し、この筐体１に電解液槽２が設けられてもよい。
なお、１つの筐体１に２個または３個のセル４を設け、このような筐体１を複数組み合わせることによりセル集合体を形成してもよい。
セル集合体に含まれる複数のセル４の電極対は、直列接続してもよく、並列接続してもよい。
【００１８】
３．電解液、電解液槽
電解液３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３は、電解液槽２内に溜められる、または電解液槽２内を流通する。電解液３の種類は、燃料極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液（電解質水溶液）であってもよい。また、電解液３は、添加剤を含んでもよい。電解液３は、例えば、電解液を高粘度化させるためにゲル化剤（例えば、ポリアクリル酸カリウム等）を含んでもよい。この場合電解液３は、粘液化又はゲル化していてもよい。
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。
【００１９】
電解液槽２は、電解液３を溜める又は流通させる電解槽であり、 電解液に対して耐食性を有する。また、電解液槽２は、その中に燃料極５を取り出し可能に設置することができる構造を有する。電解液槽２は、金属空気電池本体３１に設けることができる。
電解液槽２の上部には電極挿入口１５および電極挿入口１５の周りの口縁部１７を設けることができる。このことにより、電極挿入口１５を介して燃料極５を電解液槽２中に挿入することができる。また、電極挿入口１５を介して燃料極５を電解液槽２中から取り出すことができる。なお、空気極集電体１０が口縁部１７を構成してもよい。
【００２０】
電極挿入口１５は、金属空気電池本体３１の上部に設けられた開口であり、口縁部１７で囲まれた開口である。また、電極挿入口１５は、燃料極５の挿入方向に垂直な平面における燃料極５の断面と実質的に同じ形状を有することができる。また、新たな燃料極５を電極挿入口１５に挿入する際に口縁部１７と燃料極５との間にわずかな隙間（遊び）ができるように電極挿入口１５を設けることができる。このことにより、電解液の蒸発を抑制することができる。また、大気中の二酸化炭素が電解液に溶け込むことを抑制することができる。さらに、アノードとカソードとの間の電極間距離を短くすることができる。
なお、口縁部１７は、筐体１の一部であってもよい。また、口縁部１７は、筐体１の一部と空気極集電体１０の一部から構成されてもよい。さらに、口縁部１７は、筐体１上又は空気極集電体１０上に設けた別の部材を含んでもよい。この別の部材の材料は、耐食性で絶縁性の材料で有れば特に限定されず、例えば、コーティングした金属、ゴム、樹脂などである。
【００２１】
電解液槽２は、燃料極５を電解液槽２中に挿入した状態において口縁部１７と接触する電解液３の液面２０が形成されるように設けられる。また、電解液槽２は、放電していない場合においても口縁部１７と接触する電解液３の液面２０が形成されるように設けられてもよい。
このことにより、電解液３の液面を狭くすることができ、電解液の蒸発を抑制することができる。また、大気中の二酸化炭素が電解液に溶け込むことを抑制することができる。
なお、電解液３の液面２０は、放電中実質的に同じ位置で維持することができる。例えば、電解液槽２中の電解液３を循環させる場合、電解液３の排出口を電解液３の液面２０と実質的に同じ高さに設けることができる。また、電解液槽２中の電解液３を循環させない場合であっても、電解液３の排出口を電解液３の液面２０と実質的に同じ高さに設けることにより、電解液３の液面２０を実質的に同じ位置で維持することができる。
また、口縁部１７に凹部２５などのガス排出構造を設けることができる。このことにより、電解液３中に発生した気泡内の水素ガスをスムーズに液面２０上の気相中に放出することができる。また、放電を行っていない場合に発生した水素ガスもスムーズに液面２０上の気相中に放出することができる。なお、このことは後述する。
【００２２】
金属空気電池３５が複数のセル４からなるセル集合体を有する場合、それぞれのセル４が別々の電解液槽２を有してもよく、それぞれのセル４の電解液槽２が流路により連通していてもよく、複数のセル４が１つの電解液槽２を共有してもよい。なお、図１（ａ）に示した金属空気電池３５では、電解液槽２の底部および側壁の一部が筐体１であり、電解液槽２の側壁の一部が空気極９である。
【００２３】
金属空気電池３５が電解液槽２内の電解液を流動させる機構を有してもよい。このことにより燃料極５でのアノード反応を促進することができ、金属空気電池３５の性能を向上させることができる。電解液を流動させる機構としては、電解液槽２に電解液導入口と電解液排出口とを設け、ポンプを用いて電解液３を循環させ、電解液槽２内の電解液３を流動させてもよい。また、金属空気電池３５が攪拌機、バイブレーターなどの電解液槽２内の電解液３を物理的に動かすことのできる可動部を備えてもよい。
【００２４】
電解液槽２を構成する筐体１の材料は、電解液に対して耐食性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、ポリ塩化ビニル（PVA）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリ酢酸ビニル、ABS、塩化ビニリデン、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などである。
【００２５】
４．燃料極、燃料極集電体、燃料極ホルダー
燃料極５は、アノードとなる電極である。また、燃料極５は、燃料極集電体７と燃料極集電体７上に設けられた電極活物質層８とを有することができる。また、燃料極５は、電極活物質層８のみからなってもよい。この場合、電極活物質層８が燃料極集電体としての機能も有する。
電極活物質層８は、アノードの電極活物質である金属を含む。電極活物質層８に含まれる電極活物質は、アノード反応により電極活物質層８中に電荷を発生させ金属含有イオンとして電解液に溶解する金属である。また、この金属含有イオンは、その濃度が飽和濃度を超えると電解液中に金属酸化物または金属水酸化物の微粒子などとして析出する。また、電極活物質層８中に発生した電荷は、外部出力された後、空気極９におけるカソード反応に利用される。
従って、電極活物質層８に含まれる電極活物質はアノード反応の進行に伴い徐々に消費されていく。このため、電極活物質層８に含まれる電極活物質が少なくなると、電極活物質層８に発生する電荷が少なくなり金属空気電池３５の出力が低下するため、燃料極５は使用済みとなる。使用済みとなった燃料極５は、電極挿入口１５を介して電解液槽２中から除去され、新たな電極活物質層８を有する燃料極５が電極挿入口１５を介して電解液槽２中に挿入される。
また、電極活物質層８に発生した電荷の一部は、電極活物質層８の表面において水素ガスの気泡を生成する局部電池反応に利用される。生成した水素ガスの気泡は、電解液中を上昇し、電解液の液面２０上の気相中に水素ガスを放出する。気相に放出された水素ガスは、ガス排出孔２８から排出される。
【００２６】
例えば、亜鉛空気電池の場合、電極活物質は金属亜鉛であり、電解液中には水酸化亜鉛または酸化亜鉛が析出する。アルミニウム空気電池の場合、電極活物質は金属アルミニウムであり、電解液中には水酸化アルミニウムが析出する。鉄空気電池の場合、電極活物質は金属鉄であり、電解液中には酸化水酸化鉄または酸化鉄が析出する。マグネシウム空気電池の場合、電極活物質は金属マグネシウムであり、電解液中には水酸化マグネシウムが析出する。
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、電極活物質はそれぞれ、金属リチウム、金属ナトリウム、金属カルシウムであり、電解液中にはこれらの金属の酸化物、水酸化物などが析出する。なお、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、燃料極５と電解液との間に固体電解質膜を有してもよい。このことにより、電極活物質が電解液により腐食されることを抑制することができる。また、この場合、電極活物質は固体電解質膜をイオン伝導した後電解液に溶解する。
なお、電極活物質は、これらの例には限定されず、金属空気電池となるものであればよい。また、電極活物質層８に含まれる電極活物質は、上記の例では一種の金属元素からなる金属を挙げたが、電極活物質層８は合金からなってもよい。
【００２７】
燃料極集電体７は、導電性を有する。また、燃料極集電体７の形態は、板状であってもよく、メッシュ状でもよく、パンチング形状でもよい。また、燃料極集電体７の形態は、電極挿入口１５中では板状であり、電極活物質層８と接触する部分（電極活物質層８で生じた電子を集電する部分）は、メッシュ状又はパンチング形状でもよい。
また、この燃料極集電体７は、例えば、電解液に対して耐食性を有する金属板により形成することができる。燃料極集電体７の材料は、例えば、ニッケル、金、銀、銅、ステンレスなどである。また、燃料極集電体７は、ニッケルめっき処理、金めっき処理、銀めっき処理、銅めっき処理された導電性基材などであってもよい。この導電性基材には、鉄、ニッケル、ステンレスなどを用いることができる。
このことにより、アノード反応により電極活物質層８に生じた電荷を燃料極集電体７により集電することができ、発生させた電荷を外部回路に出力することができる。燃料極集電体７の主要面上への電極活物質層８の固定は、例えば、電極活物質である金属の粒子や塊を燃料極集電体７の表面に押し付けて固定してもよく、燃料極集電体７上にめっき法などにより金属を析出させてもよい。
【００２８】
燃料極５は、電極活物質層８を電解液槽２内に挿入することができ、電極活物質層８を電解液槽２内から抜き出せるように設けられる。このことにより、金属空気電池３５に電極活物質を供給することができる。
また、燃料極５は、燃料極５を電解液槽２中に挿入した状態において電極挿入口１５中に配置されるように設けられる。このことにより、燃料極５を電解液槽２内から容易に抜き出すことができる。
例えば、燃料極５は、支持部１３と共に図１（ｂ）に示したような燃料極ホルダー３０を構成することができる。燃料極ホルダー３０は電極挿入口１５を介して燃料極５を電解液槽２中に挿入できるように設けることができる。
このような構成によると、支持部１３を操作することにより、使用済みとなった燃料極５を電解液槽２中から容易に取り除くことができ、新たな電極活物質層８を有する燃料極５を電解液槽２中に挿入することができる。このことにより、金属空気電池３５に電極活物質を供給することができる。
【００２９】
支持部１３は、電解液槽２に燃料極５を挿入する電極挿入口１５に蓋となるように設けることができる。このことにより、電解液槽２に燃料極５を挿入すると共に電極挿入口１５に蓋をすることができ、大気中の成分と電解液３とが反応することを抑制することができる。例えば、電解液にアルカリ性電解液を用いた場合、大気中の二酸化炭素ガスが電解液に溶け込み、アルカリ性電解液を中和することを抑制することができる。
また、支持部１３は、電解液３の液面２０上の気相中の水素ガスを排出するガス排出孔２８を有することができる。このような構成によれば、電解液槽２内の内圧が上昇することを抑制することができる。
【００３０】
また、燃料極５に凹部２２、貫通孔２３などのガス排出構造を設けることができる。このことにより、電解液３中に発生した気泡内の水素ガスをスムーズに液面２０上の気相中に放出することができる。ガス排出構造は、電極活物質層８に設けられてもよく、燃料極集電体７に設けられてもよい。また、燃料極５が電極活物質層８のみからなる場合、電極活物質層８にガス排出構造を設けることができる。
【００３１】
５．ガス排出構造
ガス排出構造は、電解液３中に発生した気泡内の水素ガスをスムーズに液面２０上の気相中に放出するための構造である。この水素ガスは、放電中に発生したものであってもよく、放電していない状態において発生したものであってもよい。
ガス排出構造は、燃料極５に設けられた凹部２２、燃料極５に設けられた貫通孔２３、口縁部１７に設けられた凹部２５などである。また、ガス排出構造は、燃料極５に設けられた凹部２２または燃料極５に設けられた貫通孔２３と、口縁部１７に設けられた凹部２５とを含んでもよい。
【００３２】
凹部２２、２５、貫通孔２３は、燃料極５を電解液槽２中に挿入した状態において、電解液３の液面２０が凹部２２、２５内または貫通孔２３内に形成されるように設けられる。このため、電極活物質層８の表面上で生じた水素ガスの気泡が電解液３の液面２０に向かう経路を凹部２２、２５内の電解液３中または貫通孔２３内の電解液３中に形成することができる。また、電解液３の液面２０が広くなるため、気泡中の水素ガスが気相中に放出されやすくなる。このことにより、電解液３中に水素ガスの気泡が滞留することを抑制することができ、気泡がアノード反応を阻害することを抑制することができる。
【００３３】
凹部２２、２５、貫通孔２３を設けることにより、凹部２２内、凹部２５内または貫通孔２３内に電解液が入り込むため、電解液槽２に電解液を補充する時に、電解液の液面の上昇速度を低下させることができる。このため、電解液槽２に電解液を補充する際に電解液槽２から電解液が溢れることを抑制することができ、金属空気電池の安全性を向上させることができる。また、凹部２２、２５、貫通孔２３を設けることにより電解液の液面の面積が増加するため、電解液の液面の位置を確認しやすくなり、電解液槽２への電解液の補充が容易になる。
【００３４】
凹部２２、２５は、電解液の液面２０における燃料極５と口縁部１７との間隔が凹部２２、２５または貫通孔２３が設けられていない部分における燃料極５と口縁部１７との間隔よりも広くなるように設けられてもよい。このことにより、水素ガスの気泡が電解液３の液面２０に向かう経路を増やすことができる。また、電解液３の液面２０が広くなるため、気泡中の水素ガスが気相中に放出されやすくなる。電解液の液面２０における燃料極５と口縁部１７との間隔は、例えば、図２（ｄ）に示した間隔ｘである。凹部２２、２５または貫通孔２３が設けられていない部分における燃料極５と口縁部１７との間隔は、例えば図２（ｃ）に示した間隔ｙである。
【００３５】
ガス排出構造として燃料極５に設けた凹部２２または貫通孔２３について説明する。
燃料極５に凹部２２または貫通孔２３を設けることにより、燃料極５または燃料極ホルダー３０の重量を軽くすることができる。このため、燃料極５における材料コストを低減することができ、また、燃料極５の輸送コストを低減することができる。
凹部２２または貫通孔２３の穴形状は、ガスを排出しうる形状であれば特に限定されないが、例えば、四角形、スリット形状などである。さらに凹部２２は、電極活物質層８に設けられてもよく、燃料極集電体７に設けられてもよい。また、凹部２２の形状は溝状とすることができる。また、凹部２２の深さは、燃料極集電体７の厚さを１００としたとき、１０以上４５以下とすることができる。
【００３６】
凹部２２または貫通孔２３は、燃料極５に複数設けられてもよい。このことのより、各凹部２２または各貫通孔２３において水素ガスの排出を促進することができ、電解液槽２中に気泡が滞留しやすい箇所が生じることを抑制することができる。また、凹部２２または貫通孔２３を複数設ける場合、各凹部２２または各貫通孔２３は同じサイズであってもよく、異なるサイズであってもよい。また、凹部２２は、燃料極５の両主要面上にそれぞれ複数設けられてもよい。
また、燃料極５には、凹部２２と貫通孔２３の両方を組み合わせて設けてもよい。この場合、例えば、水素ガスがより溜まりやすい部分には貫通孔２３を設けることができ、水素ガスがあまり溜まらない部分に凹部２２を設けることができる。
凹部２２または貫通孔２３は、凹部２２または貫通孔２３の下端が口縁部１７の下端よりも下側となるように設けることができる。このことにより、燃料極５と口縁部１７の下端との間に気泡３３の移動を妨げるボトルネックが形成されることを抑制することができ、電解液中の気泡の移動経路をより増加させることができる。その結果、発生した水素ガスがより排出されやすくなる。
【００３７】
凹部２２は、燃料極５の両主要面上に設けられてもよく、燃料極５の一方の主要面上にのみ設けられてもよいが、凹部２２を燃料極５の両主要面上に設けることが好ましい。両主要面上に凹部２２を設けることにより、電解液槽２中に気泡が滞留しやすい箇所が生じることを抑制することができる。また、凹部２２を燃料極５の両主要面上に設ける場合、両主要面上の凹部２２は、対称となるように設けられてもよく、交互に位置するように設けられてもよい。
【００３８】
ガス排出構造として口縁部１７に設けた凹部２５について説明する。
金属空気電池本体３１に含まれる口縁部１７に凹部２５を設けることにより、燃料極５に凹部または貫通孔を設ける必要が無いため、燃料極５の製造コストを低減することができる。
凹部２５の穴形状は、ガスを排出しうる形状であれば特に限定されないが、例えば、四角形、スリット形状などである。凹部２５の形状は溝状であってもよく、電解液槽２の底に近づくに従い徐々に燃料極５と口縁部１７との距離が長くなる形状であってもよい。また、凹部２５の深さは、口縁部１７の厚さを１００としたとき、１０以上８０以下とすることができる。
凹部２５は、口縁部１７に複数設けられてもよい。このことのより、各凹部２５において水素ガスの排出を促進することができ、電解液槽２中に気泡が滞留しやすい箇所が生じることを抑制することができる。また、凹部２５を複数設ける場合、各凹部２５は、同じサイズであってもよく、異なるサイズであってもよい。また、凹部２５は、燃料極５の両側の口縁部１７にそれぞれ複数設けられてもよい。
【００３９】
凹部２５は、凹部２５の下端が口縁部１７の下端となるように設けることができる。このことにより、燃料極５と口縁部１７の下端との間に気泡３３の移動を妨げるボトルネックが形成されることを抑制することができ、電解液中の気泡の移動経路をより増加させることができる。その結果、発生した水素ガスがより排出されやすくなる。また、凹部２５の下端が口縁部１７の下端となることにより、口縁部１７の下側に気泡が溜まるスペースが形成されることを抑制することができる。このことにより、水素が排出される際に金属空気電池から電解液が噴き出すことを抑制することができ、金属空気電池の安全性を向上させることができる。
【００４０】
凹部２５は、燃料極５を挟むように設けられた両側の口縁部１７の両方に設けられてもよく、両側の口縁部１７のうち一方のみに設けられてもよいが、凹部２５を両側の口縁部１７の両方に設けることが好ましい。両側の口縁部１７に凹部２５を設けることにより、電解液槽２中に気泡が滞留しやすい箇所が生じることを抑制することができる。また、凹部２５を両側の口縁部１７に設ける場合、両側の口縁部１７に設けた凹部２５は、対称となるように設けられてもよく、交互に位置するように設けられてもよい。
【００４１】
次に図面を用いてガス排出構造を説明する。図１（ａ）、図２（ａ）〜（ｄ）に示した金属空気電池３５または図１（ｂ）、図３に示した燃料極ホルダー３０では、板状の燃料極集電体７の両主要面にそれぞれ凹部２２を設けることによりガス排出構造を形成している。なお、図３は、図２に示した金属空気電池３５に含まれる燃料極ホルダー３０の概略側面図である。
図２（ａ）〜（ｄ）に示した金属空気電池３５に含まれる燃料極ホルダー３０および図３に示した燃料極ホルダー３０は、板状で方形の燃料極集電体７の１つの辺が板状で方形の支持体１３の中央部付近に接合され、Ｔ字形の断面を有している。支持体１３と電極活物質層８との間に電極活物質層８が設けられていない燃料極集電体７の領域が一定の幅で設けられるように燃料極集電体７の両主要面上に電極活物質層８が設けられている。なお、燃料極集電体７の厚さはｄである。
【００４２】
電極活物質層８が設けられていない燃料極集電体７の領域の両主要面上に、深さａ、高さｂ、幅ｃの凹部２２をそれぞれ設けている。なお、２つの凹部２２は実質的に同じ形状であり、実質的に対象となるように設けている。これらの凹部２２がガス排出構造となる。
また、凹部２２は、燃料極ホルダー３０を金属空気電池本体３１に組み込んだ状態において口縁部１７に挟まれる位置に配置されるように設けられ、電解液３の液面２０が凹部２２内に形成されるように設けられている。
このような燃料極ホルダー３０に含まれる燃料極５を、幅ｌの電極挿入口１５から電解液槽２内に挿入し、支持部１３で電極挿入口１５に蓋をすることより、燃料極ホルダー３０を金属空気電池本体３１に組み込み金属空気電池３５を形成している。
このような構成とすると、液面２０における燃料極集電体７と口縁部１７との間隔は、凹部２２を設けた部分では図２（ｄ）に示したｘとなり、凹部２２を設けていない部分では図２（ｃ）（ｄ）に示したｙとなる。
【００４３】
図４（ａ）は、図２の破線Ａ−Ａにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。図４（ｂ）は、図２の破線Ｂ−Ｂにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。凹部２２を設けていない部分では図４（ｂ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｙで一定であるため、電解液中を上昇してきた気泡３３が燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りにくくなっている。また、燃料極集電体７と口縁部１７との間に形成される電解液の液面２０の幅ｙが狭いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されにくい。このため、凹部２２を設けていない部分では電解液中に水素ガスの気泡３３が滞留しやすい。
【００４４】
これに対し、凹部２２を設けている部分では、図４（ａ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｘであり、ｙよりも広い。このため、電解液中を上昇してきた気泡３３は、凹部２２中の電解液にも拡散することができ、燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りやすい。また、燃料極集電体７と口縁部１７との間に形成される電解液の液面２０の幅ｘが広いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されやすい。このため、凹部２２を設けている部分では電解液中に水素ガスの気泡が滞留しにくい。
このため、凹部２２を設けることにより、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。このことにより、気泡がアノード反応を阻害することや、電解液を噴出させることなどを抑制することができる。
【００４５】
図５（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の破線Ｅ−Ｅにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）の破線Ｆ−Ｆにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図５（ａ）は、図５（ｂ）（ｃ）の破線Ｇ−Ｇにおける金属空気電池の概略断面図である。
図６は図５に示した金属空気電池に含まれる燃料極ホルダーの概略側面図である。
図５に示した金属空気電池では、電極活物質層８が設けられていない燃料極集電体７の領域に、長さｄ、高さｂ、幅ｃの貫通孔２３を設けている。この貫通孔２３がガス排出構造となる。
また、貫通孔２３は、燃料極ホルダー３０を金属空気電池本体３１に組み込んだ状態において口縁部１７に挟まれる位置に配置されるように設けられ、電解液３の液面２０が貫通孔２３内に形成されるように設けられている。
このような構成とすると、貫通孔２３を設けた部分では、液面２０の幅は電極挿入口１５の幅ｌと同じである。貫通孔２３を設けていない部分では、液面２０の幅は図５（ｃ）に示した燃料極集電体７と口縁部１７との幅ｙと同じである。
その他の構成は、矛盾がない限り図２に示した金属空気電池３５についての説明と同様である。
【００４６】
図７（ａ）は、図５の破線Ｅ−Ｅにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。図７（ｂ）は、図５の破線Ｆ−Ｆにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。貫通孔２３を設けていない部分では図７（ｂ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｙで一定であるため、電解液中を上昇してきた気泡３３が燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りにくくなっている。また、燃料極集電体７と口縁部１７との間に形成される電解液の液面２０の幅ｙが狭いため、気泡中の水素ガスが気相中に放出されにくい。このため、貫通孔２３を設けていない部分では電解液中に水素ガスの気泡３３が滞留しやすい。
【００４７】
これに対し、貫通孔２３を設けている部分では、図７（ａ）のように液面２０の幅がｌでありｙよりも広い。このため、電解液中を上昇してきた気泡３３は、貫通孔２３中の電解液３にも拡散することができる。また、液面２０の幅ｌが広いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されやすい。このため、貫通孔２３を設けている部分では電解液中に水素ガスの気泡が滞留しにくい。
このため、貫通孔２３を設けることにより、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。このことにより、気泡がアノード反応を阻害することや、電解液を噴出させることなどを抑制することができる。
【００４８】
図８（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の破線Ｈ−Ｈにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）の破線Ｊ−Ｊにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図８（ａ）は、図８（ｂ）（ｃ）の破線Ｋ−Ｋにおける金属空気電池の概略断面図である。
図９は図８に示した金属空気電池３５に含まれる燃料極ホルダー３０の概略側面図である。
図８に示した金属空気電池３５では、電極活物質層８が設けられていない燃料極集電体７の領域に、長さｄ、高さｂ、幅ｃの貫通孔２３を複数、等間隔で設けている。この複数の貫通孔２３がガス排出構造となる。その他の構成は、矛盾がない限り図５に示した金属空気電池についての説明と同様である。
このような構成によると、図５に示した金属空気電池３５と同様に、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。
また、複数の貫通孔２３を設けることにより、各貫通孔２３において気泡３３内の水素ガスを気相中へ放出させることができ、電解液中に気泡３３が滞留しやすい箇所が生じることを抑制することができる。
【００４９】
図１０（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の破線Ｌ−Ｌにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図１０（ｃ）は図１０（ａ）の破線Ｍ−Ｍにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図１０（ａ）は、図１０（ｂ）（ｃ）の破線Ｎ−Ｎにおける金属空気電池の概略断面図である。
図１１は図１０に示した金属空気電池３５に含まれる燃料極ホルダー３０の概略側面図である。
図１０に示した金属空気電池３５では、電極活物質層８が設けられていない燃料極集電体７の領域に、長さｄ、高さｂ、幅ｃの貫通孔２３を設けている。高さｂは、貫通孔２３の下端が口縁部１７の下端よりも下側に位置するように設定している。この貫通孔２３がガス排出構造となる。その他の構成は、矛盾がない限り図５に示した金属空気電池についての説明と同様である。
【００５０】
図１２（ａ）は、図１０の破線Ｌ−Ｌにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。図１２（ｂ）は、図１０の破線Ｍ−Ｍにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。貫通孔２３を設けていない部分では図１２（ｂ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｙで一定であるため、電解液中を上昇してきた気泡３３が燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りにくくなっている。
【００５１】
これに対し、貫通孔２３を設けている部分では、図１２（ａ）のように貫通孔２３の下端が口縁部１７の下端よりも下側に位置するため、口縁部１７の下端と燃料極５との間に電解液中を上昇する気泡３３のボトルネックが形成されることを抑制することができ、気泡３３が貫通孔２３中の電解液に拡散しやすい。また、液面２０の幅ｌが広いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されやすい。このため、貫通孔２３を設けている部分では電解液中に水素ガスの気泡が滞留しにくい。
このため、貫通孔２３を設けることにより、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。このことにより、気泡がアノード反応を阻害することや、電解液を噴出させることなどを抑制することができる。
【００５２】
図１３（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の破線Ｏ−Ｏにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図１３（ｃ）は図１３（ａ）の破線Ｐ−Ｐにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図１３（ａ）は、図１３（ｂ）（ｃ）の破線Ｑ−Ｑにおける金属空気電池の概略断面図である。
図１４は図１３（ａ）の一点鎖線Ｒ−Ｒにおける金属空気電池の概略断面図である。
図１３に示した金属空気電池３５では、燃料極集電体７にガス排出構造を設けておらず、口縁部１７にガス排出構造を設けている。
図１３に示した金属空気電池３５では、口縁部１７の電極挿入口１５に面した部分に、深さａ、高さｂ、幅ｃの凹部２５を設けている。この凹部２５がガス排出構造となる。また、凹部２５は、電解液３の液面２０が凹部２５内に形成されるように設けられている。
このような構成とすると、凹部２５を設けた部分では、液面２０の幅は燃料極集電体７と口縁部１７の隙間ｙと凹部２５の深さａとを足した幅となる。凹部２５を設けていない部分では、液面２０の幅は図１３（ｃ）に示したｙとなる。
その他の構成は、矛盾がない限り図２に示した金属空気電池についての説明と同様である。
【００５３】
図１５（ａ）は、図１３の破線Ｏ−Ｏにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。図１５（ｂ）は、図１３の破線Ｐ−Ｐにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。凹部２５を設けていない部分では図１５（ｂ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｙで一定であるため、電解液中を上昇してきた気泡３３が燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りにくくなっている。このため、凹部２５を設けていない部分では電解液中に水素ガスの気泡３３が滞留しやすい。
【００５４】
これに対し、凹部２５を設けている部分では、図１５（ａ）のように液面２０の幅がｙ＋ａでありｙよりも広い。このため、電解液中を上昇してきた気泡３３は、凹部２５中の電解液にも拡散することができる。また、液面２０の幅ｙ＋ａが広いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されやすい。このため、凹部２５を設けている部分では電解液中に水素ガスの気泡が滞留しにくい。
このため、凹部２５を設けることにより、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。このことにより、気泡がアノード反応を阻害することや、電解液を噴出させることなどを抑制することができる。
【００５５】
図１６（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）の破線Ｓ−Ｓにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図１６（ｃ）は図１６（ａ）の破線Ｔ−Ｔにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図１６（ａ）は、図１６（ｂ）（ｃ）の破線Ｖ−Ｖにおける金属空気電池の概略断面図である。
図１７は図１６（ａ）（ｂ）の一点鎖線Ｕ−Ｕにおける金属空気電池の概略断面図である。
図１６に示した金属空気電池３５では、口縁部１７の電極挿入口１５に面した部分に、電解液槽２の底に近づくに従い口縁部１７と燃料極集電体７との間隔が徐々に広くなる凹部２５を設けている。また、凹部２５は、最も深い深さａ、高さｂ、幅ｃとしている。また、凹部２５の最深部は、口縁部１７の最下部に設けている。この凹部２５がガス排出構造となる。また、凹部２５は、電解液３の液面２０が凹部２５内に形成されるように設けられている。
このような構成とすると、凹部２５を設けた部分では、液面２０の幅は燃料極集電体７と口縁部１７の隙間ｙと凹部２５の深さとを足した幅となる。凹部２５を設けていない部分では、液面２０の幅は図１６（ｃ）に示したｙとなる。
その他の構成は、矛盾がない限り図１３に示した金属空気電池３５についての説明と同様である。
【００５６】
図１８（ａ）は、図１６の破線Ｓ−Ｓにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。図１８（ｂ）は、図１３の破線Ｔ−Ｔにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。凹部２５を設けていない部分では図１８（ｂ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｙで一定であるため、電解液中を上昇してきた気泡３３が燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りにくくなっている。このため、凹部２５を設けていない部分では電解液中に水素ガスの気泡３３が滞留しやすい。また、凹部２５を設けていない部分では図１８（ｂ）のように口縁部１７の下部に水素ガスがたまり易い。
【００５７】
これに対し、凹部２５を設けている部分では、図１８（ａ）のように液面の幅がｙ＋凹部２５の深さでありｙよりも広い。このため、電解液中を上昇してきた気泡３３は、凹部２５中の電解液にも拡散することができる。また、液面２０の幅が広いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されやすい。このため、凹部２５を設けている部分では電解液中に水素ガスの気泡が滞留しにくい。また、凹部２５の最深部を口縁部１７の最下部に設けることにより、口縁部１７の下部に水素ガスがたまることを抑制することができる。
このため、凹部２５を設けることにより、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。このことにより、気泡がアノード反応を阻害することや、電解液を噴出させることなどを抑制することができる。
【００５８】
図１９（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）の破線Ｗ−Ｗにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図１９（ｃ）は図１９（ａ）の破線Ｘ−Ｘにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図１９（ａ）は、図１９（ｂ）（ｃ）の破線Ｚ−Ｚにおける金属空気電池の概略断面図である。
図２０は図１９（ａ）の一点鎖線Ｙ−Ｙにおける金属空気電池の概略断面図である。
図１９に示した金属空気電池３５では、口縁部１７の電極挿入口１５に面した部分に、口縁部１７の最上部から最下部まで深さが一定である凹部２５を設けている。また、凹部２５は、深さａ、高さｂ、幅ｃとしている。この凹部２５がガス排出構造となる。また、凹部２５は、電解液３の液面２０が凹部２５内に形成されるように設けられている。
このような構成とすると、凹部２５を設けた部分では、液面２０の幅は燃料極集電体７と口縁部１７の隙間ｙと凹部２５の深さａとを足した幅となる。凹部２５を設けていない部分では、液面２０の幅は図１９（ｃ）に示したｙとなる。
その他の構成は、矛盾がない限り図１３に示した金属空気電池３５についての説明と同様である。
【００５９】
図２１（ａ）は、図１９の破線Ｗ−Ｗにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。図２１（ｂ）は、図１９の破線Ｘ−Ｘにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。凹部２５を設けていない部分では図２１（ｂ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｙで一定であるため、電解液中を上昇してきた気泡３３が燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りにくくなっている。このため、凹部２５を設けていない部分では電解液中に水素ガスの気泡３３が滞留しやすい。また、凹部２５を設けていない部分では図２１（ｂ）のように口縁部１７の下部に水素ガスがたまり易い。
【００６０】
これに対し、凹部２５を設けている部分では、図２１（ａ）のように液面２０の幅がｙ＋ａでありｙよりも広い。このため、電解液中を上昇してきた気泡３３は、凹部２５中の電解液にも拡散することができる。また、液面２０の幅が広いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されやすい。このため、凹部２５を設けている部分では電解液中に水素ガスの気泡が滞留しにくい。
このため、凹部２５を設けることにより、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。このことにより、気泡がアノード反応を阻害することや、電解液を噴出させることなどを抑制することができる。
【００６１】
図２２（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）の破線Ａ−Ａにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図２２（ｃ）は図２２（ａ）の破線Ｂ−Ｂにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図２２（ａ）は、図２２（ｂ）（ｃ）の破線Ｄ−Ｄにおける金属空気電池の概略断面図である。
図２３は図２２（ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｃにおける金属空気電池の概略断面図である。
図２２に示した金属空気電池３５では、口縁部１７の電極挿入口１５に面した部分に、口縁部１７の最上部から最下部まで深さが一定である凹部２５を複数設けている。また、複数の凹部２５は、深さａ、高さｂ、幅ｃとしている。この凹部２５がガス排出構造となる。また、凹部２５は、電解液３の液面２０が凹部２５内に形成されるように設けられている。
このような構成とすると、凹部２５を設けた部分では、液面２０の幅は燃料極集電体７と口縁部１７の隙間ｙと凹部２５の深さａとを足した幅となる。凹部２５を設けていない部分では、液面２０の幅は燃料極集電体７と口縁部１７の隙間ｙとなる。
その他の構成は、矛盾がない限り図１３に示した金属空気電池３５についての説明と同様である。
このような構成によると、図１９に示した金属空気電池３５と同様に、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。
また、複数の凹部２５を設けることにより、各凹部２５において気泡３３内の水素ガスを気相中へ放出させることができ、電解液槽２中に気泡３３が滞留しやすい箇所が形成されることを抑制することができる。
【００６２】
図２４（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図２４（ｂ）は図２４（ａ）の破線Ｅ−Ｅにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図２４（ｃ）は図２４（ａ）の破線Ｆ−Ｆにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図２４（ａ）は、図２４（ｂ）（ｃ）の破線Ｇ−Ｇにおける金属空気電池の概略断面図である。
図２４に示した金属空気電池３５では、口縁部１７の電極挿入口１５に面した部分に、口縁部１７の最上部から最下部まで深さが一定である凹部２５を設けている。また、燃料極集電体７に貫通孔２３を設けている。また、凹部２５および貫通孔２３は、電解液３の液面２０が凹部２５内および貫通孔２３内に形成されるように設けられている。凹部２５と貫通孔２３の両方がガス排出構造となる。
このような構成とすると、凹部２５および貫通孔２３を設けた部分では、液面２０の幅はｌ（２ａ＋２ｙ＋ｄ）となる。凹部２５および貫通孔２３を設けていない部分では、液面２０の幅は図２４（ｃ）に示したｙとなる。
その他の構成は、矛盾がない限り図１３に示した金属空気電池３５についての説明と同様である。
【００６３】
図２５（ａ）は、図２４の破線Ｅ−Ｅにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。図２５（ｂ）は、図２４の破線Ｆ−Ｆにおける金属空気電池３５において水素ガスの気泡３３が電解液中を上昇し液面２０上の気相に水素ガスを放出する状態の説明図である。凹部２５および貫通孔２３を設けていない部分では図２５（ｂ）のように燃料極集電体７と口縁部１７との間隔がｙで一定であるため、電解液中を上昇してきた気泡３３が燃料極集電体７と口縁部１７との間の電解液中に入りにくくなっている。このため、凹部２５および貫通孔２３を設けていない部分では電解液中に水素ガスの気泡３３が滞留しやすい。また、凹部２５および貫通孔２３を設けていない部分では図２５（ｂ）のように口縁部１７の下部に水素ガスがたまり易い。
【００６４】
これに対し、凹部２５および貫通孔２３を設けている部分では、図２５（ａ）のように液面２０の幅が広い。このため、電解液中を上昇してきた気泡３３は、凹部２５中の電解液および貫通孔２３中の電解液にも拡散することができる。また、液面２０の幅が広いため、気泡３３中の水素ガスが気相中に放出されやすい。このため、凹部２５および貫通孔２３を設けている部分では電解液中に水素ガスの気泡が滞留しにくい。
このため、凹部２５および貫通孔２３を設けることにより、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。このことにより、気泡がアノード反応を阻害することや、電解液を噴出させることなどを抑制することができる。
【００６５】
図２６（ａ）は本実施形態の金属空気電池の概略断面図であり、図２６（ｂ）は図２６（ａ）の破線Ｈ−Ｈにおける金属空気電池の一部の概略断面図であり、図２６（ｃ）は図２６（ａ）の破線Ｊ−Ｊにおける金属空気電池の一部の概略断面図である。なお、図２６（ａ）は、図２６（ｂ）（ｃ）の破線Ｋ−Ｋにおける金属空気電池の概略断面図である。
図２６に示した金属空気電池３５では、口縁部１７が空気極集電体１０の一部と筐体１の一部とから構成される。また、燃料極集電体７に貫通孔２３を設けている。また、貫通孔２３は、電解液３の液面２０が貫通孔２３内に形成されるように設けられている。この貫通孔２３がガス排出構造となる。
このような構成とすると、貫通孔２３を設けた部分では、液面２０の幅はｌ（２ｙ＋ｄ）となる。貫通孔２３を設けていない部分では、液面２０の幅は図２６（ｃ）に示したｙとなる。
その他の構成は、矛盾がない限り図１３に示した金属空気電池３５についての説明と同様である。
このような構成によっても、電解液中の気泡３３に含まれる水素ガスの気相中への放出を促進することができ、電解液中に気泡３３が滞留することを抑制することができる。
【００６６】
６．空気極、空気極集電体、イオン交換膜
空気極９は、カソードとなる電極である。また、空気極９は、空気極触媒層１１と空気極集電体１０とを含んでもよい。空気極９では、大気中の酸素ガスと水と電子から水酸化物イオン（OH-）を生成する。空気極触媒層１１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とを含んでもよい。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。
また、空気極９は、空気極触媒を担持した多孔性担体を導電性多孔性基材（ガス拡散層）に塗布することにより作製されてもよい。例えば、空気極９は、空気極触媒を担持したカーボンをカーボンペーパーやカーボンフェルトに塗布することにより作製することができる。このガス拡散層は、空気極集電体１０として機能してもよい。
金属空気電池３５は、空気極触媒層１１の電荷を集電する空気極集電体１０を備えてもよい。このことにより、空気極触媒層１１で生じた電荷を効率よく外部回路へと取り出すことができる。また、空気極集電体１０は、空気流路１２を形成する部材と同じ部材であってもよい。
空気極集電体１０の材料としては、電解液に対して耐食性すれば特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、銀、銅、ステンレスなどである。また、空気極集電体１０は、ニッケルめっき処理、金めっき処理、銀めっき処理、銅めっき処理された導電性基材などであってもよい。この導電性基材には、鉄、ニッケル、ステンレスなどを用いることができる。
また、空気極集電体１０の形状は、例えば、板状、メッシュ状、パンチングメタルなどとすることができる。
また、空気極集電体１０は、口縁部１７を構成してもよい。
また、空気極集電体１０と、多孔性担体又は導電性多孔性基材（ガス拡散層）とを接合する方法としては、フレームを介してネジ止めにより圧着する方法や、導電性接着剤を用いて結合させる方法などが挙げられる。
また、空気極９は、空気極集電体１０が空気極触媒層１１の内部に設けられる構造を取ってもよい。
【００６７】
１つのセル４に含まれる空気極９は、燃料極５の一方側にのみ設けられてもよく、図１のように燃料極５の両側にそれぞれ設けられてもよい。
空気極触媒層１１に含まれる多孔性担体には、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。
また、空気極触媒層１１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、空気極触媒層１１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。
【００６８】
空気極触媒層１１は、大気に直接接するように設けてもよく、空気流路１２を流れる空気が空気極９に供給されるように設けてもよい。このことにより、空気極９に酸素ガスを供給することができる。また、空気流路１２を設ける場合、空気流路１２に加湿された空気を流すことにより、空気極９に酸素ガスと共に水も供給できる。空気流路１２は、例えば、図１（ｃ）に示した金属空気電池本体３１に含まれる筐体１に設けることができる。
【００６９】
空気極触媒層１１は電解液槽２内の電解液３に接触するように設けてもよい。このことにより、空気極触媒層１１で生成した水酸化物イオンが容易に電解液３へ移動することができる。また、空気極触媒層１１における電極反応に必要な水が電解液３から空気極触媒層１１に供給されやすくなる。
また、空気極触媒層１１は、電解液槽２に溜める電解液３と接触する多孔性樹脂またはイオン交換膜と接触するように設けてもよい。多孔性樹脂またはイオン交換膜は、電解液槽２内の電解液３と空気極触媒層１１とを仕切るように設けることができる。また、イオン交換膜は、アニオン交換膜であってもよい。このことにより、空気極触媒層１１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。
また、多孔性樹脂を設けることにより、空気極触媒層１１と電解液３との間を移動する極微細な粒子が空気極９へ付着することを抑制できる。
イオン交換膜を設けることにより、空気極触媒層１１と電解液３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触媒層１１に伝導することはできない。これに対し、空気極触媒層１１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３５の電池反応が進行させることができ、かつ、電解液３中の陽イオンが空気極触媒層１１に移動するのを防止することができる。このことにより、空気極触媒層１１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。
【００７０】
また、多孔性樹脂またはイオン交換膜を設けることにより、電解液３に含まれる水が空気極触媒層１１に過剰に供給されることを抑制することができる。
多孔性樹脂としては、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール系の多孔膜もしくは不織布が挙げられる。孔径は特に限定されないが、５μｍ以下であることが好ましい。電解液の流通が良くなるよう親水化処理されていることが好ましい。
イオン交換膜としては、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】
【００７１】
１：筐体    ２：電解液槽    ３：電解液    ４：セル    ５：燃料極    ７：燃料極集電体    ８：電極活物質層    ９：空気極    １０：空気極集電体    １１：空気極触媒層    １２：空気流路    １３：支持部    １５：電極挿入口    １７：口縁部    ２０：電解液の液面    ２２：燃料極の凹部    ２３：燃料極の貫通孔    ２５：口縁部の凹部    ２８：ガス排出孔    ３０：燃料極ホルダー    ３１：金属空気電池本体    ３３：気泡    ３５：金属空気電池
【図１】
2015099740.tif 000003
【図２】
2015099740.tif 000004
【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】
2015099740.tif 000009
【図８】
2015099740.tif 000010
【図９】
2015099740.tif 000011
【図１０】
2015099740.tif 000012
【図１１】
2015099740.tif 000013
【図１２】
2015099740.tif 000014
【図１３】
2015099740.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2015099740.tif 000019
【図１８】
2015099740.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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