JP2010170818A - 空気電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い出力を長時間に亘って連続的に供給可能な空気電池装置を提供すること。
【解決手段】本発明の空気電池装置によれば、正極又は負極が他方の電極へ近づく方向に移動可能に設けられており、移動手段により移動させることができる。ここで、取得手段により取得された値（負極と正極との間の距離を示す値又はその指標となる値）に基づき、負極と正極との間の距離が第１距離を超えた場合には、調整手段によって、移動可能な電極を移動手段によって移動させることにより、該距離が第１距離以下に調整される。よって、発電に伴い負極が消費されるにもかからず、負極と正極との間の距離は、常時、第１距離以下に調整され、その結果、高い出力を長時間に亘って連続的に供給できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気電池装置に関し、特に、高い出力を長時間に亘って連続的に供給可能な空気電池装置に関するものである。

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）。

特開２００８−１８１８５３号公報

上述の通り、空気電池は、発電時に、負極における電子放出を伴う金属のイオン化反応を伴う。そのため、空気電池は、発電時間の経過に伴い、負極が消費されて次第に痩せ細り、その結果、電極間距離が増加していく。

空気電池を構成する際、液体電解質を採用した場合には、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、それだけイオン抵抗は大きくなり、出力が低下する。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。従来の空気電池は、発電時間が経過するにつれて電極間距離が増加するので、それに伴ってイオン抵抗による損失も次第に増大する。よって、従来の空気電池は、高い出力を長時間に亘って連続的に供給することが困難であった。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、高い出力を長時間に亘って連続的に供給可能な空気電池装置を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の空気電池装置は、正極活物質として酸素を用いる正極と、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を少なくとも含み、前記負極又は前記正極が他方の電極へ近づく方向へ移動可能に設けられている発電部と、前記移動可能な電極に対し、前記他方の電極へ近づく方向へ移動させる移動手段と、前記負極と前記正極との間の距離を示す値又はその指標となる値を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された値に基づき、前記負極と前記正極との間の距離が第１距離を超えた場合には、前記移動可能な電極を前記移動手段によって移動させて該距離を前記第１距離以下に調整する調整手段と、を備えている。

請求項２記載の空気電池装置は、請求項１記載の空気電池装置において、前記負極と前記正極との間の距離が第２距離以下になることを禁止する禁止手段を備えている。

請求項１記載の空気電池装置によれば、正極又は負極が他方の電極へ近づく方向に移動可能に設けられており、移動手段により移動させることができる。ここで、取得手段により取得された値（負極と正極との間の距離を示す値又はその指標となる値）に基づき、負極と正極との間の距離が第１距離を超えた場合には、調整手段によって、移動可能な電極を移動手段によって移動させることにより、該距離が第１距離以下に調整される。

よって、発電（放電）に伴い負極が消費されるにもかからず、負極と正極との間の距離は、常時、第１距離以下に調整され、イオン抵抗の大きさに起因する損失が増大されることを抑制することができる。従って、高い出力を長時間に亘って連続的に供給できるという効果がある。

請求項２記載の空気電池装置によれば、請求項１記載の空気電池装置の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。負極と正極との間の距離は、禁止手段によって、第２距離以下になることが禁止されているので、負極と正極とが短絡（ショート）されることを防止できるという効果がある。

本発明の空気電池装置を示す模式図である。 空気電池装置における電気的構成を示すブロック図である。 空気電池装置のコントローラにより実行される処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の空気電池装置（空気電池装置１００）について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の空気電池装置を示す模式図である。図１に示すように、空気電池装置１００は、発電部としての空気電池１と、移動手段としてのアクチュエータ３０と、取得手段としてのギャップセンサ４０（図２参照）と、調整手段及び禁止手段としてのコントローラ５０（図２参照）とを有している。

空気電池１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、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、電解液槽１４の外壁の一部をなすと共に、両電極１１，１２を外部と絶縁する絶縁性のセパレータ１５，１６とを有している。

空気極１１は、酸素還元触媒（例えば、Ｐｔ、ＭｎＯ_２、ペロブスカイト型酸化物、など）を含有する反応層１１ａ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。

例えば、図１に示すように、反応層１１ａと、反応層１１ａに隣接すると共に、図示されない空気流路に接続された導電性かつ多孔性を有するガス拡散層１１ｂと、ガス拡散層１１ｂに隣接する集電体１１ｃとから構成される空気極１１を適用することができる。空気極１１の集電体１１ｃには、図示されない正極端子が接続されている。なお、集電体１１ｃは、図１に示すように空気極１１の一部として設けられていてもよいし、空気電池１を収容するケース（図示せず）の一部として設けられていてもよい。

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、図示されない負極端子が接続されている。

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。

なお、金属電極１２における反応層の平面外形は、空気極１１の平面外形より小さいことが好ましい。金属電極１２における反応層の平面外形を空気極１１の平面外形より小さく構成することにより、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る。その結果、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。

本発明の空気電池装置１００において、金属電極１２は、空気極１１へ近づく方向（矢印Ｘ方向）へ移動可能に設けられている。図１に示す例では、金属電極１２は、後述するアクチュエータ３０に取り付けられており、かかるアクチュエータ３０の駆動により、空気極１１へ近づく方向へ移動させることができる。

このように、金属電極１２が空気極１１へ近づく方向へ移動可能に設けられており、アクチュエータ３０の駆動により移動させることができるので、金属電極１２と空気極１１との間のギャップ（距離）を、常時、好適とされる範囲（例えば、３０μｍ〜５０μｍ）内に調整することができる。なお、金属電極１２と空気極１１とのギャップは、電解液１３によるイオン抵抗（液抵抗）を考慮すると、例えば、１００μｍを超えないようにすることが好ましい。

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。

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。

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。

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。

電解液１３として好ましい電解質液としては、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を適用できる。

アクチュエータ３０は、電動のリニアアクチュエータであり、例えば、図１に示すタイプのリニアアクチュエータを適用できる。即ち、駆動用モータ（図示せず）に連結されたボールねじ３０ａと、ボールねじ３０ａの外周に担持されたボールナット３０ｂとから構成され、駆動用モータによってボールねじ３０ａを軸周りに回動させることにより、ボールナット３０ｂを矢印Ｘ方向又はその反対方向に移送するタイプのリニアアクチュエータを一例として適用できる。

図１に示すタイプのリニアアクチュエータでは、金属電極１２をボールナット３０ｂに固定することにより、金属電極１２を、空気極１１に対向させて保持すると共に、空気極１１へ近づく方向へ移動させることができる。なお、図１では、金属電極１２の上下（図１における矢印Ｘ方向に垂直な方向）にそれぞれ１箇所ずつの計２箇所にアクチュエータ３０を設ける構成を例示している。

アクチュエータ３０の設置数は適宜変更可能である。また、アクチュエータ３０の設置位置もまた適宜変更可能である。例えば、金属電極１２の上下に換えて又は加えて、左右（図１における紙面に垂直な方向）に設けてもよい。

また、アクチュエータ３０は、図１に例示したタイプのアクチュエータ以外にも、例えば、筒体からロッドが出入りするシリンダタイプのアクチュエータなど他タイプのアクチュエータも使用できる。シリンダタイプのアクチュエータをアクチュエータ３０として使用する場合には、例えば、筒体側をセパレータ１６に取り付け、ロッドの先端を金属電極１２の背面側（セパレータ１６に対向する側の面）に保持板を介して取り付ければよい。

なお、アクチュエータ３０の分解能は、低い程、金属電極１２の位置を精密に制御できるので好ましいが、両電極１１，１２のギャップに対する制御範囲に応じて適宜選択できる。例えば、金属電極１２と空気極１１との間のギャップを３０μｍ〜５０μｍの範囲内に制御する場合には、１０μｍ程度の分解能を有するアクチュエータを選択できる。

ギャップセンサ４０（図２参照）は、レーザ変位センサなどの光学的変位センサである。ギャップセンサ４０は、電解液槽１４に形成された図示されない窓を介して、入射光を投光し、金属電極１２によって反射された反射光に基づき、金属電極１２における空気極１１側の表面（以下、「検出表面」と称する）を検出する。なお、ギャップセンサ４０の設置数及び設置位置は適宜変更可能である。

本発明の空気電池装置１００は、ギャップセンサ４０による検出結果に基づき、金属電極１２と空気極１１との間のギャップに関する情報を得る。例えば、ギャップセンサ４０がスポットタイプのレーザ変位センサである場合には、空気極１１から所定距離（例えば、３０μｍ，５０μｍ）だけ離れた２箇所に設けたギャップセンサ４０からの入力値に基づき、金属電極１２の検出表面が２つのギャップセンサ４０の間に位置するか否かの情報を得ることができる。あるいは、二次元タイプのレーザ変位センサを用いる場合には、幅方向の検出範囲を、空気極１１から所定距離だけ離れた２箇所を境界とする範囲を含む範囲とし、金属電極１２の検出表面が、それら２箇所を境界とする範囲に含まれるか否かの情報を得ることができる。

図２は、本発明の空気電池装置１００における電気的構成を示すブロック図である。図２に示すように、空気電池装置１００におけるコントローラ５０は、演算装置であるＣＰＵ５１と、ＣＰＵ５１により実行される制御プログラムなどを格納するＲＯＭ５２と、制御プログラムの実行時に各種データを書き換え可能に記憶するＲＡＭ５３とを備え、これらはバスライン５４を介して入出力ポート５５に接続されている。入出力ポート５５には、アクチュエータ３０及びギャップセンサ４０がさらに接続されている。

コントローラ５０は、ギャップセンサ４０から入力された情報に基づき、後述する図３のフローチャートに示す処理により、アクチュエータ３０の動作を制御し、金属電極１２と空気極１１との間のギャップが所定範囲内となるよう制御する。

次に、図３を参照して、上記構成を有する空気電池装置１００において、電極１１，１２間のギャップ（距離）を調整する処理について説明する。図３は、コントローラ５０において実行される電極１１，１２間のギャップを調整する処理を示すフローチャートである。なお、この処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ５２内に格納されている。

この処理は、空気電池１の出力（発電，放電）が開始されると起動する。起動後、まず、ギャップセンサ４０からの入力値を取得し（Ｓ１）、取得した値に基づいて、金属電極１２と空気極１１との間のギャップが、閾値Ａ（例えば、３０μｍ）を下限とし、閾値Ｂ（例えば、５０μｍ）を上限とする範囲内の値であるかを確認する（Ｓ２）。

ギャップが、閾値Ａ未満、または、閾値Ｂを超える場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、アクチュエータ３０を作動し、金属電極１２の位置を移動させ（Ｓ４）、Ｓ１の処理へ戻る。Ｓ４において、ギャップが閾値Ｂを超える場合には、金属電極１２が空気極１１へ近づく方向（図１における矢印Ｘ方向）へ所定量（例えば、１０μｍ）だけ移動するように、アクチュエータ３０を作動させる。一方で、当該ギャップが閾値Ａ未満である場合には、金属電極１２が空気極１１から遠ざかる方向（図１における矢印Ｘ方向とは反対方向）へ所定量（例えば、１０μｍ）だけ移動するように、アクチュエータ３０を作動させる。なお、複数のアクチュエータ３０が設けられている場合には、金属電極１２と空気極１１との並行性が保たれるよう、各アクチュエータ３０を同期させて作動させる。

また、Ｓ２の処理により確認した結果、金属電極１２と空気極１１との間のギャップが、閾値Ａ以上、かつ、閾値Ｂ以下である場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、空気電池１の出力が終了したかを確認し（Ｓ３）、終了していなければ（Ｓ３：Ｎｏ）、Ｓ１の処理へ戻る。一方で、空気電池１の出力が終了した場合には（Ｓ３：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

以上、説明した通り、本発明の空気電池装置１００によれば、取得手段としてのギャップセンサ４０からの入力値に基づき、電極１１，１２間のギャップ（距離）が、予め規定された上限値（閾値Ｂ）を超えた場合には、調整手段としてのコントローラ５０による制御によって、アクチュエータ３０が作動されて、金属電極１２が空気極１１へ近づく方向（空気極１１へ向かう方向）に移動され、それによって、当該ギャップを上限値以下に調整することができる。

よって、発電（放電）時間の経過に伴い、金属電極１２が消費されて空気極１１とのギャップが拡大されるにもかかわらず、両電極１１，１２のギャップを、常時、予め規定された上限値以下にすることができ、それによって、イオン抵抗の大きさに起因する損失が増大されることを抑制することができる。従って、本発明の空気電池装置１００によれば、高い出力を長時間に亘って連続的に供給することができる。

また、本発明の空気電池装置１００によれば、禁止手段としてのコントローラ５０による制御によって、金属電極１２と空気極１１との間のギャップが、閾値Ａ未満である場合には、金属電極１２が空気極１１から遠ざかる方向へ移動するように、金属電極１２の位置が移動され、それにより、金属電極１２と空気極１１との間のギャップが予め規定された下限値（閾値Ａ）より小さくなることが禁止される。よって、金属電極１２が空気極１１に接触して短絡（ショート）することを確実に防止できる。

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。

例えば、上記実施形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を適用することは当然可能である。また、図３のフローチャートにおけるＳ２の処理において、両電極１１，１２のギャップの範囲を規定する２つの不等号のうち、少なくとも一方の不等号が「≦」から「＜」に変更することも当然可能である。

また、上記実施形態では、ギャップセンサによる検出に基づき、金属電極１２と空気極１１との間のギャップを得る構成としたが、金属電極１２の検出表面の位置をイメージセンサなどの他のセンサにより検出する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、ギャップセンサ４０による検出に基づき、金属電極１２と空気極１１との間のギャップを直接的に得る構成としたが、両電極１１，１２のギャップの指標となる値を取得して、かかる指標となる値に基づいて当該ギャップを推定する構成としてもよい。

金属電極１２の反応層は負極活物質から構成されるので、金属電極１２の厚さは、出力電流量や、充電深度（ＳＯＣ；ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）や、空気電池１の重量に比例する。従って、出力電流量や、充電深度や、空気電池１の重量を、両電極１１，１２のギャップの指標となる値として取得することができる。

よって、電流センサを取得手段として設けて出力電流値を取得し、取得した値に基づいてギャップを推定し、推定されたギャップが、閾値Ａから閾値Ｂまでの範囲内にあるか否かを判定し、範囲外である場合に、アクチュエータ３０を作動させて、金属電極１２を移動させる構成としてもよい。

または、電池制御ユニット（ＢＭＵ；ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ）を取得手段として設けて充電深度を取得し、取得した値に基づいてギャップを推定し、推定されたギャップに基づき、必要に応じてアクチュエータ３０を作動させる構成としてもよい。

あるいは、重量センサを取得手段として設けて空気電池１の重量を取得し、取得した値に基づいてギャップを推定し、推定されたギャップに基づき、必要に応じてアクチュエータ３０を作動させる構成としてもよい。

また、上記実施形態では、アクチュエータ３０を移動手段として、かかるアクチュエータ３０を用いて金属電極１２を所定距離ずつ移動させる構成としたが、一端がセパレータ１６に取り付けられ、他端が金属電極１２の背面側（セパレータ１６に対向する側の面）に保持板を介して取り付けた弾性体（例えば、バネ部材）を、アクチュエータ３０に換わる金属電極１２の移動手段として適用してもよい。

かかる構成では、金属電極１２は、弾性体の復元力により、空気極１１へ向かう方向へ押されるので、金属電極１２を所定位置にて固定する移動可能なストッパを設ける。そして、図３のフローチャートにおけるＳ４の処理において、アクチュエータ３０を作動させる代わりにストッパを移動させ、金属電極１２の位置を空気極１１へ近づく方向へ移動させることにより、両電極１１，１２のギャップを調整することができる。

また、上記実施形態では、禁止手段としてのコントローラ５０による制御によって、両電極１１，１２のギャップが予め規定された下限値（閾値Ａ）より小さくなることが禁止される構成としたが、ストッパなどの機械的な禁止手段の設置により当該ギャップが予め規定された下限より小さくなることが禁止される構成であってもよい。

また、上記実施形態では、両電極１１，１２のギャップが、下限値未満、又は、上限値を超える値であった場合に、アクチュエータ３０を作動させて、金属電極１２を移動させる構成としたが、両電極１１，１２のギャップが上限値を以下であるか否かのみを判定し、
ギャップが上限値を超えた場合にのみ、アクチュエータ３０を作動させて、金属電極１２を空気極１１に近づけるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、金属電極１２を移動可能に設け、金属電極１２の移動により、電極１１，１２間のギャップを調整する構成としたが、空気極１１を移動可能とし、空気極１１の移動により、ギャップを調整する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、図示されない空気流路を流通する空気（酸素）が空気極１１に供給される構成としたが、電解質液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質液１３を空気極１１に通過させ、それによって、空気（酸素）を空気極１１に供給する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、１つの空気電池装置１００が、１つの空気電池１と、その空気電池１に対応して設けられるアクチュエータ３０及びギャップセンサ４０と、１つのコントローラ５０とを含む構成としたが、直列接続される複数の空気電池１と、それらの空気電池１に各々に対応して設けられるアクチュエータ３０及びギャップセンサ４０と、コントローラ５０とを含む構成としてもよい。

１つの空気電池装置１００が、直列接続される複数の空気電池１を含む場合には、各空気電池１に対応して設けられるアクチュエータ３０及びギャップセンサ４０を、１のコントローラ５０に接続し、各空気電池１に対し、図３のフローチャートに示す処理を実行して、各空気電池１における電極１１，１２間のギャップの調整を行うように構成すればよい。あるいは、空気電池１の数だけコントローラ５０を設け、各空気電池１における電極１１，１２間のギャップの調整を個々に行うように構成してもよい。

１ 空気電池（発電部）
１１ 空気極（正極）
１２ 金属電極（負極）
１３ 電解液（電解質液）
３０ アクチュエータ（移動手段）
４０ ギャップセンサ（取得手段）
５０ コントローラ（調整手段、禁止手段）
１００ 空気電池装置

Claims (2)

1. 正極活物質として酸素を用いる正極と、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を少なくとも含み、前記負極又は前記正極が他方の電極へ近づく方向へ移動可能に設けられている発電部と、
   前記移動可能な電極に対し、前記他方の電極へ近づく方向へ移動させる移動手段と、
   前記負極と前記正極との間の距離を示す値又はその指標となる値を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得された値に基づき、前記負極と前記正極との間の距離が第１距離を超えた場合には、前記移動可能な電極を前記移動手段によって移動させて該距離を前記第１距離以下に調整する調整手段と、を備えていることを特徴とする空気電池装置。
2. 前記負極と前記正極との間の距離が第２距離以下になることを禁止する禁止手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の空気電池装置。

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