JP2010170819A

JP2010170819A - 空気電池システム

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Publication number: JP2010170819A
Application number: JP2009011785A
Authority: JP
Inventors: Toru Joboji; 亨上坊寺
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】連続的な高出力を長時間に亘って維持できる空気電池システムを提供すること。
【解決手段】本発明の空気電池システムによれば、空気電池の正極に該電解質液を供給可能な第１流路の出口から排出された電解質液がろ過手段によってろ過されるので、発電（放電）に伴って生成して電解質液に溶解せずに浮遊する固形物を除去することができる。よって、固形物によって循環される電解液がスラリー化し、それによって発生する種々の問題（例えば、放熱性の悪化によるシステムの過熱に伴う不具合や、酸素供給手段による酸素供給性の悪化など）の発生を、電解質液の交換を行うことなく、長時間に亘って抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気電池システムに関し、特に、連続的な高出力を長時間に亘って維持できる空気電池システム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

しかしながら、特許文献１などに記載される従来の空気電池は、連続的な高出力を長時間に亘って維持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、連続的な高出力を長時間に亘って維持できる空気電池システム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記載の空気電池システムは、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、前記電解質液を前記正極に供給可能な第１流路と、を含んで構成される空気電池と、前記第１流路の出口と該第１流路の入口との間に配設され、前記第１流路を流通する前記電解質液を循環させる第２流路と、前記第２流路上に配設され、該第２流路を流通する前記電解質液に酸素を供給する酸素供給手段と、前記第２流路上に配設され、前記第１流路の出口から排出された前記電解質液をろ過するろ過手段と、を備えている。

請求項２記載の空気電池システムは、請求項１記載の空気電池システムにおいて、前記第２流路上における前記ろ過手段の下流側に配設されて前記電解質液を冷却する冷却手段を備えている。

請求項３記載の空気電池システムは、請求項２記載の空気電池システムにおいて、前記冷却手段は、前記第２流路上における前記酸素供給手段の上流側に配設されている。

請求項４記載の空気電池システムは、請求項１から３のいずれかに記載の空気電池システムにおいて、前記第２流路から前記第１流路の入口へ流入される前記電解質液に乱流を生じさせる乱流発生手段を備えている。

請求項１記載の空気電池システムによれば、電解質液が、空気電池の正極に該電解質液を供給可能な第１流路の出口と該第１流路の入口の間に配設された第２流路により循環されるので、正極と負極との間を常時十分な量の電解質液で満たすことができ、電解質液の不足による出力低下を常時防ぐことができるという効果がある。

また、酸素供給手段により酸素が予め供給された電解質液が第１流路に供給されるので、電解質液が循環される空気電池システムにおいて、正極活物質である酸素を正極に常時供給することができ、酸素の供給不足による出力低下を抑制できるという効果がある。

さらに、第１流路の出口から排出された電解質液がろ過手段によってろ過されるので、発電（放電）に伴って生成して電解質液に溶解せずに浮遊する固形物を除去することができる。よって、固形物によって循環される電解液がスラリー化し、それによって発生する種々の問題（例えば、放熱性の悪化によるシステムの過熱に伴う不具合や、酸素供給手段による酸素供給性の悪化など）の発生を、電解質液の交換を行うことなく、長時間に亘って抑制することができる。その結果、連続的な高出力を長時間に亘って維持できるという効果がある。

請求項２記載の空気電池システムによれば、請求項１記載の空気電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。第２流路上におけるろ過手段の下流側には、電解質液を冷却する冷却手段が配設されている。そのため、冷却手段では、ろ過された電解質液が冷却されるので、冷却効率が良く、十分に冷却された電解質液を正極に流通させることができる。

電解質液の温度が低いほど、電解質液に含まれる酸素量（溶存酸素及び気相の酸素の両方を含む酸素量）を増やすことができるので、冷却手段により十分に冷却された電解質液が正極に流通されることにより、酸素量が不十分であることによる発電反応の反応効率の低下を防ぐことができるという効果がある。

請求項３記載の空気電池システムによれば、請求項２記載の空気電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。冷却手段が、第２流路上における酸素供給手段の上流側に配設されているので、冷却手段により十分に冷却された電解質液に酸素を供給することができ、空気電池の正極に供給する電解質液に、十分な酸素量（溶存酸素及び気相の酸素の両方を含む酸素量）を含ませることができる。よって、十分な酸素を正極に供給することができるので、高出力を得ることができるという効果がある。

請求項４記載の空気電池システムによれば、請求項１から３のいずれかに記載の空気電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。第２流路から第１流路の入口へ流入される電解質液が乱流発生手段によって乱流とされるので、発電（放電）に伴って生成して正極に付着した固形物を、正極から剥離して電解質液と共に排出することができる。よって、固形物の付着によって正極における反応性が低下することを長時間に亘って抑制できるので、連続的な高出力を長時間に亘って維持できるという効果がある。

また、乱流の発生によって電解質液に含まれる酸素の拡散が促進されるので、正極への酸素供給の効率が向上し、高出力を得ることができるという効果がある。

本発明の空気電池システムを示す模式図である。空気電池の一例を示す模式図である。

以下、本発明の空気電池システムについて添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の空気電池システム１を示す模式図である。図１に示すように、本発明の空気電池システム１は、図２を参照して後述する空気電池１００と、酸素供給手段としての酸素供給装置１５０と、ろ過手段としてのろ過装置１６０と、冷却手段としての熱交換器１７０と、送液ポンプＰとを含んで構成される。

また、図１に示すように、空気電池システム１は、酸素供給装置１５０と空気電池１００との間を接続する流路１８０ａと、空気電池１００とろ過装置１６０との間を接続する流路１８０ｂと、ろ過装置１６０と熱交換器１７０との間を接続する流路１８０ｃと、熱交換器１７０と送液ポンプＰとの間を接続する流路１８０ｄと、送液ポンプＰと酸素供給装置１５０との間を接続する流路１８０ｅとを有している。

これらの流路１８０ａ〜１８０ｅは、後述する電解液１３（図２参照）を流通させるための流路である。流路１８０ａは、空気電池１００における空気極１１（図２参照）に隣接する空気供給用の流路１８（図２参照）の入口となる一端に接続されており、流路１８０ｂは、かかる流路１８の出口となる一端に接続されている。

よって、本発明の空気電池システム１は、空気電池１００の流路１８を通過した電解液１３が、送液ポンプＰによる送液によって流路１８０ａ〜１８０ｅを循環し、再度、空気電池１００へ戻るよう構成されるものである。

このように、空気電池システム１は、電解液１３が循環される構成であるので、空気電池１００における両電極１１，１２（図２参照）間を、十分な量の電解液１３で常時満たすことができ、その結果として、電解液１３の不足による出力低下を常時防ぐことができる。

酸素供給装置１５０は、空気（又は酸素）のバブリング等によって電解液１３中の酸素量を富化させる装置である。この酸素供給装置１５０により酸素量が富化された電解液１３が、空気電池１００の空気極１１へ供給されるので、電解液１３が循環される本発明の空気電池システム１において、正極活物質である酸素を空気極１１に常時供給することができ、酸素の供給不足による出力低下を抑制できる。

なお、酸素供給装置１５０における「酸素量の富化」とは、電解液１３中に酸素を溶存させることに限らず、電解液１３中に気液二相状態で酸素を混入させることも含むことを意図している。

上述した通り、酸素供給装置１５０により酸素量が富化された電解液１３が空気極１１へ供給されるので、電解液１３中に溶存させる酸素量が多い程、多くの酸素を空気極１１に供給できる。よって、酸素供給装置１５０にて、電解液１３中の酸素量を飽和させることが好ましい。

また、酸素供給装置１５０において、マイクロバブリング等により電解液１３中に空気（又は酸素）を気液二相状態で混入し、その気液二相状態の電解液１３を、空気電池１００の空気極１１へ供給する構成とすることが好ましい。気相状態で電解液に混入する空気（又は酸素）は、溶存酸素に比べて拡散速度が速い。よって、気液二相状態の電解液１３を空気極１１へ供給することにより、空気極１１の近傍における酸素の拡散速度が向上し、空気極１１における電極反応（酸素の還元反応）を促進することができる。

このように、空気電池システム１は、酸素供給装置１５０により酸素量が富化された電解液１３を空気極１１へ供給することにより、空気極１１へ酸素を供給する。よって、空気電池１００への電解液１３の送液流量を負荷に応じて制御する構成としてもよい。かかる構成により、酸素の供給不足による出力低下を防ぐことができる。

ろ過装置１６０は、空気電池１００から排出された電解液１３に浮遊する固形物を除去する装置である。この固形物は、主に、空気電池１００における発電反応に伴って生成する放電生成物である酸化物（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３や、Ｌｉ_２Ｏ_２など）である。

電解液１３に浮遊する固形物が、ろ過装置１６０により除去されるので、かかる固形物の蓄積に伴う電解液１３のスラリー化を抑制することができる。電解液１３がスラリー化されると放熱性が悪くなるが、ろ過装置１６０を通過させることにより、電解液１３に浮遊する固形物が除去され、スラリー化による放熱性の悪化を防止できるので、後述する熱交換器１７０による電解液１３の冷却が容易となり、十分に冷却された電解液１３を空気電池１００へ供給することができる。

また、電解液１３がスラリー化されると、種々の不具合（例えば、放熱性の悪化による空気電池システム１の過熱に伴う不具合や、酸素供給装置１５０による酸素供給性の悪化など）が発生し易くなるが、空気電池１００から排出された電解液１３をろ過するろ過手段１６０を設けたことにより、これらの不具合を回避することができる。

熱交換器１７０は、外部を流通する冷媒との熱交換によって電解液１３の温度を冷却する装置である。熱交換器１７０に使用される冷媒としては、水などの液体であっても、外気などの気体であってもよい。

図１に示すように、本発明の空気電池システム１において、熱交換器１７０は、ろ過装置１６０の下流側に設けられている。上述した通り、空気電池１００から排出された電解液１３が、ろ過装置１６０を通過することにより、電解液１３の放熱性の悪化が防止されるので、冷却効率が良く、十分に冷却された電解液１３を空気電池１００（空気極１１）へ供給することができる。

電解液１３の温度が低いほど、電解液１３に含まれる酸素量（溶存酸素及び／又は気相の酸素）を増やすことができるので、熱交換器１７０により十分に冷却された電解液１３が空気極１１に流通されることにより、酸素量が不十分であることによる発電反応の反応効率の低下を防ぐことができる。

特に、熱交換器１７０の下流側に酸素供給装置１５０が設けられているので、熱交換器１７０により電解液１３が十分に冷却されたことにより、酸素供給装置１５０にて、電解液１３中に十分な量の酸素（溶存酸素及び／又は気相の酸素）を含ませることができる。よって、十分な酸素を空気極１１に供給することができるので、反応効率が良く、その結果として、高出力を得ることができる。

次に、図２を参照して、本発明の空気電池システム１において使用される空気電池１００を例示する。図２は、空気電池１００の一例を示す模式図である。図２に示すように、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１３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、酸素供給装置１５０により酸素（空気）が富化された電解液１３を流通させるための流路１８とを有している。

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、ＭｎＯ_２、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。この空気極１１へは、流路１８を流通する電解液１３中に含まれる酸素（空気）が供給される。

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。なお、空気極１１を触媒層によってのみ構成してもよい。空気極１１を触媒層のみから構成することにより、空気極１１の薄型化が一層容易になる。

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。

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。

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。

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１３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、後述するイオン液体（常温溶融塩）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。

また、本明細書において、イオン液体とは、融点が１８０℃以下でカチオン部分とアニオン部分とからなるイオン性物質のことをいう。イオン液体のカチオン部分としては、例えば、イミダゾリウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、第四級アンモニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、第四級ホスホニウムカチオン等が挙げられる。

上記イミダゾリウムカチオンとしては、例えば、１，３−ジメチルイミダゾリウムイオン、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−メチル−３−プロピルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−メチル−３−ペンチルイミダゾリウムイオン、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−ヘプチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムイオン、１−デシル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−ドデシル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−エチル−３−プロピルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−３−エチルイミダゾリウムイオン等のジアルキルイミダゾリウムイオン；３−エチル−１，２−ジメチル−イミダゾリウムイオン、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２−ジメチル−３−ヘキシルイミダゾリウムイオン、１，２−ジメチル−３−オクチルイミダゾリウムイオン、１−エチル−３，４−ジメチルイミダゾリウムイオン、１−イソプロピル−２，３−ジメチルイミダゾリウムイオン等のトリアルキルイミダゾリウムイオン等を挙げることができる。

上記ピロリジニウムカチオンとしては、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルピロリジニウムイオン、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムイオン、Ｎ−ブチル−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−ペンチルピロリジニウムイオン、Ｎ−ヘキシル−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−オクチルピロリジニウムイオン、Ｎ−デシル−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−ドデシル−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−（２−メトキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−（２−エトキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−（２−プロポキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン、Ｎ−（２−イソプロポキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウムイオン等を挙げることができる。

また、上記ピペリジニウムカチオンとしては、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルピペリジニウムイオン、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピペリジニウムイオン、Ｎ−ブチル−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−ペンチルピペリジニウムイオン、Ｎ−ヘキシル−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−オクチルピペリジニウムイオン、Ｎ−デシル−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン、Ｎ−ドデシル−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン、Ｎ−（２−メトキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン、Ｎ−（２−メトキシエチル）−Ｎ−エチルピペリジニウムイオン、Ｎ−（２−エトキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシフェニル）ピペリジニウムイオン、Ｎ−メチル−Ｎ−（４−メトキシフェニル）ピペリジニウムイオン、Ｎ−エチル−Ｎ−（２−メトキシフェニル）ピペリジニウムイオン、Ｎ−エチル−Ｎ−（４−メトキシフェニル）ピペリジニウムイオン等を挙げることができる。

さらに、上記第四級アンモニウムカチオンとしては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ−テトラメチルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルエチルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルプロピルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルブチルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルペンチルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルヘキシルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルヘプチルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルオクチルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルデシルアンモニウムイオン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルドデシルアンモニウムイオン、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピルアンモニウムイオン、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチルブチルアンモニウムイオン、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチルヘキシルアンモニウムイオン、２−メトキシ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルエチルアンモニウムイオン、２−エトキシ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルエチルアンモニウムイオン、２−プロポキシ−Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルエチルアンモニウムイオン、Ｎ−（２−メトキシエチル）−Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピルアンモニウムイオン、Ｎ−（２−メトキシエチル）−Ｎ，Ｎ−ジメチルブチルアンモニウムイオン等を挙げることができる。

また、上記第四級ホスホニウムカチオンとしては、例えば、テトラメチルホスホニウム、テトラエチルホスホニウム、テトラブチルホスホニウム等の炭素数１〜１６のアルキル基により置換された第四級ホスホニウムカチオン等が挙げられる。

さらに、上記ピリジニウムカチオンとしては、例えば、Ｎ−メチルピリジニウム、Ｎ−エチルピリジニウム、Ｎ−ブチルピリジニウム、Ｎ−プロピルピリジニウム等の炭素数１〜１６のアルキル基により置換されたピリジニウムカチオン等が挙げられる。

一方、上記イオン液体のアニオン部分としては、通常、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻、Ｉ⁻、ＢＦ_４ ⁻、ＢＦ_３Ｃ_２Ｆ_５ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＮＯ_３ ⁻、ＣＦ_３ＣＯ_２ ⁻、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３Ｃ⁻、（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ⁻等が挙げられる。

より好ましい電解液１３は、イオン液体である。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。

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。

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ーなどが挙げられる。

押し付け部材１６は、金属電極１２をセパレータ１５に押し付ける部材１６である。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。

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。なお、押し付け部材１６を、電動アクチュエータにより構成してもよい。

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。

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。

これに対し、押し付け部材１６を設けることにより、かかる押し付け部材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。よって、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。

図１に示すように、空気電池１００における流路１８の入口（即ち、流路１８０ａが接続される側）には、乱流発生手段としての網１９０が設けられている。酸素供給装置１５０により酸素が富化された電解液１３は、網１９０との衝突により乱流とされる。なお、この網１９０は、空気電池１００の一構成であってもよいし、空気電池システム１００に含まれる１つの構成であってもよい。

よって、流路１８を通過する乱流（電解液１３）により、空気電池１００による発電（放電）に伴って空気極１１の表面（細孔内の表面を含む）に付着した放電生成物を、空気極１１から剥離して電解液１３と共に排出することができる。従って、本発明の空気電池システム１によれば、空気極１１への放電生成物の付着による反応効率の低下を長時間に亘って抑制できるので、連続的な高出力を長時間に亘って維持できる。

特に、空気極１１と金属電極１２との距離が短い程、電解液１３の液抵抗による損失を低減させることができるが、発電反応に伴って生じた放電生成物が空気極１１に付着し易くなる。これに対し、網１９０により流路１８の入口へ流入される電解液１３に乱流を生じさせることにより、空気極１１と金属電極１２との距離を近づけることによる上述の弊害を防ぐことができる。よって、本発明の空気電池システム１によれば、空気極１１と金属電極１２との距離が短く、電解液１３の液抵抗による損失の低い空気電池を使用することができるので、高出力を得ることができる。

また、空気極１１の厚さを薄くすることにより、液抵抗による影響を低減できる一方で、空気極１１の厚さを薄くすると、放電生成物の付着による反応効率の低下が顕著に生じる。これに対し、網１９０により流路１８の入口へ流入される電解液１３に乱流を生じさせることにより、空気極１１の厚さを薄くすることによる上述の弊害を防ぐことができる。よって、本発明の空気電池システム１によれば、電解液１３の液抵抗による損失を低くするべく空気極１１の厚さを薄くした空気電池を使用することができるので、高出力を得ることができる。

また、本発明の空気電池システム１によれば、乱流の発生によって電解液１３に含まれる酸素の拡散が促進されるので、空気極１１への酸素供給の効率が向上し、高出力を得ることができる。

以上、説明した通り、本発明の空気電池システム１によれば、空気電池１００から排出された電解液１３が、ろ過装置１６０によってろ過されるので、発電（放電）に伴って生成して電解液１３に溶解せずに浮遊する固形物（放電生成物；本実施形態の例では酸化物）を除去することができる。よって、固形物によって循環される電解液のスラリー化が長期間に亘って防止されるので、連続的な高出力を長時間に亘って維持できる。

また、電解液１３に溶解せずに浮遊する固形物は、ろ過装置１６０によりろ過されるので、空気極１１に付着し、反応の阻害要因となる放電生成物を積極的に脱離させることができる。

よって、空気極１１への放電生成物の付着による反応効率の低下を長時間に亘って抑制できるので、連続的な高出力を長時間に亘って維持できる。その上、電解液１３の液抵抗による損失を低くする構成（空気極１１と金属電極１２との距離の短小化や、空気極１１の薄型化）を有する空気電池１００を使用することが可能となり、高出力を得ることが可能となる。

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。

上記実施形態では、一例としての空気電池１００を図２に示したが、図２に示すようなセパレータ１５を含む空気電池１００に限定されるものではなく、セパレータ１５を含まない空気電池を、本発明の空気電池システム１に採用する構成であってもよい。

上記実施形態では、乱流発生手段として、網１９０を例示したが、フィンや、突起物などにより乱流を発生させる構成であってもよい。また、網１９０の設置位置は、図２に示す位置（流路１８と流路１８０ａとの境界）に限定されず、流路１８内に位置しても、流路１８０ａに位置してもよい。

１空気電池システム
１１空気極（正極）
１２金属電極（負極）
１３電解液（電解質液）
１８流路（第１流路）
１００空気電池
１５０酸素供給装置（酸素供給手段）
１６０ろ過装置（ろ過手段）
１７０熱交換器（冷却手段）
１８０ａ流路（第２流路の一部）
１８０ｂ流路（第２流路の一部）
１８０ｃ流路（第２流路の一部）
１８０ｄ流路（第２流路の一部）
１８０ｅ流路（第２流路の一部）
１９０網（乱流発生手段）

Claims

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、前記電解質液を前記正極に供給可能な第１流路と、を含んで構成される空気電池と、
前記第１流路の出口と該第１流路の入口との間に配設され、前記第１流路を流通する前記電解質液を循環させる第２流路と、
前記第２流路上に配設され、該第２流路を流通する前記電解質液に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記第２流路上に配設され、前記第１流路の出口から排出された前記電解質液をろ過するろ過手段と、を備えていることを特徴とする空気電池システム。
前記第２流路上における前記ろ過手段の下流側に配設されて前記電解質液を冷却する冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の空気電池システム。
前記冷却手段は、前記第２流路上における前記酸素供給手段の上流側に配設されていることを特徴とする請求項２記載の空気電池システム。
前記第２流路から前記第１流路の入口へ流入される前記電解質液に乱流を生じさせる乱流発生手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の空気電池システム。