JP2010244729A

JP2010244729A - 空気電池

Info

Publication number: JP2010244729A
Application number: JP2009089460A
Authority: JP
Inventors: Gen Nitta; 巖新田; Fuminori Mizuno; 史教水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】高負荷運転時にも非水系電解液内の酸素拡散率を向上させて放電生成物が集中的に析出することを抑制し、高出力および高容量を実現可能な空気電気と空気電池スタックを提供する。
【解決手段】空気極と、負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う非水系電解液が収容される電解質層とを備え、さらに、運転状況に応じて非水系電解液の温度を制御できる温度制御手段を備えた空気電池とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御手段を備えた空気電池に関する。

空気電池は、酸素を正極活物質とする電池であり、放電時には酸素を含む空気を外部から取り込んで用いる。そのため、正極および負極の活物質を電池内に有する他の一般的な電池に比べて、電池容器内に占める負極活物質の割合を大きくすることが可能である。したがって、原理的に放電できる電気容量が大きく、小型化や軽量化が容易であるという特徴を有している。また、正極活物質として用いる酸素の酸化力は強力であるため、電池起電力が比較的高い。さらに、酸素は資源的な制約がなくクリーンな材料であるという特徴も有するため、空気電池は環境負荷が小さい。このように、空気電池は多くの利点を有しており、携帯機器用電池、電気自動車用電池、ハイブリッド車用電池、燃料電池自動車用電池などへの利用が期待されている。

しかしながら、空気電池にはまだ様々な課題が残されおり、改良に向けて研究が行われている。例えば、非特許文献１には、空気電池の出力に応じて、放電容量、放電生成物の析出状態などに与える影響の調査について記載されている。

また、空気電池は低温では十分な出力を得ることができないため、特許文献１には、空気電池内の電解液温度が所定値を下回っているとき、該電解液を加熱するための手段を備える空気電池が開示されている。

特表平８−５０５７３０号公報

Ｊ．Ｒｅａｄ、「ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬｉｔｈｉｕｍ／ＯｘｉｇｅｎＯｒｇａｎｉｃＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＢａｔｔｅｒｙ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ、米国、ＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ、２００２年９月、第１４９巻、第９号、Ａ１１９０−Ａ１１９５

上記特許文献１に開示されている空気電池では水系電解質を用いているが、非水系電解質を用いた空気電池（特許第３５１５４９２号公報参照）では、高負荷運転時に正極（以下、「空気極」ということがある。）の空気供給側に放電生成物が集中的に析出することがある。その結果、電池内部への酸素輸送経路が閉塞され、放電容量が低下するとともに充放電効率も低下する虞があるという問題があった。かかる問題について、上記非特許文献１及び特許文献１に記載された技術では解決することができなかった。

非水系電解液を用いた空気電池の高負荷運転時に空気極の空気供給側に放電生成物が集中的に析出する要因としては、該空気極に供給された酸素が非水系電解液内に均一に拡散されていないためであると考えられる。

そこで本発明は、高負荷運転時に非水系電解液内の酸素拡散率を向上させて放電生成物が集中的に析出することを抑制し、高出力および高容量を実現可能な空気電気を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、空気極と、負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う非水系電解液が収容される電解質層とを備え、さらに、運転状況に応じて非水系電解液の温度を制御できる温度制御手段を備えた、空気電池である。

本発明において「運転状況に応じて非水系電解液の温度を制御できる温度制御手段」とは、非水系電解液の温度を検知できる温度検知手段と、非水系電解液の温度を任意の設定温度に調整できる温度調整手段と、空気電池の運転状況に応じて温度検知手段による検知結果に基づいて温度調整手段を作動／停止させられる制御手段と、を有する手段であれば特に限定されない。本発明において「温度検知手段」とは、直接的に非水系電解液の温度を検知する手段であっても良く、電池ケースなどを介して間接的に非水系電解液の温度を検知する手段であっても良い。したがって、温度検知手段は、非水系電解液の温度を把握できる手段であって、空気電池の使用時の環境に耐えうるものであれば良く、設置場所及び設置数は限定されない。本発明において「温度調整手段」とは、直接的に非水系電解液を加熱／冷却して非水系電解液の温度を任意の設定温度に調整する手段でも良く、電池ケースなどを加熱／冷却することで間接的に非水系電解液の温度を任意の設定温度に調整する手段であっても良い。したがって、温度調整手段は非水系電解液の温度を調整できる手段であって、空気電池の使用時の環境に耐えうるものであれば良く、設置場所及び設置数は限定されない。

上記本発明の空気電池において、温度制御手段が、非水系電解液を加熱する加熱手段を備えていることが好ましい。

上記本発明の空気電池において、温度制御手段が、高負荷運転時に非水系電解液の温度を制御できる手段であることが好ましい。ここに「高負荷運転時」とは、例えば、空気電池がハイブリッドカーに搭載された場合に、エンジンとモーターによるＨＶ走行から充電電力でのＥＶ走行に切り替えるときや、空気電池を搭載した車両が坂道走行などをする際など、通常時よりも大きな電力が空気電池に要求される場合を意味する。

上記本発明の空気電池において、非水系電解液を攪拌させる攪拌手段を備えていることが好ましい。

本発明において「攪拌手段」とは、非水系電解液を攪拌することができるものあり、空気電池の使用時の環境に耐え得るものであれば特に限定されない。具体例としては、磁力を有する攪拌子を電解質層内に配置して電解質層外から回転する磁界で攪拌子に動力を伝達するマグネチックスターラーや、棒状、板状、プロペラ状などの攪拌子を電解質層内に配置して電解質層外から回転軸を介して攪拌子に動力を伝達するメカニカルスターラーなどを挙げることができる。

本発明によれば、高負荷運転時に温度制御手段を用いて非水系電解液の温度を所定の設定温度まで上げ、非水系電解液内の酸素拡散率を向上させることで、放電生成物が集中的に析出することを抑制し、高出力および高容量を実現可能な空気電池を提供することができる。

また、本発明の空気電池において、非水系電解液を攪拌させる攪拌手段を備えた形態とすることによって、高負荷運転時に非水系電解液を攪拌させることで非水系電解液の温度分布が均一になり、酸素やイオンの供給が促進され、高出力で高容量維持が可能な空気電池とすることができる。

本発明の空気電池１０の断面を概略的に示す図である。本発明の空気電池に備えられる温度制御手段の制御フローの一例を概略的に示す図である。本発明の空気電池３０の断面を概略的に示す図である。本発明の空気電池スタック５０の断面を概略的に示す図である。

１．空気電池
以下、図面に示した形態例に基づいて本発明の空気電池について詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の空気電池の一つの実施形態例である空気電池１０の断面を概略的に示す図である。

図１に示すように、空気電池１０は、空気極１と、負極３と、空気極１及び負極３の間でイオンの伝導を担う非水系電解液が収容される電解質層２と、空気層１側に配設された酸素層１ａと、酸素層１ａ、空気極１、負極３、及び電解質層２を収容する電池ケース５と、空気電池１０の運転状況に応じて非水系電解液の温度を調整できる温度制御手段とを備えている。また、酸素層１ａの空気極１とは反対側に形成された空間４には、酸素含有ガスが充満している。以下、各構成について説明する。

（温度制御手段）
温度制御手段は、電解液の温度を検知できる温度検知手段２０と、電解液の温度を任意の設定温度に調整できる温度調整手段（不図示）と、空気電池１０の運転状況に応じ、温度検知手段２０による検知結果に基づいて温度制御手段を作動／停止させられる制御手段（不図示）とを有する手段である。

本発明に用いることができる温度検知手段は、温度検知手段２０ａのように電解質層２内に温度検知部２１ａを設置し、直接的に電解液の温度を検知する手段であっても良く、温度検知手段２０ｂのように温度検知部２１ｂを電池ケース５などに接触させて設置し、電池ケース５などの温度を検知することで間接的に電解液の温度を検知する手段であっても良い。温度検知手段２０ａ、２０ｂは空気電池１０の使用環境に耐えうるものであれば特に限定されず、具体例としては、熱電対などを挙げることができる。なお、図１では、温度検知手段２０ａ及び温度検知手段２０ｂを備える形態を例示しているが、本発明では、温度検知手段の設置場所は特に限定されず、設置数も限定されない。

温度調整手段は、空気電池１０の高負荷運転時に電解液の温度を任意の設定温度になるように加熱することができる加熱手段を少なくとも備えており、必要に応じて電解液の温度を冷却する冷却手段を備えていても良い。本発明に用いることができる加熱手段及び冷却手段は、電解液の温度が任意の設定温度になるように電解液を直接的に加熱／冷却する手段でも良く、電池ケース５などを加熱／冷却することで間接的に電解液の温度を任意の設定温度に調整する手段であっても良い。温度調整手段は、空気電池１０の使用時の環境に耐えうるものであれば特に限定されず、以下に例示するような公知の手段を用いることができる。

エンジンを搭載した車両などに空気電池１０を用いる場合、上記加熱手段の例としては、エンジンの廃熱を電池ケース５に伝えることができる手段（例えば、ファンなど）を挙げることができる。また、上記冷却手段の例としては、外気などの冷気を電池ケース５に供給できるファンや、ラジエーターなどを挙げることができる。

空気電池１０は、高負荷運転時には温度制御手段を用いて電解液の温度を所定の設定温度に上げて、電解液内の酸素拡散率を向上させることができる。電解液内の酸素拡散率が向上することにより、電極内で均一に放電反応を起こすことができ、放電生成物を均一に析出させることが可能になる。したがって、空気極１を有効に利用でき、高出力で高容量維持が可能な空気電池１０とすることができる。また、電解液の温度を上げることで電解液の粘度が低下し、イオンの伝導性が向上することでも高出力で高容量維持が可能な空気電池１０とすることができる。空気電池１０を高負荷で運転する際の温度制御手段による電解液の温度制御方法について、図２を用いて説明する。図２は、空気電池１０に備えられる温度制御手段の制御フローの一例を概略的に示す図である。

図２に示すように、空気電池１０を使用（放電）している状態（Ｓ１）において、空気電池１０に要求される出力Ｅが所定の出力Ｅｅ未満の場合（Ｓ２ＮＯ）、温度制御手段に備えられる加熱手段は作動されることなく空気電池１０の運転が続行される（Ｓ６）。一方、空気電池１０に要求される出力Ｅが所定の出力Ｅｅ以上の場合（Ｓ２ＹＥＳ）には、制御手段によって加熱手段が作動され（Ｓ３）電解液が加熱される。そして、温度検知手段２０によって電解液の温度Ｔを検知し、温度Ｔが任意の設定温度Ｔｅに達していない場合（Ｓ４ＮＯ）は制御手段によって加熱手段が作動され続ける。加熱手段で電解液を加熱し続け、電解液の温度Ｔが任意の設定温度Ｔｅに達した場合（Ｓ４ＹＥＳ）は、制御手段によって加熱手段を停止され（Ｓ５）、空気電池１０の運転が続行される（Ｓ６）。なお、Ｓ３〜Ｓ５の間も空気電池１０は運転し続けている。ここで、所定の出力Ｅｅとは、適当に決定することができる値であり、設定温度Ｔｅとは、空気電池１０に用いられる触媒や電解液の種類などに応じて適宜設定される温度である。

上記した温度制御方法は、例えば、空気電池１０がハイブリッドカーに搭載された場合に、エンジンとモーターによるＨＶ走行から充電電力でのＥＶ走行に切り替えるときや、空気電池１０を搭載した車両が坂道走行などをする際に用いることができる。すなわち、空気電池１０を搭載した機器の運転状況によって、空気電池１０に高出力が要求される場合に上記したように電解液を任意の設定温度まで加熱することで、高負荷運転に対応することができる。

なお、空気電池１０では、加熱手段によって電解液が加熱された後に、再び空気電池１０に要求される出力Ｅが所定の出力Ｅｅ未満になった直後など、電解液の温度が必要以上に高くなっている場合には、上記した冷却手段を用いて電解液の温度を所定の温度まで下げることができる。このようにして電解液の温度を下げることで、電解液の揮発を抑制することができる。

（空気極１）
次に、空気極１について説明する。空気極１には導電性材料が含有されている。空気極１に含有される導電性材料は、導電性を有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、炭素材料等を挙げることができる。さらに、炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良い。ただし、空気極１全体の厚さ方向では酸素を通すことができる程度の多孔質構造を有する。また、本発明においては、炭素材料が多孔質構造を有するものであることが好ましい。炭素材料を多孔質構造とすることによって、比表面積が大きくなり、多くの反応場を提供することができる。

多孔質構造を有する炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。

空気極１における導電性材料の含有量としては、例えば１０質量％〜９９質量％の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有量が少なすぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があり、導電性材料の含有量が多すぎると、相対的に触媒の含有量が減り、充分な触媒機能を発揮できない可能性があるため、材料の密度・体積に応じて適宜対応することが好ましい。

本発明において、導電性材料は、触媒を担持していることが好ましい。かかる形態とすることによって、電極反応がよりスムーズに行われる。上記触媒の具体例としては、コバルトフタロシアニンおよび二酸化マンガン等を挙げることができる。空気極層における触媒の含有量としては、例えば、１質量％〜９０質量％の範囲内であることが好ましい。触媒の含有量が少なすぎると充分な触媒機能を発揮できない可能性があり、触媒の含有量が多すぎると相対的に導電性材料の含有量が減り、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があるため、組み合わせる導電材料に応じて適宜決定することが好ましい。

空気極１は、少なくとも導電性材料を含有してれば良いが、さらに、導電性材料を固定化する結着材を含有することが好ましい。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を挙げることができる。空気極層における結着材の含有量としては、特に限定されるものではないが、例えば４０質量％以下、中でも１質量％〜１０質量％の範囲内であることが好ましい。

空気極１の厚さは、空気電池１０の用途等により異なるものであるが、例えば２μｍ〜５００μｍの範囲内、中でも５μｍ〜３００μｍの範囲内であることが好ましい。

空気極１は、例えば、カーボンブラック、触媒、及び、結着材からなる塗料を、後述する空気極集電体の表面に、ドクターブレード法にて塗布する等の方法により作製することができる。このほか、カーボンブラック及び触媒を含む混合粉末を熱圧着する等の方法により作製することもできる。

（酸素層１ａ）
酸素層１ａは、空間４に存在する酸素含有ガスを、空気極１へと導く機能を担う。酸素層１ａは、空気極１へと導かれる酸素の通り道であり、例えば、空気極１の内部又は外面に当接して、空気極１の集電を行う空気極集電体に備えられる孔が、酸素層１ａとして機能する。すなわち、酸素層１ａは、空気極集電体１ａと表現することもできる。

空気電池１０において、空気極集電体１ａは空気極１の集電を行う機能を担う。空気電池１０において、空気極集電体１ａの材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではない。空気極集電体１ａの材料としては、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、及び、カーボン等を例示することができる。このような空気極集電体１ａの形状としては、例えば、箔状、板状およびメッシュ（グリッド）状等を挙げることができる。中でも、集電効率に優れているという観点から、空気極集電体１ａの形状はメッシュ状であることが好ましい。この場合、通常、空気極１の内部にメッシュ状の空気極集電体１ａが配置される。さらに、空気電池１０は、メッシュ状の空気極集電体１ａにより集電された電荷を集電する別の空気極集電体（例えば箔状の集電体）を有していても良い。また、本発明においては、後述する電池ケース５が空気極集電体の機能を兼ね備えていても良い。

（負極３）
次に、負極３について説明する。負極３には、金属イオンを吸蔵・放出する負極活物質が含有されている。また、負極３の内部又は外面に当接して、負極３の集電を行う負極集電体（不図示）が設けられる。

負極３に含有される負極活物質としては、金属イオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではない。上記金属イオンとしては、空気極１と負極３とを移動し、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が、具体的にはリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、アルミニウムイオン、鉄イオン、亜鉛イオン、セシウムイオン等を挙げることができ、中でもリチウムイオンが好ましい。なお、空気電池１０がリチウム空気二次電池である場合、負極活物質はＬｉイオンを吸蔵・放出することができるものである。例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、及びグラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。これらの中でも金属リチウム及び炭素材料が好ましく、高容量化の観点から金属リチウムがより好ましい。

負極３は少なくとも負極活物質を含有していれば良いが、必要に応じて負極活物質の導電性を向上させる導電性材料や負極活物質を固定化する結着材を含有していても良い。負極活物質および結着材の種類、使用量等については、上述した空気極１に用いられるものと同様であるので、ここでの説明は省略する。空気電池１０において、負極３は、空気極１と同様の方法により作製することができる。

また、上述したように、負極３の内部又は外面に当接して、負極集電体が設けられる。負極集電体は、負極３の集電を行う機能を有するものである。負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、銅、ステンレス鋼、ニッケル等を挙げることができる。このような負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ（グリッド）状等を挙げることができる。本発明においては、後述する電池ケース５が負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。

（電解質層２）
次に、電解質層２について説明する。電解質層２には、空気極１及び負極３の間でイオンの伝導を担う非水系電解質が収容されている。

本発明に用いられる非水系電解質の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム空気電池の非水系電解質は、通常、リチウム塩および有機溶媒を含有する。上記リチウム塩としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４およびＬｉＡｓＦ_６等の無機リチウム塩；およびＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３等の有機リチウム塩等を挙げることができる。上記有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシメタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランおよびこれらの混合物等を挙げることができる。また、上記有機溶媒は、酸素溶解性が高い溶媒であることが好ましい。溶存した酸素を効率良く反応に用いることができるからである。非水系電解質におけるリチウム塩の濃度は、例えば０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌの範囲内である。なお、本発明においては、非水系電解質として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。

また、空気電池１０では、空気極１及び負極３の間に、電解質を保持するセパレーターを有することが好ましい。セパレーターとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜、および樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。

（電池ケース５）
空気電池１０は、少なくとも空気極１、負極３、電解質層２、及び酸素含有ガスが電池ケース５に収めて用いられる。

空気電池１０に用いられる電池ケース５の形状は特に限定されない。電池ケース５の構成材料は、用いる電解質に対して安定である等、空気電池の電池ケースに使用可能な材料を適宜用いることができる。電池ケース５内の空間４には酸素含有ガスが供給される。空間４に供給される酸素含有ガスは、空気であることが好ましく、乾燥空気であることがより好ましく、純酸素（９９．９９％）であることがさらに好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の空気電池の一つの実施形態例である空気電池３０の断面を概略的に示す図である。図３において、図１に示したものと同様の構成のものには同符号を付し、適宜、説明を省略する。

図３に示すように、空気電池３０は、空気極１と、負極３と、空気極１及び負極３の間でイオンの伝導を担う電解液が収容される電解質層２と、空気層１側に配設された酸素層１ａと、酸素層１ａ、空気極１、負極３、及び電解質層２を収容する電池ケース３５と、電池ケース３５に連結管７を介して非水系電解液を循環可能に連結された電解液保存容器８と、空気電池１０の運転状況に応じて電解液の温度を調整できる温度制御手段と、空気電池１０の運転状況に応じて電解液を攪拌する攪拌手段６と、を備えている。空気電池１０と同様に、酸素層１ａの空気極１とは反対側に形成された空間４には、酸素含有ガスが充満している。以下、各構成について説明する。

（温度制御手段）
空気電池３０に備えられる温度制御手段は、空気電池１０に備えられる温度制御手段と同様とすることができる。すなわち、空気電池３０に備えられる温度制御手段は、電解液の温度を検知する温度検知手段２０と、電解液の温度を任意の設定温度に調整できる温度調整手段（不図示）と、空気電池３０の運転状況に応じ、温度検知手段２０による検知結果に基づいて温度調整手段を作動／停止させる制御手段（不図示）と、を有する手段である。なお、図３では、温度検知部２１ｃが電解液保存容器８内に設置された温度検知手段２０ｃ、及び温度検知部２１ｄが電池ケース３５に接するように設置された温度検知手段２０ｄを備える形態を例示しているが、空気電池１０と同様に、温度検知手段の設置場所は特に限定されず、設置数も限定されない。

（攪拌手段６）
空気電池３０には、電解質層２内の電解液を攪拌できる攪拌手段６ａ、及び電解液保存容器８内の電解液を攪拌できる攪拌手段６ｂが備えられている。ただし、本発明はかかる形態に限定されず、電解質層２または電解液保存容器８のどちらかにのみ攪拌手段６が備えられる形態であっても良い。

攪拌手段６を用いることによって、空気電池３０内の電解液の温度を均一にすることができ、空気電池３０の安定した運転を可能にする。攪拌手段６は、高負荷運転時に加熱手段によって電解液の温度を上げている際にのみ運転させることが好ましい。加熱手段によって電解液の温度を上げている際に攪拌手段６を使用することによって、電解液を攪拌して電解液の温度を均一にするという効果が顕著になるとともに、通常の運転時には使用しないことによって、電解液の揮発や電解液が揺れることで生じる悪影響を抑えることができる。

本発明に用いることができる攪拌手段６としては、例えば、電解質層２または電解液保存容器内８の外側に設置された動力伝達手段と、電解質層２または電解液保存容器８の内側に設置された攪拌子と、からなるものを挙げることができる。この場合、攪拌子は、空気電池３０を使用中の環境に耐え得るものであれば、特に限定されない。攪拌手段６のより具体的な例を以下に挙げて説明する。

攪拌手段６がマグネチックスターラーであった場合、動力伝達手段はマグネチックスターラー本体であり、攪拌子には棒磁石をテフロン（登録商標）などで封止したものを用いることができる。マグネチックスターラー本体にはドライブ部が備えられ、該ドライブ部では、モーターで磁石を回転させることができる。したがって、マグネチックスターラー本体のドライブ部においてモーターで磁石を回転させることにより、電解質層２または電解液保存容器８の内側に設置された攪拌子が回転し、電解質層２または電解液保存容器８内の電解液を攪拌させることができる。このようにマグネチックスターラーは、密閉された容器内での攪拌を容易に行えるため好ましい。

また、攪拌手段６がメカニカルスターラーであった場合、動力伝達手段は回転軸及びその回転軸を回転させる動力源から構成され、攪拌子は、棒状、板状、プロペラ状などの形状の部材を用いることができる。この場合、電解質層２または電解液保存容器８内に配置された攪拌子には回転軸を介して動力が伝達され、電解質層２または電解液保存容器８内の電解液を攪拌させることができる。

（電池ケース３５）
空気電池３０は、少なくとも空気極１、負極３、電解質層２、及び酸素含有ガスが電池ケース３５に収めて用いられる。また、電池ケース３５は、電解質層２に収容された電解液が流通可能な連結管７を介して、電解液保存容器８と連結されている。電池ケース３５は、密閉型の電池ケースであっても良く、大気開放型の電池ケースであっても良い。また、空間４に酸素含有ガスを供給する供給管（不図示）および空間４から気体を排出することができる排出管（不図示）を設けることが好ましい。この場合、空間４に供給される酸素含有ガスは、空気であることが好ましく、乾燥空気であることがより好ましく、純酸素（９９．９９％）であることがさらに好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。

（電解液保存容器８、連結管７）
電解液保存容器８は、連結管７を介して電解質層２との間で循環される電解液を収容できる容器であって、空気電池３０の使用時の環境に耐え得るものであれば、特に限定されない。連結管７は、電解質層２と電解液保存容器８との間で電解液が循環可能なように連結できる管であり、空気電池３０の使用時の環境に耐え得るものであれば、特に限定されない。連結管７及び電解液保存容器８は本発明の空気電池に必須の構成要素ではないが、攪拌手段６に連結管７及び電解液保存容器８を組み合わせることによって、電解液の攪拌効率を上げることができる。すなわち、連結管７及び電解液保存容器８も攪拌手段の一部であるといえる。

空気電池３０では、上記した空気電池１０が奏する効果と同様の効果に加えて、攪拌手段によって電解液を攪拌することにより、電解液の温度分布が均一になり、物質（酸素及び金属イオン）の供給が促進され、さらに高出力、高容量維持が可能になる。

２．空気電池スタック
以下、図面に示した形態例に基づいて本発明の空気電池スタックについて詳細に説明する。

図４は、本発明の空気電池スタックの一つの実施形態例である空気電池スタック５０の断面を概略的に示す図である。図４において、図１に示したものと同様の構成のものには同符号を付し、適宜、説明を省略する。

空気電池スタック５０は、空気極１、電解質層２、負極３、及び酸素層１ａを備える空気電池セル５１、５１、５１、５１と、これらを収容する電池スタックケース５２と、温度制御手段とを備えている。

空気電池スタック５０に備えられる温度制御手段は、上記した空気電池１０、３０と同様に、温度検知手段２０、温度調整手段（不図示）、及び制御手段（不図示）を有している。図４では、温度検知部２１ｅを電池スタックケース５２内に設置し、電池スタックケース５２を介して間接的に電解液の温度を検知できる形態の温度検知手段２０ｅを例示しているが、本発明の空気電池スタックに備えられる温度検知手段はかかる形態に限定されず、空気電池１０、３０に備えられる温度検知手段２０と同様に、設置場所及び設置数は問わない。また、本発明の空気電池スタックに備えられる温度調整手段も空気電池１０、３０に備えられる温度調整手段と同様に、特に限定されない。

ただし、空気電池スタック５０では、温度制御手段を複数設けることが好ましい。温度制御手段を複数設けることにより、複数の温度検知手段によって空気電池スタック５０内の複数箇所の温度を検知し、該検知結果に基づいて複数の温度調整手段を適宜作動させることにより、空気電池スタック５０内の温度分布を均一になるように調整し易くなる。空気電池スタック５０内の温度分布を均一にすることによって、空気電池スタック５０に備えられる空気電池セル５１、５１、５１、５１から均一な出力を得やすくなる。

空気電池スタック５０では、空気電池１０、３０と同様に、高負荷運転時には電解液の温度を任意の設定温度に調整することができるため、電解液内の酸素拡散率を向上させることができる。電解液内の酸素拡散率が向上することにより、電極内で均一に放電反応を起こすことができ、放電生成物を均一に析出させることが可能になる。したがって、空気極１を有効に利用でき、高出力で高容量維持が可能な空気電池スタック５０とすることができる。また、電解液の温度を上げることで電解液の粘度が低下し、金属イオンの伝導性が向上することでも高出力で高容量維持が可能な空気電池スタック５０とすることができる。なお、空気電池スタック５０では、空気電池１０と同様に、電解液を加熱して運転した直後など、電解液の温度が必要以上に高くなっている場合には、上記した冷却手段を用いて電解液の温度を所定の温度まで下げることができる。このようにして電解液の温度を下げることで、電解液の揮発を抑制することができる。

本発明に用いることができる電池スタックケース５２は特に限定されない。空気極１、酸素層１ａ、電解質層２、及び負極３の構成は上記した空気電池１０と同様であるため、説明を省略する。

また、本発明の空気電池スタックに備えられる空気電池セルの形態は図４に示した形態に限定されず、本発明の空気電池スタックに備えられる空気電池セルの構成や数は適宜変更可能である。さらに、本発明の空気電池スタックに備えられる空気電池セルには、空気電池３０と同様の攪拌手段が備えられていても良い。

これまでの本発明の説明では、主にリチウム金属空気電池について説明したが、本発明はかかる形態に限定されず、カリウム金属空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池、カルシウム空気電池等及びこれらの空気電池セルをスタックした空気電池スタックとすることもできる。また、本発明の空気電池及び空気電池スタックの用途としては、例えば車両搭載用途、定置型電源用途、家庭用電源用途等を挙げることができる。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う空気電池もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

１空気極
１ａ酸素層
２電解質層
３負極
４空間
５電池ケース
６攪拌手段
７連結管
８電解液保存容器
１０空気電池
２０温度検知手段
３０空気電池
５０空気電池スタック
５１空気電池セル
５２電池スタックケース

Claims

空気極と、負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う非水系電解液が収容される電解質層とを備え、
さらに、運転状況に応じて前記非水系電解液の温度を制御できる温度制御手段を備えた、空気電池。
前記温度制御手段が、高負荷運転時に前記非水系電解液の温度を制御できる手段である、請求項１に記載の空気電池。
前記温度制御手段が、前記非水系電解液を加熱する加熱手段を備えている、請求項１又は２に記載の空気電池。
前記非水系電解液を攪拌させる攪拌手段を備えた、請求項１から３のいずれかに記載の空気電池。