JP2010267476A

JP2010267476A - 空気電池システム

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Publication number: JP2010267476A
Application number: JP2009117429A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nakanishi; 真二中西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: JP5353430B2

Abstract

【課題】筐体内の気体の制御を適切に行い、これにより、自己放電を抑え、電池始動時においても十分な出力を得て、且つ、電池寿命の低下を抑える空気電池システムを提供する。
【解決手段】筐体５０、及び該筐体５０内に収容される発電部４０を備え、筐体５０には、開閉操作が可能な気体供給部６０と、開閉操作が可能な気体排出部７０と、筐体内の圧力を調整する圧力調整部８０とが設けられる空気電池システムであって、該圧力調整部８０により電池始動時には筐体内を加圧にし、電池停止時には筐体内を減圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は空気電池システムに関する。

空気電池は、酸素を正極活物質とする電池であり、放電時には空気を外部から取り込んで用いる。そのため、正極及び負極の活物質を電池内に有する他の電池に比べ、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になる。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。

空気電池は、上記のように正極に酸素を取り込むことにより電池反応を生じさせる。すなわち、正極と酸素含有ガスとが接触していると、例えば、空気電池停止時においても自己放電が生じる虞がある。また、開放系の空気電池においては、空気電池停止時においても常に外部から水分が取り込まれる虞があり、特に非水系電解液を用いた空気電池において、吸湿による電池寿命の低下が懸念される。

かかる問題を解決するため、特許文献１に記載されたような、電池不使用時には正極を空気の流れから隔離し、電池使用中にのみ空気の流れに触れさせるように、筐体にバルブを設けた空気電池が提案されている。

特開２００５−５３８５１３号公報

特許文献１に記載された空気電池によれば、電池停止時に、筐体のバルブを閉じて空気や水との反応を防ぎ、自己放電や吸湿を抑制することができると考えられる。しかしながら、バルブ閉鎖後、筐体内に残存している酸素の反応を抑えることができず、自己放電が生じて電池寿命が低下する虞がある。また、電池始動時に多量の電流を必要とする場合（例えば、車載用とした場合）、特許文献１に記載された空気電池にあっては、電池始動時に筐体内の酸素分圧が低下しているため、十分な電流が得られないという問題もある。

また、本発明者は、電解液を用いた空気電池について、充放電時の空気電池内の反応機構について研究を進めた結果、用いる電解液の種類によって、電池充放電時に当該電解液の分解が生じ、二酸化炭素が発生し、これにより電池内の酸素分圧が低下して電池の出力が低下する場合があることを知見した。これを防ぐには、電池内の気体状態を適切に制御することが考えられる。

以上のことから、従来の空気電池においては、筐体内の気体の制御に関し改善の余地があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、筐体内の気体の制御を適切に行うことができる空気電池システム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、筐体、及び筐体内に収容される発電部を備え、筐体には、開閉操作が可能な気体供給部と、開閉操作が可能な気体排出部と、筐体内の圧力を調整する圧力調整部とが設けられる、空気電池システムである。

本発明において、「発電部」とは、空気電池の発電部をいい、正極、電解質層、及び負極をこの順に有してなる部分をいう。「気体供給部」は、筐体外部から筐体内部へと気体を送り込むことが可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。「気体排出部」は、筐体内部から筐体外部へと気体を排出することが可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。「圧力調整部」は、電池の使用状態に応じて筐体内の圧力を制御・調整可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。

本発明において、電池始動時に、気体供給部と気体排出部とが閉じられ、圧力調整部により筐体内が加圧される形態とすることが好ましい。電池始動時に、筐体内が加圧されることで、例えば、筐体内の酸素分圧を上昇させることができるので、正極における放電反応を促進することができ、電池始動時においても十分な電流を得ることができる。

特に、電池始動時の筐体内の加圧と同時に、当該筐体内に酸素含有ガスが供給されることが好ましい。これにより、筺体内の酸素分圧をさらに上昇させることができるので、正極における放電反応をより促進することができる。

一方、本発明において、電池始動時に、気体供給部が閉じられ、気体排出部が開放され、且つ、筐体内に、圧力調整部を介して圧力が高められた酸素含有ガスが供給される形態としてもよい。これにより、電池始動時に、酸素分圧が上昇された酸素含有ガスが供給されるので、正極における放電反応を促進することができる。

また、本発明において、電池停止時に、気体供給部と気体排出部とが閉じられ、圧力調整部により筐体内が減圧される形態とすることが好ましい。電池停止時に、筐体内が減圧されることで、例えば、筐体内の酸素分圧や水分圧、その他残存ガスの分圧を低下させることができるので、電池停止時における自己放電や吸湿、劣化等を抑制することができ、電池寿命の低下を抑えることができる。

本発明は、筐体に、開閉可能な気体供給部及び気体排出部が備えられ、且つ、筐体内の圧力を調整する圧力調整部が備えられるので、当該気体供給部、気体排出部、及び圧力調整部の動作を適切に制御することで、筐体内の気体の制御を適切に行うことができる。これにより、例えば、電池停止中の自己放電が抑えられ、電池始動時において十分な出力が得られ、さらに、電池寿命の低下を抑えることができる。

通常運転状態にある空気電池システム１００を概略的に示す図である。通常運転状態から電池停止状態に至るまでの空気電池システム１００の動作を説明するための図である。電池停止状態から通常運転状態に至るまでの空気電池システム１００の動作を説明するための図である。電池停止状態から通常運転状態に至るまでの空気電池システム１００の動作を説明するための図である。

以下本発明にかかる空気電池システムを、筐体内に、正極、負極、及び当該正極と負極との間に介在する電解質層を有する発電部を備えたリチウム空気電池に適用した場合を中心に説明する。但し、本発明は、筐体内の酸素制御を目的として、他の空気電池（亜鉛系空気電池、アルミニウム系空気電池、ナトリウム系空気電池等）にも適用することができる。

１．空気電池システム１００
図１は、空気電池システムが始動してしばらく経ち、放電反応が安定した状態（例えば、車載時においては、キーオン状態からモータ等が始動後、通常の運転状態に移った段階の状態。以下「通常運転状態」という。）にある空気電池システム１００を概略的に示す図である。図１に示すように、空気電池システム１００は、筐体５０内に、正極１０と、負極２０と、正極１０及び負極２０の間に介在する電解質層３０とを有する発電部４０を備えている。また、筐体５０内の上部には空間５１が設けられており、ここに酸素含有ガスが供給されることにより、正極に酸素が取り込まれて電池反応に供される。一方、筐体５０の外部には気体供給部６０が設けられており、当該気体供給部６０の供給管６１が筐体５０外部から空間５１へと挿入されている。供給管６１には開閉弁６２が備えられており、当該開閉弁６２の開閉を制御することで、空間５１へと気体を供給可能とされている。また、筐体５０外部の気体供給部６０側と対向する側には、気体排出部７０が設けられており、当該気体排出部７０の排出管７１が筐体５０の空間５１から筐体５０外部へと伸びている。排出管７１には開閉弁７２が備えられており、当該開閉弁７２の開閉を制御することで、空間５１から気体を排出可能とされている。さらに、筐体５０外部には圧力調整部８０が設けられており、当該圧力調整部８０から筐体５０内の空間５１に管８１が挿入されている。当該管８１には開閉弁８２が設けられており、当該開閉弁８２の開閉を制御するとともに圧力調整部８０の動作を制御することで、筐体５０の圧力を調整可能とされている。尚、開閉弁６２、７２、８２の開閉や、圧力調整部８０の動作については、筐体５０の外部に設けられた制御部９０により、電池の使用状態に応じて適宜制御され得る形態とされている。以下、空気電池システム１００について、構成ごとに説明する。

（正極１０）
正極１０は、導電性材料、触媒、及び、これらを結着させる結着材を含有している。また、正極１０には、正極１０の内部又は外面に当接して、正極１０の集電を行う正極集電体が設けられる。

正極１０に含有される導電性材料は、空気電池システム１００の使用時における環境に耐えることができ、且つ、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。正極１０に含有される導電性材料としては、カーボンブラックやメソポーラスカーボン等の炭素材料等を例示することができる。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極１０における導電性材料の含有量は、１０質量％以上とすることが好ましい。また、充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極１０における導電性材料の含有量は、９９質量％以下とすることが好ましい。

正極１０に含有される触媒としては、コバルトフタロシアニン及び二酸化マンガン等を例示することができる。充分な触媒機能を発揮し得る形態にする等の観点から、正極１０における触媒の含有量は、１質量％以上とすることが好ましい。また、反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、正極１０における触媒の含有量は、９０質量％以下とすることが好ましい。

正極１０に含有される結着材としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を例示することができる。正極１０における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば１０質量％以下とすることが好ましく、１質量％以上５質量％以下とすることがより好ましい。

正極集電体は、導電性を有する材料からなるものであれば特に限定されずに用いることができる。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、及び、カーボン等からなる箔、メッシュ、グリッド等を用いることができる。また、正極集電体が筐体５０内の空間５１から正極１０へと酸素を導く通り道としても機能し得る形態としてもよい。すなわち、後述する酸素層１１を正極集電体１１としてもよい。

正極１０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、正極集電体の表面に、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１１＞
酸素層１１は、空間５１内に存在する酸素ガスを、正極１０へと導く機能を担う。酸素層１１は、空気極１０へと導かれる空気の通り道であり、例えば、空気極１０の内部又は外面に当接して、空気極１０の集電を行う空気極集電体に備えられる孔が、酸素層１１として機能する。

＜負極２０＞
負極２０は、負極活物質として機能するアルカリ金属を含有している。また、負極２０には、負極２０の内部又は外面に当接して、負極２０の集電を行う負極集電体（不図示）が設けられる。

負極２０に含有され得るアルカリ金属の単体としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等を例示することができる。また、負極２０に含有され得るアルカリ金属の化合物としては、Ｌｉ合金等を例示することができる。空気電池システム１００がリチウム空気二次電池の場合、高容量化を図りやすい空気電池システム１００を提供する等の観点からは、Ｌｉが含有されることが好ましい。

負極２０は少なくとも負極活物質を含有していれば良く、さらに、導電性を向上させる導電性材料やアルカリ金属等を固定化させる結着材を含有していても良い。反応場の減少及び電池容量の低下を抑制する等の観点から、負極２０における導電性材料の含有量は１０質量％以下とすることが好ましい。また、負極２０における結着材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば１０質量％以下とすることが好ましく、１質量％以上５質量％以下とすることがより好ましい。負極２０に含有され得る導電性材料及び結着材の種類、使用量等は、正極１０の場合と同様にすることができる。

負極２０には、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２０の集電を行う機能を担う。空気電池システム１００において、負極集電体の材料は、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。負極集電体の材料としては、銅、ステンレス鋼、及び、ニッケル等を例示することができる。また、負極集電体の形状としては、箔状、板状、及び、メッシュ（グリッド）状等を例示することができる。空気電池システム１００において、負極２０は、例えば正極１０と同様の方法により作製することができる。

＜電解質層３０＞
電解質層３０には、正極１０及び負極２０の間でイオン（アルカリ金属のイオン）の伝導を担う電解質（液体又は固体）が収容される。特に電解液を用いることが好ましい。

電解質層３０に液体の電解質（電解液）が用いられる場合、電解液の形態は、金属イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水系電解液、又は非水電解液を挙げることができる。電解質層３０に用いられる電解液の種類は、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、リチウム空気電池とした場合、非水電解液を用いることが好ましい。当該非水電解液は、リチウム塩及び有機溶媒を含有する。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４及びＬｉＡｓＦ_６等の無機リチウム塩のほか、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例示することができる。また、有機溶媒としては、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、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や、その他フッ素系の溶媒及びこれらの混合物等を例示することができる。また、電池内部への水の混入を抑える観点からは、疎水性の溶媒を用いることが好ましい。非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば０．２ｍｏｌ／Ｌ以上３ｍｏｌ／Ｌ以下とする。なお、本発明の空気電池システムにおいては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いることもできる。

また、電解質層３０に電解液が用いられる場合、電解質層３０は、セパレータやゲルポリマーに上記電解液が保持される形態とすることが好ましい。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。また、ゲルポリマーとしては、アクリレート系高分子化合物や、ポリエチレンオキサイド等のエーテル系高分子化合物及びこれらを含む架橋体や、ポリメタクリレート等のメタクリレート高分子化合物や、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンの共重合体等のフッ素系高分子化合物等を用いることができる。ゲルポリマーの形態は粒子状等、電解液が保持可能な形態であれば特に限定されるものではない。電解質層３０の作製については、特に限定されるものではないが、適切に成形されたセパレータや、ゲルポリマー充填層に、上記電解液を含ませ、セパレータやゲルポリマーに電解液を保持させることにより、所定形状の電解質層３０が作製される。

＜発電部４０＞
空気電池システム１００においては、正極１０、電解質層３０、及び負極２０をこの順に積層されてなる積層体を発電部４０とすることができる。正極１０、電解質層３０、及び負極２０を積層する方法については、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。

＜筐体５０＞
筐体５０には発電部４０が収容され、且つ、筐体５０内の上部には空間５１が設けられている。空間５１は発電部４０の正極１０側に存在している。空気電池システム１００において、筐体５０の形状は特に限定されるものではない。筐体５０の構成材料は、用いる電解質に対して安定である等、空気電池の筐体に使用可能な材料を適宜用いることができる。筐体５０の側面には、後述する気体供給部６０の供給管６１を接続可能な接続部（例えば孔）が設けられている。また、筐体５０の、供給管６１を接続可能な接続部が設けられた側面と対向する側面には、後述する気体排出部７０の排出管７１を接続可能な接続部（例えば孔）が設けられている。さらに、筐体５０の上面には、後述する圧力調整部８０から伸びる管８１を接続可能な接続部（例えば孔）が設けられている。

＜気体供給部６０＞
気体供給部６０は、筐体５０の側面に接続された供給管６１と、当該供給管６１に設けられた開閉弁６２とを有してなり、開閉弁６２の開閉動作が制御されることで、外部から筐体５０内の空間５１へと気体を供給可能とする部分である。供給管６１及び開閉弁６２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管及び公知の電磁弁等を用いることができる。供給管６１に流通させる気体は酸素含有ガスであり、空気や乾燥空気、圧力が１．０１×１０^５Ｐａで酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等とすることができる。供給管６１には他にフィルタ（不図示）が備えられて、酸素含有ガスから水分を除去可能な形態とされていてもよい。また、ポンプ（不図示）が備えられて、酸素含有ガスを効率的に供給することが可能な形態とされていてもよい。

＜気体排出部７０＞
気体排出部７０は、筐体５０の側面のうち気体供給部６０が備えられる側面と対向する側面に接続された排出管７１と、当該排出管７１に設けられた開閉弁７２とを有してなり、開閉弁７２の開閉動作が制御されることで、筐体５０内の空間５１から筐体５０外部へと気体を排出可能とする部分である。排出管７１及び開閉弁７２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管及び公知の電磁弁等を用いることができる。排出管７１により排出される気体は、電池反応に供されなかった残存ガスである。排出管７１には、ポンプ（不図示）が備えられて、残存ガスを効率的に排出することが可能な形態とされていてもよい。

＜圧力調整部８０＞
圧力調整部８０は、筐体５０外部に備えられ、電池の使用状態に応じて、筐体５０内（特に、空間５１）の圧力を調整する部分である。圧力調整部８０の形態については、筐体５０内の圧力を制御可能であれば特に限定されるものではなく、公知のコンプレッサやポンプ、及びこれらを組み合わせた装置等を用いることができる。特に、圧力調整部８０は、０．１０×１０^５Ｐａ（０．１ａｔｍ）以上３．０×１０^５Ｐａ（３ａｔｍ）以下、好ましくは、０．５×１０^５Ｐａ（０．５ａｔｍ）以上２．０×１０^５Ｐａ（２ａｔｍ）以下の範囲で、筐体５０内（空間５１）の圧力を調整・制御できる形態が好ましい。また、当該圧力調整部８０からは、空間５１に向かって管８１が伸びており、当該管８１には開閉弁８２が備えられている。管８１及び開閉弁８２の形態については、特に限定されるものではなく、公知の流体管及び公知の電磁弁等を用いることができる。

＜制御部９０＞
制御部９０は、電池の使用状態に応じて信号を発し、開閉弁６２、７２、８２の開閉動作や、圧力調整部８０の動作を制御する部分である。制御部９０としては公知の制御装置を用いることができる。

２．空気電池システム１００の動作
空気電池システム１００は、上記のような構成を有しており、電池の使用状態に応じて、空間５１内の気体の流れを制御し、且つ、筐体５０内の圧力を調整可能とされている。すなわち、空気電池システム１００によれば、筐体内の気体制御を適切に行うことができる。以下、電池使用状態に応じた空気電池システム１００の動作について説明する。

＜通常運転状態＞
図１に示すように、空気電池システム１００は、通常運転状態において、気体供給部６０の開閉弁６２が開放された状態にあり、外部から空間５１へと酸素含有ガスが常に供給されている状態にある。一方、電池反応に供されなかった残存ガスについては、気体排出部７０を介して外部へと排出されている。また、圧力調整部８０に接続された管８１については、開閉弁８２が閉じられ、圧力調整部８０と空間５１とは流体連通状態にはない。すなわち、空気電池システム１００の通常運転状態においては、空間５１において、気体供給部６０から気体排出部７０に向かうガス流れが存在し、且つ、空間５１の圧力については、外部から供給される酸素含有ガスと略同等とされている。また、正極１０の空間５１側表面には常に酸素層１１が形成されており、ここから酸素が取り込まれることで安定的に電池反応が行われている。これにより、例えば、車両に搭載されたモータ等に電気エネルギーが安定的に供給され、車両の動作・停止がスムーズに行われる。

＜通常運転状態〜電池停止状態＞
次に、通常運転状態から電池停止状態に至るまでの空気電池システム１００の動作について説明する。図２は、通常運転状態から電池停止状態に至るまでの空気電池システム１００の動作の流れを説明するための図である。図２（ａ）は、図１と同様、通常運転状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。また、図２（ｂ）は、電池の運転が停止されて、筐体５０内の圧力が調整されている状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。さらに、図２（ｃ）は、電池の運転停止後、筐体５０内の圧力が調整されることにより筐体５０内の状態（空間５１内の気体の状態）が変化した後の空気電池システム１００を概略的に示している。尚、図２においては、図面が煩雑となるのを避けるため、制御部９０については省略して示している。

図２（ｂ）に示されるように、通常運転状態にあった空気電池システム１００の運転が停止されると、制御部９０から信号が発せられ、開放状態にあった開閉弁６２、７２が閉鎖される一方、閉鎖状態にあった開閉弁８２が開放される。空気電池システム１００を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のキーオフをきっかけとして空気電池システム１００の停止が行われるように、公知の感知手段等から制御部９０に信号が発せられる形態とすればよい。さらに、制御部９０からの信号により、開閉弁８２が開放された後、圧力調整部８０（ポンプ）が動作し、筐体５０内（特に空間５１）が減圧される。この場合、筐体５０内の圧力が０．５×１０^５Ｐａ（０．５ａｔｍ）〜０．７×１０^５Ｐａ（０．７ａｔｍ）程度になるまで減圧されることが好ましい。

図２（ｃ）に示されるように、筐体５０内が減圧され、所定の圧力になったと判断されると、制御部９０から信号が発せられて、開閉弁８２が閉鎖され、空間５１が低圧のまま、筐体５０が密閉される。この場合、筐体５０内の圧力が、例えば、圧力センサ（不図示）等により感知され、当該圧力センサの感知信号に基づいて、制御部９０から開閉弁８２を閉鎖する信号を発すればよい。電池停止状態にある空気電池システム１００においては、空間５１に残存していた酸素層１１の酸素分圧が低下されているため、正極１０の電池反応が抑制される。従って、空気電池システム１００によれば、通常運転状態から電池停止状態において、筐体５０内の気体制御（特に酸素制御）を適切に行うことができ、電池停止状態における自己放電を抑えることができる。また、筐体５０内に残存していた水分等についても分圧が低下されているので、電池停止状態における発電部４０の吸湿を抑制することもでき、電池寿命の低下を抑えることができる。

＜電池停止状態〜通常運転状態＞
一方、電池停止状態において減圧された空気電池システム１００においては、筐体５０内の酸素分圧が低下されており、このような低酸素分圧のまま電池を始動しても、正極１０において十分な電池反応が生じず、電池始動時に必要な電流が得られないものと考えられる。また、通常運転状態における電池の充放電反応によって、電解液が分解し、筐体５０内に二酸化炭素等が発生していた場合、筐体５０内の酸素分圧がさらに低下しているものと考えられ、電池始動時の出力低下が懸念される。特に、空気電池システム１００を車載用電源として用いる場合、電池始動時（例えば、モータの運転開始時）においては、通常運転状態よりも多量の電流が必要となると考えられ、正極１０における電池反応をさらに促進することが好ましい。このような要件を満たすべく、空気電池システム１００は、電池停止状態から通常運転状態に至るまでにおいて、下記のように動作する。

図３は、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの空気電池システム１００の動作の流れを説明するための図である。図３（ａ）は、図２（ｃ）と同様、電池停止状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。また、図３（ｂ）は、電池が始動されて、筐体５０内の圧力が調整されている状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。さらに、図３（ｃ）は、電池の始動後、筐体５０内の圧力が調整されることにより筐体５０内の状態（空間５１内の気体の状態）を変化させて十分な出力を得たのち、通常運転状態に移行した状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。尚、図３においても、図２と同様、図面が煩雑となるのを避けるため、制御部９０については省略して示している。

図３（ｂ）に示されるように、電池停止状態にあった空気電池システム１００の始動時には、制御部９０から信号が発せられ、閉鎖状態にあった開閉弁８２が開放される。空気電池システム１００を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のキーオンをきっかけとして空気電池システム１００が始動されるように、公知の感知手段等から制御部９０に信号が発せられ、当該信号に基づいて制御部９０から信号が発せられる形態とすればよい。さらに、制御部９０からの信号により、開閉弁８２が開放された後、圧力調整部８０（コンプレッサ）が動作し、筐体５０内が加圧される。この場合、筐体５０内の圧力が１．２×１０^５Ｐａ（１．２ａｔｍ）〜２．０×１０^５Ｐａ（２．０ａｔｍ）程度になるまで加圧されることが好ましい。これによって、筐体５０内の酸素分圧を通常運転状態時よりも高めることができ、正極１０の表面に酸素分圧が高められた酸素層１２が形成され、正極１０の電池反応が促進されて、十分な出力を得ることができる。また、圧力調整部８０に接続された管８１を介して、筐体５０内を加圧すると同時に、外部から酸素含有ガス、好ましくは酸素濃度９９．９９％の酸素ガスを供給することが好ましい。このようにすれば、筐体５０内の酸素分圧をさらに上昇させることができ、電池始動時に、より大きな出力を得ることができる。

図３（ｃ）に示されるように、筐体５０内が加圧され、所定の圧力になり、電池始動時に十分な出力を得たのち、通常運転状態へ移行してもよいと判断されると、制御部９０から信号が発せられて、開閉弁８２が閉鎖され、開閉弁６２、７２が開放され、図１や図２（ａ）で説明したような通常運転状態となる。例えば、空気電池システム１００を車載用電源として用いた場合、車両の運転状態やモータが必要とする電流量等に基づいて、電池始動時の加圧状態から通常運転状態に移るよう制御部９０に信号が発せられ、当該信号に基づいて制御部９０から開閉弁６２、７２を開放する信号を発すればよい。

このように、空気電池システム１００によれば、電池停止時から通常運転状態に至るまでの間に筐体５０内の圧力が調整されて、適切に気体制御が行われることで、正極１０の電池反応が適切に制御されるので、車載用電源等、電池始動時に通常よりも多くの電流を要する場合であっても不足なく十分な出力を得ることができる。

また、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの間に、空気電池システム１００を下記のように動作させてもよい。図４は、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの空気電池システム１００にかかる別態様の動作の流れを説明するための図である。図４（ａ）は、図２（ｃ）や図３（ａ）と同様、電池停止状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。また、図４（ｂ）は、電池が始動されて、筐体５０内の気体制御が行われている状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。さらに、図４（ｃ）は、電池の始動後、筐体５０内の圧力が調整されることにより、筐体５０内の状態（空間５１内の気体の状態）を変化させて十分な出力を得たのち、通常運転状態に移行した状態にある空気電池システム１００を概略的に示している。尚、図４においても、図３と同様、図面が煩雑となるのを避けるため、制御部９０については省略して示している。図４（ａ）及び（ｃ）については、上記図３（ａ）及び（ｃ）と同様であるため、説明を省略する。

図４（ｂ）に示されるように、電池停止状態にあった空気電池システム１００の始動時には、制御部９０から信号が発せられ、閉鎖状態にあった開閉弁７２、８２が開放される。空気電池システム１００を車載用電源として用いた場合は、例えば、車両のキーオンをきっかけとして空気電池システム１００の起動が行われるように、公知の感知手段等から制御部９０に信号が発せられる形態とすればよい。さらに、制御部９０からの信号により、開閉弁７２、８２が開放された後、圧力調整部８０（コンプレッサ）が動作し、管８１を介して筐体５０外部から筐体５０内の空間５１に高圧な酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスとしては、空気、好ましくは乾燥空気、特に好ましくは酸素濃度９９．９９％の酸素ガスを用いることができる。当該高圧な酸素含有ガスの圧力は１．１×１０^５Ｐａ（１．１ａｔｍ）以上３．０×１０^５Ｐａ（３ａｔｍ）以下、好ましくは１．２×１０^５Ｐａ（１．２ａｔｍ）以上２．０×１０^５Ｐａ（２．０ａｔｍ）以下とする。このような形態においても、筐体５０内の気体が制御されて、筐体５０内の酸素分圧を通常運転状態時よりも高めることができ、正極１０の表面に酸素分圧が高められた酸素層１２が形成され、正極１０の電池反応が促進されて、十分な出力を得ることができる。また、開閉弁７２、８２が開放されているので、空間５１においては、圧力調整部９０から気体排出部７０に向かう気体流れが発生しており、例えば、空間５１内に不純ガス（二酸化炭素等）が存在している場合であっても、当該不純ガスを筐体５０外部へと強制的に排出することができる。

このように、空気電池システム１００によれば、通常運転状態から電池停止状態に至るまでの間、及び、電池停止状態から通常運転状態に至るまでの間に、筐体５０内の気体（特に酸素）の制御を適切に行うことができるので、電池停止時の自己放電が抑えられ、電池始動時に十分な出力が得られるとともに、電池寿命の劣化を抑制することができる。

上記説明においては、正極１０、電解質層３０、及び負極１０が積層された発電部４０が、筐体５０内に一つのみ収容されてなる空気電池システム１００について説明したが、筐体５０内に収容される発電部４０の数、及び形態について、本発明はこれに限定されるものではない。発電部４０を筐体５０内に複数収容してもよい。また、発電部４０を円柱状や円筒状等、他の形態に成形して筐体５０内に収容してもよい。この場合であっても、筐体５０内の気体制御を適切に行うことができる。

また、上記説明においては、気体供給部６０、気体排出部７０、及び圧力調整部８０について、所定の位置関係を有して、筐体５０の側面に接続されるものとして説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、筐体５０内の気体制御を適切に行うことができる形態であれば、気体供給部６０、気体排出部７０、及び圧力調整部８０の接続箇所は制限されない。

以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、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、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨ある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システムもまた本発明の技術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。

本発明の空気電池システムは、携帯機器等の小型電源や車載用等の大型電源等に利用することができる。

１００空気電池システム
１０正極
１１酸素層（正極集電体）
１２酸素分圧が高められた酸素層
２０負極
３０電解質層
４０発電部
５０筐体
５１空間
６０気体供給部
７０気体排出部
８０圧力調整部
９０制御部

Claims

筐体、及び該筐体内に収容される発電部を備え、
前記筐体には、開閉操作が可能な気体供給部と、開閉操作が可能な気体排出部と、前記筐体内の圧力を調整する圧力調整部とが設けられている、空気電池システム。
電池始動時において、前記気体供給部と前記気体排出部とが閉じられ、前記圧力調整部により前記筐体内が加圧される、請求項１に記載の空気電池システム。
前記筐体内の加圧と同時に、前記筐体内に酸素含有ガスが供給される、請求項２に記載の空気電池システム。
電池始動時において、前記気体供給部が閉じられ、前記気体排出部が開放され、且つ、前記筐体内に、前記圧力調整部を介して圧力が高められた酸素含有ガスが供給される、請求項１に記載の空気電池システム。
電池停止時において、前記気体供給部と前記気体排出部とが閉じられ、前記圧力調整部により前記筐体内が減圧される、請求項１〜４のいずれかに記載の空気電池システム。