JP2013187113A

JP2013187113A - 空気電池

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Publication number: JP2013187113A
Application number: JP2012052768A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Tsukada; 佳子塚田; Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤; Shin Nagayama; 森長山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP5850403B2

Abstract

【課題】従来の空気電池は、発熱や酸化物の生成に伴って電解液が膨張し、とくに薄型化を図る場合に、内部抵抗の増加や空気流路の断面積の減少が生じて、出力が低下するという問題点があった。
【解決手段】電解質層３を間にして正極層１及び負極層２を備えると共に、正極層１及び負極層２の少なくとも一方が、複数の空気電池Ａ１を積層した際に隣接する空気電池Ａ１との間に介在して正極層１に対する空気流路Ｆを形成する流路形成部材５を備え、流路形成部材５が、導電性を有し且つ電解質層３の膨張に対応した弾性変形機能を有している構成とした。電解液の膨張に伴う内部抵抗の増加を接触抵抗の低減で相殺すると共に、空気流路の所定の断面積を維持し、出力低下を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を正極活物質として利用する空気電池に関し、とくに、複数個を接続して組電池を構成するのに好適な空気電池に関するものである。

従来における空気電池としては、例えば、特許文献１に記載されたものがあった。特許文献１に記載の空気電池は、非水電解質層を正極及び負極で挟んで電極群を構成し、この電池群を正極及び負極の各端子とともに収容ケースに収容した構造である。両端子は、収容ケースから互いに相反する方向に突出している。また、空気電池は、収容ケースの正極側の壁部に複数の空気孔を有すると共に、これらの空気孔をシールテープで閉塞し、使用時には、シールテープを剥がすことで空気孔を開放して、正極に空気（酸素）を供給するようになっている。

特許第３７３５５１８号公報

ところで、近年では、自動車等の車両の電源又は補助電源として使用する空気電池の研究開発が進められている。車載用の空気電池は、車両に要求される出力及び容量や、狭いスペースへの搭載性などを考慮すると、構造を簡単にして薄型にし、複数個を直列に接続して組電池を構成し得るものにする必要がある。ところが、上記したような従来の空気電池は、互いに直接接続することができない構造であるから、車載用の電源に適用することは実質的に不可能であった。

また、この種の空気電池では、正極層を薄い通気性材料で形成するので、金属製の負極層に比べて正極層の機械的強度が低く、しかも、使用開始後には、発熱や酸化物の生成に伴って電解液が膨張し、正極層が外側に撓むことがある。このため、とくに薄型化を図る空気電池では、内部抵抗が増加したり、空気流路の断面積が減少したりして、出力の低下が生じ易いという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、電解液の膨張に伴う内部抵抗の増加を接触抵抗の低減で相殺することができると共に、空気流路の所定の断面積を維持することができ、車載用として好適な薄型の空気電池を提供することを目的としている。

本発明の空気電池は、電解質層を間にして正極層及び負極層を備えている。電解質層には、電解液を含むことができる。そして、空気電池は、正極層及び負極層の少なくとも一方が、複数の空気電池を積層した際に隣接する空気電池との間に介在して正極層に対する空気流路を形成する流路形成部材を備え、この流路形成部材が、導電性を有し且つ電解質層の膨張に対応した弾性変形機能を有している構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の空気電池によれば、上記構成を採用したことから、電解液の膨張に伴う内部抵抗の増加を接触抵抗の低減で相殺することができると共に、空気流路の所定の断面積を維持することができる。これにより出力の低下を防ぐことができると共に、車載用として好適な薄型化に貢献することができる。

本発明の空気電池の一実施形態を説明する断面図（Ａ）、電解液が膨張した状態を示す断面図（Ｂ）である。図１に示す空気電池の平面図（Ａ）、図Ａ中のＢ−Ｂ線での断面図（Ｂ）である。図１に示す空気電池を分解した状態で説明する断面図である。図１に示す空気電池を積層した組電池を説明する断面図である。流路形成部材の他の例を示す側面図（Ａ）、及び圧縮変形した状態を示す側面図（Ｂ）である。流路形成部材のさらに他の例を示す側面図（Ａ）、及び圧縮変形した状態を示す側面図（Ｂ）である。流路形成部材のさらに他の例を示す各々側面図（Ａ）〜（Ｆ）である。本発明の空気電池のさらに他の実施形態を説明する断面図である。本発明の空気電池のさらに他の実施形態を説明する断面図である。本発明の空気電池のさらに他の実施形態を説明する平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。

以下、図面に基づいて、本発明の空気電池の実施形態を説明する。
図１（Ａ）及び図２に示す空気電池Ａ１は、矩形板状を成すものであって、電解質層３を間にして正極層１及び負極層２を備えると共に、電気絶縁性を有し且つ少なくとも電解質層３及び正極層１の外周を包囲する外枠部材４を備えている。なお、図１は、図２（Ａ）中のＡ−Ａ線に基づく断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のＢ−Ｂ線に基づく断面図である。

正極層１は、ガス拡散層を含む触媒層１１と、正極表面（図中で電池上面）に配置した撥水層１２と、金属メッシュ等から成る正極集電層１３を備えている。触媒層１１は、導電性多孔質材料で形成してあり、例えば、カーボン材料とバインダー樹脂とで形成した導電性多孔体の内部に、二酸化マンガンなどの触媒を担持させたものである。

撥水層１２は、電解液に対して液密性を有し、且つ酸素に対して通気性を有する部材である。この撥水層１２は、電解液が外部へ漏出するのを阻止し得るように、フッ素樹脂などの撥水膜を用いており、一方、触媒層１１に酸素を供給し得るように多数の微細孔を有している。また、撥水層１２には、導電性材料を用いることができ、これにより、組電池Ｃにおいて、配線類を使用せずに直接的な電気接続が可能になる。

負極層２は、負極金属層２１と、負極表面（図中で電池下面）に配置した負極集電層２２を備えている。負極金属層２１は、リチウム（Ｌｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）等の純金属、もしくは合金などの材料から成るものである。

負極集電層２２は、電解液が外部に漏出するのを阻止し得る材質から成る導電部材であって、例えば、ステンレス、及び銅（合金）や、金属材料の表面に耐食性を有する金属をメッキしたものなどである。この負極集電層２２は、より好ましくは、負極金属層２１よりも耐電解液性の高い材料から成るものである。

電解質層３は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や塩化物を主成分とした水溶液（電解液）もしくは非水溶液をセパレータ内に含浸させたものであり、その水溶液や非水溶液を貯留させるために、セパレータには微細な孔が所定の割合で形成されている。なお、電解質層３そのものを、固体あるいはゲル状の電解質としても良い。

外枠部材４は、矩形枠状を成し、ポリプロピレン（ＰＰ）やエンジニアリングプラスチックなどの耐電解液性を有する樹脂製であることが好ましく、これにより軽量化も図ることができる。また、外枠部材４は、機械的強度を持たせるために、樹脂をカーボン繊維やガラス繊維などの強化繊維によって複合化した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を使用することもできる。

さらに、外枠部材４は、長辺部分に対して短辺部分が上方に突出していると共に、枠内側に、正極層１の撥水層１２の外周部を受けるための段差部４Ａを有している。上記の如く短辺部分を突出させることで、図４に示すように空気電池Ａ１を複数個積層して組電池Ｃを構成した際に、正極層１の表面側に隙間を形成し、図２中の矢印で示す面内方向（面に沿う方向）に空気を流通させる。

なお、外枠部材４には、電解質層３に対して、バルブ類を備えた電解液の注入部を設けることも可能である。これにより、空気電池Ａ１は注液式電池となる。

そして、空気電池Ａ１は、正極層１及び負極層２の少なくとも一方が、複数の空気電池Ａ１を積層した際に隣接する空気電池Ａ１との間に介在して正極層１に対する空気流路Ｆを形成する流路形成部材５を備えている。この実施形態では、正極層１に、流路形成部材５を設けている。

流路形成部材５は、導電性を有し且つ電解質層３の膨張に対応した弾性変形機能を有しており、自然状態では、先述の外枠部材４における短辺部分の突出量（長辺部分との高低差）に相当する厚さ寸法（高さ寸法）を有している。

この実施形態の流路形成部材５は、断面波形状を成しており、厚さ方向の弾性変形が可能である。空気流路Ｆは、波形状の正極層１側（下面側）の谷部である。この流路形成部材５は、導電性金属、若しくは表面に導電性金属を被覆した樹脂で形成してある。

また、流路形成部材５は、より好ましい実施形態として、正極層１、負極層２及び外枠部材４のうちのいずれかに接合し、空気電池Ａ１の構成部品として一体化する。図示例の流路形成部材５は、正極層１側に設けてあるので、正極層１及び外枠部材４の少なくとも一方に接合する。このとき、流路形成部材５は、少なくとも外周部の一部などが接合してあれば良く、材料の接合性等を考慮すると外枠部材４に接合するのがより望ましい。

上記構成を備えた空気電池Ａ１は、図４に示すように、複数個を積層して組電池Ｃを構成する。このとき、流路形成部材５は、隣接する空気電池Ａ１同士の間で挟持され、空気流路Ｆを形成すると共に、隣接する空気電池Ａ１同士を電気的に接続するコネクタとして機能する。

ここで、空気電池Ａ１は、使用開始後には、発熱や酸化物の生成に伴って電解質層３の電解液が膨張し、図１（Ｂ）に示す如く正極層１が外側に撓むことがある。このとき、空気電池Ａ１では、酸化物の生成に伴って内部抵抗が増加し、流路形成部材５が無い場合には、正極層１の撓みに伴って空気流路の断面積が減少し、これらにより出力低下が生じる。

これに対して、上記の空気電池Ａ１は、電解質層３の電解液が膨張しても、流路形成部材５が正極層１をフラットに押さえて電解質層３の変位量を平準化し、部品同士の面圧を高める。すなわち、電解液３の膨張を巧みに利用して部品同士の接触力を高める。このようにして、空気電池Ａ１は、内部抵抗の増加を接触抵抗の低減で相殺することができると同時に、空気流路Ｆの所定の断面積を維持することができる。これにより、空気電池Ａ１は、出力低下を防ぐことができ、安定した発電（放電）を行うことができる。

また、上記の空気電池Ａ１は、構造が極めて簡単であって、これにより薄型化を実現していると共に、配線類を一切用いずに直接的に直列接続することができる。したがって、車載用として非常に好適なものとなる。

さらに、上記の空気電池Ａ１は、流路形成部材５が、導電性金属、若しくは表面に導電性金属を被覆した樹脂で形成してあるので、接触抵抗が非常に小さく、高出力化に貢献することができる。また、金属被覆した樹脂製にすれば、さらなる軽量化を実現できる。

さらに、上記の空気電池Ａ１は、少なくとも電解質層３及び正極層１の外周を包囲する外枠部材４を備えると共に、正極層１、負極層２及び外枠部材４のうちのいずれかに前記流路部材５を接合したことから、接触抵抗の低減や、取扱い性の向上などを実現することができる。

さらに、空気電池Ａ１は、図４に示す如く組電池Ｃを構成した場合には、図中に仮想線で示す最上段の流路形成部材５を省略することも可能である。なお、組電池Ｃの積層方向の両端にエンドプレートを設ける場合には、エンドプレートとの間に流路形成部材５を介装することも有り得る。

図５及び図６は、本発明に係る空気電池に使用する流路形成部材の他の実施形態を説明する図である。図示の流路形成部材１５，２５は、厚さ方向の圧縮変形に伴って正極層１及び負極層２に対する接触面積が増大する形状である。

図５に示す流路形成部材１５は、断面波形状を成しており、図５（Ａ）に示す通常時においては、上下の山部の頂点が正極層１や負極層２に接触する。このとき、流路形成部材１５は、断面波形状であるから、山部が線接触する。そして、流路形成部材１５は、厚さ方向に圧縮変形すると、図５（Ｂ）に示すように、山部が潰れて正極層１や負極層２に対する接触面積が増大する。図５（Ａ）中の円、及び図５（Ｂ）中の楕円は、接触面積の増大を示している。

図６に示す流路形成部材２５は、断面波形状を成すものであるが、大きい波形と小さい波形を組み合わせたものである。この流路形成部材２５は、図６（Ａ）に示す通常時においては、大きい波形の山部の頂点が正極層１や負極層２に接触する。そして、流路形成部材２５は、厚さ方向に圧縮変形すると、図６（Ｂ）に示すように、大きい波形が潰れて小さい波形の山部の頂点が正極層１や負極層２に接触する。つまり、図６中に円で示すように、圧縮変形した際に接触箇所を増すことにより、正極層１や負極層２に対する接触面積が増大する。

上記の流路形成部材１５，２５を備えた空気電池Ａ１は、先の実施形態と同様の効果を得ることができるほか、電解質層３の電解液の膨張に伴って流路形成部材１５，２５が厚さ方向に圧縮変形し、正極層１や負極層２に対する接触面積を増大させる。これにより、空気電池Ａ１は、流路形成部材１５，２５と、正極層１及び負極層２との接触抵抗が減少し、出力低下を防ぐと共に、安定した発電（放電）を行うことができる。

図７は、本発明に係る空気電池に使用する流路形成部材のさらに他の実施形態を説明する図である。

図７（Ａ）に示す流路形成部材３５は、線状素材を不織布状に形成したものであり、厚さ方向の弾性変形機能を有している。図７（Ｂ）に示す流路形成部材４５は、面ファスナーのフック側部材に相当するものであって、シート４５Ａに多数の弾性フック４５Ｂを備えており、厚さ方向の弾性変形機能を有している。この流路形成部材４５は、弾性フック４５Ｂを正極層１に接触させる。なお、面ファスナーのループ側部材に対応した構造にすることもできる。

図７（Ｃ）に示す流路形成部材５５は、シート５５Ａに、片持ち梁形の弾性突起５５Ｂを備えており、厚さ方向の弾性変形機能を有している。この流路形成部材５５は、弾性突起５５Ｂを正極層１に接触させる。また、弾性突起５５Ｂは、舌片状にして縦横に配置したり、図示の断面が連続する長尺片状にして並列に配置したりすることができる。

図７（Ｄ）に示す流路形成部材６５は、複数のコイルを並列に配置したものであり、厚さ方向の弾性変形機能を有している。図７（Ｅ）に示す流路形成部材７５は、断面波形状を成して厚さ方向の弾性変形機能を有すると共に、多数の孔を形成したものである。図７（Ｆ）に示す流路形成部材８５は、メッシュ素材を断面波形状に成形したものであり、厚さ方向の弾性変形機能を有している。

上記の流路形成部材３５，４５，５５，６５，７５，８５は、いずれも導電性金属、若しくは表面に導電性金属を被覆した樹脂で形成してある。流路形成部材は、厚さ方向の弾性変形機能を有するものであれば、図示例以外にも様々な形状にすることができる。そして、空気電池Ａ１並びに組電池Ｃにおいて、電解液の膨張に伴う内部抵抗の増加を接触抵抗の低減で相殺すると共に、空気流路Ｆの所定の断面積を維持し、出力低下を防止する。

また、図７中の（Ａ）（Ｄ）（Ｅ）及び（Ｆ）に示す流路形成部材３５、６５，７５及び８５は、通気性を有するものとなっており、これにより、空気流路Ｆの断面積がより大きく得られ、高出力化に貢献し得ると共に、さらなる軽量化も実現する。なお、図７中の（Ｂ）及び（Ｃ）に示す流路形成部材４５及び５５にあっても、シート４５Ａ，５５Ａに多数の孔を形成することで、通気性をもたせることができる。

図８及び図９に示す空気電池Ａ１及び組電池Ｃは、流路形成部材が、正極層１及び負極層２のうちのいずれか一方に一体化してある。

図８に示す空気電池Ａ１は、正極層１に流路形成部材９５を一体化したものである。図示の流路形成部材９５は、メッシュ９５Ａに多数の弾性フック９５Ｂを設けたものであって、厚さ方向の弾性変形機能と導電性を有し、組電池Ｃにおいて上段の空気電池Ａ１の負極層２に当接して空気流路Ｆを形成する。

図９に示す空気電池Ａ１は、負極層２に流路形成部材２２Ａを一体化したものである。図示の流路形成部材２２Ａは、図７（Ｃ）に示した流路形成部材５５と同様の片持ち梁形の弾性突起であり、負極層２を構成する負極集電層２２に一体化してある。この流路形成部材２２Ａは、厚さ方向の弾性変形機能と導電性を有し、組電池Ｃにおいて下段の空気電池Ａ１の正極層１に当接して空気流路Ｆを形成する。

上記の空気電池Ａ１にあっても、先の実施形態と同様の効果が得られるうえに、正極層１及び負極層２のうちのいずれか一方に流路形成部材９５，２２Ａを一体化したことから、部品点数の削減や接触抵抗のさらなる低減を実現することができる。これにより、空気電池Ａ１並びに組電池Ｃの低コスト化や性能向上にも貢献することができる。

図１０に示す空気電池Ａ２は、円板形状を成している。この空気電池Ａは、先の実施形態と同様の基本構成を有し、電解質層３を間にして正極層１及び負極層２を備えると共に、少なくとも正極層１及び電解質層３の外周部を包囲する外枠部材４を備えている。また、空気電池Ａ２は、その中心に空気の流通孔６を有すると共に、外枠部材４の上面に、空気を流通させるための溝４Ａが、円周方向に所定間隔で設けてある。

そして、空気電池Ａ２は、正極層１に、複数の空気電池Ａ２を積層した際に隣接する空気電池Ａ２との間に介在して正極層１に対する空気流路を形成する流路形成部材１０５を備えている。図示例の流路形成部材１０５は、金属メッシュから成り、導電性を有すると共に、電解質層３の膨張に対応した弾性変形機能を有している。この空気電池Ａ１にあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

本発明に係る空気電池及び組電池は、その構成が上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することができる。

Ａ１Ａ２空気電池
Ｃ組電池
Ｆ空気流路
１正極層
２負極層
３電解質層
４外枠部材
５流路形成部材
１３，２２Ａ，２５，３５，４５…流路形成部材
５５，６５，７５，８５，９５、１０５…流路形成部材

Claims

電解質層を間にして正極層及び負極層を備えると共に、
正極層及び負極層の少なくとも一方が、複数の空気電池を積層した際に隣接する空気電池との間に介在して正極層に対する空気流路を形成する流路形成部材を備え、
流路形成部材が、導電性を有し且つ電解質層の膨張に対応した弾性変形機能を有していることを特徴とする空気電池。
前記流路形成部材が、厚さ方向の圧縮変形に伴って正極層及び負極層に対する接触面積が増大する形状であることを特徴とする請求項１に記載の空気電池。
前記流路形成部材が、導電性金属、若しくは表面に導電性金属を被覆した樹脂から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気電池。
前記流路形成部材が、通気性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気電池。
電気絶縁性を有し且つ少なくとも電解質層及び正極層の外周を包囲する外枠部材を備えると共に、
前記流路形成部材が、正極層、負極層及び外枠部材のうちのいずれかに接合してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気電池。
前記流路形成部材が、正極層及び負極層のうちのいずれか一方に一体化してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気電池。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の空気電池を複数個積層して成ることを特徴とする組電池。