JP5051244B2

JP5051244B2 - 空気電池モジュール

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Publication number: JP5051244B2
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Inventors: 真二中西
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Description

本発明は空気電池モジュールに関する。

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。

空気電池には、例えば、正極、電解液を含む電解質層、及び負極をこの順に有する発電部を筐体内に収容してなるものがある。この場合、発電部の電解質層（電解液）を介して、正極と負極との間でイオン伝導が行われることで、外部に電気エネルギーを取り出すことが可能とされる。

電解質層に電解液を用いる上記形態においては、電解液の揮発や放電に伴う電極材及び電解液の分解等による、電解液の枯渇や電池内のガスの滞留が問題となる。かかる問題に対し、例えば、特許文献１に記載されているような、発電部全体を電解液に含浸することで空気極及び負極が常に電解液で満たされた空気電池が提案されている。

特開２００８−１８１８５３号公報

特許文献１に記載された空気電池では、電池の充放電に伴って電極の体積変化が生じた場合であっても、空気極及び負極が常に電解液で満たされるようにすることで、電解液の枯渇が防止され、電池の内部抵抗の増加が抑制され、電池性能が維持できるものと考えられる。しかしながら、車載用等、高出力電源として用いる場合には、多くの空気電池を接続する必要があり、空気電池モジュールが大型化してしまうという問題があった。このように、空気電池モジュールの高出力化と小型化との両立に関しては、従来の空気電池モジュールにおいて改善の余地があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、小型化可能であり、且つ、高出力を得ることが可能な空気電池モジュール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、筐体内に収容された複数の発電部と、該複数の発電部を浸漬させるように筐体内に収容されるとともに、酸素が溶解された電解液とを備え、
一の発電部と他の発電部とで、電解液を共用している、空気電池モジュールである。

本発明において、複数の発電部が、それぞれ、負極と、当該負極の外側に備えられるとともに電解液に面する正極と、負極及び正極の間に備えられる電解質層と、を有する形態とすることが好ましい。発電部の外側に正極を設けることで、一の発電部と他の発電部とで電解液を適切に共用することができ、電解液から溶存酸素を効率的に取り込むことができる。従って、より小型化されるとともに高出力な空気電池モジュールとすることができる。

発電部の外側に正極が設けられた上記本発明において、複数の発電部が、それぞれ柱状に形成されていることが好ましい。ここに「柱状」とは、負極、電解質層、及び正極が所定の断面を有して長手方向に延在するとともに、内側に負極、外側面に正極、当該負極と正極との間に電解質層を備える形態であれば特に限定されるものではない。例えば、角柱状、円柱状、楕円形の円柱状、円筒状等とすることができる。

特に、本発明において、複数の発電部が、それぞれ円柱状に形成されていることが好ましい。本発明において、「円柱状」とは、線状、ファイバ状等を含む概念である。空気電池全体の電池反応においては、正極における電池反応（正極に酸素が取り込まれて生じる電池反応）が律速となるものと考えられる。従って、発電部を円柱状として当該円柱の外側（側面）に正極を設けることで、正極の電解液と接触する接触面積を、負極の固体電解質と接触する接触面積よりも大きくすることができる。これにより、律速となる正極電池反応を効率的に行うことができ、より高出力な空気電池モジュールとすることができる。

また、発電部が円柱状に形成された上記本発明において、一の発電部の円柱側面と他の発電部の円柱側面とが互いに接触していることが好ましい。円柱側面には正極が形成されており、これら正極同士が接触しても電池反応に問題は生じないうえ、効率的に正極の集電を行うことができる。また、発電部同士を接触させた形態とすれば、空気電池モジュールをより小型化することができる。

特に、発電部が円柱状に形成された上記本発明においては、円柱状の複数の発電部が、最密に配置されるように筐体内に収容されている形態とすることが好ましい。このような形態とすれば、各円柱の隙間に電解液が配置されて適切に電解液を共用できるとともに、発電部が占める体積を最小とすることができ、より小型化可能でより高出力な空気電池モジュールとすることができる。

さらに、発電部の外側（側面）に正極が備えられる上記本発明において、正極が電解液側面の面積Ａと、負極が電解質層側面の面積Ｂとの面積比Ａ／Ｂが、１．２以上２．２以下とされていることが好ましい。このようにすれば、正極の電流密度を抑えることで、過電圧を抑制でき、高出力下においても正極電池反応を効率的に行うことができるので、さらに高出力且つ高効率な空気電池モジュールとすることができる。

一方、本発明において、筐体が、下部に気体供給口、上部に気体排出口を有し、正極の電解液に面する面が、筐体の上下方向に沿って延在している形態とすることが好ましい。このようにすれば、電池反応により生じた気体や、電解液中に残存する気体（気泡）等が、発電部の内部及び外部に滞留することがなく、上部の気体排出口から適切に排出されるので、電池の内部抵抗の増加を抑制でき、高出力な空気電池モジュールとすることができる。

また、筐体下部に気体供給口、上部に気体排出口を有し、発電部の、正極、電解質層、及び負極の配列方向が、筐体の上下方向と交差している本発明において、筐体の下部に備えられた気体供給口から電解液中に、酸素を含有する気体が供給されることにより、電解液に酸素が溶解されることが好ましい。このようにすれば、発電部に気体（気泡）が滞留することがなく、且つ、電解液全体に均一に酸素が溶解されるので、特に内部抵抗の増加が抑えられるとともに、正極の電池反応を偏りなく効率的に行うことができる。従って、高出力な空気電池モジュールとすることができる。

本発明は、筐体内で、複数の発電部が電解液を共用した形態とされ、筐体内の発電部の占める体積が抑えられている。また、電解液には酸素が溶解されているので、電解液中の溶存酸素を正極に取り込むことで発電部の電池反応を適切に行うことができる。さらに、電解液の枯渇を防止することもできる。従って、本発明によれば、小型化されるとともに、高出力を得ることが可能な空気電池モジュールを提供することができる。

空気電池モジュール１００を概略的に示す図である。空気電池モジュール２００の外観を概略的に示す図である。空気電池モジュール２００を概略的に示す分解図である。発電部１４０の構成を概略的に示す図である。空気電池モジュール２００における発電部１４０の配置を概略的に示す図である。空気電池モジュール２００における集電の取り方を説明するための図である。

１００空気電池モジュール
１０正極
２０負極
３０電解質層
４０発電部
５０電解液
６０筐体
７０気体供給管（気体供給口）
８０気体（酸素含有ガス）
９０気体排出管（気体排出口）
２００空気電池モジュール
１０１気体供給部
１０２セルスタック部
１０３余剰電解液部
１０４気体排出部
１１０正極
１２０負極
１３０電解質層
１４０発電部
１６０筐体

以下本発明を、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複数備えたリチウム空気電池モジュールに適用した場合を中心に説明する。但し、本発明は、筐体内に電解液を有し、一の発電部と他の発電部とで当該電解液を共用可能な他の空気電池モジュール（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のモジュール）にも適用することができる。

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる空気電池モジュール１００を概略的に示す図である。図１に示すように、空気電池モジュール１００は、筐体６０内に、正極１０、１０と、負極２０と、正極１０、１０及び負極２０の間に介在する電解質層３０、３０とを有する発電部４０を複数備えている。また、筐体６０内には電解液５０が収容されており、当該電解液５０に、複数の発電部４０、４０、…がそれぞれ浸漬されており、一の発電部４０と他の発電部４０とで電解液５０を共用している。さらに、筐体５０内の上部には空間６１が設けられている。一方、筐体６０の下部から筐体５０内部に、気体供給管７０が挿入されている。気体供給管７１にはポンプ７５及びフィルタ７６が備えられており、これらを介して、筐体５０内部へと気体を供給可能とされている。気体供給管７０の筐体５０内部側の管側面には、孔７１、７１、…が設けられており、ここから電解液５０へと気体８０（酸素含有ガス８０）が供給（バブリング）されることにより、電解液５０に酸素を溶解させることができる。また、筐体５０の上部には、筐体５０内部から外部へと伸びる気体排出管９０が設けられており、筐体５０内の空間６１から筐体外部へと気体を排出可能とされている。以下、空気電池モジュール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（不図示）が設けられる。正極１０、１０は発電部４０の最外側に設けられ、電解液５０と接触しており、電解液５０に溶解された酸素を取り込むことにより電池反応が行われる。

正極１０に含有される導電性材料は、空気電池モジュール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。

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。

＜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は発電部４０の最も内側に備えられている。

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。空気電池モジュール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モジュール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。空気電池モジュール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。空気電池モジュール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、リチウム空気電池の場合、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（Ｃ_６Ｆ_１４、Ｃ_７Ｆ_１６、Ｃ_８Ｆ_１８、Ｃ_９Ｆ_２０、ヘキサフルオロベンゼン等）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。尚、溶存酸素が効率良く反応に用いられる形態にする等の観点から、電解液は、酸素溶解性が高い溶媒であることが好ましい。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ができる。

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＞
空気電池モジュール１００に備えられる発電部４０は、内側に負極２０、当該負極２０の外側に電解質層３０、３０、当該電解質層３０、３０の外側に正極１０、１０を備えることで、正極１０、１０が電解液５０と接触可能とされた形態であれば、特に限定されるものではない。例えば、略シート状の負極２０の両面に電解質層３０、３０を積層し、さらに当該電解質層３０、３０の外側に正極１０、１０を積層した、積層体とすることができる。また、当該積層体の一端と他端とを連結して、円筒状に形成してもよい。さらに、円柱状、線状、若しくは繊維状の負極２０の側面に電解質層３０をコーティングし、さらに電解質層３０の外側面に正極１０をコーティングしたような、円柱状、線状、若しくは繊維状の発電部４０としてもよい。尚、発電部４０の各集電体には配線や端子等（不図示）が設けられ、外部に電気エネルギーを取り出すことが可能とされている。配線や端子等の設置箇所については、外部に適切に電気エネルギーを取り出すことが可能であれば、特に限定されるものではない。

空気電池モジュール１００においては、正極１０、電解質層３０、及び負極２０の配列方向（積層方向）が、筐体６０の上下方向と略直交している。すなわち、正極１０の電解液５０に面する面が上下方向に沿って形成されている。このようにすれば、下記気体供給管７０から供給された気体８０が正極１０の表面に留まって気泡を形成することがない。また、電池の充放電に伴って、発電部４０内部に気体が発生した場合であっても、例えば、電解質層３０に沿って上部へと気体を排出することができる。従って、空気電池モジュール１００の内部抵抗の上昇を抑えることができ、高出力を維持することができる。

＜電解液５０＞
空気電池モジュール１００においては、筐体６０内に電解液５０が収容されており、当該電解液５０に複数の発電部４０、４０、…が浸漬され、一の発電部４０と他の発電部４０とで電解液５０を共用している。電解液５０としては、上記電解質層３０に含まれる電解液と同様のものを用いることができる。すなわち、電解液５０に発電部４０を浸漬させることで、電解質層３０のセパレータやゲルポリマーに電解液５０を行き渡らせることができる。特に空気電池モジュール１００では、電解液５０中に酸素を溶解させて用いるので、電解液５０は酸素溶解性の高い、フッ素系の有機溶媒を用いることが好ましい。

＜筐体６０＞
筐体６０には、発電部４０、４０、…、電解液５０が少なくとも収容され、筐体５０内の上部には空間６１が設けられている。空気電池モジュール１００において、筐体６０の形状は特に限定されるものではない。筐体６０の構成材料は、用いる電解液５０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。また、筐体６０内に設けられる空間６１は、発電部４０、４０、…が空間６１に露出しない程度とされている。すなわち、筐体６０内で、発電部４０、４０、…は、電解液５０に完全に浸漬された状態にある。筐体６０の下部側面には、後述する気体供給管７０を接続可能な接続部（例えば孔）が設けられている。一方、筐体６０の上部側面には、後述する気体排出管９０を接続可能な接続部（例えば孔）が設けられている。

＜気体供給管７０＞
気体供給管７０は、筐体６０の下部に接続され、外部から筐体６０内の電解液５０へと気体８０を供給可能な管である。気体供給管７０に流通させる気体８０は、酸素含有ガスであり、空気や、圧力が１．０１×１０^５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等とすることができる。気体供給管７０の筐体６０外部側には、ポンプ７５が設けられており、これにより外部から気体８０が引きこまれる。また、フィルタ７６が設けられており、これにより水分や不用なガス（二酸化炭素等）を捕捉し、モジュール内に水分等が取り込まれないようにされている。一方、気体供給管７０の筐体６０内部側の側面には、孔７１、７１、…が設けられており、ここから気体８０がバブリングされ、電解液５０に酸素が溶解される。バブリングによって溶解しなかった残存気体（気泡）は、電解液５０の上部へと移動し、空間６１に到達したのち、後述する気体排出管９０を介して外部へと排出される。気体供給管７０の形状は特に限定されるものではない。また、気体供給管７０の材質についても、電解液５０に対して安定である等、空気電池に使用可能な材料を適宜用いることができる。例えば、上記筐体６０の材質と同様とすることができる。

＜気体排出管９０＞
電池反応に供されず空間６１に到達した気体８０は、筐体６０の上部に接続された気体排出管９０を介して筐体６０内部から外部へと排出される。気体排出管９０の形状は特に限定されるものではない。また、気体排出管９０の材質についても、電解液５０に対して安定である等、空気電池に使用可能な材料を適宜用いることができる。例えば、上記筐体６０の材質と同様とすることができる。

以上のように、空気電池モジュール１００においては、筐体６０内で、複数の発電部４０、４０、…が電解液５０を共用した形態とされ、筐体６０内の発電部の占める体積が抑えられている。また、電解液５０には酸素が溶解されているので、電解液５０中の溶存酸素を正極１０に取り込むことで発電部４０の電池反応を適切に行うことができる。さらに、十分な量の電解液５０を筐体６０内に収容し、発電部４０、４０、…を電解液５０で浸漬させることで、電解液の枯渇を防止することもできる。従って、小型化されるとともに、高出力を得ることが可能な空気電池モジュール１００を提供することができる。

２．第２実施形態
図２は、第２実施形態にかかる空気電池モジュール２００の外観を概略的に示す図である。また、図３は、空気電池モジュール２００の内部構造を概略的に示す分解図である。図２及び図３において、空気電池モジュール１００と同様の構成を採るものには、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。空気電池モジュール２００は、断面が略正六角形とされた略六角柱状の筐体１６０に電解液５０や発電部１４０、１４０、…等の各電池部材が収容されてなり、気体供給部１０１、セルスタック部１０２、余剰電解液部１０３、及び気体排出部１０４を有している。筐体１６０は、略六角柱状の外観を有する容器とされている以外は、上記筐体６０と同様の構成（材質等）とすることができる。以下、空気電池モジュール２００を構成毎に説明する。

＜気体供給部１０１＞
気体供給部１０１は、空気電池モジュール２００の最下部に位置する部分である。気体供給部１０１の内部は電解液５０で満たされており、また、気体供給部１０１の外部側面から内部へと気体供給管７０が挿入されている。電解液５０や気体供給管７０の構成については、上述の空気電池モジュール１００のものと同様とすることができる。気体供給部１０１においては、ポンプ７５を作動させ、フィルタ７６、気体供給管７０、及び孔７１、７１、…を介して、電解液１５０に酸素含有ガスが供給される（バブリングされる）ことにより、電解液１５０に酸素が溶解される。電解液１５０に溶解された溶存酸素は、後述するセルスタック部１０２の各発電部１４０、１４０、…の正極１１０、１１０、…に取り込まれて、電池反応に供される。

＜セルスタック部１０２＞
セルスタック部１０２は、気体供給部１０１の上方に位置する部分である。セルスタック部１０２内部には、複数の発電部１４０、１４０、…が収容されるとともに、電解液５０で満たされ、当該発電部１４０、１４０、…がそれぞれ電解液５０に浸漬されている。以下、発電部１４０の構成について詳述する。

（発電部１４０）
図４は、発電部１４０の構成を説明するための図である。図３及び図４（ｂ）に示されるように、発電部１４０は略円柱状（線状も含む）に形成されている。そして、図４（ａ）に示されるように、発電部１４０は、円柱の中心から、負極集電体１２２、及び当該負極集電体１２２の外側に形成された負極層１２１を備える負極１２０と、負極１２０の外側に形成された電解質層１３０と、電解質層１３０の外側に形成された正極層１１１及び当該正極層１１１の外側に形成された正極集電体１１２を備える正極１１０と、を有しており、これらは、円柱内部において円柱長手方向に延在している（図４（ｃ））。正極１１０、負極１２０、及び電解質層１３０の構成材料については、上記空気電池モジュール１００の正極１０、負極２０、及び電解質層３０と同様とすることができる。

発電部１４０における電池反応（例えば、放電反応）は、電解液５０中の溶存酸素を取り込むことにより行われる正極１１０における反応が律速となる。従って、正極１１０と電解液５０との接触面積（Ａ）を大きくし、且つ、負極１２０と電解質層１３０との接触面積（Ｂ）を小さくすることが好ましい。具体的には接触面積（Ａ）と接触面積（Ｂ）との面積比Ａ／Ｂを１．２〜２．２とすることが好ましい。このようにすれば、正極１１０における電流密度を小さくすることができ、過電圧を抑えることができるので、高出力下においてもスムーズな充放電が可能とされる。

発電部１４０は、例えば以下のように作製される。すなわち、まず、円柱状又は線状の負極集電体１２２を用意する。例えば、銅線を用いることができる。当該負極集電体１２２の外側に、負極活物質、導電材、結着材等を含有する負極材料をコーティングする。コーティングの方法としては、スプレーコート、ディップコート等、公知の方法を特に限定されることなく用いることができる。負極材料をコーティングすることで、負極集電体１２１の外側に負極層１２１が形成され、負極１２０とされる。次に、シート状のセパレータを負極１２０の表面に巻きつけ固定する、若しくは、ゲルポリマーを含むスラリーを負極１２０の表面に塗布し、乾燥させることにより、電解質層１３０となる部分を形成する。ここに電解液５０が浸漬されることにより、電解質層１３０となる。次に、当該電解質層１３０となる部分の表面に、導電材、結着材等を含有する正極材料をコーティングする。コーティングの方法としては負極層１２１と同様とすることができる。正極材料をコーティングすることで、電解質層１３０となる部分の外側に正極層１１１が形成される。その後、さらに、正極層１１１の外側に正極集電体１１２を巻きつけ固定する。正極集電体１１１としては例えばＮｉメッシュを用いることができる。これにより、正極層１１１の表面に正極集電体１１２が形成され、正極１１０とされる。正極材料や負極材料のコーティング量については、上記接触面積（Ａ）及び接触面積（Ｂ）を考慮して適宜調整される。

セルスタック部１０２においては、筐体１６０の壁面で挟持されるように、複数の発電部１４０、１４０、…が束ねられて収容されている。発電部１４０、１４０、…の配置について、図５を参照しつつ説明する。

図５は、セルスタック部１０２を図３紙面上方から見た場合の上面図である。図５に示されるように、略正六角形状とされた筐体１６０の壁面に挟持されるように、複数の発電部１４０、１４０、…が束ねられて配置されている。発電部１４０、１４０、…は最密となるよう、側面同士が互いに接触した状態にある。上記のように、発電部１４０は円柱状（又は線状）に形成されているので、発電部１４０、１４０、…同士の接触が略線接触となり、複数の発電部１４０、１４０、…を最密に配置した場合であっても、発電部１４０、１４０、…の間や、発電部１４０と筐体１６０壁面との間に適度な隙間が生じる。従って、当該隙間部分を電解液５０で満たすことで、電解液５０中の溶存酸素を発電部１４０の正極１１０へと適切に取り込むことができ、且つ、電解液５０の枯渇を抑制することができる。さらに、発電部１４０を最密に配置することで、セルスタック部１０２の占める体積を小さくすることができ、高出力を維持しつつ、より小型化可能な空気電池モジュール２００とすることができる。

また、セルスタック部１０２においては、正極１１０、電解質層１３０、及び負極１２０の配列方向（積層方向）が、筐体１６０の上下方向と略直交している。すなわち、正極１１０の電解液５０に面する面が上下方向に沿って形成されている。このようにすれば、下記気体供給管７０から供給された酸素含有ガスが正極１１０の表面に留まって気泡を形成することがない。また、電池の充放電に伴って、発電部１４０内部に気体が発生した場合であっても、例えば、電解質層１３０に沿って上部へと気体を排出することができる。従って、空気電池モジュール２００の内部抵抗の上昇を抑えることができ、高出力を維持することができる。

複数の発電部１４０、１４０、…を筐体１６０内に保持する手段は特に限定されるものではない。図３のように、筐体１６０の内壁面で挟持されている形態としてもよいし、筐体１６０に支持部を設けて、例えば、発電部１４０、１４０、…を下部から支持しているような形態としてもよい。

次に、セルスタック部１０２の各発電部１４０、１４０、…から電気エネルギーを取り出す場合について説明する。図６は、複数の発電部１４０、１４０、…の集電形態について概略的に示す図である。複数の発電部１４０、１４０、…は、円柱側面同士が互いに接触しており、すなわち、正極１１０（特に正極集電体１１２）同士が接触した状態にある。従って、最外側の正極集電体１１１、１１１、…を接続するように、筐体１６０の内壁面に沿って集電材１１３（配線等）が設けられることにより、複数の発電部１４０、１４０、…の正極１１０、１１０、…の集電を効率的に行うことができる。一方、負極集電体１２２、１２２、…については、円柱の内部に設けられているため、互いに接触していない。従って、図６に示されるように、発電部１４０、１４０、…の上端面に露出した負極集電体１２２、１２２、…を互いに結び付けるように、集電材１２３（配線等）が設けられることにより、複数の発電部１４０、１４０、…の負極１２０、１２０、…の集電を効率的に行うことができる。

＜余剰電解液部１０３＞
空気電池モジュール２００においては、発電部１４０、１４０、…が後述する気体排出部１０４の空間６１に露出することなく、電解液５０に完全に浸漬されている。従って、セルスタック部１０２の上方には、余剰電解液部１０３が存在し、電解液５０の枯渇が防止されている。

＜気体排出部１０４＞
気体排出部１０４は空気電池モジュール２００の最上部に位置する部分である。気体排出１０４の内部には電解液５０が存在せず、替わりに空間６１が設けられている。上述の気体供給部１０１から供給された酸素含有ガスのうち、電解液５０に溶解されなかった、若しくは、電池反応に供されなかった残存気体（気泡）は、セルスタック部１０２、余剰電解液部１０３を通って、空間６１へと到達する。気体排出部１０４においては、空間６１から筐体１６０外部に向かって、気体排出管９０が延びており、ここから、残存気体が外部へと排出される。気体排出管９０の形態については、上記空気電池モジュール１００と同様とすることができる。

空気電池モジュール２００において、気体供給部１０１、セルスタック部１０２、余剰電解液部１０３、及び気体排出部１０４の、角柱長手方向長さ（図２紙面上下方向長さ）については、特に限定されるものではない。但し、高出力な空気電池モジュール２００とする観点からは、セルスタック部１０２の角柱長手方向長さを、他よりも大きくすることが好ましい。具体的には、例えば、気体供給部１０１の角柱長手方向長さに対して、セルスタック部１０２の角柱長手方向長さが２０倍、余剰電解液部１０３及び気体排出部１０４の角柱長手方向長さの合計が２倍程度の長さとなるように、空気電池モジュール２００を設計することができる。

以上のように、空気電池モジュール２００においては、筐体１６０内で、複数の発電部１４０、１４０、…が電解液５０を共用した形態とされ、十分な出力を維持しつつ、セルスタック部１０２の占める体積が抑えられている。また、電解液５０には酸素が溶解されているので、電解液５０中の溶存酸素を正極１１０に取り込むことで発電部１４０の電池反応を適切に行うことができる。さらに、正極１１０と電解液５０との接触面積（Ａ）と、負極１２０と電解質層１３０との接触面積（Ｂ）との面積比を適切に調整することで、電池反応を効率的に行うことができる。一方、余剰電解液部１０３を設けて、十分な量の電解液５０を筐体１６０内に収容しており、電解液の枯渇を防止することができる。従って、小型化されるとともに、高出力を得ることが可能な空気電池モジュール２００を提供することができる。

上記説明においては、筐体の下部から酸素含有ガスがバブリングされることにより酸素が電解液に溶解され、残存気体（気泡）が筐体の上部から排出される形態について説明したが、電解液中に適切に酸素を溶解可能な形態であれば、本発明はこの形態に限定されるものではない。但し、酸素含有ガスが電解液に均一に行き渡り、溶存酸素に偏りを生じさせないようにする観点からは、筐体の下部から酸素含有ガスを供給し、筐体の上部から残存気体（気泡）を排出する形態とすることが好ましい。

また、上記説明においては、発電部の正極、電解質層、及び負極の積層方向が、空気電池モジュールの上下方向と交差（直交）する形態、すなわち、正極の電解液に面する面が上下方向に沿うように、発電部が縦置きとされた形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。但し、筐体の下部から供給された気体や、充放電時に発生する気体を上部に逃がし、気体（気泡）の電池内での滞留を抑制することで、電池内部抵抗の上昇を抑制する観点からは、発電部を縦置きとすることが好ましい。

また、上記説明においては、所定の数の発電部が筐体内に収容される形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。電池の所望の性能に合わせて、発電部の数が適宜増減される。但し、本発明においては、複数の発電部で電解液を共用する観点から、筐体内に２以上の発電部が備えられる。

また、第２実施形態にかかる上記説明においては、筐体１６０の内壁及び外壁が、略正六角形状となるように形成された形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。但し、発電部１４０、１４０、…を最密に配置し、当該発電部１４０、１４０、…をコンパクトに収容する観点からは、略正六角形の角柱状に形成された筐体１６０を用いることが好ましい。

また、第２実施形態にかかる上記説明においては、図６のように、セルスタック部１０２の発電部１４０、１４０、…の外縁を覆うように、筐体１６０の内壁に沿って正極の集電がなされ、発電部１４０の上端面に露出した負極集電体１２０同士を接続することで負極の集電がなされる形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。但し、効率的に空気電池モジュール２００から電気エネルギーを取り出す観点からは、上記のような形態とすることが好ましい。

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モジュール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。

本発明の空気電池モジュールは、高出力であるとともに小型化可能なため、小型機器の電源のみならず、車載用電源等の高出力が要される電源としても好適に使用可能である。

Claims

筐体内に収容された複数の発電部と、該複数の発電部を浸漬させるように前記筐体内に収容されるとともに酸素が溶解された電解液と、を備え、
一の前記発電部と他の前記発電部とで、前記電解液を共用している、空気電池モジュール。
前記複数の発電部が、それぞれ、負極と、該負極の外側に備えられるとともに前記電解液に面する正極と、該負極及び正極の間に備えられる電解質層と、を有する、請求の範囲第１項に記載の空気電池モジュール。
前記複数の発電部が、それぞれ柱状に形成された、請求の範囲第２項に記載の空気電池モジュール。
前記複数の発電部が、それぞれ円柱状に形成された、請求の範囲第３項に記載の空気電池モジュール。
一の前記発電部の前記円柱の側面と他の前記発電部の前記円柱の側面とが互いに接触している、請求の範囲第４項に記載の空気電池モジュール。
円柱状の前記複数の発電部が、最密に配置されるように前記筐体内に収容されている、請求の範囲第５項に記載の空気電池モジュール。
前記正極の前記電解液側面の接触面積Ａと、前記負極の前記電解質層側面の面積Ｂとの面積比Ａ／Ｂが、１．２以上２．２以下とされている、請求の範囲第２項〜第６項のいずれかに記載の空気電池モジュール。
前記筐体が、下部に気体供給口、上部に気体排出口を有し、
前記正極の前記電解液に面する面が、前記筐体の上下方向に沿って延在している、請求の範囲第２項〜第７項のいずれかに記載の空気電池モジュール。
前記筐体の下部に備えられた前記気体供給口から前記電解液中に、酸素を含有する気体が供給されることにより、前記電解液に前記酸素が溶解される、請求の範囲第８項に記載の空気電池モジュール。