JP6299247B2 - 空気電池用ユニット及び空気電池 - Google Patents
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Description
この空気電池は、正極層と、正極層上に積層された電解質層と、電解質層上に積層された負極層と、正極層上に積層され、正極層に対して電解質層と逆側に位置する導電性液密通気層と、を備えるものである。
また、組電池は、上述した空気電池を複数備え、第一の空気電池における導電性液密通気層と第一の空気電池と隣り合う第二の空気電池における負極層との間に介在し、酸素含有ガスを流通させる流路が設けられ、第一の空気電池が、導電性液密通気層を介して、第二の空気電池における負極層と電気的に接続しているものである。
そして、空気電池用正極集電部材は、少なくとも正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの流路となる複数の凹部からなるガス流路を有する一方の面と、一方の面の反対側に位置し、複数の凹部の反対側に位置する凸部を有する他方の面と、を有している。
また、正極触媒層は、他方の面側に、他方の面の形状に沿って配設されている。
そのため、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さく、出力密度を向上させ得る空気電池用ユニット、及び複数の空気電池用ユニットを具備した空気電池を提供することができる。
図1は、第1の実施形態に係る空気電池用ユニットを模式的に示す断面図である。なお、この断面図は、後述する一方の面から他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路のガス流れ方向に直交するものである。
図1に示すように、第1の実施形態に係る空気電池用ユニット1は、空気電池用正極集電部材10を備える。そして、空気電池用正極集電部材10は、少なくとも正極活物質である酸素を透過すると共に、少なくとも正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの流路となる複数の凹部11からなるガス流路Pを有する一方の面10Aと、一方の面10Aの反対側に位置し、複数の凹部11の反対側に位置する凸部13を有する他方の面10Bと、を有している。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さくなり、発電ロスを低減させることができるため、出力密度が向上した空気電池となる。なお、出力密度が向上した空気電池となるため、小型化を図ることもできる。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、出力性能が向上した空気電池となる。なお、出力性能が向上した空気電池となるため、更なる小型化を図ることもできる。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、出力性能が更に向上した空気電池となる。なお、出力性能が更に向上した空気電池となるため、更なる小型化を図ることもできる。
上記空気電池用正極集電部材10は、空気電池用正極集電部材として機能し、所定の構造を有すると共に、少なくとも正極活物質である酸素を透過するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、複数の微細孔を有する燒結金属基板、発泡金属基板、エッチング金属基板、パンチング金属基板などを好適に用いることができる。また、これらに限定されるものではなく、例えば、金網などの繊維構造体や、金属不織布などの金属繊維集合体を適用することもできる。更に、これらは、1種のみを単独で又は2種以上を組み合わせて適用してもよい。また、このような金属としては、例えば、ステンレス鋼(SUS)や銅、ニッケルなどを好適に用いることができる。なお、空気電池用正極集電部材の厚みや空隙率は、正極触媒層の支持性能を確保し得れば、特に限定されるものではない。
上記正極触媒層20は、酸素を正極活物質とするものであって、酸素を酸化還元する触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、触媒成分等を結着するバインダとを含み、多孔質構造が形成されている。なお、触媒担体及びバインダは、必要に応じて含有されるものである。
上記導電性液密通気層30は、電解液収容部に充填される電解液のガス流路への漏液を抑制ないし防止し得るものであれば、特に限定されるものではなく、電解液が水系である場合には、導電性撥水層を適用することができる。導電性撥水層は、電解液に対する液密性(例えば、水密性)と、酸素に対する通気性を備え、電解液が外部に漏出するのを抑制ないし防止する一方、正極触媒層への酸素供給を可能にする機能を有するものであって、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂やポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂などの撥水性多孔質樹脂と黒鉛などの導電性材料からなるものを好適に用いることができる。
図2は、第2の実施形態に係る空気電池用ユニットを模試的に示す断面図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さくなり、発電ロスを低減させることができるため、出力密度が向上し、電解液収容部が低コストで容易に形成された空気電池となる。なお、出力密度が向上した空気電池となるため、小型化を図ることもできる。
上記絶縁性枠部材40は、他の空気電池用ユニットにおける絶縁性枠部材と共に、電解液収容部を形成し得るものであれば、特に限定されるものではない。例えば、絶縁性枠部材は、絶縁性の樹脂材料や、必要に応じて添加される無機フィラーを含む樹脂材料を用いて形成したものであることが好ましい。また、絶縁性枠部材が、樹脂材料を含有するものであって、モールド成形によって空気電池用正極集電部材と接合されたものであることが好ましい。この場合、空気電池用正極集電部材と絶縁性枠部材とが一体的に形成されることとなるため、電解液収容部からガス流路への電解液の漏液をより防止することができる。また、接着材を用いることなく空気電池用正極集電部材と絶縁性枠部材とを接合することができるため、低コスト化を図ることができるという利点もある。しかしながら、これに限定されるものではなく、別体で形成された絶縁性枠部材に接着材を適用した接合、その他の従来公知の接合によって接合させてもよい。
図3(A)は、第3の実施形態に係る空気電池用ユニットを模式的に示す断面図であり、図3(B)は、図3(A)に示した空気電池用正極集電部材の包囲線Bで囲んだ外端部の拡大図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、絶縁性枠部材を更に備え、絶縁性枠部材が、空気電池用正極集電部材の周囲に配設されており、空気電池用正極集電部材の外端部が、絶縁性枠部材と接合されている構成であってもよい。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さくなり、発電ロスを低減させることができるため、出力密度が向上し、空気電池用正極集電部材と絶縁性枠部材との密着強度が高く、電解液収容部が低コストで容易に形成された空気電池となる。なお、出力密度が向上した空気電池となるため、小型化を図ることもできる。
図4は、第4の実施形態に係る空気電池用ユニットを模式的に示す断面図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
そして、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、導電性液密通気層を備え、導電性液密通気層が、空気電池用正極集電部材と正極触媒層との間に他方の面の形状に沿って配設されている構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、絶縁性枠部材を更に備え、絶縁性枠部材が、空気電池用正極集電部材の周囲に配設されており、空気電池用正極集電部材の外端部が、絶縁性枠部材と接合されている構成であってもよい。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の外端部が、微細凹凸形状を有している構成であってもよい。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さくなり、発電ロスを低減させることができるため、出力密度が向上し、正極触媒層や導電性液密通気層の付着性が向上した空気電池となる。なお、出力密度が向上した空気電池となるため、小型化を図ることもできる。
図5は、第5の実施形態に係る空気電池用ユニットを模式的に示す断面図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
そして、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、導電性液密通気層を備え、導電性液密通気層が、空気電池用正極集電部材と正極触媒層との間に他方の面の形状に沿って配設されている構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、絶縁性枠部材を更に備え、絶縁性枠部材が、空気電池用正極集電部材の周囲に配設されており、空気電池用正極集電部材の外端部が、絶縁性枠部材と接合されている構成であってもよい。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の外端部が、微細凹凸形状を有している構成であってもよい。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さくなり、発電ロスを低減させることができるため、出力密度が向上し、耐荷重性が向上した空気電池となる。なお、出力密度が向上した空気電池となるため、小型化を図ることもできる。
図6(A)は、第6の実施形態に係る空気電池用ユニットを模式的に示す断面図であり、図6(B)は、図6(A)に示した空気電池用正極集電部材の凸部の展開図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
そして、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、導電性液密通気層を備え、導電性液密通気層が、空気電池用正極集電部材と正極触媒層との間に他方の面の形状に沿って配設されている構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、絶縁性枠部材を更に備え、絶縁性枠部材が、空気電池用正極集電部材の周囲に配設されており、空気電池用正極集電部材の外端部が、絶縁性枠部材と接合されている構成であってもよい。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の外端部が、微細凹凸形状を有している構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の一方の面から他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、台形形状又は略台形形状を有している構成であってもよい、
更に、図示しないが、本実施形態の空位電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の一方の面から他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、半円形形状又は略半円形形状を有している構成であってもよい。
更に、このような空気電池用ユニットを複数具備することにより、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さくなり、発電ロスを低減させることができるため、出力密度が向上し、負極活物質層側への正極活物質の供給を均一化でき、電池反応を均一化することができ、負極活物質の利用率が向上した空気電池となる。なお、電池反応を均一化することができ、負極活物質の利用率が向上した空気電池となるため、更なる小型化や低コスト化を図ることもできる。
図7は、第7の実施形態に係る空気電池用ユニットを模式的に示す断面図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、正極触媒層や導電性液密通気層を備えていない構成であってもよい。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、絶縁性枠部材を備えていない構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の外端部が、微細凹凸形状を有している構成であってもよい。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の一方の面から他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、台形形状又は略台形形状を有している構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材の一方の面から他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、半円形形状又は略半円形形状を有している構成であってもよい。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池用ユニットは、空気電池用正極集電部材が開口部を有しており、空気電池用正極集電部材の凸部の側面における開口率が、凸部の上面における開口率より大きい構成であってもよい。
更に、このような空気電池用ユニットを3つ以上具備することにより、正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの圧損が小さくなり、発電ロスを低減させることができるため、出力密度が向上し、単位容積当たりの電池容量を容易に増やすことができる空気電池となる。なお、出力密度が向上した空気電池となるため、小型化を図ることもできる。
上記負極活物質層50は、例えば、標準電極電位が水素より卑な金属単体又は合金から構成される負極活物質を含む。場合によっては、多孔質の材料で形成されてもよい。標準電極電位が水素より卑な金属単体としては、例えば、リチウム(Li)、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びバナジウム(V)などを挙げることができる。また、合金を適用することもできる。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。具体的には、上述の金属元素に1種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものを挙げることができる。なお、合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているものなどがある。本発明においては、上記いずれの合金組織であってもよい。しかしながら、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の材料を適用することができる。
上記負極集電部材60は、導電性を有し、電解液を空気電池外部に漏出させない材質のものであれば特に限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼(SUS)や銅、銅合金、その他金属表面に耐食性のある金属をめっきしたものを挙げることができる。
上記接合部材70は、空気電池用正極集電部材と負極集電部材とを接合し得れば特に限定されるものではないが、導電性に優れたものであることが好ましい。従来公知の導電性を有するロウ材であってもよく、空気電池用正極集電部材と負極集電部材とを従来公知の方法で接合したときの生成物であってもよい。
図8は、第8の実施形態に係る空気電池を模式的に示す断面図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
また、図8においては、空気電池ユニットを積層するように2つ組み付けた場合を示しているが、3つ以上組み付け、単セルを2つ以上有する構成とすることにより、電池容量を容易に増やすことができ、このような構造を有する空気電池も本発明の範囲に含まれる。
また、図示しないが、導電性液密通気層は、必ずしも空気電池用正極集電部材と正極触媒層との間に他方の面の形状に沿って配設されている必要はない。すなわち、例えば、空気電池用正極集電部材や正極触媒層が、優れたガス拡散性能と漏液防止性能とを有するものであれば、導電性液密通気層が配設されていなくてもよく、このような場合も本発明の範囲に含まれる。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池は、空気電池用正極集電部材の外端部が、微細凹凸形状を有している構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池は、空気電池用正極集電部材の一方の面から他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、台形形状又は略台形形状を有している構成であってもよい。
また、図示しないが、本実施形態の空気電池は、空気電池用正極集電部材の一方の面から他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、半円形形状又は略半円形形状を有している構成であってもよい。
更に、図示しないが、本実施形態の空気電池は、空気電池用正極集電部材が開口部を有しており、空気電池用正極集電部材の凸部の側面における開口率が、凸部の上面における開口率より大きい構成であってもよい。
また、上述のように、他方の面側に、他方の面の形状に沿って正極触媒層が配設されている構成とするにより、正極触媒層の表面積を増加させることができ、出力性能が向上した空気電池となる。なお、出力性能が向上した空気電池となるため、更なる小型化を図ることもできる。
更に、上述のように、空気電池用正極集電部材と正極触媒層との間に他方の面の形状に沿って導電性液密通気層が配設されている構成とするにより、ガス拡散性が向上し、電解液の漏出が抑制ないし防止されるため、出力性能が更に向上した空気電池となる。また、これにより、空気電池用正極集電部材と導電性液密通気層とが面で接触することとなり、特許文献1に記載のように空気電池用正極集電部材としてばねを用いた場合に必要となる導電性液密通気層のばねとの接触面の強度を低くすることもできる。
上記電解液収容部Eは、例えば、電解液、必要に応じて、多孔質のセパレータを含む。電解液は、例えば塩化カリウム、塩化ナトリウム、水酸化カリウムなどの水溶液や非水溶液を適用することができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の電解液を適用することができる。また、セパレータは、水溶液である電解液に対しては、例えば、撥水処理を行っていないグラスペーパー、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜を好適に用いることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の材料を適用することができる。
なお、電解液(又は電解質塩を溶かし得る溶媒)自体は、当初から収容されている構成であっても、使用に際して注液される構成であってもよく、いずれの構成であっても本発明の範囲に含まれる。
図9は、第9の実施形態に係る空気電池の製造方法の一例を示す製造工程図である。なお、上述の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
10 空気電池用正極集電部材
10’ 空気電池用正極集電部材未成形体
10A 一方の面
10B 他方の面
11 凹部
11A 底面
11B 側面
13 凸部
15 外端部
15A 微細凹凸
17 開口部
20 正極触媒層
30 導電性液密通気層
40 絶縁性枠部材
50 負極活物質層
60 負極集電部材
70 接合部材
100,100A 空気電池
E 電解液収容部
P ガス流路
Claims (9)
- 少なくとも正極活物質である酸素を透過する空気電池用正極集電部材と、
正極触媒層と、を備え、
上記空気電池用正極集電部材が、少なくとも正極活物質である酸素を含む酸素含有ガスの流路となる複数の凹部からなるガス流路を有する一方の面と、
上記一方の面の反対側に位置し、上記複数の凹部の反対側に位置する凸部を有する他方の面と、を有しており、
上記正極触媒層が、上記他方の面側に、該他方の面の形状に沿って配設されている
ことを特徴とする空気電池用ユニット。 - 絶縁性枠部材を備え、
上記絶縁性枠部材が、上記空気電池用正極集電部材の周囲に配設されており、
上記空気電池用正極集電部材の外端部が、上記絶縁性枠部材と接合されている
ことを特徴とする請求項1に記載の空気電池用ユニット。 - 上記空気電池用正極集電部材の外端部が、微細凹凸形状を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の空気電池用ユニット。
- 上記一方の面から上記他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、台形形状又は略台形形状を有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の空気電池用ユニット。
- 上記一方の面から上記他方の面に向かう方向に沿い、かつ、ガス流路の流れ方向に直交する切断面における凹部及び凸部が、半円形形状又は略半円形形状を有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の空気電池用ユニット。
- 上記凸部の側面における開口率が、上記凸部の上面における開口率より大きいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の空気電池用ユニット。
- 少なくとも負極活物質を含む負極活物質層と、
負極集電部材と、を備え、
上記負極活物質層が、上記空気電池用正極集電部材の上記一方の面側に配設されており、
上記負極集電部材が、上記空気電池用正極集電部材と上記負極活物質層との間に配設されている
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の空気電池用ユニット。 - 上記絶縁性枠部材が、樹脂材料を含有し、かつ、モールド成形によって上記空気電池用正極集電部材と接合されたものであることを特徴とする請求項2に記載の空気電池用ユニット。
- 請求項1〜8のいずれか1つの項に記載された空気電池用ユニットを複数具備したことを特徴とする空気電池。
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