WO2010100749A1

WO2010100749A1 - 空気電池

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Publication number: WO2010100749A1
Application number: PCT/JP2009/054262
Authority: WO
Inventors: 史教水野; 中西　真二
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-10
Also published as: US20110287329A1; JP5246326B2; CN102334228A; CN102334228B; JPWO2010100749A1

Abstract

　水の浸入を早期に検知することが可能な空気電池を提供する。酸素含有ガスが供給される空気極と、アルカリ金属を含む負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を備えた発電部、並びに、該発電部を収容する筐体を具備し、該筐体内に、水素検知手段が備えられている、空気電池とする。

Description

空気電池

　本発明は、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、ハイブリッド車用電池や携帯機器用電池等への利用が期待されている。

　負極に金属を用いる空気電池へ、緊急時又は非常時等に水が浸入すると、水と金属とが反応する虞がある。水と金属とが反応すると、空気電池が劣化することが予想される。それゆえ、空気電池の劣化を抑制するためには、空気電池への水の浸入を早期に検知することが重要と考えられる。

　このような空気電池に関する技術として、例えば特許文献１には、検知した電圧が閾値以下となった場合に低電圧警報を発する空気電池が開示されている。また、特許文献２には、空気電池セルに反応空気を供給する管路と、反応空気を流動させる空気流動装置とを備えた金属空気セルのための通気システムが開示されている。

特開２０００－２０９７８７号公報特許第３０５１４５５号

　特許文献１に開示されている技術によれば、検知した電圧が閾値以下になると低電圧警報が発せられるため、空気電池の電圧が閾値以下であるか否かを容易に認識することが可能になる。しかしながら、空気電池内に水が浸入しても、空気電池の作動電圧は変動しない。そのため、特許文献１に開示されている技術では、水の浸入を早期に検知することが困難であるという問題があった。この問題は、特許文献１に開示されている技術と特許文献２に開示されている技術とを単に組み合わせても、解決することが困難であった。

　そこで本発明は、水の浸入を早期に検知することが可能な空気電池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、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
　本発明は、酸素含有ガスが供給される空気極と、アルカリ金属を含む負極と、空気極及び負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を備えた発電部、並びに、該発電部を収容する筐体を具備し、該筐体内に、水素検知手段が備えられていることを特徴とする、空気電池である。

　ここに、本発明において、「水素検知手段」は、アルカリ金属と筐体内へと浸入した水とが反応することにより生成した水素を検知し得るものであれば、その形態は特に限定されるものではない。本発明における水素検知手段の具体例としては、接触燃焼式の水素センサや半導体式の水素センサのほか、マイクロ熱電式の水素センサ等を挙げることができる。

　また、上記本発明において、筐体は、酸素含有ガスを密閉することが好ましい。

　また、上記本発明において、筐体は、発電部で使用されなかった酸素含有ガスを発電部へと導く流路を収容し、該流路に、水素検知手段が配設されていることが好ましい。

　また、空気極で使用されなかった酸素含有ガスを空気極へと導く流路が筐体に収容されている上記本発明において、流路は管路であることが好ましい。

　また、上記本発明において、筐体には、複数の発電部が収容されていることが好ましい。

　本発明の空気電池には、水素検知手段が備えられている。そのため、アルカリ金属と電池内へと浸入した水とが反応することにより生成した水素を、水素検知手段によって検知することができる。水素を検知することにより、電池内への水の浸入を早期に検知することができるので、本発明によれば、水の浸入を早期に検知することが可能な空気電池を提供することができる。

　また、本発明において、酸素含有ガスが筐体に密閉されていることにより、水素を早期に検知することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、水の浸入を早期に検知することが容易になる。

　また、本発明において、空気極で使用されなかった酸素含有ガスを空気極へと導く流路（例えば、管路）が筐体に収容されている場合、該流路に水素検知手段が配設されていることにより、水の浸入を早期に検知することが可能になる。

　また、本発明において、筐体に複数の発電部が収容されていることにより、複数の発電部の１以上へと浸入した水を早期に検知することが可能になる。

空気電池１０の形態例を示す断面図である。空気電池２０の形態例を示す断面図である。空気電池３０の形態例を示す断面図である。空気電池４０の形態例を示す断面図である。空気電池５０の形態例を示す断面図である。空気電池６０の形態例を示す断面図である。

符号の説明

　１…空気極
　２…負極
　３…電解質層
　４…発電部
　５…酸素層
　６…筐体
　７…水素センサ（水素検知手段）
　８…空間
　９…出力手段
　１０…空気電池
　２０…空気電池
　２１…筐体
　２２…電解液
　２３…構造体
　２４…酸素層
　２５…酸素流路
　２６…空間
　３０…空気電池
　３１…流路
　３２…構造体
　３３…筐体
　３４…入口（酸素入口）
　３５…出口（酸素出口）
　３６…空気極
　３７…負極
　４０…空気電池
　４１…流路
　４２…管路
　４３…筐体
　５０…空気電池
　５１…流路
　５１ｘ…流路
　５２…筐体
　５３…入口（酸素入口）
　５４…出口（酸素出口）
　６０…空気電池
　６１…容器

　緊急時又は非常時等に空気電池の発電部へ水が浸入すると、空気電池が劣化する。ところが、これまでに提案されている空気電池は、水の浸入を早期に検知することが困難であった。本発明者らは、鋭意研究の結果、筐体内に水素検知手段が備えられる形態とすることにより、発電部のアルカリ金属と浸入した水とが反応することにより生成された水素を検知することが可能になり、その結果、水の浸入を早期に検知することが可能になることを知見した。水の浸入を早期に検知することにより、空気電池の劣化を抑制することが可能になると考えられる。

　本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、水の浸入を早期に検知することが可能な空気電池を提供することを、主な要旨とする。

　以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。

　１．第１実施形態
図１は、本発明の空気電池１０の形態例を概略的に示す断面図である。図１に示すように、空気電池１０は、空気極１、負極２、並びに、空気極１及び負極２の間に配設された電解質層３を備える発電部４と、空気極１側に配設された酸素層５と、発電部４及び酸素層５を収容する筐体６と、を具備している。そして、筐体６の内側には、さらに、負極２よりも上方に、水素検知手段７（以下において、「水素センサ７」という。）が設置されており、水素センサ７は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する出力手段９に接続されている。空気電池１０において、負極２には、アルカリ金属のイオンを放出、又は、吸蔵・放出可能な物質（アルカリ金属の単体又は化合物。以下において「アルカリ金属」という。）が含有されている。また、筐体６の上面と酸素層５との空間８には、酸素含有ガスが充満している。

　緊急時や非常時等に筐体６の内側へ浸入した水と、負極２に含有されているアルカリ金属とが反応すると、水素が生成される。例えば、負極２にＬｉが含有される場合、当該Ｌｉと水とが反応することにより水素及びＬｉＯＨが生成される。このようにして生成された水素は、上方へと拡散していく。上述のように、筐体６の内側には、負極２よりも上方に、水素センサ７が設置されている。そのため、空気電池１０によれば、水素センサ７によって、筐体６の内側へと浸入した水と負極２に含有されているアルカリ金属とが反応することにより生成した水素を検知することができる。水素センサ７による検知結果は、その後、出力手段９へ向けて出力される。上述のように、出力手段９は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力するため、空気電池１０によれば、出力手段９によって出力された電子信号を通じて、筐体６への水の浸入を早期に検知することができる。したがって、空気電池１０によれば、筐体６への水の浸入を、早期に検知することができる。それゆえ、空気電池１０によれば、電池の劣化・異常・暴走を抑制することができる。以下、空気電池１０について、構成ごとに説明する。

　＜空気極１＞
空気極１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。

　空気極１に含有される導電性材料は、空気電池１０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。空気極１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、空気極１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、空気極１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。

　空気極１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、空気極１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、空気極１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。

　空気極１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。空気極１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。

　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。

　＜負極２＞
負極２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２には、負極２の内部又は外面に当接して、負極２の集電を行う負極集電体（不図示）が設けられる。

　負極２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２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１０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１０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２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２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２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２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、空気極１の場合と同様にすることができる。

　空気電池１０では、負極２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２の集電を行う機能を担う。空気電池１０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１０において、負極２は、例えば空気極１と同様の方法により作製することができる。

　＜電解質層３＞
電解質層３には、空気極１及び負極２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。

　電解質層３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、非水電解液を挙げることができる。電解質層３に用いられる非水電解液の種類は、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非水電解液は、通常、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及びこれらの混合物等を例示することができる。また、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、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。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３に電解液が用いられる場合、電解質層３は、セパレータに電解液が保持される形態とすることが好ましい。このような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。

　＜酸素層５＞
酸素層５は、筐体６内に存在する酸素ガスを、空気極１へと導く機能を担う。酸素層５は、空気極１へと導かれる空気の通り道であり、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５として機能する。すなわち、酸素層５は、空気極集電体５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の形状としては、例えばメッシュ（グリッド）状等を例示することができる。

　＜筐体６＞
筐体６には、発電部４、酸素層５、水素センサ７、及び、酸素含有ガスが少なくとも収容される。空気電池１０において、筐体６は、その形状は特に限定されるものではない。筐体６の構成材料は、金属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６に収容される（空間８に存在させる）酸素含有ガスは、例えば、圧力が１．０１×１０^５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等を用いることができる。

　＜水素センサ７＞
水素センサ７は、筐体６へと浸入した水と負極２に含有されているアルカリ金属とが反応することにより生成した水素を検知し、その結果を出力手段へと出力する。空気電池１０において、水素センサ７は、当該機能を発揮し得るものであれば特に限定されるものではなく、接触燃焼式の水素センサや半導体式の水素センサのほか、マイクロ熱電式の水素センサ等、公知の水素センサを用いることができる。

　＜出力手段９＞
出力手段９は、水素センサ７と無線又は有線で接続され、水素センサ７によって検知された水素濃度が閾値を超えている場合に、電子信号を出力する。空気電池１０では、出力手段９によって出力された電子信号を通じて、筐体６への水の浸入を早期に認識することができる。

　空気電池１０に関する上記説明では、発電部４と大気とが筐体６の上面によって隔てられ、発電部４が大気に開放されていない形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の空気電池の筐体は、上蓋が備えられない形態とすることも可能である。ただし、発生した水素を早期に検知しやすい形態にする等の観点からは、発電部４が大気に開放されていない形態とすることが好ましい。このほか、例えば、電解質層３に電解液が用いられる場合には、電解液の枯渇を抑制可能な構成とする等の観点から、発電部４が大気に開放されていない形態とすることが好ましい。

　２．第２実施形態
図２は、本発明の空気電池２０の形態例を概略的に示す断面図である。図２において、空気電池１０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。

　図２に示すように、空気電池２０は、筐体２１と、電解液２２と、電解液２２の中に配置された構造体２３、２３と、を有し、筐体２１の内壁には、電解液２２よりも上方に、水素センサ７が設置されている。空気電池２０において、水素センサ７は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する出力手段９に接続されている。筐体２１の内側は密閉空間とされており、筐体２１の上面と電解液２２との間の空間２６には、酸素含有ガスが充満している。空気電池２０の構造体２３は、酸素層２４を境に発電部４、４が左右対称に配置された構造を有している。空間２６に充満している酸素含有ガスは、酸素層２４、２４と空間２６とを繋ぐ酸素流路２５、２５を通って、酸素層２４、２４へと拡散する。

　空気電池２０において、緊急時や非常時等に筐体２１の内側へ浸入した水と、電解液２２の中に配置された負極２、２、…に含有されているアルカリ金属とが反応すると、水素が生成される。このようにして生成した水素は、負極２、２、…と接触している電解液２２を通って、電解液２２の上方の空間２６へと達する。ここで、上述のように、筐体２１の内壁には、電解液２２よりも上方に、水素センサ７が設置されている。そのため、この水素センサ７によって、空間２６へと達した水素を検知することができる。水素センサ７による検知結果は、その後、出力手段９へ向けて出力される。上述のように、出力手段９は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する。そのため、空気電池２０によれば、出力手段９によって出力された電子信号を通じて、筐体２１への水の浸入を早期に検知することができる。したがって、空気電池２０によれば、電池の劣化・異常・暴走を抑制することができる。以下、空気電池２０について、構成ごとに説明する。

　＜筐体２１＞
筐体２１には、少なくとも、電解液２２、構造体２３、２３、…、水素センサ７、及び、酸素含有ガスが収容される。空気電池２０において、筐体２１は、電解液２２の枯渇を抑制するために筐体２１の内側を密閉可能な構造を有していれば、その形状は特に限定されるものではない。筐体２１の構成材料は、筐体６と同様の材料を用いることができる。また、筐体２１に収容される（空間２６に存在させる）酸素含有ガスは、例えば、圧力が１．０１×１０^５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等を用いることができる。

　＜電解液２２＞
電解液２２は、空気極１、１、…及び負極２、２、…の間でイオンの伝導を担う。電解液２２の具体例としては、電解質層３に用いることが可能な電解液と同様のものを挙げることができる。

　＜構造体２３＞
構造体２３は、酸素層２４を境に一対の発電部４、４が左右対称に配置されている。かかる形態とすることにより、構造体２３の単位体積当たりの出力（出力密度）を向上させることが容易になる。空気電池２０において、電解液２２の中に配置された発電部４、４、…を構成する空気極１、１、…及び負極２、２、…は、電気的に直列に接続されていてもよく、並列に接続されていても良い。何れの接続形態であっても、１つの負極２、又は、複数の負極２、２、…と水とが反応して水素が生成されれば、この水素は電解液２２を通って空間２６へと達するため、水素センサ７によって検知することができる。

　＜酸素層２４＞
酸素層２４は、後述する酸素流路２５を介して供給された酸素含有ガスを、空気極１、１へと導く機能を担う。酸素層２４は、空気極１、１へと導かれる空気の通り道であり、例えば、空気極１、１の外面に当接して、空気極１、１の集電を行う空気極集電体に備えられる孔が、酸素層２４として機能する。すなわち、酸素層２４は、空気極集電体２４と表現することもできる。

　＜酸素流路２５＞
酸素流路２５は、空間２６に存在している酸素含有ガスを、酸素層２４へと導く酸素の通り道である。このような機能を発揮可能であれば、酸素流路２５の形態は特に限定されるものではない。酸素流路２５は、例えば、筐体２１と同様の材料によって作製された筒状部材によって構成することができる。

　空気電池２０に関する上記説明では、構造体２３、２３が間隔を開けて配置されている形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではなく、図２の負極２ａと負極２ｂとが接触している形態や、負極２ａと負極２ｂとが１つの部材によって構成される（構造体２３、２３が一体に構成される）形態とすることも可能である。

　３．第３実施形態
図３は、本発明の空気電池３０の形態例を概略的に示す断面図である。図３の直線矢印は、酸素含有ガスの流通方向を示している。図３において、空気電池１０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。

　図３に示すように、空気電池３０は、酸素含有ガスが流通する流路３１と、構造体３２、３２、…と、これらを収容する筐体３３と、を有している。筐体３３は、酸素含有ガスの入口３４（以下において、「酸素入口３４」ということがある。）、及び、酸素含有ガスの出口３５（以下において、「酸素出口３５」ということがある。）を有し、筐体３３の酸素出口３５の内壁には、水素センサ７が設置されている。この水素センサ７は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する出力手段９に接続されている。構造体３２は、左右端に配置された空気極３６、３６、中央に配置された負極３７、及び、空気極３６、３６と負極３７との間にそれぞれ配置された電解質層３、３を有し、空気極３６、３６及び負極３７は電解質層３、３と接触している。空気電池３０において、空気極３６、３６、…は流路３１と接触しており、流路３１を流通する酸素含有ガスは、空気極３６、３６、…へと供給される。

　緊急時や非常時等に筐体３３の内側へ浸入した水と、負極３７、３７、…に含有されるアルカリ金属の単体又は化合物とが反応すると、水素が生成される。上述のように、空気電池３０では、負極３７、３７、…と電解質層３、３、…とが接触している。そして、この電解質層３、３、…と接触している空気極３６、３６、…が、流路３１と接触している。そのため、例えば、筐体３３に収容されている１つの負極３７と水とが反応して水素が生成されると、この水素は、水と反応した負極３７に接触している電解質層３、及び、この電解質層３と接触している空気極３６を通って流路３１へと達する。上述のように、空気電池３０では、流路３１を流通する酸素含有ガスの出口に相当する、筐体３３の酸素出口３５（より詳細には、酸素出口３５の内壁）に、水素センサ７が設置されている。水素は、流路３１を流通する酸素含有ガスと共に、酸素出口３５へ向かって拡散するため、空気電池３０によれば、筐体３３内で発生した水素を水素センサ７によって検知することができる。水素センサ７による検知結果は、その後、出力手段９へ向けて出力される。上述のように、出力手段９は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する。そのため、空気電池３０によれば、出力手段９によって出力された電子信号を通じて、筐体３３への水の浸入を早期に検知することができる。したがって、空気電池３０によれば、電池の劣化・異常・暴走を抑制することができる。なお、ここでは、１つの負極３７と水とが反応した場合について説明したが、筐体３３に収容されている２以上の負極３７、３７、…と水とが反応した場合であっても、同様にして、水素センサ７によって水素を検知することができる。以下、空気電池３０について、構成ごとに説明する。

　＜流路３１＞
流路３１は、空気極３６、３６、…へと導かれる酸素含有ガスの通路である。流路３１は、電解質層３、３、…に備えられる電解液と反応しない多孔質材料や、メッシュ状の筒状部材等によって構成することができる。流路３１を流通させる酸素含有ガスは、例えば、圧力が１．０１×１０^５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等を用いることができる。

　＜構造体３２＞
構造体３２は、左右端に配置された空気極３６、３６、中央に配置された負極３７、及び、空気極３６、３６と負極３７との間にそれぞれ配置された電解質層３、３を有し、空気極３６、３６及び負極３７は電解質層３、３と接触している。かかる形態とすることにより、構造体３２の単位体積当たりの出力（出力密度）を向上させることが容易になる。空気電池３０において、空気極３６、３６、…及び負極３７、３７、…は、電気的に直列に接続されていてもよく、並列に接続されていても良い。何れの接続形態であっても、酸素出口３５に設置された水素センサ７、及び、出力手段９を通じて、筐体３３の内側への水の浸入を早期に検知することができる。

　＜筐体３３＞
筐体３３には、少なくとも、流路３１、構造体３２、３２、…、及び、水素センサ７が収容され、さらに、流路３１を流通する酸素の入口である酸素入口３４、及び、流路３１を流通した酸素の出口である酸素出口３５を有している。筐体３３の構成材料は、筐体６と同様の材料を用いることができる。

　＜空気極３６＞
空気極３６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、空気極３６の内部又は外面に当接して、空気極３６の集電を行う空気極集電体（不図示）が設けられる。空気極３６に含有され得る導電性材料、触媒、及び、結着材の種類や含有量は、空気極１と同様にすることができる。

　＜負極３７＞
負極３７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３７には、負極３７の内部又は外面に当接して、負極３７の集電を行う負極集電体（不図示）が設けられる。負極３７の構成材料は、負極２と同様にすることができる。

　４．第４実施形態
図４は、本発明の空気電池４０の形態例を概略的に示す断面図である。図４の直線矢印は、酸素含有ガスの流通方向を示している。図４において、空気電池３０と同様の構成を採るものには、図３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。

　図４に示すように、空気電池４０は、酸素含有ガスが流通する流路４１と、構造体３２、３２、…と、流路４１の酸素含有ガス最下流部に存在する酸素含有ガスを流路４１の酸素含有ガス最上流部へと導く管路４２と、これらを収容する筐体４３と、を有している。さらに、空気電池４０には、流路４１及び管路４２内を流通する酸素含有ガスを循環させる循環手段（例えば、循環ポンプ等。不図示。）が備えられている。管路４２の内周面には、流路４１の酸素含有ガス最下流部の近傍に、水素センサ７が設置されており、この水素センサ７は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する出力手段９に接続されている。

　空気電池３０と同様に、空気電池４０においても、筐体４３の内側へと浸入した水と、筐体４３に収容されている１つの負極３７、又は、複数の負極３７、３７、…とが反応することにより生成した水素は、流路４１へと移動する。そして、当該流路４１を流通する酸素含有ガスと共に、水素は、流路４１の酸素含有ガス最下流部へと達する。上述のように、管路４２の内周面には、流路４１の酸素含有ガス最下流部の近傍に、水素センサ７が設置されている。そのため、空気電池４０によれば、管路４２の内周面に設置されている水素センサ７によって、筐体４３内で発生した水素を検知することができる。水素センサ７による検知結果は、その後、出力手段９へ向けて出力される。上述のように、出力手段９は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力するため、空気電池４０によれば、出力手段９によって出力された電子信号を通じて、筐体４３への水の浸入を早期に検知することができる。したがって、空気電池４０によれば、電池の劣化・異常・暴走を抑制することができる。以下、空気電池４０について、構成ごとに説明する。

　＜流路４１＞
流路４１は、空気極３６、３６、…へと導かれる酸素含有ガスの通路である。流路４１は、電解質層３、３、…に備えられる電解液と反応しない多孔質材料や、メッシュ状の筒状部材等によって構成することができる。流路４１を流通させる酸素含有ガスは、例えば、圧力が１．０１×１０^５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等を用いることができる。

　＜管路４２＞
管路４２は、流路４１における酸素含有ガス流通方向の最下流部に存在する酸素含有ガスを、流路４１の酸素含有ガス流通方向の最上流部へと導く、酸素含有ガスの流路である。すなわち、管路４２は、筐体４３に収容された複数の構造体３２、３２、…に備えられる空気極３６、３６、…で使用されなかった酸素含有ガスを、流路４１の酸素含有ガス流通方向の最上流部を流通する酸素含有ガスが供給される空気極３６へと導く流路である。管路４２の内周面には、流路４１の酸素含有ガス流通方向の最下流部を流通する酸素含有ガスが供給される空気極３６よりも酸素含有ガス流通方向の下流側に相当する位置に、水素センサ７が設置されている。かかる形態とすることにより、空気極３６、３６、…から排出された酸素含有ガスと共に流通してきた水素を、水素センサ７によって検知することができるので、早期に浸水を検知することが可能になる。

　＜筐体４３＞
筐体４３には、少なくとも、流路４１、構造体３２、３２、…、管路４２、及び、水素センサ７が収容される。筐体４３の構成材料は、筐体６と同様の材料を用いることができる。

　空気電池４０に関する上記説明では、空気極３６、３６、…で使用されなかった酸素含有ガスを空気極３６、３６、…へと導く流路として管路４２が備えられる形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではない。空気極３６、３６、…で使用されなかった酸素含有ガスを空気極３６、３６、…へと導く流路としての機能を発揮し得るものであれば、管路（管状の流路）以外の流路が備えられる形態とすることも可能である。

　５．第５実施形態
図５は、本発明の空気電池５０の形態例を示す断面図である。図５の直線矢印は、酸素含有ガスの流通方向を示している。図５では、一部符号の記載を省略している。図５において、空気電池３０と同様の構成を採るものには、図３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。

　図５に示すように、空気電池５０は、酸素含有ガスが流通する流路５１と、構造体３２、３２、…と、これらを収容する筐体５２と、を有している。筐体５２は、酸素含有ガスの入口５３（以下において、「酸素入口５３」ということがある。）、及び、酸素含有ガスの出口５４（以下において、「酸素出口５４」ということがある。）を有し、筐体５２の酸素出口５４の内壁には、水素センサ７が設置されている。この水素センサ７は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する出力手段９に接続されている。空気電池５０において、酸素入口５３から筐体５２の内側へと浸入した酸素含有ガスは、筐体５２の内側で流路５１ｘ、５１ｘ、…へと分岐し、流路５１ｘ、５１ｘ、…を流通する。その後、流路５１ｘ、５１ｘ、…を流通した酸素含有ガスのうち、構造体３２、３２、…で使用されなかった酸素含有ガスは、酸素出口５４から筐体５２の外側へと排出される。

　空気電池３０や空気電池４０と同様に、空気電池５０においても、筐体５２の内側へと浸入した水と、筐体５２に収容されている１つの負極３７、又は、複数の負極３７、３７、…とが反応することにより生成した水素は、流路５１へと移動する。そして、当該流路５１を流通する酸素含有ガスと共に、水素は、酸素出口５４へと達する。上述のように、酸素出口５４の内壁には、水素センサ７が設置されている。そのため、空気電池５０によれば、酸素出口５４の内壁に設置されている水素センサ７によって、筐体５２内で発生した水素を検知することができる。水素センサ７による検知結果は、その後、出力手段９へ向けて出力される。上述のように、出力手段９は、水素濃度が閾値を超えた場合に電子信号を出力する。そのため、空気電池５０によれば、出力手段９によって出力された電子信号を通じて、筐体５２への水の浸入を早期に検知することができる。したがって、空気電池５０によれば、電池の劣化・異常・暴走を抑制することができる。以下、空気電池５０について、構成ごとに説明する。

　＜流路５１＞
流路５１は、空気極３６、３６、…へと導かれる酸素含有ガスの通路である。流路５１は、途中で複数の流路５１ｘ、５１ｘ、…に分岐し、分岐した流路５１ｘ、５１ｘ、…は再び集合する。複数の流路５１ｘ、５１ｘ、…の間には、構造体３２、３２、…がそれぞれ配設される。流路５１は、電解質層３、３、…に備えられる電解液と反応しない多孔質材料や、メッシュ状の筒状部材等によって構成することができる。流路５１を流通させる酸素含有ガスは、例えば、圧力が１．０１×１０^５Ｐａ、酸素濃度が９９．９９％の酸素ガス等を用いることができる。このような形態の流路５１を有する空気電池５０によれば、空気電池３０や空気電池４０と比較して、各空気極３６、３６、…へと供給される酸素含有ガスの濃度（酸素含有ガス中の酸素濃度）のムラを低減することが可能になる。

　＜筐体５２＞
筐体５２には、少なくとも、流路５１、構造体３２、３２、…、及び、水素センサ７が収容され、さらに、流路５１を流通する酸素の入口である酸素入口５３、及び、流路５１を流通した酸素の出口である酸素出口５４を有している。筐体５２の構成材料は、筐体６と同様の材料を用いることができる。

　６．第６実施形態
図６は、本発明の空気電池６０の形態例を示す断面図である。図６の直線矢印は、酸素含有ガスの流通方向を示している。図６では、一部符号の記載を省略している。図６において、空気電池３０と同様の構成を採るものには、図３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。

　図６に示すように、空気電池６０は、空気電池３０に容器６１、６１を追加した形態である。容器６１は、２つの構造体３２、３２に備えられる４つの電解質層３、３、…と接続されており、容器６１から電解質層３、３、…へ、電解液を供給可能な状態とされている。空気電池３０において、電解質層３、３、…に電解液を用いると、この電解液をセパレータに保持させたとしても、電解液の揮発を完全に防止することは難しい。そこで、空気電池６０では、揮発によって電解液が減少することに起因する影響を最小限に留めるべく、容器６１、６１が備えられる構成としている。かかる構成とすることにより、電解質層３、３、…から電解液が揮発して失われても、容器６１、６１から電解質層３、３、…へ、電解液を補充することができる。そのため、空気電池６０によれば、空気電池３０によって得られる上記効果に加えて、さらに、電解質のイオン伝導効果を長期間に亘って維持することが可能になる。以下、空気電池６０に備えられる容器６１について説明する。

　＜容器６１＞
容器６１は、電解質層３、３、…へと供給される電解液を蓄えている。容器６１には、筐体３３の側面へと取り付ける際に用いられる接続口が備えられ、筐体３３に容器６１が取り付けられると、当該接続口を介して、電解質層３、３へ向けて電解液が供給可能な状態とされる。容器６１は、電解液と反応しない公知の材料によって構成することができる。

　空気電池６０に関する上記説明では、空気電池３０に容器６１、６１を追加した形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の空気電池は、空気電池４０に容器６１、６１を追加した形態や、空気電池５０に容器６１、６１を追加した形態とすることも可能である。

　また、空気電池３０、空気電池４０、空気電池５０、及び、空気電池６０に関する上記説明では、電解質層３、３、…に電解液が備えられる形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではなく、電解質層３、３、…及び容器６１、６１に固体の電解質が備えられる形態とすることも可能である。

　また、空気電池１０、空気電池２０、空気電池３０、空気電池４０、空気電池５０、及び、空気電池６０（以下において、これらをまとめて単に「本発明の空気電池」ということがある。）に関する上記説明では、水素センサ７と共に出力手段９が備えられる形態を例示したが、本発明の空気電池は当該形態に限定されるものではなく、出力手段９が備えられない形態とすることも可能である。ただし、筐体への水の浸入を容易に認識可能な形態とする等の観点からは、水素センサ７と共に出力手段９が備えられる形態とすることが好ましい。

　以上説明した本発明の空気電池の種類としては、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カリウム空気電池等を例示することができ、高容量化を図りやすい空気電池を提供する等の観点からは、リチウム空気電池が好ましい。また、本発明の空気電池の用途としては、車両搭載用途、定置型電源用途、家庭用電源用途、及び、携帯型情報機器等を例示することができる。

　以上、負極２及び負極３７にアルカリ金属が含有される形態の本発明の空気電池について説明したが、本発明の技術思想は、第ＩＩ族元素（例えば、Ｍｇ、Ｃａ等）を含有する負極を備えた空気電池にも適用することが可能である。

　本発明の空気電池は、電気自動車や携帯型情報機器の動力源等に利用することができる。

Claims

酸素含有ガスが供給される空気極と、アルカリ金属を含む負極と、前記空気極及び前記負極の間でイオンの伝導を担う電解質を有する電解質層と、を備えた発電部、並びに、該発電部を収容する筐体を具備し、
　前記筐体内に、水素検知手段が備えられていることを特徴とする、空気電池。
前記筐体は、前記酸素含有ガスを密閉することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の空気電池。
前記筐体は、前記空気極で使用されなかった前記酸素含有ガスを前記空気極へと導く流路を収容し、
　前記流路に、前記水素検知手段が配設されていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の空気電池。
前記流路は管路であることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載の空気電池。
前記筐体には、複数の前記発電部が収容されていることを特徴とする、請求の範囲第１項～第４項のいずれかに記載の空気電池。