JP6353695B2 - 金属空気電池本体及び金属空気電池 - Google Patents
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Description
本発明は、金属空気電池本体及び金属空気電池に関する。
金属空気電池は高いエネルギー密度を有するため、次世代の電池として注目されている。金属空気電池は、負極活物質を含み電解液中に配置される金属電極をアノードとし、多孔性の空気極をカソードとすることにより放電する。
代表的な金属空気電池として、負極活物質が金属亜鉛であり正極活物質が酸素ガスである亜鉛空気電池が挙げられる。亜鉛空気電池では、カソードにおいて以下の化学式１のようなカソード反応が進行すると考えられる。
（化学式１）：O2＋２H2O＋４ｅ-→４OH-
また、アノードにおいて以下の化学式２のようなアノード反応が進行すると考えられる。
（化学式２）：Zn＋４OH-→Zn(OH)4 2-＋２ｅ-
化学式２において生成したZn(OH)4 2-は、酸化亜鉛又は水酸化亜鉛として電解液中に析出する。
代表的な金属空気電池として、負極活物質が金属亜鉛であり正極活物質が酸素ガスである亜鉛空気電池が挙げられる。亜鉛空気電池では、カソードにおいて以下の化学式１のようなカソード反応が進行すると考えられる。
（化学式１）：O2＋２H2O＋４ｅ-→４OH-
また、アノードにおいて以下の化学式２のようなアノード反応が進行すると考えられる。
（化学式２）：Zn＋４OH-→Zn(OH)4 2-＋２ｅ-
化学式２において生成したZn(OH)4 2-は、酸化亜鉛又は水酸化亜鉛として電解液中に析出する。
このような電極反応が進行すると金属電極の負極活物質は消費され徐々に減少し、負極活物質がなくなると、放電は停止する。そこで、金属空気電池本体に着脱可能に取り付けられた金属電極を交換し負極活物質を金属空気電池に供給することにより、金属空気電池を再放電可能にする機械式充電が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、カソード反応は水と酸素ガスと空気極触媒との三相界面で進行するため、空気極は電解液槽の壁部に設けられる（例えば、特許文献２参照）。
また、カソード反応は水と酸素ガスと空気極触媒との三相界面で進行するため、空気極は電解液槽の壁部に設けられる（例えば、特許文献２参照）。
しかし、従来の金属空気電池では、電解液の漏洩を防止するため空気極は電解液槽を構成する筐体に接着されており、空気極を交換することは難しい。また、機械式充電の金属空気電池では空気極は繰り返し利用されるため、空気極を交換可能に設けることが求められている。さらに、空気極を交換可能に設けると、大きな表面粗さを有する多孔性の空気極と、比較的平滑な表面を有する筐体との間に微小な隙間が生じ、この隙間から電解液が漏洩するおそれがある。このため、金属空気電池の長期的な信頼性を確保することが困難であると共に、安全性の面でも問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、交換可能な空気極を備え空気極と筐体との隙間からの電解液の漏洩を抑制することができる金属空気電池本体を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、交換可能な空気極を備え空気極と筐体との隙間からの電解液の漏洩を抑制することができる金属空気電池本体を提供する。
本発明は、電解液槽と、多孔性の触媒層を有する空気極と、空気極集電体とを備えた金属空気電池本体であって、前記電解液槽は、開口が設けられた第１部材と、第１貫通孔が設けられた第２部材と、略板状体で第２貫通孔が設けられたガスケットとを含み、前記ガスケットは、第１部材と第２部材とに挟持され、前記空気極は、第２部材と前記ガスケットとに挟持され、前記開口と第２貫通孔と前記空気極とが重なるように第１部材と前記ガスケットと前記空気極とを配置することにより、前記電解液槽の内部空間の少なくとも一部が形成されたことを特徴とする金属空気電池本体を提供する。
本発明によれば、電解液槽を備えるため、電解液槽内にアノードとなる金属電極を設置することが可能である。
本発明によれば、電解液槽は、開口が設けられた第１部材と、第１貫通孔が設けられた第２部材と、略板状体で第２貫通孔が設けられたガスケットとを含み、ガスケットは、第１部材と第２部材とに挟持されるため、電解液槽が、第１部材と第２部材とガスケットとを組み合わせた構造を有することができる。このような構造によると、電解液槽を第１部材と第２部材とに分解することが可能であり、空気極を交換することが可能である。また、ガスケットを設けることにより、第１部材と第２部材との隙間から電解液が漏洩することを抑制することができる。
本発明によれば、多孔性の触媒層を有し第２部材とガスケットとに挟持された空気極を備え、第１部材の開口とガスケットの第２貫通孔と空気極とが重なるように第１部材とガスケットと空気極とを配置することにより、電解液槽の内部空間の少なくとも一部が形成されるため、空気極を電解液槽の壁部に配置することができ、空気極を電解液槽の内部と電解液槽の外部又は空気流路との間に固定することができる。このような構成によると、電解液槽内の電解液に含まれる水を空気極に供給することができ、電解液槽外部又は空気流路の酸素ガスを空気極に供給することができる。このことにより、空気極において、水と酸素ガスと空気極触媒との三相界面を形成することができ、カソード反応を進行させることができる。また、カソード反応により生じる水酸化物イオンを電解液槽中の電解液に供給することができる。なお、この水酸化物イオンは、アノード反応に利用される。
本発明によれば、空気極集電体を備えるため、アノード反応により生じた電荷を効率よく出力することができる。
本発明によれば、空気極は第２部材とガスケットとに挟持されるため、多孔性を有する触媒層により形成される微小な隙間をガスケットにより塞ぐことができると同時にこの隙間からの電解液の漏洩を防止することができる。このことにより、金属空気電池の長期的な信頼性を向上させることができると共に、金属空気電池の安全性を向上させることができる。また、漏洩による電解液の減少を抑制することができ、電解液の補充の手間を減らすことができ、メンテナンス費用を削減することができる。
また、第１部材と空気極との間にガスケットを配置することができるため、締付圧による空気極の破損を抑制することができ、金属空気電池の信頼性や寿命特性、安全性を向上させることができる。
本発明によれば、電解液槽は、開口が設けられた第１部材と、第１貫通孔が設けられた第２部材と、略板状体で第２貫通孔が設けられたガスケットとを含み、ガスケットは、第１部材と第２部材とに挟持されるため、電解液槽が、第１部材と第２部材とガスケットとを組み合わせた構造を有することができる。このような構造によると、電解液槽を第１部材と第２部材とに分解することが可能であり、空気極を交換することが可能である。また、ガスケットを設けることにより、第１部材と第２部材との隙間から電解液が漏洩することを抑制することができる。
本発明によれば、多孔性の触媒層を有し第２部材とガスケットとに挟持された空気極を備え、第１部材の開口とガスケットの第２貫通孔と空気極とが重なるように第１部材とガスケットと空気極とを配置することにより、電解液槽の内部空間の少なくとも一部が形成されるため、空気極を電解液槽の壁部に配置することができ、空気極を電解液槽の内部と電解液槽の外部又は空気流路との間に固定することができる。このような構成によると、電解液槽内の電解液に含まれる水を空気極に供給することができ、電解液槽外部又は空気流路の酸素ガスを空気極に供給することができる。このことにより、空気極において、水と酸素ガスと空気極触媒との三相界面を形成することができ、カソード反応を進行させることができる。また、カソード反応により生じる水酸化物イオンを電解液槽中の電解液に供給することができる。なお、この水酸化物イオンは、アノード反応に利用される。
本発明によれば、空気極集電体を備えるため、アノード反応により生じた電荷を効率よく出力することができる。
本発明によれば、空気極は第２部材とガスケットとに挟持されるため、多孔性を有する触媒層により形成される微小な隙間をガスケットにより塞ぐことができると同時にこの隙間からの電解液の漏洩を防止することができる。このことにより、金属空気電池の長期的な信頼性を向上させることができると共に、金属空気電池の安全性を向上させることができる。また、漏洩による電解液の減少を抑制することができ、電解液の補充の手間を減らすことができ、メンテナンス費用を削減することができる。
また、第１部材と空気極との間にガスケットを配置することができるため、締付圧による空気極の破損を抑制することができ、金属空気電池の信頼性や寿命特性、安全性を向上させることができる。
本発明の金属空気電池本体は、電解液槽と、多孔性の触媒層を有する空気極と、空気極集電体とを備えた金属空気電池本体であって、前記電解液槽は、開口が設けられた第１部材と、第１貫通孔が設けられた第２部材と、略板状体で第２貫通孔が設けられたガスケットとを含み、前記ガスケットは、第１部材と第２部材とに挟持され、前記空気極は、第２部材と前記ガスケットとに挟持され、前記開口と第２貫通孔と前記空気極とが重なるように第１部材と前記ガスケットと前記空気極とを配置することにより、前記電解液槽の内部空間の少なくとも一部が形成されたことを特徴とする。
なお、金属空気電池本体とは、金属空気電池の本体部分である。金属空気電池は、金属空気電池本体と、金属空気電池本体に着脱可能に取り付けることができる金属電極とを含むことができる。
なお、金属空気電池本体とは、金属空気電池の本体部分である。金属空気電池は、金属空気電池本体と、金属空気電池本体に着脱可能に取り付けることができる金属電極とを含むことができる。
本発明の金属空気電池本体において、粘着層をさらに備え、粘着層は、ガスケットと空気極との間と、ガスケットと第２部材との間とに設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、ガスケットと第２部材との密着性およびガスケットと空気極との密着性を向上させることができ、電解液の漏洩を抑制することができる。また、ガスケットを第２部材から剥がすことが可能であり、電解液槽を分解することが可能である。また、締付部材により第２部材を第１部材に締結する前に、ガスケット、空気極及び第２部材を所定の位置に固定することができる。このことにより、組み立てが容易になり作業性が向上すると共に、組立て時間を短縮することができる。
このような構成によれば、ガスケットと第２部材との密着性およびガスケットと空気極との密着性を向上させることができ、電解液の漏洩を抑制することができる。また、ガスケットを第２部材から剥がすことが可能であり、電解液槽を分解することが可能である。また、締付部材により第２部材を第１部材に締結する前に、ガスケット、空気極及び第２部材を所定の位置に固定することができる。このことにより、組み立てが容易になり作業性が向上すると共に、組立て時間を短縮することができる。
本発明の金属空気電池本体において、接着層をさらに備え、接着層は、ガスケットと空気極との間に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、接着層を空気極の表面の凹凸に入り込ませることができ、ガスケットと空気極との接着力を向上させることができる。このことにより、電解液の漏洩を抑制することができる。
本発明の金属空気電池本体において、セパレータをさらに備え、セパレータは、第１部材とガスケットとの間に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、電解液に含まれる負極活物質や負極反応生成物の極微細な粒子が空気極に付着することを抑制できる。
本発明の金属空気電池において、ガスケットは、粘着性を有することが好ましい。
このような構成によれば、ガスケットと第１部材との密着性、ガスケットと第２部材との密着性およびガスケットと空気極との密着性を向上させることができ、電解液の漏洩を抑制することができる。また、ガスケットを第１部材および第２部材から剥がすことが可能であり、電解液槽を分解することが可能である。
このような構成によれば、接着層を空気極の表面の凹凸に入り込ませることができ、ガスケットと空気極との接着力を向上させることができる。このことにより、電解液の漏洩を抑制することができる。
本発明の金属空気電池本体において、セパレータをさらに備え、セパレータは、第１部材とガスケットとの間に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、電解液に含まれる負極活物質や負極反応生成物の極微細な粒子が空気極に付着することを抑制できる。
本発明の金属空気電池において、ガスケットは、粘着性を有することが好ましい。
このような構成によれば、ガスケットと第１部材との密着性、ガスケットと第２部材との密着性およびガスケットと空気極との密着性を向上させることができ、電解液の漏洩を抑制することができる。また、ガスケットを第１部材および第２部材から剥がすことが可能であり、電解液槽を分解することが可能である。
また、本発明は、本発明の金属空気電池本体と、電解液槽に収容された金属電極とを備えた金属空気電池も提供する。
本発明の金属空気電池によれば、安全性の高い金属空気電池を提供することができる。
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
本発明の金属空気電池によれば、安全性の高い金属空気電池を提供することができる。
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
金属空気電池及び金属空気電池本体の構成
図１（ａ）、図６（ａ）、図８（ａ）、図１０（ａ）、図１２（ａ）、図１４（ａ）及び図１５はそれぞれ本実施形態の金属空気電池の概略断面図である。図１（ｂ）、図６（ｂ）、図８（ｂ）、図１０（ｂ）、図１２（ｂ）は、それぞれ本実施形態の金属空気電池の拡大断面図である。図２は、空気極とガスケットとが重なった重なり領域の説明図である。図３は、金属空気電池本体から金属電極カートリッジを取り外した際の本実施形態の金属空気電池の概略斜視図である。図４、図７、図９、図１１、図１３、図１４（ｂ）、図１６は、本実施形態の金属空気電池本体の分解断面図である。図５は、本実施形態の金属空気電池本体の分解斜視図である。
図１（ａ）、図６（ａ）、図８（ａ）、図１０（ａ）、図１２（ａ）、図１４（ａ）及び図１５はそれぞれ本実施形態の金属空気電池の概略断面図である。図１（ｂ）、図６（ｂ）、図８（ｂ）、図１０（ｂ）、図１２（ｂ）は、それぞれ本実施形態の金属空気電池の拡大断面図である。図２は、空気極とガスケットとが重なった重なり領域の説明図である。図３は、金属空気電池本体から金属電極カートリッジを取り外した際の本実施形態の金属空気電池の概略斜視図である。図４、図７、図９、図１１、図１３、図１４（ｂ）、図１６は、本実施形態の金属空気電池本体の分解断面図である。図５は、本実施形態の金属空気電池本体の分解斜視図である。
本実施形態の金属空気電池本体３１は、電解液槽１と、多孔性の触媒層３３を有する空気極９と、空気極集電体１０とを備えた金属空気電池本体３１であって、電解液槽１は、開口２６が設けられた第１部材１２と、第１貫通孔２７が設けられた第２部材１３と、略板状体で第２貫通孔２８が設けられたガスケット６とを含み、ガスケット６は、第１部材１２と第２部材１３とに挟持され、空気極９は、第２部材１３とガスケット６とに挟持され、開口２６と第２貫通孔２８と空気極９とが重なるように第１部材１２とガスケット６と空気極９とを配置することにより、電解液槽１の内部空間２の少なくとも一部が形成されたことを特徴とする。
また、本実施形態の金属空気電池３０は、金属空気電池本体３１と、電解液槽１に収容された金属電極５とを備える。
以下、本実施形態の金属空気電池本体３１及び金属空気電池３０について説明する。
また、本実施形態の金属空気電池３０は、金属空気電池本体３１と、電解液槽１に収容された金属電極５とを備える。
以下、本実施形態の金属空気電池本体３１及び金属空気電池３０について説明する。
１．金属空気電池、金属空気電池本体
本実施形態の金属空気電池３０は、負極活物質となる金属を含む金属電極５を負極（アノード）とし、空気極９を正極（カソード）とする電池である。例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池などである。また、本実施形態の金属空気電池３０は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよい。また、本実施形態の金属空気電池３０は、金属電極５を交換することにより機械式充電が可能な電池であってもよい。
また、金属空気電池３０は、電解液槽１、空気極９などからなる金属空気電池本体３１と、金属空気電池本体３１に着脱可能な構造を有し、金属電極５などからなる金属極カートリッジ２１とから構成されてもよい。このような構成によると、金属電極５を容易に交換することができ、金属空気電池３０を機械式充電することができる。例えば、金属空気電池３０は、図３に示したような構造を有することができる。
また、金属空気電池３０が複数のセル３２を有する場合、金属空気電池本体３１は、各セル３２を構成する電解液槽１、空気極９が積層された構造を有することができる。
本実施形態の金属空気電池３０は、負極活物質となる金属を含む金属電極５を負極（アノード）とし、空気極９を正極（カソード）とする電池である。例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池、マグネシウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池などである。また、本実施形態の金属空気電池３０は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよい。また、本実施形態の金属空気電池３０は、金属電極５を交換することにより機械式充電が可能な電池であってもよい。
また、金属空気電池３０は、電解液槽１、空気極９などからなる金属空気電池本体３１と、金属空気電池本体３１に着脱可能な構造を有し、金属電極５などからなる金属極カートリッジ２１とから構成されてもよい。このような構成によると、金属電極５を容易に交換することができ、金属空気電池３０を機械式充電することができる。例えば、金属空気電池３０は、図３に示したような構造を有することができる。
また、金属空気電池３０が複数のセル３２を有する場合、金属空気電池本体３１は、各セル３２を構成する電解液槽１、空気極９が積層された構造を有することができる。
２．セル
セル３２は、金属空気電池３０の構成単位であり、電解液槽１内に設けられかつアノードとなる金属電極５と、カソードとなる空気極９とからなる電極対を有する。セル３２は、例えば、１つの空気極９と１つの金属電極５とが電解液３を挟むように設けられた電極対を有してもよく、図１などに示した金属空気電池３０のように２つの空気極９が１つの金属電極５を挟むように設けられた電極対を有してもよい。
セル３２は、金属空気電池３０の構成単位であり、電解液槽１内に設けられかつアノードとなる金属電極５と、カソードとなる空気極９とからなる電極対を有する。セル３２は、例えば、１つの空気極９と１つの金属電極５とが電解液３を挟むように設けられた電極対を有してもよく、図１などに示した金属空気電池３０のように２つの空気極９が１つの金属電極５を挟むように設けられた電極対を有してもよい。
金属空気電池３０は、複数のセル３２を有することができる。例えば、金属空気電池３０は、図１５、図１６に示したような第１セル３２ａと第２セル３２ｂとを有する構造とすることができる。
図１５、図１６に示した金属空気電池３０のように、隣接する２つのセル３２ａ、３２ｂは、第２部材１３を共通の部品とすることができる。また、隣接する２つのセル３２ａ、３２ｂの間に空気流路３６を設けることができる。
また、複数のセル３２に含まれる電解液槽１は、電解液３が移動できるように連通していてもよい。このことにより、複数のセル３２の電解液３の水位を同じにすることができる。
図１５、図１６に示した金属空気電池３０のように、隣接する２つのセル３２ａ、３２ｂは、第２部材１３を共通の部品とすることができる。また、隣接する２つのセル３２ａ、３２ｂの間に空気流路３６を設けることができる。
また、複数のセル３２に含まれる電解液槽１は、電解液３が移動できるように連通していてもよい。このことにより、複数のセル３２の電解液３の水位を同じにすることができる。
３．電解液
電解液３は、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する液体又はゲルである。電解液３は、電解液槽１内に溜められる、または電解液槽１内を流通する。電解液３の種類は、金属電極５に含まれる負極活物質の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解液（電解質水溶液）であってもよい。また、電解液３は、ゲル化電解液であってもよい。
例えば、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることができ、マグネシウム空気電池の場合、電解液には塩化ナトリウム水溶液を用いることができる。
なお、電解液３にアルカリ性水溶液を用いると、電解液３の表面張力が低下し浸透性が高くなる場合があり、この場合電解液漏洩の可能性が高くなる。
電解液３は、溶媒に電解質が溶解しイオン導電性を有する液体又はゲルである。電解液３は、電解液槽１内に溜められる、または電解液槽１内を流通する。電解液３の種類は、金属電極５に含まれる負極活物質の種類によって異なるが、水溶媒を用いた電解液（電解質水溶液）であってもよい。また、電解液３は、ゲル化電解液であってもよい。
例えば、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることができ、マグネシウム空気電池の場合、電解液には塩化ナトリウム水溶液を用いることができる。
なお、電解液３にアルカリ性水溶液を用いると、電解液３の表面張力が低下し浸透性が高くなる場合があり、この場合電解液漏洩の可能性が高くなる。
４．空気極、空気極集電体、セパレータ
空気極９は、カソードとなる電極であり、多孔性を有する。また、空気極９は、シート状であってもよい。また、空気極９は、多孔性のガス拡散層３４と、ガス拡散層３４上に設けられた多孔性の触媒層３３とを有してもよい。また、空気極９の細孔中にゲル層を配置してもよい。
１つのセル３２に含まれる空気極９は、金属電極５の一方側にのみ設けられてもよく、図１（ａ）のように金属電極５の両側にそれぞれ設けられてもよい。
空気極９の厚さは、例えば、３００μｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。
なお、空気極９は多孔性を有するため、大きな表面粗さを有する。
空気極９は、カソードとなる電極であり、多孔性を有する。また、空気極９は、シート状であってもよい。また、空気極９は、多孔性のガス拡散層３４と、ガス拡散層３４上に設けられた多孔性の触媒層３３とを有してもよい。また、空気極９の細孔中にゲル層を配置してもよい。
１つのセル３２に含まれる空気極９は、金属電極５の一方側にのみ設けられてもよく、図１（ａ）のように金属電極５の両側にそれぞれ設けられてもよい。
空気極９の厚さは、例えば、３００μｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。
なお、空気極９は多孔性を有するため、大きな表面粗さを有する。
空気極９は、その縁領域がガスケット６と第２部材１３とに挟持されることにより電解液槽１に固定される。また、空気極９は、第１部材１２の開口２６の位置と、第２部材１３に設けられた第１貫通孔２７の位置と、ガスケット６に設けられた第２貫通孔２８の位置と重なるように設けられる。このため、空気極９を電解液槽１の壁部に配置することができ、空気極９の第１主要面を内部空間２側とし、空気極９の第２主要面を第１貫通孔２７側とすることができる。このような構成にすると、電解液槽１の電解液に含まれる水を第１主要面から空気極９に供給することができ、第１貫通孔２７を介して第２主要面から空気極９に酸素ガスを供給することができる。このことにより、空気極９において、水と酸素ガスと空気極触媒との三相界面を形成することができ、カソード反応を進行させることができる。また、カソード反応により生じる水酸化物イオンを電解液槽１中の電解液に供給することができる。なお、この水酸化物イオンは、アノード反応に利用される。なお、第１貫通孔２７は大気に開放されていてもよく、空気流路３６を形成してもよい。
空気極９は、例えば、図１、４、５のように設けることができる。
機械式充電型の金属空気電池では、金属電極５を交換して繰り返し放電するため、金属空気電池本体３１に含まれる空気極９は繰り返し利用される。しかし、空気極９を繰り返し利用すると、電解液３の成分により空気極９が被毒する場合や、空気極９の細孔が液体で満たされ空気極触媒に酸素ガスが供給できない状態となる場合がある。このような場合、電解液槽１に固定した空気極９を交換する必要がある。本実施形態の金属空気電池３０では、第２部材１３を第１部材１２から取り外すことにより、空気極９を交換することができる。
なお、空気極９とガスケット６との関係などは後述する。
空気極９は、例えば、図１、４、５のように設けることができる。
機械式充電型の金属空気電池では、金属電極５を交換して繰り返し放電するため、金属空気電池本体３１に含まれる空気極９は繰り返し利用される。しかし、空気極９を繰り返し利用すると、電解液３の成分により空気極９が被毒する場合や、空気極９の細孔が液体で満たされ空気極触媒に酸素ガスが供給できない状態となる場合がある。このような場合、電解液槽１に固定した空気極９を交換する必要がある。本実施形態の金属空気電池３０では、第２部材１３を第１部材１２から取り外すことにより、空気極９を交換することができる。
なお、空気極９とガスケット６との関係などは後述する。
図１７（ａ）（ｂ）は、それぞれ本実施形態の金属空気電池３０に含まれる空気極９及び空気極集電体１０の概略断面図である。空気極９は、例えば、図１７（ａ）（ｂ）のように触媒層３３とガス拡散層３４とが積層された構造を有してもよい。
触媒層３３とガス拡散層３４は、実質的に同じサイズで形成されてもよい。また、触媒層３３は、ガス拡散層３４よりも小さいサイズで形成されてもよい。
触媒層３３は、例えば、導電性の多孔性担体と多孔性担体に担持された空気極触媒とを含んでもよい。このことにより、空気極触媒上において、酸素ガスと水と電子を共存する三相界面を形成することが可能になり、カソード反応を進行させることが可能になる。また、触媒層３３は、バインダーを含んでもよい。また、触媒層３３の細孔中にゲル層を配置してもよい。
触媒層３３とガス拡散層３４は、実質的に同じサイズで形成されてもよい。また、触媒層３３は、ガス拡散層３４よりも小さいサイズで形成されてもよい。
触媒層３３は、例えば、導電性の多孔性担体と多孔性担体に担持された空気極触媒とを含んでもよい。このことにより、空気極触媒上において、酸素ガスと水と電子を共存する三相界面を形成することが可能になり、カソード反応を進行させることが可能になる。また、触媒層３３は、バインダーを含んでもよい。また、触媒層３３の細孔中にゲル層を配置してもよい。
触媒層３３含まれる多孔性担体には、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。
空気極触媒には、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、ランタン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。この合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。
また、触媒層３３に含まれるバインダーは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）などである。
また、触媒層３３に含まれる多孔性担体は、その表面に陽イオン基が固定イオンとして存在するように表面処理がなされていてもよい。このことにより、多孔性担体の表面を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
また、触媒層３３は、多孔性担体に担持されたアニオン交換樹脂を有してもよい。このことにより、アニオン交換樹脂を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
空気極触媒には、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、ランタン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。この合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。
また、触媒層３３に含まれるバインダーは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）などである。
また、触媒層３３に含まれる多孔性担体は、その表面に陽イオン基が固定イオンとして存在するように表面処理がなされていてもよい。このことにより、多孔性担体の表面を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
また、触媒層３３は、多孔性担体に担持されたアニオン交換樹脂を有してもよい。このことにより、アニオン交換樹脂を水酸化物イオンが伝導できるため、空気極触媒上で生成した水酸化物イオンが移動しやすくなる。
触媒層３３とガス拡散層３４とから構成される空気極９は、空気極触媒を担持した多孔性担体を導電性多孔性基材（ガス拡散層３４）に塗布することにより作製されてもよい。例えば、空気極９は、空気極触媒を担持したカーボンをカーボンペーパーやカーボンフェルトに塗布することにより作製することができる。このガス拡散層３４は、空気極集電体として機能してもよい。また、ガス拡散層３４は、カーボン繊維と、カーボンブラックと撥水高分子からなるマイクロポーラスレイヤーとから構成されてもよい。撥水性高分子は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。この撥水性高分子は、電解液３の漏洩を防ぐために設けられ、気液分離機能を有する。すなわち、電解液３が電解液槽１内から漏洩するのを防ぎ、かつ触媒層３３への酸素ガスの供給を妨げない。
金属空気電池３０は、触媒層３３に生じた電荷を集電する空気極集電体１０を備えてもよい。このことにより、触媒層３３で生じた電荷を効率よく、つまり低抵抗で外部回路へと取り出すことができる。空気極集電体１０は、図４、５、図１７（ａ）のように空気極９と別の部材として形成されてもよく、図１７（ｂ）のように空気極９と空気極集電体１０が一体の部材として形成されてもよい。また、空気極集電体１０は、図１７（ａ）のように空気極９の空気側に設けられてもよく、図１７（ｂ）のように空気極９の内部に設けられてもよい。また、空気極集電体１０は、触媒層３３とガス拡散層３４とに挟まれるように設けられてもよい。
また、空気極集電体１０は、空気極９の支持部材として機能してもよい。このことにより、空気極９が電解液３の水圧などにより変形したり損傷したりすることを抑制することができる。この場合、空気極集電体１０の材料は剛性材料とすることができる。
空気極集電体１０の材料としては、電解液３に対して耐食性を有すれば特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、銀、銅、ステンレスなどである。また、空気極集電体１０は、ニッケルめっき処理、金めっき処理、銀めっき処理、銅めっき処理された導電性基材などであってもよい。この導電性基材には、鉄、ニッケル、ステンレスなどを用いることができる。
また、空気極集電体１０の形状は、例えば、板状、メッシュ状、パンチングメタルなどの複数の開口（例えば、空気孔２３）を有する形状とすることができる。空気極集電体１０の複数の空気孔２３は大気に開放されていてもよい。このことにより、空気孔２３を介して大気中の酸素ガスを空気極９に供給することができる。また、空気孔２３は、空気流路３６に隣接して設けてもよい。
空気極９を空気極集電体１０と重ねて第１部材１２と第２部材１３とで挟持する場合、空気極９は、図１、６（ａ）、８（ａ）に示した金属空気電池３０のように、空気極集電体１０よりも小さいサイズであってもよい。
また、図１０（ａ）、１２（ａ）に示した金属空気電池３０のように、空気極９は、空気極集電体１０と実質的に同じサイズであってもよい。このことにより、組み立て時の位置合わせが容易になり作業性を向上させることができ、組み立て時間を短縮することができる。また、締付部材の設置箇所と空気極９との距離を小さくすることができ、空気極９とガスケット６とが重なった重なり領域７の締付圧を高くすることができ、電解液３の漏洩を効果的に抑制することができる。なお、締付部材であるネジ又はボルトによる締付圧は、締付部材を設置した箇所からの距離に依存し、締付部材を設置した箇所の周辺が最も高い。締付部材である導電性を有するネジ又はボルトは空気極集電体１０の周囲に設けられるため、空気極９のサイズを空気極集電体１０のサイズに近づけるほど重なり領域７の締付圧を高くすることができる。このことにより、電解液３の漏洩を抑制することが可能である。
また、空気極集電体１０は、空気極９の支持部材として機能してもよい。このことにより、空気極９が電解液３の水圧などにより変形したり損傷したりすることを抑制することができる。この場合、空気極集電体１０の材料は剛性材料とすることができる。
空気極集電体１０の材料としては、電解液３に対して耐食性を有すれば特に限定されないが、例えば、ニッケル、金、銀、銅、ステンレスなどである。また、空気極集電体１０は、ニッケルめっき処理、金めっき処理、銀めっき処理、銅めっき処理された導電性基材などであってもよい。この導電性基材には、鉄、ニッケル、ステンレスなどを用いることができる。
また、空気極集電体１０の形状は、例えば、板状、メッシュ状、パンチングメタルなどの複数の開口（例えば、空気孔２３）を有する形状とすることができる。空気極集電体１０の複数の空気孔２３は大気に開放されていてもよい。このことにより、空気孔２３を介して大気中の酸素ガスを空気極９に供給することができる。また、空気孔２３は、空気流路３６に隣接して設けてもよい。
空気極９を空気極集電体１０と重ねて第１部材１２と第２部材１３とで挟持する場合、空気極９は、図１、６（ａ）、８（ａ）に示した金属空気電池３０のように、空気極集電体１０よりも小さいサイズであってもよい。
また、図１０（ａ）、１２（ａ）に示した金属空気電池３０のように、空気極９は、空気極集電体１０と実質的に同じサイズであってもよい。このことにより、組み立て時の位置合わせが容易になり作業性を向上させることができ、組み立て時間を短縮することができる。また、締付部材の設置箇所と空気極９との距離を小さくすることができ、空気極９とガスケット６とが重なった重なり領域７の締付圧を高くすることができ、電解液３の漏洩を効果的に抑制することができる。なお、締付部材であるネジ又はボルトによる締付圧は、締付部材を設置した箇所からの距離に依存し、締付部材を設置した箇所の周辺が最も高い。締付部材である導電性を有するネジ又はボルトは空気極集電体１０の周囲に設けられるため、空気極９のサイズを空気極集電体１０のサイズに近づけるほど重なり領域７の締付圧を高くすることができる。このことにより、電解液３の漏洩を抑制することが可能である。
空気極９と金属電極５との間にセパレータ１８を設けてもよい。セパレータ１８は、空気極９上に設けることができる。セパレータ１８は、空気極９に接合されてもよく、第１部材１２とガスケット６とに挟持されてもよい。また、セパレータ１８は、電解液槽１の壁部に設けることができる。セパレータ１８は、例えば、図１４（ａ）（ｂ）に示したように電解液槽１に固定することができる。図１４（ａ）（ｂ）では、セパレータ１８の縁領域を空気極９の縁領域及びガスケット６と共に第１部材１２と第２部材１３とで挟持することにより、セパレータ１８を電解液槽１に固定している。
セパレータ１８を設けることにより、電解液３が空気極９の細孔を介して金属空気電池３０の外部へ漏洩することを抑制することができ、金属空気電池３０の安全性を向上させることができる。また、電解液３に含まれる水は、セパレータ１８を通過した後空気極９に浸透するため、空気極９に過剰な水が供給されることを抑制することができる。また、セパレータ１８を設けることにより、電解液３に含まれる負極活物質や負極反応生成物の極微細な粒子が空気極９に付着することを抑制できる。
セパレータ１８を設けることにより、電解液３が空気極９の細孔を介して金属空気電池３０の外部へ漏洩することを抑制することができ、金属空気電池３０の安全性を向上させることができる。また、電解液３に含まれる水は、セパレータ１８を通過した後空気極９に浸透するため、空気極９に過剰な水が供給されることを抑制することができる。また、セパレータ１８を設けることにより、電解液３に含まれる負極活物質や負極反応生成物の極微細な粒子が空気極９に付着することを抑制できる。
セパレータ１８は、多孔性樹脂膜、イオン交換膜、樹脂繊維の不織布又はゲル化電解液層とすることができる。また、セパレータ１８は、アニオン交換膜であってもよい。
セパレータ１８に用いられる多孔性樹脂膜または樹脂繊維の不織布の材料としては、耐アルカリ性樹脂とすることができ、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン６、ナイロン６６、ポリオレフィン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール系材料、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）が挙げられる。また、セパレータ１８の細孔の孔径は特に限定されないが、３０μｍ以下であることが好ましい。電解液３の流通がよくなるようにセパレータ１８は親水化処理されていることが好ましい。
セパレータ１８に用いられるイオン交換膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系の固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。
セパレータ１８に用いられる多孔性樹脂膜または樹脂繊維の不織布の材料としては、耐アルカリ性樹脂とすることができ、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン６、ナイロン６６、ポリオレフィン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール系材料、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）が挙げられる。また、セパレータ１８の細孔の孔径は特に限定されないが、３０μｍ以下であることが好ましい。電解液３の流通がよくなるようにセパレータ１８は親水化処理されていることが好ましい。
セパレータ１８に用いられるイオン交換膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系の固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。
５．電解液槽
電解液槽１は、第１部材１２と、第２部材１３と、第１部材１２と第２部材１３との間に配置されたガスケット６とを含むため、電解液槽１が、第１部材１２と第２部材１３とガスケット６とを組み合わせた構造を有することができる。このような構造によると、電解液槽１を第１部材１２と第２部材１３とに分解することが可能である。また、空気極９は第１部材１２と第２部材１３とで挟持されることにより電解液槽１に固定されるため、第１部材１２と第２部材１３とを分解することにより空気極９を交換することが可能である。また、ガスケット６を設けることにより、第１部材１２と第２部材１３との隙間から電解液３が漏洩することを抑制することができる。
電解液槽１は、１つの第１部材１２と１つの第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有してもよい。また、電解液槽１は、１つの第１部材１２と複数の第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有してもよい。また、電解液槽１は、複数の第１部材１２と複数の第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有してもよい。なお、ガスケット６は、第１部材１２と第２部材１３の接続箇所ごとに設けることができる。
電解液槽１は、第１部材１２と、第２部材１３と、第１部材１２と第２部材１３との間に配置されたガスケット６とを含むため、電解液槽１が、第１部材１２と第２部材１３とガスケット６とを組み合わせた構造を有することができる。このような構造によると、電解液槽１を第１部材１２と第２部材１３とに分解することが可能である。また、空気極９は第１部材１２と第２部材１３とで挟持されることにより電解液槽１に固定されるため、第１部材１２と第２部材１３とを分解することにより空気極９を交換することが可能である。また、ガスケット６を設けることにより、第１部材１２と第２部材１３との隙間から電解液３が漏洩することを抑制することができる。
電解液槽１は、１つの第１部材１２と１つの第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有してもよい。また、電解液槽１は、１つの第１部材１２と複数の第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有してもよい。また、電解液槽１は、複数の第１部材１２と複数の第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有してもよい。なお、ガスケット６は、第１部材１２と第２部材１３の接続箇所ごとに設けることができる。
例えば、図１（ａ）に示した金属空気電池３０は、１つの第１部材１２と２つの第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有している。このような構造の金属空気電池３０は、金属電極５の両側にそれぞれ空気極９が配置されたセル３２を有することができる。
また、例えば、図１５に示した金属空気電池３０は、２つの第１部材１２と３つの第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有している。このような構造の金属空気電池３０は、２つのセル３２ａ、３２ｂを有することができ、それぞれのセル３２が金属電極５の両側にそれぞれ空気極９が配置された構造を有することができる。
また、例えば、図１５に示した金属空気電池３０は、２つの第１部材１２と３つの第２部材１３とがガスケット６を挟んで組み合わされた構造を有している。このような構造の金属空気電池３０は、２つのセル３２ａ、３２ｂを有することができ、それぞれのセル３２が金属電極５の両側にそれぞれ空気極９が配置された構造を有することができる。
第１部材１２は、電解液槽１の内部空間２を形成するための部材である。第１部材１２には、金属電極５及び電解液３を収容する内部空間２となる開口２６が設けられる。このことにより、電解液槽１が金属電極５及び電解液３を収容することが可能になる。開口２６は、空気極９が電解液槽１の壁部を構成する箇所に配置される。なお、第１部材１２に複数の開口２６を設けてもよい。この場合、各開口２６が別々のセル３２の内部空間２となる。
開口２６は、例えば、図４、５に示した分解図のように、貫通孔状であってもよく、底を有する穴状であってもよい。
また、第１部材１２は容器形状を有してもよい。この場合、開口２６は、容器形状の第１部材１２の側壁部に設けることができる。なお、この場合、容器形状の内部は、内部空間２となる。
開口２６は、例えば、図４、５に示した分解図のように、貫通孔状であってもよく、底を有する穴状であってもよい。
また、第１部材１２は容器形状を有してもよい。この場合、開口２６は、容器形状の第１部材１２の側壁部に設けることができる。なお、この場合、容器形状の内部は、内部空間２となる。
第１部材１２は、金属極挿入口２５を有することができる。金属極挿入口２５は、電解液槽１の内部空間２に金属電極５を挿入できるように設けられる。このことにより、金属電極５を交換可能に電解液槽１内に収容することができる。例えば、図４、５の分解図に含まれる第１部材１２では、第１部材１２の上部に貫通孔である金属極挿入口２５が設けられている。
また、第１部材１２は、電解液注入口又は電解液排出口を有してもよい。このことにより、電解液槽１に電解液を注入することができ、また、電解液槽１の電解液を排出することができる。
また、金属空気電池３０が複数のセル３２を有する場合、第１部材１２は、複数のセル３２の内部空間２を連通する電解液流路を有してもよい。このことにより、各セル３２の電解液の水位を同じにすることができる。また、各セル３２に順々に電解液３を流すことが可能になる。
また、第１部材１２は、電解液注入口又は電解液排出口を有してもよい。このことにより、電解液槽１に電解液を注入することができ、また、電解液槽１の電解液を排出することができる。
また、金属空気電池３０が複数のセル３２を有する場合、第１部材１２は、複数のセル３２の内部空間２を連通する電解液流路を有してもよい。このことにより、各セル３２の電解液の水位を同じにすることができる。また、各セル３２に順々に電解液３を流すことが可能になる。
第２部材１３は、電解液槽１に空気極９を固定するための部材である。第２部材１３は、第１部材１２と共に空気極９及びガスケット６を挟持するように設けられる。第２部材１３は、締付部材により第１部材１２に締結されてもよい。このことにより、第１部材１２と第２部材１３とにより、空気極９及びガスケット６を挟持することができ、空気極９を電解液槽１に固定することができる。また、締付部材を電解液槽１から取り外すことにより、電解液槽１を第１部材１２と第２部材１３とに容易に分解することができ、空気極９を交換することができる。締付部材は、例えば、ネジ、ボルト、ボルト−ナット、ゴムバンド、バネなどである。
締付部材がネジ又はボルトを含む場合、ネジ又はボルトが第２部材１３およびガスケット５を貫通し第１部材１２に接続するように設けることができる。この場合、締付部材は、第１貫通孔２７および開口２６の周囲に複数設けることができる。また、複数の締付部材は、重なり領域７に実質的に均一な締付圧を加えることができるように配置することができる。また、締付部材であるネジ又はボルトは、空気極集電体１０を貫通してもよい。このことにより、重なり領域７における締付圧を大きくすることができる。この場合、締付部材には絶縁処理が施されていてもよく、締付部材の材料は絶縁性材料であってもよい。
また、締付部材がゴムバンド又はバネを含む場合でも、重なり領域７に実質的に均一な締付圧を加えることができるように複数の締付部材を配置することができる。
第２部材１３には、第１貫通孔２７が設けられる。この第１貫通孔２７を介して空気極９に酸素ガスを供給することができる。また、第２部材１３には、空気極９又は空気極集電体１０が配置される凹部を有してもよい。この凹部の深さは、実質的に、空気極９の厚さ又は空気極９の厚さと空気極集電体１０の厚さとの和とすることができる。このことにより、空気極９又は空気極集電体１０が第１部材１２と第２部材１３との間に生じる締付圧により損傷することを抑制することができる。また、この凹部は、第１貫通孔２７の周りに設けることができる。このことにより、空気極９を第１部材１２の開口２６の位置と第２部材１３の第１貫通孔２７の位置と重なるように設けることができる。
締付部材がネジ又はボルトを含む場合、ネジ又はボルトが第２部材１３およびガスケット５を貫通し第１部材１２に接続するように設けることができる。この場合、締付部材は、第１貫通孔２７および開口２６の周囲に複数設けることができる。また、複数の締付部材は、重なり領域７に実質的に均一な締付圧を加えることができるように配置することができる。また、締付部材であるネジ又はボルトは、空気極集電体１０を貫通してもよい。このことにより、重なり領域７における締付圧を大きくすることができる。この場合、締付部材には絶縁処理が施されていてもよく、締付部材の材料は絶縁性材料であってもよい。
また、締付部材がゴムバンド又はバネを含む場合でも、重なり領域７に実質的に均一な締付圧を加えることができるように複数の締付部材を配置することができる。
第２部材１３には、第１貫通孔２７が設けられる。この第１貫通孔２７を介して空気極９に酸素ガスを供給することができる。また、第２部材１３には、空気極９又は空気極集電体１０が配置される凹部を有してもよい。この凹部の深さは、実質的に、空気極９の厚さ又は空気極９の厚さと空気極集電体１０の厚さとの和とすることができる。このことにより、空気極９又は空気極集電体１０が第１部材１２と第２部材１３との間に生じる締付圧により損傷することを抑制することができる。また、この凹部は、第１貫通孔２７の周りに設けることができる。このことにより、空気極９を第１部材１２の開口２６の位置と第２部材１３の第１貫通孔２７の位置と重なるように設けることができる。
第１部材１２の材料又は第２部材１３の材料は、電解液に対して耐食性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリ酢酸ビニル、ABS樹脂、塩化ビニリデン、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリスチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、またはこれらの混成樹脂などである。また、第１部材１２の材料又は第２部材１３の材料は、剛性材料とすることができる。
ガスケット６は、電解液３の漏洩を防止するためのシール材である。また、ガスケット６は略板状体である。また、ガスケット６は、電解液３に対する耐食性を有することができる。
ガスケット６には、開口２６の位置と、第１貫通孔２７の位置と、空気極９と重なるように配置された第２貫通孔２８が設けられる。なお、ガスケット６は、空気極９を交換する際に、空気極９と共に交換されてもよく、交換せずに再び利用されてもよい。
ガスケット６は、例えば、軟質ガスケットとすることができる。軟質ガスケットは、ゴムシート、樹脂製発泡体ガスケット、ジョイントシート、膨張黒鉛シート、ＰＴＦＥシートなどが挙げられる。軟質ガスケットを用いることにより、締付圧により空気極９が損傷することを抑制することができる。特に、段差・曲面追従性に優れた樹脂製発泡体ガスケットを用いることにより、空気極９が損傷することを効果的に抑制することができる。
ガスケット６には、開口２６の位置と、第１貫通孔２７の位置と、空気極９と重なるように配置された第２貫通孔２８が設けられる。なお、ガスケット６は、空気極９を交換する際に、空気極９と共に交換されてもよく、交換せずに再び利用されてもよい。
ガスケット６は、例えば、軟質ガスケットとすることができる。軟質ガスケットは、ゴムシート、樹脂製発泡体ガスケット、ジョイントシート、膨張黒鉛シート、ＰＴＦＥシートなどが挙げられる。軟質ガスケットを用いることにより、締付圧により空気極９が損傷することを抑制することができる。特に、段差・曲面追従性に優れた樹脂製発泡体ガスケットを用いることにより、空気極９が損傷することを効果的に抑制することができる。
ガスケット６は、粘着性を有してもよい。このことにより、ガスケット６と第１部材１２との密着性、ガスケット６と第２部材１３との密着性およびガスケット６と空気極９との密着性を向上させることができ、電解液３の漏洩を抑制することができる。また、ガスケット６を第１部材１２および第２部材１３から剥がすことが可能であり、電解液槽１を分解することが可能である。例えば、ガスケット６の表面の平滑性を向上させることにより、ガスケット６が粘着性を有することができる。
ガスケット６と空気極９は、空気極９の縁領域と、ガスケット６の第２貫通孔２８の周りの領域とが重なる重なり領域７を形成するように設けられる。具体的には、第２貫通孔２８のサイズを空気極９のサイズよりも小さくし、第２貫通孔２８の位置と空気極９とが重なるようにガスケット６と空気極９とを積層させることにより、重なり領域７を形成することができる。
例えば、図２のようにガスケット６と空気極９とを重ね、重なり領域７を形成することができる。重なり領域７の幅は、図１（ｂ）、図２、図６（ｂ）、図８（ｂ）、図１０（ｂ）又は図１２（ｂ）に示したｄとなる。
重なり領域７の幅ｄは、長くするだけ電解液３の漏洩を効果的に抑制することができるので、特に限定されるものでもなく、本発明の効果が得られる範囲で適宜選択されればよいが、１ｍｍ以上であれば空気極の挟持する強度も向上できるので、特に好ましい。また、第１部材１２と第２部材１３との間の締付圧により密着した重なり領域７の面積を広くすることができ、電解液３の漏洩を効果的に抑制することができる。
例えば、図２のようにガスケット６と空気極９とを重ね、重なり領域７を形成することができる。重なり領域７の幅は、図１（ｂ）、図２、図６（ｂ）、図８（ｂ）、図１０（ｂ）又は図１２（ｂ）に示したｄとなる。
重なり領域７の幅ｄは、長くするだけ電解液３の漏洩を効果的に抑制することができるので、特に限定されるものでもなく、本発明の効果が得られる範囲で適宜選択されればよいが、１ｍｍ以上であれば空気極の挟持する強度も向上できるので、特に好ましい。また、第１部材１２と第２部材１３との間の締付圧により密着した重なり領域７の面積を広くすることができ、電解液３の漏洩を効果的に抑制することができる。
重なり領域７は、ガスケット６が第１部材側となるように第１部材１２と第２部材１３とに挟持される。このことにより、空気極９を電解液槽１の壁部に交換可能に固定することができる。また、第１部材１２と第２部材１３との間の締付圧によりガスケット６を塑性変形又は弾性変形させることができ、ガスケット６の一方の主要面を第１部材１２の表面に密着させることができる。また、ガスケット６の他方の主要面を、直接的に又は間接的に大きな表面粗さを有する空気極９の表面に密着させることができ、空気極９の表面の微細な凹凸の谷部をガスケット６により埋めることができる。このことにより、第１部材１２とガスケット６との隙間およびガスケット６と空気極９との隙間から電解液３が漏洩することを抑制することができる。
このような構成は、例えば図４、５、７、９、１１、１３、１４（ｂ）、１６に示したように、第１部材１２、ガスケット６、空気極９、空気極集電体１０、第２部材１３を重ね、締付部材により第２部材１３を第１部材１２に締結させることにより形成することができる。重なり領域７は、締付圧により第１部材１２と第２部材１３とに挟持される。
なお、図１４（ａ）（ｂ）に示したように、重なり領域７と共にセパレータ１８の縁部を第１部材１２と第２部材１３とで挟持することができる。
なお、図１４（ａ）（ｂ）に示したように、重なり領域７と共にセパレータ１８の縁部を第１部材１２と第２部材１３とで挟持することができる。
図１８（ａ）は、比較例の金属空気電池の概略断面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の破線で囲んだ範囲Ｆの拡大断面図であり、図１８（ｃ）は、図１８（ａ）の破線Ｇ−Ｇにおけるガスケット６及び空気極９の概略断面図である。
比較例の金属空気電池では、ガスケット６と空気極９とが重なっておらず、重なり領域７は形成されていない。このため、大きな表面粗さを有する空気極９の表面と、第１部材１２の平滑な表面とが接触しており、空気極９と第１部材１２との間には微小な隙間が形成されている。比較例の金属空気電池では、この微小な隙間を電解液３が流れるおそれがあり、図１８（ｂ）に示した漏出経路Ａ、Ｂを介して電解液３が漏出するおそれがある。
本実施形態の金属空気電池３０では、重なり領域７を設け第１部材１２と空気極９との間にガスケット６が配置されるため、ガスケット６を変形させることにより、空気極９の表面の微細な凹凸の谷部を埋めることができる。このため、空気極９と第１部材１２との間に微小な隙間が形成されることを抑制することができ、電解液３の漏洩を抑制することができる。
比較例の金属空気電池では、ガスケット６と空気極９とが重なっておらず、重なり領域７は形成されていない。このため、大きな表面粗さを有する空気極９の表面と、第１部材１２の平滑な表面とが接触しており、空気極９と第１部材１２との間には微小な隙間が形成されている。比較例の金属空気電池では、この微小な隙間を電解液３が流れるおそれがあり、図１８（ｂ）に示した漏出経路Ａ、Ｂを介して電解液３が漏出するおそれがある。
本実施形態の金属空気電池３０では、重なり領域７を設け第１部材１２と空気極９との間にガスケット６が配置されるため、ガスケット６を変形させることにより、空気極９の表面の微細な凹凸の谷部を埋めることができる。このため、空気極９と第１部材１２との間に微小な隙間が形成されることを抑制することができ、電解液３の漏洩を抑制することができる。
空気極９及び第２部材１３の両方と、ガスケット６との間に粘着層１５を設けることができる。粘着層１５は、粘性を有し、空気極９とガスケット６を粘着させ、第２部材１３とガスケット６とを粘着させる層である。
粘着層１５を設けると、ガスケット６と空気極９の密着性及びガスケット６と第２部材１３との密着性を向上させることができ、電解液の漏洩を抑制することができる。また、ガスケット６と粘着層１５の両方により空気極９の表面の微細な凹凸の谷部を埋めることができるため、空気極９と第１部材１２との間に微小な隙間が形成されることをより効果的に抑制することができる。このことにより、電解液３の漏洩をより効果的に抑制することができる。
また、粘着層１５を設けると、締付部材により第２部材１３を第１部材１２に締結する前に、ガスケット６、空気極９及び第２部材１３を所定の位置に固定することができる。このことにより、組み立てが容易になり作業性が向上すると共に、組立て時間を短縮することができる。
また、空気極集電体１０を第１部材１２と第２部材１３とで挟持し固定する場合、粘着層１５は、ガスケット６と空気極集電体１０とに粘着してもよい。このことにより、締付前に空気極集電体１０を位置決めすることができる。
粘着層１５を設けると、ガスケット６と空気極９の密着性及びガスケット６と第２部材１３との密着性を向上させることができ、電解液の漏洩を抑制することができる。また、ガスケット６と粘着層１５の両方により空気極９の表面の微細な凹凸の谷部を埋めることができるため、空気極９と第１部材１２との間に微小な隙間が形成されることをより効果的に抑制することができる。このことにより、電解液３の漏洩をより効果的に抑制することができる。
また、粘着層１５を設けると、締付部材により第２部材１３を第１部材１２に締結する前に、ガスケット６、空気極９及び第２部材１３を所定の位置に固定することができる。このことにより、組み立てが容易になり作業性が向上すると共に、組立て時間を短縮することができる。
また、空気極集電体１０を第１部材１２と第２部材１３とで挟持し固定する場合、粘着層１５は、ガスケット６と空気極集電体１０とに粘着してもよい。このことにより、締付前に空気極集電体１０を位置決めすることができる。
粘着層１５は、第２部材１３から剥がすことができるように設けることができる。このことにより、空気極９を交換する際に、第２部材１３から粘着層１５を剥がすことができ、第２部材１３を再利用することが可能になる。なお、粘着層１５を設けた場合、重なり領域７は、ガスケット６と空気極９とが粘着層１５を挟んで密着した構造となる。
粘着層１５は、例えば、図６、１０に示した金属空気電池３０のように設けることができる。粘着層１５の材料は、電解液３に対する耐食性を有し、粘着性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、伸縮性のあるゴムを主成分とし、接着剤が含まれる材料であってもよい。このゴムの一例としては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）が挙げられる。また、加熱により粘着層１５の接着力を向上させてもよい。
粘着層１５は、例えば、図６、１０に示した金属空気電池３０のように設けることができる。粘着層１５の材料は、電解液３に対する耐食性を有し、粘着性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、伸縮性のあるゴムを主成分とし、接着剤が含まれる材料であってもよい。このゴムの一例としては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）が挙げられる。また、加熱により粘着層１５の接着力を向上させてもよい。
粘着層１５は、例えば図７、１１のように、組み立て前にガスケット６の主要面上に設けることができる。このことにより、空気極９及び第２部材１３の両方とガスケット６とを粘着させることができ、ガスケット６、空気極９及び第２部材１３を所定の位置に位置決めすることができる。
ガスケット６と空気極９との間に接着層１７を設けることができる。接着層１７は、空気極９に接触するように設けることができる。また、接着層１７は、ガスケット６と空気極９とを接着するように設けられてもよく、粘着層１５と空気極９とを接着するように設けられてもよい。接着層１７を設けることにより、接着層１７を空気極９の表面の凹凸に入り込ませることができ、空気極９の表面の凹凸により隙間が形成されることを抑制することができる。また、粘着層１５と接着層１７の両方を設けることにより、ガスケット６と空気極９との密着性を向上させることができ、電解液３の漏洩をより効果的に抑制することができる。また、接着層１７は、ガスケット６と第２部材１３とを接着しないように設けることができる。
また、接着層１７の材料としては、例えば、接着テープ、接着剤が挙げられる。また、ガスケット６と空気極９とを接着する前において流動性があり、固化することによりガスケット６と空気極９とを接着する接着剤を接着層１７とすることにより、接着層１７を空気極９の表面の凹凸に入り込ませることができ、ガスケット６と空気極９との接着力を向上させることができる。このことにより、電解液３の漏洩を抑制することができる。
また、接着層１７の材料としては、例えば、接着テープ、接着剤が挙げられる。また、ガスケット６と空気極９とを接着する前において流動性があり、固化することによりガスケット６と空気極９とを接着する接着剤を接着層１７とすることにより、接着層１７を空気極９の表面の凹凸に入り込ませることができ、ガスケット６と空気極９との接着力を向上させることができる。このことにより、電解液３の漏洩を抑制することができる。
粘着層１５と接着層１７の両方を設ける場合、例えば図９、１３、１６のように、組み立て前にガスケット６の空気極９側の主要面上に粘着層１５を設け、空気極９のガスケット側の縁領域上に接着層１７設けた後、電解液槽１を組み立てることができる。このことにより、接着層１７が空気極９の表面の一部を覆うため、空気極９の表裏を容易に判別することができ、組立時の設置ミスを低減することができる。
６．金属電極、金属極カートリッジ
金属電極５は、アノードとなる電極であり、アノードの電極活物質（負極活物質）である金属を含む。また、金属電極５は、電解液槽１中に取り出し可能に設けることができる。
金属電極５は、例えば、負極活物質である金属を含む金属板であってもよい。また、金属電極５は、例えば、金属電極集電体と金属電極集電体上に設けられた負極活物質層とを有してもよい。
また、金属電極５又は負極活物質層は、多孔質であってもよい。このことにより、反応表面積を増やすことができ、金属空気電池３０の出力特性を向上させることができる。多孔質の負極活物質層は、例えば、金属電極集電体上に、負極活物質である金属の粉と導電材料とバインダーとの混合物を塗布し、プレスを行うことにより形成することができる。負極活物質層が導電材料を含むことにより、負極活物質層の導電性の低下を抑制することができる。導電材料としては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、黒鉛、活性炭などの導電性カーボン粒子を用いることができる。また、バインダーとしては耐薬に優れるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を、好ましく用いることができる。
金属電極５は、アノードとなる電極であり、アノードの電極活物質（負極活物質）である金属を含む。また、金属電極５は、電解液槽１中に取り出し可能に設けることができる。
金属電極５は、例えば、負極活物質である金属を含む金属板であってもよい。また、金属電極５は、例えば、金属電極集電体と金属電極集電体上に設けられた負極活物質層とを有してもよい。
また、金属電極５又は負極活物質層は、多孔質であってもよい。このことにより、反応表面積を増やすことができ、金属空気電池３０の出力特性を向上させることができる。多孔質の負極活物質層は、例えば、金属電極集電体上に、負極活物質である金属の粉と導電材料とバインダーとの混合物を塗布し、プレスを行うことにより形成することができる。負極活物質層が導電材料を含むことにより、負極活物質層の導電性の低下を抑制することができる。導電材料としては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、黒鉛、活性炭などの導電性カーボン粒子を用いることができる。また、バインダーとしては耐薬に優れるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を、好ましく用いることができる。
金属電極５に含まれる負極活物質は、アノード反応により金属電極５中に電荷を発生させ金属含有イオンとして電解液に溶解する金属である。このため、金属電極５に含まれる負極活物質はアノード反応の進行に伴い徐々に消費されていく。金属電極５に含まれる負極活物質が少なくなると、金属電極５に発生する電荷が少なくなり金属電極５は使用済みとなる。この使用済みの金属電極５を電解液槽１中から取り出し新たな金属電極５を電解液槽１中に挿入することにより金属空気電池３０による放電を続けることができる。
なお、金属電極５中に発生した電荷は、放電電流として外部出力された後、空気極９におけるカソード反応に利用される。
なお、金属電極５中に発生した電荷は、放電電流として外部出力された後、空気極９におけるカソード反応に利用される。
アノード反応により電解液３中に生じた金属含有イオンは、その濃度が飽和濃度を超えると電解液３中に金属酸化物または金属水酸化物の微粒子など（析出物）として析出する場合がある。また、金属含有イオンの濃度が不動態膜形成濃度に達すると、金属含有イオンは、金属電極５の表面上に金属酸化物または金属水酸化物の不動態膜として析出する場合がある。従って、析出物は、電解液中に浮遊する又は電解液槽１の底に沈降する微粒子として析出する場合と、金属電極５の表面上に付着した不動態膜として析出する場合とがある。
例えば、亜鉛空気電池の場合、負極活物質は金属亜鉛であり、電解液中には水酸化亜鉛または酸化亜鉛が析出する。アルミニウム空気電池の場合、負極活物質は金属アルミニウムであり、電解液中には水酸化アルミニウムが析出する。鉄空気電池の場合、負極活物質は金属鉄であり、電解液中には酸化水酸化鉄または酸化鉄が析出する。マグネシウム空気電池の場合、負極活物質は金属マグネシウムであり、電解液中には水酸化マグネシウムが析出する。
また、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、負極活物質はそれぞれ、金属リチウム、金属ナトリウム、金属カルシウムであり、電解液中にはこれらの金属の酸化物、水酸化物などが析出する。なお、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、金属電極５と電解液との間に固体電解質膜を有してもよい。このことにより、負極活物質が電解液により腐食されることを抑制することができる。また、この場合、負極活物質は固体電解質膜をイオン伝導した後電解液に溶解する。
なお、負極活物質は、これらの例には限定されず、金属空気電池となるものであればよい。また、金属電極５に含まれる負極活物質は、上記の例では一種の金属元素からなる金属を挙げたが、金属電極５に含まれる負極活物質は合金であってもよい。
また、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、負極活物質はそれぞれ、金属リチウム、金属ナトリウム、金属カルシウムであり、電解液中にはこれらの金属の酸化物、水酸化物などが析出する。なお、リチウム空気電池、ナトリウム空気電池、カルシウム空気電池の場合、金属電極５と電解液との間に固体電解質膜を有してもよい。このことにより、負極活物質が電解液により腐食されることを抑制することができる。また、この場合、負極活物質は固体電解質膜をイオン伝導した後電解液に溶解する。
なお、負極活物質は、これらの例には限定されず、金属空気電池となるものであればよい。また、金属電極５に含まれる負極活物質は、上記の例では一種の金属元素からなる金属を挙げたが、金属電極５に含まれる負極活物質は合金であってもよい。
金属電極集電体は、導電性を有する。また、金属電極集電体の形状は板状、または板の厚み方向に貫通した孔が設けられた形状、またはエキスパンドメタルやメッシュが好ましい。また、この金属電極集電体は、例えば、電解液に対して耐食性を有する金属により形成することができる。金属電極集電体の材料は、例えば、ニッケル、金、銀、銅、ステンレスなどである。また、金属電極集電体は、ニッケルめっき処理、金めっき処理、銀めっき処理、銅めっき処理された導電性基材などであってもよい。この導電性基材には、鉄、ニッケル、ステンレスなどを用いることができる。
このことにより、アノード反応により金属電極５に生じた電荷を金属電極集電体により集電することができ、発生させた電荷を外部回路に出力することができる。金属電極集電体の主要面上への負極活物質層の固定は、例えば、負極活物質である金属の粒子や塊を金属電極集電体の表面に押し付けて固定してもよく、金属電極集電体上にめっき法などにより金属を析出させてもよい。なお、金属電極集電体の形状に関して、めっき法で負極活物質を析出させる場合には導電性の観点で板形状が好ましく、金属の粒子や塊を固定させる場合には、粒子や塊の脱落を防止する観点で板に貫通孔が設けられたもの、またはエキスパンドメタルやメッシュが好ましい。
このことにより、アノード反応により金属電極５に生じた電荷を金属電極集電体により集電することができ、発生させた電荷を外部回路に出力することができる。金属電極集電体の主要面上への負極活物質層の固定は、例えば、負極活物質である金属の粒子や塊を金属電極集電体の表面に押し付けて固定してもよく、金属電極集電体上にめっき法などにより金属を析出させてもよい。なお、金属電極集電体の形状に関して、めっき法で負極活物質を析出させる場合には導電性の観点で板形状が好ましく、金属の粒子や塊を固定させる場合には、粒子や塊の脱落を防止する観点で板に貫通孔が設けられたもの、またはエキスパンドメタルやメッシュが好ましい。
金属電極５は、支持体２０と共に金属極カートリッジ２１を構成することができる。金属極カートリッジ２１は、金属電極５を電解液槽１内に挿入することができ、使用済みの金属電極５を電解液槽１内から抜き出せるように設けられる。このことにより、金属空気電池３０に負極活物質を供給することができる。金属空気電池３０は、例えば、図３に示したように、電解液槽１などからなる金属空気電池本体３１と、金属極カートリッジ２１とから構成されてもよい。
また、金属空気電池３０が複数のセル３２を有する場合、各セル３２がそれぞれ金属極カートリッジ２１を有してもよい。また、金属極カートリッジ２１は、複数の金属電極５を含んでもよい。この場合、各金属電極５は、異なるセル３２を構成することができる。
支持体２０は、金属空気電池本体３１に設けられた金属極挿入口２５の蓋となるように設けることができる。このことにより、電解液槽１内に金属電極５を挿入すると共に金属極挿入口２５に蓋をすることができ、大気中の成分と電解液３とが反応することを抑制することができる。
また、金属空気電池３０が複数のセル３２を有する場合、各セル３２がそれぞれ金属極カートリッジ２１を有してもよい。また、金属極カートリッジ２１は、複数の金属電極５を含んでもよい。この場合、各金属電極５は、異なるセル３２を構成することができる。
支持体２０は、金属空気電池本体３１に設けられた金属極挿入口２５の蓋となるように設けることができる。このことにより、電解液槽１内に金属電極５を挿入すると共に金属極挿入口２５に蓋をすることができ、大気中の成分と電解液３とが反応することを抑制することができる。
１：電解液槽 ２：電解液槽の内部空間 ３：電解液 ５：金属電極 ６：ガスケット ７：重なり領域 ９：空気極 １０：空気極集電体 １２：第１部材 １３：第２部材 １５：粘着層 １７：接着層 １８：セパレータ ２０：支持体 ２１：金属極カートリッジ ２３：空気孔 ２４：空気極端子 ２５：金属極挿入口 ２６：開口 ２７：第１貫通孔 ２８：第２貫通孔 ３０：金属空気電池 ３１：金属空気電池本体 ３２、３２ａ、３２ｂ：セル ３３：触媒層 ３４：ガス拡散層（撥水層） ３６：空気流路
Claims (8)
- 電解液槽と、多孔性の触媒層を有する空気極と、空気極集電体とを備えた金属空気電池本体であって、
前記電解液槽は、開口が設けられた第１部材と、第１貫通孔が設けられた第２部材と、略板状体で第２貫通孔が設けられたガスケットとを含み、
前記ガスケットは、前記第１部材と前記第２部材との間及び前記第１部材と前記触媒層の縁領域との間で挟持され、
前記触媒層の縁領域は、前記空気極集電体と前記ガスケットとに挟持され、
前記空気極および前記空気極集電体は、前記第１部材と第２部材とで挟持され、
前記開口と第２貫通孔と前記空気極とが重なるように第１部材と前記ガスケットと前記空気極とを配置することにより、前記電解液槽の内部空間の少なくとも一部が形成されたことを特徴とする金属空気電池本体。 - 粘着層をさらに備え、
前記粘着層は、前記ガスケットと前記空気極との間と、前記ガスケットと第２部材との間とに設けられた請求項１に記載の金属空気電池本体。 - 接着層をさらに備え、
前記接着層は、前記ガスケットと前記空気極との間に設けられた請求項１又は２に記載の金属空気電池本体。 - セパレータをさらに備え、
前記セパレータは、第１部材と前記ガスケットとの間に設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の金属空気電池本体。 - ガス拡散層をさらに備え、
前記ガス拡散層は、前記空気極集電体と前記触媒層との間に設けられた請求項１〜４のいずれか１つに記載の金属空気電池本体。 - 前記ガスケットの主要面は、直接的又は間接的に大きな表面粗さを有する前記触媒層表面に密着し、前記触媒層の表面の微細な凹凸の谷部が前記ガスケットにより埋められていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属空気電池本体。
- 前記触媒層と前記空気極集電体は接触し、
前記空気極集電体の縁領域は、前記ガスケットと前記第２部材に挟持されていていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属空気電池本体。 - 請求項１〜７のいずれか１つに記載の金属空気電池本体と、前記電解液槽に収容された金属電極とを備えた金属空気電池。
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