JP2015207494A - 電槽及び金属空気電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、金属電極の取り出しや挿入に伴う損傷や摩耗を抑制することができる電槽および金属空気電池を提供する。
【解決手段】本発明の電槽は、空気極と、対向する側壁の間隔を変える変形機構とを備え、前記空気極は、前記対向する側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする。また、本発明の金属空気電池は、本発明の電槽と、前記電槽に収容された電解質と、前記電槽に収容された金属電極とを備える。
【選択図】図３
【解決手段】本発明の電槽は、空気極と、対向する側壁の間隔を変える変形機構とを備え、前記空気極は、前記対向する側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする。また、本発明の金属空気電池は、本発明の電槽と、前記電槽に収容された電解質と、前記電槽に収容された金属電極とを備える。
【選択図】図３
Description
本発明は、電槽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、電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、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、金属亜鉛を電極活物質とす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のような電極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のような電極反応（亜鉛の溶解反応）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において消費されるOH-イオンは、化学式１の電極反応により供給される。従って、アノード−カソード間距離が小さくなるほど、アノードにOH-イオンが供給されやすくなり、金属空気電池の出力特性が向上する。
なお、化学式２において生成したZn(OH)4 2-は、その濃度が高くなることにより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、金属亜鉛を電極活物質とす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のような電極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のような電極反応（亜鉛の溶解反応）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において消費されるOH-イオンは、化学式１の電極反応により供給される。従って、アノード−カソード間距離が小さくなるほど、アノードにOH-イオンが供給されやすくなり、金属空気電池の出力特性が向上する。
なお、化学式２において生成したZn(OH)4 2-は、その濃度が高くなることにより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電極活物質は消費され徐々に減少し、電極活物質がなくなると、放電は停止する。そこで、金属電極を交換し電極活物質を亜鉛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、アノード−カソード間に配置したセパレータを移動させる機構を有する金属空気電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。
また、アノード−カソード間に配置したセパレータを移動させる機構を有する金属空気電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかし、機械式充電の従来の金属空気電池では、金属電極の取り出しや挿入に伴い、金属電極が電槽に接触し金属空気電池の損傷するおそれや、金属電極の挿入箇所に摩耗が生じるおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、金属電極の取り出しや挿入に伴う損傷や摩耗を抑制することができる電槽を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、金属電極の取り出しや挿入に伴う損傷や摩耗を抑制することができる電槽を提供する。
本発明は、空気極と、対向する側壁の間隔を変える変形機構とを備え、前記空気極は、前記対向する側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする電槽を提供する。
本発明によれば、電槽の対向する側壁の少なくとも一方に設けられた空気極を備えるため、対向する側壁間の電槽内に金属電極を挿入することにより金属空気電池を形成することができる。
本発明によれば、対向する側壁の間隔を変える変形機構を備えるため、対向する側壁の間隔が広くなるように電槽を変形させた後、電槽内に金属電極を挿入することができ、また、電槽内から金属電極を取り出すことができる。このことにより、金属電極の挿入、取り出しの際に金属電極と電槽とが接触することを抑制することができ、金属電極や電槽の損傷や摩耗を抑制することができる。また、金属電極の挿入後、対向する側壁の間隔が狭くなるように電槽を変形させ、金属空気電池により放電することができる。このことにより、アノード−カソード間距離を小さくすることができ、イオン伝導抵抗を小さくすることができる。このことにより、金属空気電池の出力特性を向上させることができる。
本発明によれば、対向する側壁の間隔を変える変形機構を備えるため、対向する側壁の間隔が広くなるように電槽を変形させた後、電槽内に金属電極を挿入することができ、また、電槽内から金属電極を取り出すことができる。このことにより、金属電極の挿入、取り出しの際に金属電極と電槽とが接触することを抑制することができ、金属電極や電槽の損傷や摩耗を抑制することができる。また、金属電極の挿入後、対向する側壁の間隔が狭くなるように電槽を変形させ、金属空気電池により放電することができる。このことにより、アノード−カソード間距離を小さくすることができ、イオン伝導抵抗を小さくすることができる。このことにより、金属空気電池の出力特性を向上させることができる。
本発明の電槽は、空気極と、対向する側壁の間隔を変える変形機構とを備え、前記空気極は、前記対向する側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする。
本発明において、電槽とは、金属空気電池の構成部品であり、電解質および金属電極を収容できる電槽である。
本発明において、電槽とは、金属空気電池の構成部品であり、電解質および金属電極を収容できる電槽である。
本発明の電槽において、変形機構は伸縮構造を含むことが好ましい。
このような構成によれば、伸縮構造を伸縮させることにより、対向する側壁の間隔を変えることができる。
本発明の電槽において、対向する側壁の少なくとも一方に押圧部を備え、押圧部は、対向する側壁の間隔を狭くすることにより、電槽中の電解質を押圧するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、変形機構により対向する側壁の間隔を狭くすることにより電槽内の電解質を空気極と金属電極との間に供給することができる。また、変形機構により対向する側壁の間隔を広くすることにより金属電極が自己腐食することを抑制することができる。
このような構成によれば、伸縮構造を伸縮させることにより、対向する側壁の間隔を変えることができる。
本発明の電槽において、対向する側壁の少なくとも一方に押圧部を備え、押圧部は、対向する側壁の間隔を狭くすることにより、電槽中の電解質を押圧するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、変形機構により対向する側壁の間隔を狭くすることにより電槽内の電解質を空気極と金属電極との間に供給することができる。また、変形機構により対向する側壁の間隔を広くすることにより金属電極が自己腐食することを抑制することができる。
本発明の電槽において、変形機構は、回転軸を有し、回転軸を中心とした回転に伴い変形する機構であることが好ましい。
このような構成によれば、回転軸を中心とした回転により電槽を変形させることにより、対向する側壁の間隔を変えることができる。また、金属電極又は金属極カートリッジと電槽とが接触する際に面内方向にかかる摩擦力を低減することができる。
本発明の電槽において、空気極の内側面を覆う第１セパレータをさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、電解質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。また、電槽内に金属電極を挿入する際や電槽内から金属電極を取り出す際に電槽が摩耗することや損傷することを抑制することができる。
このような構成によれば、回転軸を中心とした回転により電槽を変形させることにより、対向する側壁の間隔を変えることができる。また、金属電極又は金属極カートリッジと電槽とが接触する際に面内方向にかかる摩擦力を低減することができる。
本発明の電槽において、空気極の内側面を覆う第１セパレータをさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、電解質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。また、電槽内に金属電極を挿入する際や電槽内から金属電極を取り出す際に電槽が摩耗することや損傷することを抑制することができる。
本発明は、本発明の電槽と、電槽に収容された電解質と、電槽に収容された金属電極とを備える金属空気電池も提供する。
また、本発明は、本発明の電槽と、少なくとも一部が電槽に収容された金属極カートリッジとを備え、金属極カートリッジは、金属電極と、電解質を収容した第２セパレータとを備える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、空気極を備える電槽と、電槽に収容された電解質と、電槽に収容された金属電極とを備えるため、金属電極においてアノード反応を進行させることができ、空気極においてカソード反応を進行させることができる。このことにより、金属電極と空気極との間に起電力を生じさせることができ、放電電流を流すことができる。
また、金属極カートリッジを備えることにより、使用済みの金属電極を電槽中から取り出し、新たな金属電極を電槽中に挿入することができ、金属電極を交換することができる。この交換により金属空気電池に電極活物質を供給することができ、金属空気電池により繰り返し放電を行うことができる。また、放電を中止した際に金属電極を電槽中から取り出すことにより電極活物質が自己腐食することを防止することができ、電極活物質を効率よく利用することができる。さらに、放電中に析出される金属酸化物を第２セパレータ内に留めることで、放電後、金属電極と同時に電槽中から金属酸化物を取り除くことができる。
さらに、本発明は、第２セパレータを袋状にした金属空気電池を提供する。第２セパレータを袋状にすることで、変形機構により、電槽の対向する側壁または押圧部から受ける押圧に反発することなく、容易に形状を変えることができるため、空気極と第２セパレータを密着させることができる。
また、本発明は、本発明の電槽と、少なくとも一部が電槽に収容された金属極カートリッジとを備え、金属極カートリッジは、金属電極と、電解質を収容した第２セパレータとを備える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、空気極を備える電槽と、電槽に収容された電解質と、電槽に収容された金属電極とを備えるため、金属電極においてアノード反応を進行させることができ、空気極においてカソード反応を進行させることができる。このことにより、金属電極と空気極との間に起電力を生じさせることができ、放電電流を流すことができる。
また、金属極カートリッジを備えることにより、使用済みの金属電極を電槽中から取り出し、新たな金属電極を電槽中に挿入することができ、金属電極を交換することができる。この交換により金属空気電池に電極活物質を供給することができ、金属空気電池により繰り返し放電を行うことができる。また、放電を中止した際に金属電極を電槽中から取り出すことにより電極活物質が自己腐食することを防止することができ、電極活物質を効率よく利用することができる。さらに、放電中に析出される金属酸化物を第２セパレータ内に留めることで、放電後、金属電極と同時に電槽中から金属酸化物を取り除くことができる。
さらに、本発明は、第２セパレータを袋状にした金属空気電池を提供する。第２セパレータを袋状にすることで、変形機構により、電槽の対向する側壁または押圧部から受ける押圧に反発することなく、容易に形状を変えることができるため、空気極と第２セパレータを密着させることができる。
本発明の金属空気電池において、外部接続端子をさらに備え、外部接続端子は、対向する側壁の間隔を狭くすることにより、金属電極及び空気極のうち少なくとも一方と電気的に接続するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、対向する側壁の間隔が狭くなるように電槽を変形させることにより金属空気電池の放電を開始することができ、対向する側壁の間隔が広くなるように電槽を変形させることにより金属空気電池の放電を停止させることができる。このことにより、放電の開始および停止に伴う操作を単純化することができる。また、金属空気電池の誤動作を抑制することができる。また、金属空気電池の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において、対向する側壁の間隔を狭くするように電槽を変形させた状態で、第１及び第２セパレータは接触するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、アノード−カソード間距離を安定化することができ、金属空気電池の出力特性を向上させることができる。
このような構成によれば、対向する側壁の間隔が狭くなるように電槽を変形させることにより金属空気電池の放電を開始することができ、対向する側壁の間隔が広くなるように電槽を変形させることにより金属空気電池の放電を停止させることができる。このことにより、放電の開始および停止に伴う操作を単純化することができる。また、金属空気電池の誤動作を抑制することができる。また、金属空気電池の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において、対向する側壁の間隔を狭くするように電槽を変形させた状態で、第１及び第２セパレータは接触するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、アノード−カソード間距離を安定化することができ、金属空気電池の出力特性を向上させることができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。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。
電槽の構成及び金属空気電池の構成
図１、図２、図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）、図６（ａ）（ｂ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図１０（ａ）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３、図９はそれぞれ本実施形態の電槽及び金属極カートリッジの概略断面図である。図７（ｂ）、図８（ｂ）、図１０（ｂ）は、それぞれ本実施形態の金属空気電池の概略側面図である。図１１（ａ）（ｂ）はそれぞれ本実施形態の金属空気電池の概略上面図である。
本実施形態の電槽３２は、空気極９と、対向する側壁の間隔を変える変形機構１２とを備え、空気極９は、前記対向する側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする。
本実施形態の金属空気電池３０は、電槽３２と、電槽３２に収容された電解質３と、電槽３２に収容された金属電極５とを備える。
以下、本実施形態の電槽３２及び金属空気電池３０について説明する。
図１、図２、図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）、図６（ａ）（ｂ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図１０（ａ）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３、図９はそれぞれ本実施形態の電槽及び金属極カートリッジの概略断面図である。図７（ｂ）、図８（ｂ）、図１０（ｂ）は、それぞれ本実施形態の金属空気電池の概略側面図である。図１１（ａ）（ｂ）はそれぞれ本実施形態の金属空気電池の概略上面図である。
本実施形態の電槽３２は、空気極９と、対向する側壁の間隔を変える変形機構１２とを備え、空気極９は、前記対向する側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする。
本実施形態の金属空気電池３０は、電槽３２と、電槽３２に収容された電解質３と、電槽３２に収容された金属電極５とを備える。
以下、本実施形態の電槽３２及び金属空気電池３０について説明する。
１．金属空気電池
本実施形態の金属空気電池３０は、電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電極活物質を金属空気電池に供給する機械式充電型の金属空気電池であってもよい。
また、金属空気電池３０は、筐体１、空気極９などからなる電槽３２と、電槽３２に着脱可能な構造を有し、金属電極５、第２セパレータ１４などからなる金属極カートリッジ２０とから構成されてもよい。
本実施形態の金属空気電池３０は、電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電極活物質を金属空気電池に供給する機械式充電型の金属空気電池であってもよい。
また、金属空気電池３０は、筐体１、空気極９などからなる電槽３２と、電槽３２に着脱可能な構造を有し、金属電極５、第２セパレータ１４などからなる金属極カートリッジ２０とから構成されてもよい。
２．セル
セル３１は、金属空気電池３０の構成単位であり、電槽３２中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。また、セル３１は、空気極を含む電槽３２と金属電極５とを含む。セル３１は、例えば、１つの空気極９と１つの金属電極５とが電解質３を挟むように設けられた電極対を有してもよく、図１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。なお、空気極９と金属電極５とに挟まれる電解質３は、電解液又は固体電解質であってもよく、セパレータに浸み込んだ電解液、セパレータ中の電解液であってもよい。
セル３１は、金属空気電池３０の構成単位であり、電槽３２中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。また、セル３１は、空気極を含む電槽３２と金属電極５とを含む。セル３１は、例えば、１つの空気極９と１つの金属電極５とが電解質３を挟むように設けられた電極対を有してもよく、図１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。なお、空気極９と金属電極５とに挟まれる電解質３は、電解液又は固体電解質であってもよく、セパレータに浸み込んだ電解液、セパレータ中の電解液であってもよい。
３．セル集合体
セル集合体は、複数のセル３１で構成される。セル集合体は、セル３１を重ねたスタック構造を有してもよい。また、セル集合体は、セル３１に含まれる板状の金属電極５または空気極９が同一面上に位置するように複数のセル３１を並べた構造を有してもよい。セル集合体は、複数のセル３１が１つの筐体１内に設けられてもよく、それぞれのセル３１が筐体１を有してもよい。なお、セル集合体を構成するセルの数は特に限定されず、必要となる発電能力に応じてセルの数量を決定すればよい。
セル集合体は、複数のセル３１で構成される。セル集合体は、セル３１を重ねたスタック構造を有してもよい。また、セル集合体は、セル３１に含まれる板状の金属電極５または空気極９が同一面上に位置するように複数のセル３１を並べた構造を有してもよい。セル集合体は、複数のセル３１が１つの筐体１内に設けられてもよく、それぞれのセル３１が筐体１を有してもよい。なお、セル集合体を構成するセルの数は特に限定されず、必要となる発電能力に応じてセルの数量を決定すればよい。
４．電解質、電槽、変形機構
電解質３は、金属電極５と空気極９の間でイオンの伝導を担う電解質である。電解質３としては、電解液、ゲル化電解液、固体電解質又は電解質膜（イオン交換膜）であってもよく、セパレータにしみ込んだ電解液、セパレータ中の電解液であってもよい。
電解質３をゲル化電解液とすることにより、電解液に比べて、金属電極５の交換時に電解質３が漏洩することを抑制することができる。また、電解質３は、液体からゲルに任意のタイミングで変化させてもよい。また、ゲル化電解液は、流動性を有してもよく流動性を有さなくてもよい。
図１に示した実施形態に係る電解質３は、電槽３２に収容された電解液３である。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電解液である。
また、電解液３は、電槽３２内で電解質粒子を水や有機系溶媒などに溶解させ調製してもよく、外部で調製した電解液３を電槽３２に入れてもよい。また、電解液３は電槽３２内でゲル化してもよく、外部でゲル化した電解液３を電槽３２に入れてもよい。また、ゲル化した電解液３は、成形した後電槽３２に入れてもよい。
図１０に示した実施形態に係る電解質３は、第１セパレータ１５及び第２セパレータ１４を構成するアニオン交換膜などのイオン交換膜もしくは電解質を含浸した固体、ゲル、高分子の分子篩などである。なお、電解質３を第１セパレータ１５又は第２セパレータ１４とする場合、第１セパレータ１５又は第２セパレータ１４は、電極活物質層６と接触するように設けられる。このことにより、電極活物質層６と第１又は第２セパレータ１５、１４との界面においてアノード反応を進行させることができる。また、図１０に示した金属空気電池３０のように第１セパレータ１５及び第２セパレータ１４を電解質３として機能させると、金属空気電池３０を液体を使わない構成とすることができ、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、固体系電解質としては、無機固体電解質または有機固体電解質に分別できる。無機固体電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラス、イオン性結晶などが挙げられる。また、有機固体電解質としては、高分子化合物（例えば、ポリエチレンオキサイドなど）に電解質塩（例えば、亜鉛塩やリチウム塩など）を分散させた有機固体電解質や、イオン交換膜などが挙げられる。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）など等が挙げられる。
電解液３は、電槽３２内に溜めること、または電槽３２内を流通させることができる。電解液３の種類は、金属電極５に含まれる電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。
例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液３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、ナトリウム空気電池の場合、電解液３には塩化ナトリウム水溶液などの中性水溶液を用いることができる。
また、リチウム空気電池またはナトリウム空気電池では、リチウムあるいはナトリウムなどを含む金属極が水との接触により激しい反応を伴うため、電解質膜など等を介して電解質水溶液を使用することができる。
電解質３は、金属電極５と空気極９の間でイオンの伝導を担う電解質である。電解質３としては、電解液、ゲル化電解液、固体電解質又は電解質膜（イオン交換膜）であってもよく、セパレータにしみ込んだ電解液、セパレータ中の電解液であってもよい。
電解質３をゲル化電解液とすることにより、電解液に比べて、金属電極５の交換時に電解質３が漏洩することを抑制することができる。また、電解質３は、液体からゲルに任意のタイミングで変化させてもよい。また、ゲル化電解液は、流動性を有してもよく流動性を有さなくてもよい。
図１に示した実施形態に係る電解質３は、電槽３２に収容された電解液３である。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電解液である。
また、電解液３は、電槽３２内で電解質粒子を水や有機系溶媒などに溶解させ調製してもよく、外部で調製した電解液３を電槽３２に入れてもよい。また、電解液３は電槽３２内でゲル化してもよく、外部でゲル化した電解液３を電槽３２に入れてもよい。また、ゲル化した電解液３は、成形した後電槽３２に入れてもよい。
図１０に示した実施形態に係る電解質３は、第１セパレータ１５及び第２セパレータ１４を構成するアニオン交換膜などのイオン交換膜もしくは電解質を含浸した固体、ゲル、高分子の分子篩などである。なお、電解質３を第１セパレータ１５又は第２セパレータ１４とする場合、第１セパレータ１５又は第２セパレータ１４は、電極活物質層６と接触するように設けられる。このことにより、電極活物質層６と第１又は第２セパレータ１５、１４との界面においてアノード反応を進行させることができる。また、図１０に示した金属空気電池３０のように第１セパレータ１５及び第２セパレータ１４を電解質３として機能させると、金属空気電池３０を液体を使わない構成とすることができ、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、固体系電解質としては、無機固体電解質または有機固体電解質に分別できる。無機固体電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラス、イオン性結晶などが挙げられる。また、有機固体電解質としては、高分子化合物（例えば、ポリエチレンオキサイドなど）に電解質塩（例えば、亜鉛塩やリチウム塩など）を分散させた有機固体電解質や、イオン交換膜などが挙げられる。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）など等が挙げられる。
電解液３は、電槽３２内に溜めること、または電槽３２内を流通させることができる。電解液３の種類は、金属電極５に含まれる電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。
例えば、亜鉛空気電池、リチウム空気電池、アルミニウム空気電池、鉄空気電池の場合、電解液３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、ナトリウム空気電池の場合、電解液３には塩化ナトリウム水溶液などの中性水溶液を用いることができる。
また、リチウム空気電池またはナトリウム空気電池では、リチウムあるいはナトリウムなどを含む金属極が水との接触により激しい反応を伴うため、電解質膜など等を介して電解質水溶液を使用することができる。
また、電解液３は、電槽３２内部の第２セパレータ１４内に溜められてもよい。この場合、第２セパレータ１４を袋状とし、電解液３をゲル化電解液とすることができる。このことにより、第２セパレータ１４中に電解液３を溜めることができ、第２セパレータ１４からの電解液３の漏洩を抑制することができる。例えば、図６（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０では、第２セパレータ１４中にゲル化電解液３が溜められている。また、第２セパレータ１４中の電解液３は、負極活物質である金属粉末が混合されたゲル化電解液であってもよい。
また、電解液３は、金属電極５を電槽３２内に挿入した後、電槽３２内又は第２セパレータ１４内に注入してもよい。
また、電解液３は、金属電極５を電槽３２内に挿入した後、電槽３２内又は第２セパレータ１４内に注入してもよい。
本実施形態の電槽３２は、金属空気電池３０の構成部品であり、電解質３および金属電極５を収容できる電槽である。また、電槽３２は、筐体１と空気極９を含む構造を有してもよい。この場合、筐体１は容器形状を有することができ、空気極９は、容器形状の筐体１の側壁部に組み込むことができる。
電槽３２は、電解液槽として電解質３を収容してもよく、電解質３を収容した第２セパレータ１４を電槽３２の内部に収容してもよい。また、電槽３２は、その中に金属電極５又は第２セパレータ１４を取り出し可能に設置することができる構造を有する。具体的には、電槽３２は、金属極挿入口を有することができ、この金属極挿入口から金属極カートリッジ２０に含まれる金属電極５及び第２セパレータ１４を電槽３２の内部に挿入できるように設けられる。
電槽３２は、電解液槽として電解質３を収容してもよく、電解質３を収容した第２セパレータ１４を電槽３２の内部に収容してもよい。また、電槽３２は、その中に金属電極５又は第２セパレータ１４を取り出し可能に設置することができる構造を有する。具体的には、電槽３２は、金属極挿入口を有することができ、この金属極挿入口から金属極カートリッジ２０に含まれる金属電極５及び第２セパレータ１４を電槽３２の内部に挿入できるように設けられる。
電槽３２は、電解液３を溜める又は流通させる電解槽であってもよい。また、電槽３２は、電解液室を有することができる。また、電解液３がゲル化電解液である場合、電槽３２は、ゲル化電解液を収容する電解槽であってもよい。また、電槽３２は、複数の電解液室を有してもよい。
また、電槽３２に含まれる筐体１は、複数の部材が組み合わされた構造を有してもよい。また、筐体１は剛性を有してもよい。このことにより、金属空気電池３２の取り扱いを容易にすることができる。また、筐体１が複数の部材から構成されるとき、複数の部材はそれぞれ剛性を有してもよい。
また、電槽３２に含まれる筐体１は、複数の部材が組み合わされた構造を有してもよい。また、筐体１は剛性を有してもよい。このことにより、金属空気電池３２の取り扱いを容易にすることができる。また、筐体１が複数の部材から構成されるとき、複数の部材はそれぞれ剛性を有してもよい。
筐体１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。
電槽３２は、対向する側壁の間隔を変える変形機構１２を備える。また、空気極９は、この側壁に設けられ、金属電極５は、対向する側壁の間に設けられる。従って、変形機構１２により対向する側壁の間隔を変えることにより、金属電極５と空気極９との間隔ｉ（以下、電極間隔ｉという）を変えることができる。この変形機構１２は、電槽３２を構成する筐体１などに設けることができる。
なお、電極間隔ｉは、金属電極５の主要面と、この面に対向する空気極９の主要面の間隔をいう。例えば、図１、２、７に示した金属空気電池３０のように、金属電極５の主要面と空気極９の主要面とが実質的に平行な場合、電極間隔ｉはこの平行な２つの主要面の間隔である。また、例えば、図８に示した金属空気電池３０のように、金属電極５の主要面と空気極９の主要面とが平行でない場合、２つの主要面の最短距離が電極間隔ｉである。
なお、電極間隔ｉは、金属電極５の主要面と、この面に対向する空気極９の主要面の間隔をいう。例えば、図１、２、７に示した金属空気電池３０のように、金属電極５の主要面と空気極９の主要面とが実質的に平行な場合、電極間隔ｉはこの平行な２つの主要面の間隔である。また、例えば、図８に示した金属空気電池３０のように、金属電極５の主要面と空気極９の主要面とが平行でない場合、２つの主要面の最短距離が電極間隔ｉである。
変形機構１２は、電槽３２を変形させ電極間隔ｉを変えることができる機構であれば特に限定されないが、例えば、伸縮構造１６、軸回転構造であってもよい。金属空気電池３０に複数の電極間隔ｉがある場合、変形機構１２は、複数の電極間隔ｉのうち少なくとも１つの電極間隔ｉを変えることができればよい。
変形機構１２である伸縮構造１６としては、例えば、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第１筐体１ａの一部が第２筐体１ｂの内部に設けられた空間に入り込むテレスコピック構造（入れ子構造）が挙げられる。また、伸縮構造１６は、例えば、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第２筐体１ｂがガイド部を有し、第１筐体１ａがガイド部に導かれて移動することにより伸縮する構造（片持ち構造）であってもよく、ラチス構造であってもよく、蛇腹構造３９であってもよく、積層スライド構造であってもよい。
変形機構１２である伸縮構造１６としては、例えば、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第１筐体１ａの一部が第２筐体１ｂの内部に設けられた空間に入り込むテレスコピック構造（入れ子構造）が挙げられる。また、伸縮構造１６は、例えば、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第２筐体１ｂがガイド部を有し、第１筐体１ａがガイド部に導かれて移動することにより伸縮する構造（片持ち構造）であってもよく、ラチス構造であってもよく、蛇腹構造３９であってもよく、積層スライド構造であってもよい。
例えば、図１〜３、図５（ａ）（ｂ）、図６（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０では、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第２筐体１ｂが内部空間を有し、第１筐体１ａの一部がこの内部空間に入り込む伸縮構造１６（テレスコピック構造）を有している。なお、図１〜３などでは、電槽３２の底部にのみ伸縮構造１６を示しているが、電槽３２の側部にも伸縮構造１６は設けられる。
また、例えば、図４（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０では、筐体１は、蛇腹構造３９を有している。
なお、図１、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）は、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図である。
図２は、図１に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図であり、図３は、図２に示した金属空気電池３０の金属極カートリッジ２０を交換する際の電槽３２及び金属極カートリッジ２０の概略断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図である。
また、例えば、図４（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０では、筐体１は、蛇腹構造３９を有している。
なお、図１、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）は、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図である。
図２は、図１に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図であり、図３は、図２に示した金属空気電池３０の金属極カートリッジ２０を交換する際の電槽３２及び金属極カートリッジ２０の概略断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図である。
変形機構１２である軸回転構造は、例えば、図７，８に示したように、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第１筐体１ａと第２筐体１ｂとの接続部に回転軸２５が設けられ、第２筐体１ｂが第１筐体１ａに対し回転運動をすることにより筐体１が変形する構造であってもよい。また、第１筐体１ａと第２筐体１ｂは、蛇腹構造などの伸縮構造１６により接続されていてもよい。この伸縮構造１６は、軸回転運動に伴い伸縮できるように設けることができる。なお、回転軸２５は、筐体１の一部であってもよく、筐体１と別の部材であってもよい。
第１筐体１ａと第２筐体１ｂは、取り外しが可能な接続箇所と、回転軸２５の両方により接続されていてもよい。このことにより、前記接続箇所を取り外し、第２筐体１ｂを第１筐体１ａに対し第１回転方向に回転運動させ電極間隔ｉが広くなるように筐体１を変形させることができる。また、第２筐体１ｂを第１筐体１ａに対し第２回転方向に回転運動させ電極間隔ｉが狭くなるように筐体１を変形させ、前記接続箇所で第１筐体１ａと第２筐体１ｂとを接続することができる。このような構成により、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の形状を安定化させることができ、安定して放電させることができる。
取り外しが可能な接続箇所は、例えば、第１筐体１ａと第２筐体１ｂのどちらか一方に設けた凸部が、他方に設けた凹部に嵌合する構造であってもよい。また、第１筐体１ａと第２筐体１ｂにそれぞれ磁石を設け、磁石の引力により第１及び第２筐体１ａ、１ｂが接続する構造であってもよい。
例えば、図７〜１０に示した金属空気電池３０は、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第１筐体１ａの外側面下部と第２筐体１ｂの内側面下部との結合部に回転軸２５が設けられ、第１筐体１ａに対し第２筐体１ｂが回転運動することができる構造を有している。また、電槽３２の側面に第１筐体１ａと第２筐体１ｂとを接続する伸縮構造を設けてもよい。
なお、図７（ａ）（ｂ）及び図１０（ａ）（ｂ）は、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図および概略側面図である。
図８（ａ）（ｂ）は、図７（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図及び概略側面図であり、図９は、図８（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０の金属極カートリッジ２０を交換する際の金属空気電池３０の概略断面図である。
第１筐体１ａと第２筐体１ｂは、取り外しが可能な接続箇所と、回転軸２５の両方により接続されていてもよい。このことにより、前記接続箇所を取り外し、第２筐体１ｂを第１筐体１ａに対し第１回転方向に回転運動させ電極間隔ｉが広くなるように筐体１を変形させることができる。また、第２筐体１ｂを第１筐体１ａに対し第２回転方向に回転運動させ電極間隔ｉが狭くなるように筐体１を変形させ、前記接続箇所で第１筐体１ａと第２筐体１ｂとを接続することができる。このような構成により、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の形状を安定化させることができ、安定して放電させることができる。
取り外しが可能な接続箇所は、例えば、第１筐体１ａと第２筐体１ｂのどちらか一方に設けた凸部が、他方に設けた凹部に嵌合する構造であってもよい。また、第１筐体１ａと第２筐体１ｂにそれぞれ磁石を設け、磁石の引力により第１及び第２筐体１ａ、１ｂが接続する構造であってもよい。
例えば、図７〜１０に示した金属空気電池３０は、筐体１が第１筐体１ａと第２筐体１ｂとから構成され、第１筐体１ａの外側面下部と第２筐体１ｂの内側面下部との結合部に回転軸２５が設けられ、第１筐体１ａに対し第２筐体１ｂが回転運動することができる構造を有している。また、電槽３２の側面に第１筐体１ａと第２筐体１ｂとを接続する伸縮構造を設けてもよい。
なお、図７（ａ）（ｂ）及び図１０（ａ）（ｂ）は、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図および概略側面図である。
図８（ａ）（ｂ）は、図７（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略断面図及び概略側面図であり、図９は、図８（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０の金属極カートリッジ２０を交換する際の金属空気電池３０の概略断面図である。
図１、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）（ｂ）、図１０（ａ）（ｂ）、図１１（ａ）のように、電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、金属空気電池３０の放電を行うことができる。このことにより、アノード−カソード間距離を短くすることができ、イオン伝導抵抗を小さくすることができる。この結果、金属空気電池３０の出力特性を向上させることができる。
また、電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、第２セパレータ１４は第１セパレータ１５と接触するように設けることができる。このことにより、アノード−カソード間距離を安定化することができる。また、第２セパレータ１４を設けない場合、電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、金属電極５は第１セパレータ１５と接触するように設けることができる。また、第１セパレータ１５を設けない場合、電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、第２セパレータ１４は、空気極９と接触するように設けることができる。
また、電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、第２セパレータ１４は第１セパレータ１５と接触するように設けることができる。このことにより、アノード−カソード間距離を安定化することができる。また、第２セパレータ１４を設けない場合、電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、金属電極５は第１セパレータ１５と接触するように設けることができる。また、第１セパレータ１５を設けない場合、電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、第２セパレータ１４は、空気極９と接触するように設けることができる。
電極間隔が狭くなるように電槽３２を変形させた状態において、第２セパレータ１４は第１セパレータ１５と密着するように設けることができる。また、第２セパレータ１４は、金属電極５と密着してもよい。このことにより、電極間隔ｉを、実質的に第２セパレータ１４の厚さと第１セパレータ１５の厚さの和とすることができ、アノード−カソード間距離を安定化することができる。この結果、金属空気電池３０の放電特性を向上させることができる。また、第２セパレータ１４を第１セパレータ１５によりしっかりと保持することができるため、金属空気電池３０の信頼性を向上させることができる。
また、これらの場合、第１及び第２セパレータ１５、１４の材料は、絶縁性の多孔質材とすることができる。
なお、放電時に第２セパレータ１４と第１セパレータ１５とを接触させたとしても、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させると、第２セパレータ１４と第１セパレータ１５は非接触になるため、金属極カートリッジ２０の取り出しの際に第２セパレータ１４と第１セパレータ１５が摩耗することを抑制することができ、金属空気電池３０が損傷することを抑制することができる。
また、これらの場合、第１及び第２セパレータ１５、１４の材料は、絶縁性の多孔質材とすることができる。
なお、放電時に第２セパレータ１４と第１セパレータ１５とを接触させたとしても、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させると、第２セパレータ１４と第１セパレータ１５は非接触になるため、金属極カートリッジ２０の取り出しの際に第２セパレータ１４と第１セパレータ１５が摩耗することを抑制することができ、金属空気電池３０が損傷することを抑制することができる。
図２、図３、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図８（ａ）（ｂ）、図９のように、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態において、電槽３２内からの金属電極５の取り出し及び電槽３２内への金属電極５の挿入を行うことができる。このことにより、金属電極５又は第２セパレータ１４が、空気極９又は第１セパレータ１５と接触することを抑制して金属電極５の取り出し及び挿入を行うことができる。このことにより、金属電極５の取り出し及び挿入の際に金属空気電池３０が損傷することを抑制することができ、金属空気電池３０の寿命特性を向上させることができる。また、金属電極５が膨張した場合でも、金属電極５を電槽３２内から容易に取り出すことができる。
電槽３２が電解液槽となる場合、電槽３２が変形することにより電解液槽の容量が変化するように電槽３２が設けられてもよい。例えば、図１の電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０では、電槽３２の容量は小さいが、図２の電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０では、電槽３２の容量は大きい。
このように、電槽３２の変形に伴い電槽３２の容量を変化させることにより、電解液３の水位を変化させることができる。このことにより、電極間隔ｉを広くし金属電極５の挿入又は取り出しを行う際には、図２に示した金属空気電池３０のように、電解液３の水位を金属電極５よりも低くすることができ、金属電極５又は第２セパレータ１４に付着した電解液３の量を少なくすることができる。このことにより、金属電極５の交換に伴う電解液３の漏洩を抑制することができる。
また、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０において、電解液３の水位が金属電極５の下部に位置してもよい。このことにより、金属電極５の交換に伴う電解液３の漏洩を抑制することができる。
また、図１に示した金属空気電池３０のように、電槽３２を変形させ電極間隔ｉを狭くし電解液３の水位を金属電極５よりも高くすることにより、金属電極５と空気極９との間に電解液３を供給することができ、金属空気電池３０を放電可能な状態にすることができる。
このように、電槽３２の変形に伴い電槽３２の容量を変化させることにより、電解液３の水位を変化させることができる。このことにより、電極間隔ｉを広くし金属電極５の挿入又は取り出しを行う際には、図２に示した金属空気電池３０のように、電解液３の水位を金属電極５よりも低くすることができ、金属電極５又は第２セパレータ１４に付着した電解液３の量を少なくすることができる。このことにより、金属電極５の交換に伴う電解液３の漏洩を抑制することができる。
また、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０において、電解液３の水位が金属電極５の下部に位置してもよい。このことにより、金属電極５の交換に伴う電解液３の漏洩を抑制することができる。
また、図１に示した金属空気電池３０のように、電槽３２を変形させ電極間隔ｉを狭くし電解液３の水位を金属電極５よりも高くすることにより、金属電極５と空気極９との間に電解液３を供給することができ、金属空気電池３０を放電可能な状態にすることができる。
金属空気電池３０は、電槽３２の変形を補助する変形補助構造を有してもよい。このことにより、電槽３２を安定して変形させることができる。また、電槽３２が損傷することを抑制することができる。
変形補助構造は、電槽３２の変形を補助することができれば特に限定されないが、例えば、図５に示した金属空気電池３０に含まれる変形補助部材２４ａ、２４ｂのように、２つの変形補助部材２４ａ、２４ｂが回転軸２５ａで連結され、一方の変形補助部材２４ａが回転軸２５ｂで第１筐体１ａに連結され、他方の変形補助部材２４ｂが回転軸２５ｃで第２筐体１ｂに連結された構造であってもよい。このような変形補助構造によれば、回転軸２５ａ、２５ｂ、２５ｃを軸とした回転運動により電槽３２の変形を補助することができる。また、回転軸２５ａが設けられた部分を引くことにより、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させることができ、回転軸２５ａが設けられた部分を押すことにより、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させることができる。
なお、図５では、変形補助構造を金属空気電池３０の下部に設けているが、変形補助構造は、金属空気電池３０の側部に設けられてもよく、金属空気電池３０の上部に設けられてもよい。
変形補助構造は、電槽３２の変形を補助することができれば特に限定されないが、例えば、図５に示した金属空気電池３０に含まれる変形補助部材２４ａ、２４ｂのように、２つの変形補助部材２４ａ、２４ｂが回転軸２５ａで連結され、一方の変形補助部材２４ａが回転軸２５ｂで第１筐体１ａに連結され、他方の変形補助部材２４ｂが回転軸２５ｃで第２筐体１ｂに連結された構造であってもよい。このような変形補助構造によれば、回転軸２５ａ、２５ｂ、２５ｃを軸とした回転運動により電槽３２の変形を補助することができる。また、回転軸２５ａが設けられた部分を引くことにより、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させることができ、回転軸２５ａが設けられた部分を押すことにより、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させることができる。
なお、図５では、変形補助構造を金属空気電池３０の下部に設けているが、変形補助構造は、金属空気電池３０の側部に設けられてもよく、金属空気電池３０の上部に設けられてもよい。
変形補助構造は、例えば、図４に示した金属空気電池３０に含まれるバネ４０及び変形防止部材４２のように、筐体１に挟持されるようにバネ４０を設け、バネ４０の弾性を利用して電槽３２の変形を補助する構造であってもよい。この場合、バネ４０が縮んだ際に電槽３２の変形を防止する変形防止部材４２を設けることができる。このような変形補助構造によれば、バネ４０の力を利用して電槽３２の変形を自動化することができる。
電槽３２が電解液槽となる場合、金属空気電池３０は、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０のように、電槽３２の内面上に防水シート３７を有してもよい。このことにより、電槽３２が有する伸縮構造１６などから電解液３が漏洩することを抑制することができる。なお、防水シート３７は、図５（ａ）（ｂ）のように電槽３２の変形に伴い変形するように設けることができる。
第２セパレータ１４が電解液槽となる場合、金属空気電池３０は、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２が変形することにより第２セパレータ１４を押圧する押圧部２１を有することができる。このことにより、押圧部２１により第２セパレータ１４を変形させることができ、第２セパレータ１４内の電解液３を上側に押し出すことができ、電解液３を金属電極５と空気極９との間に供給することができる。この結果、金属空気電池３０を放電可能な状態にすることができる。
また、放電後に電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させることにより、金属電極５と空気極９との間の電解液３を第２セパレータ１４の下部に下ろすことができる。このことにより金属電極５の自己腐食が進行することを抑制することができる。
なお、押圧部２１は、筐体１の一部であってもよく、筐体１とは別の部材であってもよい。
また、放電後に電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させることにより、金属電極５と空気極９との間の電解液３を第２セパレータ１４の下部に下ろすことができる。このことにより金属電極５の自己腐食が進行することを抑制することができる。
なお、押圧部２１は、筐体１の一部であってもよく、筐体１とは別の部材であってもよい。
例えば図６（ｂ）に示した金属空気電池３０では、第２セパレータ１４内に電解液３が溜められており、電解液３の液面は金属電極５よりも低くなっている。また、第２セパレータ１４の下部の両側に押圧部２１ａ、２１ｂが設けられている。そして、図６（ａ）に示した金属空気電池３０のように電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させると、第２セパレータ１４の下部の電解液３が溜められた部分は、押圧部２１ａ、２１ｂにより挟み込まれ、第２セパレータ１４内の電解液３は、上向きに押し出され金属電極５と空気極９との間に供給される。そして、金属空気電池３０は、放電可能な状態になる。また、放電後、図６（ｂ）のように電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させることにより、金属電極５と電解液３とが接触しないようにすることができ、金属電極５の自己腐食が進行することを抑制することができる。また、第２セパレータ１４を電槽３２内に残し、金属電極５を電槽３２内から取り出す場合、電解液３の漏洩を抑制することができる。
また、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０において、電解液３の上部が金属電極５の下部に位置してもよい。
また、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０において、電解液３の上部が金属電極５の下部に位置してもよい。
５．金属電極、第２セパレータ、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である金属を含む。また、金属電極５は、電槽３２中に取り出し可能に設けられる。
金属電極５は、例えば、電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、金属極集電体７と金属極集電体７上に設けられた電極活物質層６とを有してもよい。金属電極５又は電極活物質層６は、電析金属であってもよく、金属粉末を含む凝集体であってもよい。
金属電極５又は電極活物質層６が前記凝集体である場合、前記凝集体は、ゲル化した電解液３を含んでもよい。この場合、凝集体に含まれる金属粉末が金属電極５又は電極活物質層６となり、凝集体に含まれるゲル化した電解液が電解液３となる。このような構成とすることにより、金属電極５と電解液３との界面を広くすることができ、金属空気電池３０の出力を大きくすることができる。
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である金属を含む。また、金属電極５は、電槽３２中に取り出し可能に設けられる。
金属電極５は、例えば、電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、金属極集電体７と金属極集電体７上に設けられた電極活物質層６とを有してもよい。金属電極５又は電極活物質層６は、電析金属であってもよく、金属粉末を含む凝集体であってもよい。
金属電極５又は電極活物質層６が前記凝集体である場合、前記凝集体は、ゲル化した電解液３を含んでもよい。この場合、凝集体に含まれる金属粉末が金属電極５又は電極活物質層６となり、凝集体に含まれるゲル化した電解液が電解液３となる。このような構成とすることにより、金属電極５と電解液３との界面を広くすることができ、金属空気電池３０の出力を大きくすることができる。
金属電極５又は電極活物質層６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。多孔質の電極活物質層６は、例えば、金属極集電体７上に、電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。導電材料は、電極活物質である金属の粉の表層に不導態膜が形成され導電性が低下した場合でも、電子伝導パスを残すために好ましく用いることができ、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に含まれる電極活物質は、例えば、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３に溶解する金属である。例えば、亜鉛空気電池の場合、電極活物質は金属亜鉛であり、電解液３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、電極活物質は金属アルミニウムであり、電解液３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、電極活物質は金属鉄であり、電解液３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、電極活物質は金属マグネシウムであり、電解液３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、電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３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３との間に固体電解質膜を有してもよい。このことにより、電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、電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。
固体電解質膜を形成する固体電解質としては、無機固体電解質または有機固体電解質に分別できる。無機固体電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラス、イオン性結晶などが挙げられる。また、有機固体電解質としては、高分子化合物（例えば、ポリエチレンオキサイドなど）に電解質塩（例えば、亜鉛塩やリチウム塩など）を分散させた有機固体電解質やイオン交換膜などが挙げられる。 イオン交換膜としては、例えば、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級アンモニウム系などの固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）などが挙げられる。
なお、電極活物質は、これらの例には限定されず、金属空気電池で一般的に使用されているものであればよい。また、金属電極５に含まれる電極活物質は、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に含まれる電極活物質は合金であってもよい。
電極活物質が金属亜鉛である場合、金属電極５又は電極活物質層６は、例えば、インジウム、ビスマス、アルミニウム、カルシウムなどの添加物質を含んでもよい。このことにより、金属電極５又は電極活物質層６が自己腐食することを抑制することができる。
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、電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３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３との間に固体電解質膜を有してもよい。このことにより、電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、電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。
固体電解質膜を形成する固体電解質としては、無機固体電解質または有機固体電解質に分別できる。無機固体電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラス、イオン性結晶などが挙げられる。また、有機固体電解質としては、高分子化合物（例えば、ポリエチレンオキサイドなど）に電解質塩（例えば、亜鉛塩やリチウム塩など）を分散させた有機固体電解質やイオン交換膜などが挙げられる。 イオン交換膜としては、例えば、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級アンモニウム系などの固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）などが挙げられる。
なお、電極活物質は、これらの例には限定されず、金属空気電池で一般的に使用されているものであればよい。また、金属電極５に含まれる電極活物質は、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に含まれる電極活物質は合金であってもよい。
電極活物質が金属亜鉛である場合、金属電極５又は電極活物質層６は、例えば、インジウム、ビスマス、アルミニウム、カルシウムなどの添加物質を含んでもよい。このことにより、金属電極５又は電極活物質層６が自己腐食することを抑制することができる。
金属極集電体７は、導電性を有する。また、金属極集電体７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、この金属極集電体７は、例えば、電解液３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。金属極集電体７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、金属極集電体７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、錫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極集電体７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。金属極集電体７の主要面上への電極活物質層６の固定は、例えば、電極活物質である金属の粒子や塊を金属極集電体７の表面に押し付けて固定してもよく、金属極集電体７上にめっき法などにより金属を析出させてもよい。なお、金属極集電体７の形状に関して、めっき法で電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。
金属極集電体７は、金属極端子１１と電気的に接続することができる。このことにより、金属極端子１１を介して金属電極５に生じた電荷を外部回路へ出力することができる。また、金属極集電体７は、外部接続端子４５と電気的に接続したコネクタ４８と電気的に接続することもできる。また、金属極端子１１とコネクタ４８が電気的に接続してもよい。
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極集電体７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。金属極集電体７の主要面上への電極活物質層６の固定は、例えば、電極活物質である金属の粒子や塊を金属極集電体７の表面に押し付けて固定してもよく、金属極集電体７上にめっき法などにより金属を析出させてもよい。なお、金属極集電体７の形状に関して、めっき法で電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。
金属極集電体７は、金属極端子１１と電気的に接続することができる。このことにより、金属極端子１１を介して金属電極５に生じた電荷を外部回路へ出力することができる。また、金属極集電体７は、外部接続端子４５と電気的に接続したコネクタ４８と電気的に接続することもできる。また、金属極端子１１とコネクタ４８が電気的に接続してもよい。
コネクタ４８は、金属電極５及び空気極９と外部接続端子４５とを電気的に接続するための接続部である。コネクタ４８は、金属電極５及び空気極９のうち少なくとも一方が、電極間隔ｉが狭くするように電槽３２を変形させることにより外部接続端子４５と電気的に接続するように設けられる。また、コネクタ４８は、電極間隔ｉを広くするように電槽３２を変形させることにより、金属電極５及び空気極９のうち少なくとも一方と、外部接続端子４５とが電気的に非接続となるように設けられる。このようなコネクタ４８を設けることにより、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させることにより金属空気電池３０の放電を開始することができ、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させることにより金属空気電池３０の放電を停止させることができる。このことにより、放電の開始および停止に伴う操作を単純化することができる。また、金属空気電池３０の誤動作を抑制することができる。また、金属空気電池３０の安全性を向上させることができる。
コネクタ４８は、筐体１上に設けてもよく、金属極カートリッジ２０に設けてもよい。
図１１（ａ）は、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の概略上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略上面図である。
図１１（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０では、筐体１上にコネクタ４８が設けられている。コネクタ４８は、空気極端子１０ａと外部接続端子４５と電気的に接続している。そして、コネクタ４８は、金属極端子１１と電気的に接続するための金属極ソケット５２と、空気極端子１０ｂと電気的に接続するための空気極ソケット５３とを有している。また、金属極端子１１は、金属極ソケット５２と電気的に接続するための金属極プラグ５０を有し、空気極端子１０ｂは、空気極ソケット５３と電気的に接続するための空気極プラグ５１を有している。
図１１（ｂ）のように、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０では、金属極プラグ５０および空気極プラグ５１は、金属極ソケット５２及び空気極ソケット５３の外にあり、金属極端子１１及び空気極端子１０ｂと外部接続端子４５は電気的に接続していない。従って、放電電流は流れることはできず、金属空気電池３０の放電は停止している。
図１１（ａ）のように、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０では、金属極プラグ５０は金属極ソケット５２に挿入され、空気極プラグ５１は空気極ソケット５３に挿入された状態にあり、空気極端子１０と外部接続端子４５は電気的に接続し、金属極端子１１と外部接続端子４５は電気的に接続している。従って、金属電極５及び空気極９と外部接続端子４５とを電気的に接続することができ、金属空気電池３０の放電電流を流すことができる。
図１１（ａ）は、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０の概略上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示した金属空気電池３０を電極間隔ｉが広くなるように変形させた状態の金属空気電池３０の概略上面図である。
図１１（ａ）（ｂ）に示した金属空気電池３０では、筐体１上にコネクタ４８が設けられている。コネクタ４８は、空気極端子１０ａと外部接続端子４５と電気的に接続している。そして、コネクタ４８は、金属極端子１１と電気的に接続するための金属極ソケット５２と、空気極端子１０ｂと電気的に接続するための空気極ソケット５３とを有している。また、金属極端子１１は、金属極ソケット５２と電気的に接続するための金属極プラグ５０を有し、空気極端子１０ｂは、空気極ソケット５３と電気的に接続するための空気極プラグ５１を有している。
図１１（ｂ）のように、電極間隔ｉが広くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０では、金属極プラグ５０および空気極プラグ５１は、金属極ソケット５２及び空気極ソケット５３の外にあり、金属極端子１１及び空気極端子１０ｂと外部接続端子４５は電気的に接続していない。従って、放電電流は流れることはできず、金属空気電池３０の放電は停止している。
図１１（ａ）のように、電極間隔ｉが狭くなるように電槽３２を変形させた状態の金属空気電池３０では、金属極プラグ５０は金属極ソケット５２に挿入され、空気極プラグ５１は空気極ソケット５３に挿入された状態にあり、空気極端子１０と外部接続端子４５は電気的に接続し、金属極端子１１と外部接続端子４５は電気的に接続している。従って、金属電極５及び空気極９と外部接続端子４５とを電気的に接続することができ、金属空気電池３０の放電電流を流すことができる。
金属電極５は、蓋部材３５、第２セパレータ１４などと共に金属極カートリッジ２０を構成することができる。金属極カートリッジ２０は、例えば板状の蓋部材３５に、蓋部材３５の主要面と実質的に垂直になるように金属電極５を取り付けた構造を有してもよい。このようなＴ字状の断面を有する構造を有する金属極カートリッジ２０を電槽３２に取り付けることにより、蓋部材３５を操作部として金属電極５を電槽３２内に挿入することができると共に蓋部材３５により電槽３２に蓋をすることができる。また、金属極カートリッジ２０を電槽３２から取り外す際、蓋部材３５を操作部とすることができる。このように、金属空気電池３０に含まれる金属極カートリッジ２０を交換することにより、金属電極５を交換することができ、金属空気電池３０に電極活物質を供給することができる。
また、金属極カートリッジ２０は、第２セパレータ１４を電槽３２中に残し、金属電極５を電槽３２中から取り出せるように設けることもできる。このような構成によると、金属電極５の交換作業を簡素化することができる。
また、金属極カートリッジ２０は、第２セパレータ１４を電槽３２中に残し、金属電極５を電槽３２中から取り出せるように設けることもできる。このような構成によると、金属電極５の交換作業を簡素化することができる。
金属極カートリッジ２０は、金属電極５を収容するように設けられた第２セパレータ１４を有してもよい。第２セパレータ１４を設けることにより、金属電極５と空気極９との間にリーク電流が流れることを抑制することができる。また、第２セパレータ１４を設けることにより、電槽３２内に金属電極５を挿入する際や電槽３２内から金属電極５を取り出す際に金属電極５や空気極９が損傷することを抑制することができる。また、第２セパレータ１４を設けることにより、負極活物質の微粒子及び負極反応生成物が空気極９に付着することを抑制することができる。また、第２セパレータ１４は、電解質３として機能させてもよい。
第２セパレータ１４は、例えば、クリップ１７などにより、蓋部材３５、金属極集電体７又は電極活物質層６に固定することができる。また、第２セパレータ１４は、金属電極５と接触するように設けてもよく、第２セパレータ１４と金属電極５との間に電解液３が介在するように設けてもよい。また、第２セパレータ１４を電解質３として機能させる場合、第２セパレータ１４は、金属電極５と接触するように設けられる。例えば、図１０に示した金属空気電池３０のように第２セパレータ１４を設けることができる。
また、第２セパレータ１４は、袋状とすることができる。このことにより、第２セパレータ１４を電解液３が収容される電解液槽とすることができ、放電後析出した金属酸化物を金属極カートリッジ２０とともに取り除き回収することができる。さらに、袋状の第２セパレータ１４は、変形機構１２によって電槽３２の対向する側壁の間隔を短くすることで、電槽３２の側壁または押圧部１２から受ける押圧に反発することなく、自在に形状を変えることができる。そのため、第２セパレータ１４を袋状にすることで、第２セパレータ１４と空気極９の密着させることができ、イオン伝導率を向上させることができる。さらに、第２セパレータ１４が袋状にすることで、電槽３２の側壁からの押圧で金属極カートリッジ２０を固定することもできる。
また、第２セパレータ１４を電解液槽とすると、金属極カートリッジ２０を交換することにより、金属電極５と電解液３の両方を交換することができる。このことにより、金属極カートリッジ２０の交換により、アノード反応により金属含有イオン濃度が高くなった電解液３を電槽３２内から取り出し、新たな電解液３を電槽３２内に供給することができる。また、金属電極５の交換時に電解液３が漏洩することを抑制することができる。
第２セパレータ１４は、例えば、クリップ１７などにより、蓋部材３５、金属極集電体７又は電極活物質層６に固定することができる。また、第２セパレータ１４は、金属電極５と接触するように設けてもよく、第２セパレータ１４と金属電極５との間に電解液３が介在するように設けてもよい。また、第２セパレータ１４を電解質３として機能させる場合、第２セパレータ１４は、金属電極５と接触するように設けられる。例えば、図１０に示した金属空気電池３０のように第２セパレータ１４を設けることができる。
また、第２セパレータ１４は、袋状とすることができる。このことにより、第２セパレータ１４を電解液３が収容される電解液槽とすることができ、放電後析出した金属酸化物を金属極カートリッジ２０とともに取り除き回収することができる。さらに、袋状の第２セパレータ１４は、変形機構１２によって電槽３２の対向する側壁の間隔を短くすることで、電槽３２の側壁または押圧部１２から受ける押圧に反発することなく、自在に形状を変えることができる。そのため、第２セパレータ１４を袋状にすることで、第２セパレータ１４と空気極９の密着させることができ、イオン伝導率を向上させることができる。さらに、第２セパレータ１４が袋状にすることで、電槽３２の側壁からの押圧で金属極カートリッジ２０を固定することもできる。
また、第２セパレータ１４を電解液槽とすると、金属極カートリッジ２０を交換することにより、金属電極５と電解液３の両方を交換することができる。このことにより、金属極カートリッジ２０の交換により、アノード反応により金属含有イオン濃度が高くなった電解液３を電槽３２内から取り出し、新たな電解液３を電槽３２内に供給することができる。また、金属電極５の交換時に電解液３が漏洩することを抑制することができる。
第２セパレータ１４は、イオン透過性を有し、負極活物質の微粒子および負極反応生成物の透過を抑制できれば特に限定されないが、例えば、多孔性樹脂膜、樹脂繊維の不織布又は分子篩とすることができる。また、第２セパレータ１４は、複数枚のセパレータが積層された積層構造を有してもよい。また、第２セパレータ１４はイオン交換膜であってもよい。
また、第２セパレータ１４を電解質３として機能させる場合、第２セパレータ１４の材料は、アニオン交換膜などのイオン交換膜、電解質を含浸した固体又はゲルとすることができる。
第２セパレータ１４の材料は、絶縁性材料とすることができる。また、第２セパレータ１４の材料は、多孔性の柔軟性材料であってもよい。
また、第２セパレータ１４の材料は、多孔性の剛性材料であってもよい。この場合、第２セパレータ１４を金属電極５の支持部材として機能させることができる。例えば、電極活物質層６を第２セパレータ１４上に設けることができる。このことにより金属極集電体７を省略することが可能である。
第２セパレータ１４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、例えば、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、第２セパレータ１４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の流通が良くなるように第２セパレータ１４は親水化処理されていることが好ましい。
また、第２セパレータ１４の細孔内にゲル化電解液を導入してもよい。このことにより、第２セパレータ１４を電解液槽とした際に、電解液３の漏洩を抑制することができる。
第２セパレータ１４に用いられるイオン交換膜としては、例えば、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級アンモニウム系などの固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。
また、第２セパレータ１４には、分子篩を利用することもできる。分子篩は、有機材料、無機材料を問わず、対象とする分子やイオンなど等各物質の大きさに応じて物質を分離する性質を持つ物質を用いることが可能である。分子篩は、一般的な分子篩であれば特に限定されないが、例えば、寒天、アガロース、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース等などの有機材料や、ナトリウム、ケイ素、アルミニウムの酸化物を含む天然沸石、合成沸石材料など無機材料、あるいは有機材料、無機材料を基材とし各種材料により架橋もしくは元素置換した材料等を用いることができる。また、分子篩は、放電中に析出される金属酸化物を透過させない細孔を有するものであることが好ましく、孔径が１μｍ以下の細孔を有することが特に好ましい。
また、第２セパレータ１４を電解質３として機能させる場合、第２セパレータ１４の材料は、アニオン交換膜などのイオン交換膜、電解質を含浸した固体又はゲルとすることができる。
第２セパレータ１４の材料は、絶縁性材料とすることができる。また、第２セパレータ１４の材料は、多孔性の柔軟性材料であってもよい。
また、第２セパレータ１４の材料は、多孔性の剛性材料であってもよい。この場合、第２セパレータ１４を金属電極５の支持部材として機能させることができる。例えば、電極活物質層６を第２セパレータ１４上に設けることができる。このことにより金属極集電体７を省略することが可能である。
第２セパレータ１４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、例えば、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、第２セパレータ１４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の流通が良くなるように第２セパレータ１４は親水化処理されていることが好ましい。
また、第２セパレータ１４の細孔内にゲル化電解液を導入してもよい。このことにより、第２セパレータ１４を電解液槽とした際に、電解液３の漏洩を抑制することができる。
第２セパレータ１４に用いられるイオン交換膜としては、例えば、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級アンモニウム系などの固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。
また、第２セパレータ１４には、分子篩を利用することもできる。分子篩は、有機材料、無機材料を問わず、対象とする分子やイオンなど等各物質の大きさに応じて物質を分離する性質を持つ物質を用いることが可能である。分子篩は、一般的な分子篩であれば特に限定されないが、例えば、寒天、アガロース、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース等などの有機材料や、ナトリウム、ケイ素、アルミニウムの酸化物を含む天然沸石、合成沸石材料など無機材料、あるいは有機材料、無機材料を基材とし各種材料により架橋もしくは元素置換した材料等を用いることができる。また、分子篩は、放電中に析出される金属酸化物を透過させない細孔を有するものであることが好ましく、孔径が１μｍ以下の細孔を有することが特に好ましい。
金属空気電池３０により放電すると、金属電極５に含まれる電極活物質は、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３に溶解する。このため、金属電極５に含まれる電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に含まれる電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を電槽３２中から取り出し新たな金属電極５を電槽３２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、負極反応生成物は、電解液中に浮遊する又は電槽３２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。
負極反応生成物が微粒子として析出し、この微粒子が電解液３中に過剰に存在すると、多孔性の空気極９の細孔に負極反応生成物の微粒子が付着することで酸素ガスの拡散が妨げられたり、セパレータ１４、１５の細孔に負極反応生成物の微粒子が付着することで、ＯＨ-イオンのイオン伝導パスが妨げられたりする結果、金属空気電池３０の出力が低下する。このため、電解液３中に負極反応生成物の微粒子が蓄積すると、電解液３中からこの微粒子を除去する必要がある。
負極反応生成物が不動態膜として析出し、この不動態膜が金属電極５の表面の大部分を覆うと、金属電極５の表面におけるアノード反応は阻害され金属空気電池３０の出力が低下する。このため、不動態膜が表面を覆った金属電極５を電槽３２中から除去し新たな金属電極５を電槽３２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。
負極反応生成物が不動態膜として析出し、この不動態膜が金属電極５の表面の大部分を覆うと、金属電極５の表面におけるアノード反応は阻害され金属空気電池３０の出力が低下する。このため、不動態膜が表面を覆った金属電極５を電槽３２中から除去し新たな金属電極５を電槽３２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。
６．空気極、空気極集電体、第１セパレータ
空気極９は、空気極触媒を含むカソードとなる多孔性の電極である。また、空気極９は、電槽３２の対向する側壁の少なくとも一方に設けられる。このため、電槽３２内の電解液に含まれる水と、電槽３２の外側の大気に含まれる酸素ガスとの両方を空気極に供給することができる。また、カソードにおいて生成した水酸化物イオンが電槽３２中へ伝導することができる。また、空気極９は、電槽３２の対向する側壁の両方に設けることができる。
なお、空気極９は、電槽３２内に設けられた電解液室を仕切る側壁に設けられてもよい。また、空気極９は、容器形状の筐体１の側壁に空気極９を組み込むことにより、電槽３２の側壁に設けることができる。
空気極９は、空気極触媒を含むカソードとなる多孔性の電極である。また、空気極９は、電槽３２の対向する側壁の少なくとも一方に設けられる。このため、電槽３２内の電解液に含まれる水と、電槽３２の外側の大気に含まれる酸素ガスとの両方を空気極に供給することができる。また、カソードにおいて生成した水酸化物イオンが電槽３２中へ伝導することができる。また、空気極９は、電槽３２の対向する側壁の両方に設けることができる。
なお、空気極９は、電槽３２内に設けられた電解液室を仕切る側壁に設けられてもよい。また、空気極９は、容器形状の筐体１の側壁に空気極９を組み込むことにより、電槽３２の側壁に設けることができる。
空気極９は、多孔性のガス拡散層と、ガス拡散層上に設けられた多孔性の空気極触媒層とを有してもよい。また、空気極９の細孔中にゲル層を配置してもよい。
空気極９では、空気極触媒上において電解液３などから供給される水と大気から供給される酸素ガスと電子とが反応し水酸化物イオン（OH-）を生成する（カソード反応）。つまり、空気極９の三相界面においてカソード反応が進行する。
また、空気極９は、空気極９に大気に含まれる酸素ガスが拡散できるように設けられる。例えば、空気極９は、少なくとも空気極９の表面の一部が大気に曝されるように設けることができる。例えば、空気極９の外側の筐体１に空孔２３を設け、空孔２３を介して空気極９に大気中の酸素ガスが拡散できるようにしてもよい。また、空気極９の外側に空気流路を設け、空気流路を流れる空気に含まれる酸素ガスが空気極９に拡散できるように設けてもよい。この場合、空気流路に加湿された空気を流し、空気流路から空気極９に水を供給してもよい。
空気極９では、空気極触媒上において電解液３などから供給される水と大気から供給される酸素ガスと電子とが反応し水酸化物イオン（OH-）を生成する（カソード反応）。つまり、空気極９の三相界面においてカソード反応が進行する。
また、空気極９は、空気極９に大気に含まれる酸素ガスが拡散できるように設けられる。例えば、空気極９は、少なくとも空気極９の表面の一部が大気に曝されるように設けることができる。例えば、空気極９の外側の筐体１に空孔２３を設け、空孔２３を介して空気極９に大気中の酸素ガスが拡散できるようにしてもよい。また、空気極９の外側に空気流路を設け、空気流路を流れる空気に含まれる酸素ガスが空気極９に拡散できるように設けてもよい。この場合、空気流路に加湿された空気を流し、空気流路から空気極９に水を供給してもよい。
空気極触媒層は、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、空気極触媒層は、バインダーを含んでもよい。また、空気極触媒層の細孔中に、水又は電解液をゲル化して形成したゲル層を配置してもよい。
また、空気極触媒層とガス拡散層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）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。このガス拡散層は、空気極集電体として機能してもよい。また、ガス拡散層は、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が電槽３２から漏洩するのを防ぎ、かつ空気極触媒層への酸素ガスの供給を妨げない。
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。
また、空気極９は、空気極端子１０と電気的に接続することができる。このことにより、空気極９で生じた電荷を外部回路へと取り出すことができる。
また、空気極触媒層とガス拡散層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）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。このガス拡散層は、空気極集電体として機能してもよい。また、ガス拡散層は、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が電槽３２から漏洩するのを防ぎ、かつ空気極触媒層への酸素ガスの供給を妨げない。
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。
また、空気極９は、空気極端子１０と電気的に接続することができる。このことにより、空気極９で生じた電荷を外部回路へと取り出すことができる。
金属空気電池３０は、空気極９に生じた電荷を集電する空気極集電体８を備えてもよい。このことにより、空気極９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。また、空気極集電体８は、空気極端子１０と電気的に接続することができる。また、空気極集電体８は、コネクタ４８と電気的に接続してもよい。
空気極集電体８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８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８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を有する形状とすることができる。空気極集電体８の複数の開口は大気に開放されていてもよい。このことにより、開口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、空気極集電体８と、多孔性担体又は導電性多孔性基材（ガス拡散層）とを接合する方法としては、フレームを介してネジ止めにより圧着する方法や、導電性接着剤を用いて結合させる方法などが挙げられる。
空気極集電体８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８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８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を有する形状とすることができる。空気極集電体８の複数の開口は大気に開放されていてもよい。このことにより、開口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、空気極集電体８と、多孔性担体又は導電性多孔性基材（ガス拡散層）とを接合する方法としては、フレームを介してネジ止めにより圧着する方法や、導電性接着剤を用いて結合させる方法などが挙げられる。
１つのセル３１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。
空気極触媒層に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などの炭素繊維を用いることもできる。
空気極触媒には、例えば、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、例えば、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、鉄−コバルト−ニッケル合金などが挙げられる。
また、空気極触媒層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、空気極触媒層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、空気極触媒層は、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。
空気極触媒層に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などの炭素繊維を用いることもできる。
空気極触媒には、例えば、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、例えば、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、鉄−コバルト−ニッケル合金などが挙げられる。
また、空気極触媒層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、空気極触媒層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、空気極触媒層は、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。
電槽３２内部側の空気極９の主要面上に第１セパレータ１５を設けることができる。
第１セパレータ１５は、電槽３２の内側であって空気極９の主要面上に設けることができる。第１セパレータ１５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、第１セパレータ１５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、第１セパレータ１５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。また、第１セパレータ１５を設けることにより、金属電極５と空気極９との間にリーク電流が流れることを抑制することができる。さらに、第１セパレータ１５を設けることにより、電槽３２内に金属電極５を挿入する際や電槽３２内から金属電極５を取り出す際に金属電極５や空気極９が損傷することを抑制することができる。また、第１セパレータ１５は、電解質３として機能させてもよい。
また、第１セパレータ１５を電解質３として機能させる場合、第１セパレータ１５は、金属電極５又は第２セパレータ１４と接触するように設けられる。例えば、図１０に示した金属空気電池３０のように第１セパレータ１５を設けることができる。
第１セパレータ１５は、電槽３２の内側であって空気極９の主要面上に設けることができる。第１セパレータ１５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、第１セパレータ１５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、第１セパレータ１５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。また、第１セパレータ１５を設けることにより、金属電極５と空気極９との間にリーク電流が流れることを抑制することができる。さらに、第１セパレータ１５を設けることにより、電槽３２内に金属電極５を挿入する際や電槽３２内から金属電極５を取り出す際に金属電極５や空気極９が損傷することを抑制することができる。また、第１セパレータ１５は、電解質３として機能させてもよい。
また、第１セパレータ１５を電解質３として機能させる場合、第１セパレータ１５は、金属電極５又は第２セパレータ１４と接触するように設けられる。例えば、図１０に示した金属空気電池３０のように第１セパレータ１５を設けることができる。
第１セパレータ１５は、イオン透過性を有し、負極活物質の微粒子および負極反応生成物の透過を抑制できれば特に限定されないが、例えば、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膜とすることができる。また、第１セパレータ１５の材料は、絶縁性材料とすることができる。また、第１セパレータ１５は、複数枚のセパレータが積層された積層構造を有してもよい。
また、第１セパレータ１５を電解質３として機能させる場合、第１セパレータ１５の材料は、アニオン交換膜などのイオン交換膜もしくは電解質を含浸した固体、ゲル、高分子の分子篩などとすることができる。
第１セパレータ１５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、例えば、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、第１セパレータ１５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。電解液の流通が良くなるように第１セパレータ１５は親水化処理されていることが好ましい。また、第１セパレータ１５の細孔内にゲル化電解液を導入してもよい。
第１セパレータ１５に用いられるイオン交換膜としては、例えば、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。
また、第１セパレータ１５には、第２セパレータ１４と同じく、分子篩を利用することもできる。
また、第１セパレータ１５を電解質３として機能させる場合、第１セパレータ１５の材料は、アニオン交換膜などのイオン交換膜もしくは電解質を含浸した固体、ゲル、高分子の分子篩などとすることができる。
第１セパレータ１５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、例えば、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、第１セパレータ１５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。電解液の流通が良くなるように第１セパレータ１５は親水化処理されていることが好ましい。また、第１セパレータ１５の細孔内にゲル化電解液を導入してもよい。
第１セパレータ１５に用いられるイオン交換膜としては、例えば、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。
また、第１セパレータ１５には、第２セパレータ１４と同じく、分子篩を利用することもできる。
１：筐体 １ａ：第１筐体 １ｂ：第２筐体 ３：電解質又は電解液 ５：金属電極 ６：電極活物質層 ７：金属極集電体 ８：空気極集電体 ９：空気極 １０、１０ａ、１０ｂ：空気極端子 １１：金属極端子 １２：変形機構 １４：第２セパレータ １５：第１セパレータ １６：伸縮構造 １７：クリップ １９：シール部材 ２０：金属極カートリッジ ２１、２１ａ、２１ｂ：押圧部 ２３：空孔 ２４、２４ａ、２４ｂ：変形補助部材 ２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：回転軸 ３０：金属空気電池 ３１：セル ３２：電槽 ３５：蓋部材 ３７：防水シート ３９：蛇腹構造 ４０：バネ ４２：変形防止部材 ４５：外部接続端子 ４６：電気コード ４８：コネクタ ５０：金属極プラグ ５１：空気極プラグ ５２：金属極ソケット ５３：空気極ソケット
Claims (9)
- 空気極と、対向する側壁の間隔を変える変形機構とを備え、
前記空気極は、前記対向する側壁の少なくとも一方に設けられたことを特徴とする電槽。 - 前記変形機構は、伸縮構造を含む請求項１に記載の電槽。
- 前記対向する側壁の少なくとも一方に押圧部を備え、
前記押圧部は、前記対向する側壁の間隔を狭くすることにより、電槽中の電解質を押圧するように設けられた請求項１又は２に記載の電槽。 - 前記変形機構は、回転軸を有し、前記回転軸を中心とした回転に伴い変形する機構である請求項１〜３のいずれか１つに記載の電槽。
- 前記空気極の内側面を覆う第１セパレータをさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載の電槽。
- 請求項１〜５のいずれか１つに記載の電槽と、前記電槽に収容された電解質と、前記電槽に収容された金属電極とを備える金属空気電池。
- 請求項１〜５のいずれか１つに記載の電槽と、少なくとも一部が前記電槽に収容された金属極カートリッジとを備え、
前記金属極カートリッジは、金属電極と、電解質を収容した第２セパレータとを備える金属空気電池。 - 第２セパレータが袋状である請求項７に記載の金属空気電池。
- 外部接続端子をさらに備え、
前記外部接続端子は、前記対向する側壁の間隔を狭くすることにより、前記金属電極及び前記空気極のうち少なくとも一方と電気的に接続するように設けられた請求項６〜８のいずれか１つに記載の金属空気電池。
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