JP2016149187A - 電極構造体、空気電池の単セル構造体及び空気電池のスタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】集電抵抗の低減と正極側における電流密度分布の均一化を実現し得る電極構造体、これを有する空気電池の単セル構造体及び空気電池のスタック構造体を提供する。
【解決手段】電極構造体は、２つの第１正極ユニットと、第１正極ユニットの間に配設される空気電池用負極層と、空気電池用負極層を空気電池用正極層と絶縁した状態で保持する導電性枠部材とを具備する。第１正極ユニットは、内部に通気空間を有し、表裏面が絶縁された構造を有する略板状筐体と、略板状筐体の表裏面の一方の外表面に配設された空気電池用正極層とを備える。導電性枠部材は、その枠内に空気電池用負極層を備え、かつ、隣り合う空気電池用正極層と空気電池用負極層とが対向するように、隣り合う空気電池用正極層及び空気電池用負極層を離間して接合し、かつ、２つの第１正極ユニットと共に電解液収容部を形成している。
【選択図】図３

Description

本発明は、電極構造体、空気電池の単セル構造体及び空気電池のスタック構造体に関する。
更に詳細には、本発明は、集電抵抗の低減と正極側における電流密度分布の均一化を実現し得る電極構造体、これを有する空気電池の単セル構造体及び空気電池のスタック構造体に関する。

空気電池は、空気中の酸素を正極活物質に、アルミニウム（Ａｌ）や鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）などの金属を負極活物質に用いた電池である。
そして、空気電池は、電池容器内に正極活物質を備える必要がないため、エネルギー密度が高く、小型化、軽量化が可能であって、携帯機器用電源として、更には電動車両などの駆動用電源としての利用も期待されている。
また、電解液を電池本体とは別に保管することによって、保管中には電池反応が起こらないため、活物質や電解液の消耗や変質が殆どなく、半永久的な保存が可能であることから、特に、非常用、緊急用の予備電源としての利用が注目されている。

このような空気電池の構造としては、略枠状の部材の一方に正極を設置すると共に、この正極に対向するようにもう一方の側に負極を設置し、これら正極、負極及び枠状部材により形成される空間に電解液を注入して発電する電池（予備電池）が提案されている（特許文献１参照。）。

特表２００５−５２７０６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたバイセル構造を有する空気電池スタックにおいては、正極において集電するためには正極の面方向、更には一方向に電流を通じることとなる。そして、薄板の集電体を適用しているため、大電流を通じると、ジュール熱による損失が大きくなり、更に、電流密度分布が不均一になり、電池性能が低下するという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。
そして、本発明は、集電抵抗の低減と正極側における電流密度分布の均一化を実現し得る電極構造体、これを有する空気電池の単セル構造体及び空気電池のスタック構造体を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、２つの所定の第１正極ユニットと、所定の負極層と、所定の導電性枠部材とを具備し、導電性枠部材が、その枠内に負極層を備え、かつ、隣り合う正極層と負極層とが対向するように、隣り合う正極層及び負極層を離間して接合し、かつ、２つの第１正極ユニットと共に電解液収容部を形成している構成、又は２つの所定の第１正極ユニットと、少なくとも１つの所定の第２正極ユニットと、所定個数の所定の負極層と、所定個数の所定の導電性枠部材とを具備し、導電性枠部材が、その枠内に負極層を備え、かつ、隣り合う正極層と負極層とが対向するように、隣り合う正極層及び負極層を離間して接合し、かつ、第１正極ユニット及び第２正極ユニット、又は第１正極ユニット及び第２正極ユニット並びに２つの第２正極ユニットと共に電解液収容部を形成している構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の第１の電極構造体は、２つの第１正極ユニットと、空気電池用負極層と、導電性枠部材とを具備したものである。
そして、第１正極ユニットは、内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体と、略板状筐体の表面及び裏面の少なくとも一方の外表面に配設された空気電池用正極層とを備える。
また、空気電池用負極層は、２つの第１正極ユニットの間に配設される。
更に、導電性枠部材は、空気電池用負極層を空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で保持する。そして、導電性枠部材は、その枠内に空気電池用負極層を備え、かつ、隣り合う空気電池用正極層と空気電池用負極層とが対向するように、隣り合う空気電池用正極層及び空気電池用負極層を離間して接合し、かつ、２つの第１正極ユニットと共に電解液収容部を形成している。

また、本発明の第２の電極構造体は、２つの第１正極ユニットと、少なくとも１つの第２正極ユニットと、第２正極ユニットの個数より１つ多い個数の空気電池用負極層と、空気電池用負極層の個数と同じ個数の導電性枠部材とを具備したものである。
そして、第１正極ユニットは、内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体と、略板状筐体の表面及び裏面の少なくとも一方の外表面に配設された空気電池用正極層とを備える。
また、第２正極ユニットは、２つの第１正極ユニットの間に配設され、内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体と、略板状筐体の表面及び裏面の双方の外表面に配設された空気電池用正極層とを備える。
更に、空気電池用負極層は、第１正極ユニットと第２正極ユニットとの間、又は第１正極ユニットと第２正極ユニットとの間及び第２正極ユニット同士の間に配設される。
また、導電性枠部材は、空気電池用負極層を空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で保持する。そして、導電性枠部材は、その枠内に空気電池用負極層を備え、かつ、隣り合う空気電池用正極層と空気電池用負極層とが対向するように、隣り合う空気電池用正極層及び空気電池用負極層を離間して接合し、かつ、第１正極ユニット及び第２正極ユニット、又は第１正極ユニット及び第２正極ユニット並びに２つの第２正極ユニットと共に電解液収容部を形成している。

更に、本発明の空気電池のスタック構造体は、第１の電極構造体又は第２の電極構造体を有するものである。

更にまた、本発明の空気電池の単セル構造体は、第１の電極構造体を有するものである。

本発明によれば、２つの所定の第１正極ユニットと、所定の負極層と、所定の導電性枠部材とを具備し、導電性枠部材が、その枠内に負極層を備え、かつ、隣り合う正極層と負極層とが対向するように、隣り合う正極層及び負極層を離間して接合し、かつ、２つの第１正極ユニットと共に電解液収容部を形成している構成、又は２つの所定の第１正極ユニットと、少なくとも１つの所定の第２正極ユニットと、所定個数の所定の負極層と、所定個数の所定の導電性枠部材とを具備し、導電性枠部材が、その枠内に負極層を備え、かつ、隣り合う正極層と負極層とが対向するように、隣り合う正極層及び負極層を離間して接合し、かつ、第１正極ユニット及び第２正極ユニット、又は第１正極ユニット及び第２正極ユニット並びに２つの第２正極ユニットと共に電解液収容部を形成している構成とした。
そのため、集電抵抗の低減と正極側における電流密度分布の均一化を実現し得る電極構造体、これを有する空気電池の単セル構造体及び空気電池のスタック構造体を提供することができる。

図１は、第１−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。 図２は、第１−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す斜視図である。 図３は、図２に示した電極構造体のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った模式的な断面図である。 図４は、第１−２の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。 図５は、図４に示した電極構造体の模式的な断面図である。 図６は、第１−３の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。 図７は、図６に示した電極構造体の模式的な断面図である。 図８は、第２−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。 図９は、第２−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す斜視図である。 図１０は、図９に示した電極構造体のＸ−Ｘ線に沿った模式的な断面図である。 図１１は、第２−２の実施形態に係る電極構造体の要部を模式的に示す分解斜視図である。 図１２は、図１１に示した電極構造体の要部の模式的な断面図である。 図１３は、第２−３の実施形態に係る電極構造体の要部を模式的に示す分解斜視図である。 図１４は、図１３に示した電極構造体の要部の模式的な断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電極構造体、空気電池の単セル構造体及び空気電池のスタック構造体について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、説明の便宜上、略板状筐体の一方の面を「表面」、他方の面を「裏面」と記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。また、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態に係る電極構造体及び空気電池の単セル構造体について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１−１の実施形態）
図１は、第１−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。また、図２は、第１−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す斜視図である。更に、図３は、図２に示した電極構造体のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った模式的な断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態の電極構造体１は、２つの第１正極ユニット（１０，１０）と、空気電池用負極層３０と、導電性枠部材４０とを具備したものである。
そして、第１正極ユニット１０は、内部に通気空間１０ａを有し、表面１２ａと裏面１２ｂとが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体１２と、略板状筐体１２の表面１２ａの外表面１２ｃに配設された空気電池用正極層１４とを備える。
また、空気電池用負極層３０は、２つの第１正極ユニット（１０，１０）の間に配設される。
更に、導電性枠部材４０は、空気電池用負極層３０を空気電池用正極層１４と電気的に絶縁した状態で保持する。そして、導電性枠部材４０は、その枠内４０ａに空気電池用負極層３０を備え、かつ、隣り合う空気電池用正極層１４と空気電池用負極層３０とが対向するように、隣り合う空気電池用正極層１４及び空気電池用負極層３０を離間して接合し、かつ、２つの第１正極ユニット１０と共に電解液収容部Ｅを形成している。
なお、本実施形態の電極構造体１は、電解液収容部Ｅに電解液が供給されることにより、発電可能な空気電池の単セル構造体となる。

このように、相対的に厚みがあるなど大電流を通じやすい導電性枠部材を空気電池用正極層側の集電体（集電バスバー）として利用することができ、導電性枠部材が空気電池用正極層側の周囲に配設された構成としたため、集電抵抗の低減と正極側における電流密度分布の均一化を実現できる電極構造体、これを有する空気電池の単セル構造体を提供することができる。
これにより、空気電池の単セル構造体の放電時間を長くすることや、出力を向上させることができるなどの電池性能を向上させることができる。

つまり、薄板の集電体のみを適用した従来の場合においては、大電流を通じると、集電抵抗に起因するジュール熱による損失が大きくなり、電池内の電解液の温度が上昇し、それに伴い、電解液が蒸発し、更に液枯れが生じやすくなり、放電時間が短くなるという問題があった。そこで、相対的に厚みがあるなど大電流を通じやすい導電性枠部材を正極層側の集電体（集電バスバー）として利用する構成とすることにより、集電抵抗を低減することができ、電池内の電解液の温度の上昇や、それに伴う電解液の蒸発、液枯れを抑制ないし防止することができる。その結果、放電時間の長くすることができる。

また、一方向に集電する従来の場合においては、電流密度分布が不均一になり、それに伴い、電池反応が不均一になり、放電時間が短くなるという問題点があった。そこで、導電性枠部材が正極層側の周囲に配設された構成とすることにより、正極側における電流密度分布をより均一にすることができ、電池反応をより均一にすることができる。その結果、放電時間の長くすることができる。

更に、従来の場合には、発熱量を抑制するために、放電電流を抑制すると、低出力の電池になるという問題点があった。そこで、上述のような、大電流を通じた場合であっても、集電抵抗の低減と正極側における電流密度分布の均一化を実現できる電極構造体を適用すると、出力を向上させることができる。

なお、図１〜図３に示すように、本実施形態においては、略板状筐体１２が、内部に絶縁性リブ１２Ａで形成された通気空間１０ａを有し、絶縁性リブ１２Ａを挟持する多孔質金属支持板（１２Ｂ，１２Ｂ）で形成された表面１２ａ及び裏面１２ｂが電気的に絶縁された構造を有するものであることが簡易な構成で作製容易であるという観点から好ましい。

また、図１〜図３に示すように、本実施形態においては、導電性枠部材４０が、正極層側の集電体として機能する導電体から形成される枠部４２と、空気電池用負極層３０との電気的な絶縁性を担保する絶縁部４４とを備えるものであることが簡易な構成で作製容易であるという観点から好ましい。

更に、図１〜図３に示すように、本実施形態においては、導電性枠部材４０が、絶縁部４４の一部が設けられ、空気電池用負極層３０を空気電池用正極層１４と電気的に絶縁した状態で装脱可能な装脱口４０ｂを有するものであることが簡易な構成で作製容易であるという観点から好ましい。

また、図１〜図３に示すように、本実施形態においては、空気電池用負極層３０の一部が、装脱口４０ｂから突出しているものであることが所定の放電電流や放電電圧が得られなくなった場合に、残存した空気電池用負極層を脱着した後、新たな空気電池用負極層を装着して、再度放電を開始することができるという観点から好ましい。なお、図示しないが、空気電池用負極層に取り付けられた集電部材が装脱口から突出している構成としてもよい。

更に、図１〜図３に示すように、本実施形態においては、導電性枠部材４０が、第１正極ユニット（１０，１０）が嵌合する段差部（４０ｃ，４０ｃ）を有するものであることが嵌合することによって強固に接合させることができるため好ましい。
なお、段差部を有するものを適用することにより、作製に際して、第１正極ユニットと導電性枠部材の位置合わせを容易にすることができるという副次的な利点もある。

また、図示しないが、本実施形態においては、導電性枠部材が、電解液を電解液収容部に供給するための供給口と電解液を供給する際に電解液収容部内の空気などの気体や使用済みの電解液を排出するための排出口とを有するものであることが必要に応じて電解液の供給や排出が可能であるという観点から好ましい。

更に、図１〜図３に示すように、本実施形態において、導電性枠部材が、空気電池用負極層を空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で装脱可能な装脱口を有し、空気電池用負極層の一部が、装脱口から突出している構成とすると、所定の放電電流や放電電圧が得られなくなった場合に、必要に応じて残存した空気電池用負極層を脱着した後、新たな空気電池用負極層を装着して、再度放電を開始することができる。また、この際、電解液収容部に生成する場合があるスラッジを装脱口を利用して除去することもできる。

ここで、各構成について詳細に説明する。

上記第１正極ユニット１０としては、内部に絶縁性リブで形成された通気空間を有し、絶縁性リブを挟持する多孔質金属支持板で形成された表面及び裏面が電気的に絶縁された構造を有する外形形状が矩形板状である略板状筐体と、その表面の外表面（換言すれば、表面の外側のことである。）に配設された空気電池用正極層とを有するものを適用することが好適であると説明したが、これに限定されるものではない。
つまり、第１正極ユニット１０は、内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体と、略板状筐体の表面の外表面に配設された空気電池用正極層とを備えるものであれば、特に限定されるものではない。

また、上記略板状筐体１２は、内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有するものであれば、特に限定されるものではない。
例えば、略板状筐体は、空気電池用正極層を支持する機能と、空気電池用正極層に空気などの酸素含有ガスを供給し得る空気流路機能とを有するものを適用することが好ましい。なお、略板状筐体の外形形状は、矩形板状に限定されるものではなく、例えば円形板状でもよい。また、通気空間は、例えば、樹脂製などの絶縁性リブを複数分散させて配置することによって形成することができる。そして、略板状筐体は、例えば、これらを多孔質金属支持板で挟持することによって形成することができる。また、多孔質金属支持板としては、例えば、複数の微細孔を有する発泡金属板やエッチング金属板、パンチング金属板などを好適に用いることができる。

更に、上記空気電池用正極層１４は、酸素を正極活物質とするものであって、例えば、酸素の酸化還元触媒を含み、必要に応じて添加される触媒を担持する導電性の担体を含んでいるものを適用することができる。
なお、図示しないが、空気電池用正極層は、通気空間側に電解液収容部に充填される電解液の漏液を抑制ないし防止する液密通気層を有する。本実施形態においては、略板状筐体の外表面に導電性撥水層などの液密通気層（図示せず）を介して空気電池用正極層が配設されている。導電性撥水層は、電解液に対する液密性（例えば、水密性）と、酸素に対する通気性を備え、電解液が外部に漏出するのを抑制ないし防止する一方、正極への酸素供給を可能にする機能を有するものであって、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂やポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂などの撥水性多孔質樹脂と黒鉛などの導電性材料からなるものを好適に用いることができる。

そして、触媒としては、例えば、二酸化マンガンや四酸化三コバルトなどの金属酸化物、炭素（Ｃ）、更には、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属、これらの合金や酸化物などから選択することができる。

また、触媒の形状や大きさは、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒と同様の形状及び大きさを採用することができる。ただし、触媒の形状は、粒状であることが好ましく、触媒粒子の平均粒子径は、１〜３０ｎｍであることが好ましい。触媒粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。

更に、担体は、上記触媒を担持するための担体として、また、触媒と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。担体としては、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。

また、担体のサイズについても特に限定されるものではなく、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５〜２００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするとよい。

更に、担体に対する触媒の担持量については、触媒とこれを担持した担体の全量に対して、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは３０〜７０質量％である。触媒の担持量がこのような範囲内の値であると、担体上での触媒の分散度と触媒性能とのバランスが適切なものとなる。

なお、上記した触媒や、これを担持する担体の種類については、上記したものだけに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の材料を適宜使用することができることは言うまでもない。

また、上記空気電池用負極層３０は、例えば、標準電極電位が水素より卑な金属単体や、これら金属を含む合金が好適に用いられる。このような金属単体としては、例えば亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）などを挙げることができる。また、合金としてはこれらの金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものを挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の材料を適用することができる。

更に、上記導電性枠部材４０としては、正極層側の集電体として機能する導電体から形成される枠部と、空気電池用負極層との電気的な絶縁性を担保する絶縁部とを備え、絶縁部の一部が設けられ、空気電池用負極層を空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で装脱可能な装脱口を有し、更に、第１正極ユニットが嵌合する段差部を有するものを適用することが好適であると説明したが、これに限定されるものではない。
つまり、導電性枠部材４０は、空気電池用負極層３０を空気電池用正極層１４と電気的に絶縁した状態で保持し、その枠内に空気電池用負極層３０を備え、かつ、隣り合う空気電池用正極層１４と空気電池用負極層３０とが対向するように、隣り合う空気電池用正極層１４及び空気電池用負極層３０を離間して接合し、かつ、２つの第１正極ユニット１０と共に電解液を保液する電解液収容部Ｅを形成しているものであれば、特に限定されるものではない。例えば、図示しないが、本実施形態においては、導電性枠部材が、第１正極ユニットが嵌合する段差部を有することを必須としない。

また、上記枠部４２は、例えば、導電性や耐腐食性に優れた金属により形成することが好ましい。このような金属としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）やニッケルなどを好適に用いることができる。

更に、上記絶縁部４４は、例えば、絶縁性や耐腐食性に優れた樹脂やゴム、無機物により形成することが好ましい。その中でも、空気電池用負極層の保持性や電解液のシール性の観点から樹脂やゴムを適用することが好ましい。このような樹脂やゴムとしては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンなどを好適に用いることができる。また、このような無機物としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、ソーダガラスなどを好適に用いることができる。

また、上記電解液としては、例えば、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの水溶液が用いられるが、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知の電解液を適用することができる。

また、電解液の供給時期については、空気電池の単セル構造体を作動させる必要性が生じるまでは、電解液収容部を空のままの状態で保管しておき、空気電池の単セル構造体の使用に際して電解液を注入するような注液式とすることが望ましい。このような注液式とすることにより、保管中における電解液や電極の消耗や変質、劣化を避けることができ、半永久的な保管が可能となることから、非常用の予備電源として有効活用することができる。また、このとき、電解液を溶媒と電解質とに分けた状態で保管することもでき、これによって電解液タンクの材質的な制約を緩和することができるようになる。

（第１−２の実施形態）
図４は、第１−２の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。また、図５は、図４に示した電極構造体の模式的な断面図である。なお、図５は、図２に示すような外観の電極構造体において、図２と同様の位置における断面を示す。また、上記の形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図４及び図５に示すように、本実施形態の電極構造体１Ａは、導電性枠部材４０が、その枠内４０ａに電気的に接続された梁部４６を備え、梁部４６が、空気電池用正極層１４と接している構成が、上述した形態（電極構造体１）と相違している。

このように、相対的に厚みがあり、更に集電性能を向上させる梁部を有するなど大電流を通じやすい導電性枠部材を正極層側の集電体（集電バスバー）として利用することができ、導電性枠部材が正極層側の周囲に配設された構成としたため、集電抵抗の更なる低減と正極側における電流密度分布の更なる均一化を実現できる電極構造体、これを有する空気電池の単セル構造体を提供することができる。
これにより、空気電池の単セル構造体の放電時間をより長くすることや、出力をより向上させることができるなどの電池性能をより向上させることができる。

また、導電性枠部材の枠内で空気電池用負極層が保持される部分の両側に梁部が配設されると、空気電池用負極層を装着する際に装着作業が容易となるという副次的な利点もある。

なお、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、梁部４６が枠部４２と同種の材料により一体的に形成されたものであることが集電抵抗の低減という観点から好ましい。もちろん、梁部を同種又は異種の材料で別体として作製した後、枠部に接合するなどして、電気的に接続された構造としてもよい。

また、図示しないが、本実施形態においては、梁部の空気電池用負極層に対向する表面には絶縁性被膜を形成することが正極と負極との間の短絡を確実に防止できるという観点から好ましい。絶縁性被膜は、例えば、梁部の空気電池用負極層に対向する表面にのみ絶縁性樹脂をコーティングするなど従来公知の方法により形成することができる。

（第１−３の実施形態）
図６は、第１−３の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。また、図７は、図６に示した電極構造体の模式的な断面図である。なお、図６は、図２に示すような外観の電極構造体において、図２と同様の位置における断面を示す。また、上記の形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図６及び図７に示すように、本実施形態の電極構造体１Ｂは、導電性枠部材４０が、その枠内４０ａに電気的に接続された梁部４６を備え、空気電池用正極層１４が、梁部４６に応じて形成される空気電池用正極層未形成部１２ｄにより複数（本例においては４個である。）に分割して配設されており、梁部４６が、空気電池用正極層未形成部１２ｄに露出した略板状筐体１２の表面１２ａと接している構成が、上述した形態（電極構造体１Ａ）と相違している。

このように、相対的に厚みがあり、更に集電性能をより向上させる梁部を有するなど大電流を通じやすい導電性枠部材を正極層側の集電体（集電バスバー）として利用することができ、導電性枠部材が正極層側の周囲に配設された構成としたため、集電抵抗の更なる低減と正極側における電流密度分布の更なる均一化を実現できる電極構造体、これを有する空気電池の単セル構造体を提供することができる。
これにより、空気電池の単セル構造体の放電時間を更に長くすることや、出力を更に向上させることができるなどの電池性能を更に向上させることができる。

なお、図６及び図７に示すように、本実施形態においては、梁部４６が略板状筐体１２の表面１２ａ及び空気電池用正極層１４と接している構成であることが集電抵抗の低減という観点から好ましいが、これに限定されるものではない。例えば、図示しないが、梁部が略板状筐体の表面にのみ接している構成としてもよい。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る電極構造体及び空気電池のスタック構造体について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第２−１の実施形態）
図８は、第２−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す分解斜視図である。また、図９は、第２−１の実施形態に係る電極構造体を模式的に示す斜視図である。更に、図１０は、図９に示した電極構造体のＸ−Ｘ線に沿った模式的な断面図である。なお、上記の形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図８〜図１０に示すように、本実施形態の電極構造体１００は、２つの第１正極ユニット（１０，１０）と、２つの第２正極ユニット（２０，２０）と、３つの空気電池用負極層（３０，３０，３０）と、３つの導電性枠部材（４０，４０，４０）とを具備したものである。
そして、第１正極ユニット１０は、内部に通気空間１０ａを有し、表面１２ａと裏面１２ｂとが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体１２と、略板状筐体１２の表面１２ａの外表面１２ｃに配設された空気電池用正極層１４とを備える。
また、第２正極ユニット２０は、２つの第１正極ユニット（１０，１０）の間に配設され、内部に通気空間２０ａを有し、表面２２ａと裏面２２ｂとが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体２２と、略板状筐体２２の表面２２ａ及び裏面２２ｂの双方の外表面２２ｃに配設された空気電池用正極層２４とを備える。
更に、空気電池用負極層３０は、第１正極ユニット１０と第２正極ユニット２０との間及び第２正極ユニット２０同士の間に配設される。
また、導電性枠部材４０は、空気電池用負極層３０を空気電池用正極層（１４，２４）と電気的に絶縁した状態で保持する。そして、導電性枠部材４０は、その枠内に空気電池用負極層３０を備え、かつ、隣り合う空気電池用正極層（１４，２４）と空気電池用負極層３０とが対向するように、隣り合う空気電池用正極層（１４，２４）及び空気電池用負極層３０を離間して接合し、かつ、第１正極ユニット１０及び第２正極ユニット２０並びに２つの第２正極ユニット（２０，２０）と共に電解液収容部Ｅを形成している。
なお、本実施形態の電極構造体１００は、電解液収容部Ｅに電解液が供給されることにより、発電可能な空気電池のスタック構造体となる。

このように、相対的に厚みがあるなど大電流を通じやすい導電性枠部材を正極層側の集電体（集電バスバー）として利用することができ、導電性枠部材が正極層側の周囲に配設された構成としたため、集電抵抗の低減と正極側における電流密度分布の均一化を実現できる電極構造体、これを有する空気電池の単スタック構造体を提供することができる。
これにより、空気電池のスタック構造体の放電時間を長くすることや、出力を向上させることができるなどの電池性能を向上させることができる。

また、図８〜図１０においては、６つの正極と３つの負極を有する電極構造体を示したが、２つの第１正極ユニットと、少なくとも１つの第２正極ユニットと、第２正極ユニットの個数より１つ多い個数の空気電池用負極層と、空気電池用負極層の個数と同じ個数の導電性枠部材とを備え、これらが所定の積層構造を有するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、第１正極ユニット間に第２正極ユニットと空気電池用負極層を所定の位置に保持した導電性枠部材とを追加して積層配置することによって、スタック数を多くすることができることは言うまでもない。また、図示しないが、各単セルを適宜接続するだけでなく、このように第２正極ユニットと空気電池用負極層を所定の位置に保持した導電性枠部材を追加して挟み込むことにより、使用目的に応じた出力性能に調整することができる。

なお、本実施形態においては、第２正極ユニット２０の構成は、略板状筐体２２の表面２２ａ及び裏面２２ｂの双方の外表面２２ｃに空気電池用正極層２４が配設されたこと以外は、第１正極ユニット１０の構成と同様の構成とすることが簡易な構成で作製容易であるという観点から好ましい。つまり、略板状筐体２２と略板状筐体１２、空気電池用正極層２４と空気電池用正極層１４とは同様の構成とすることが好ましい。もちろん、電極構造体における配置位置に応じて、仕様や細部形状を変更してもよい。

また、図示しないが、本実施形態においても、空気電池用負極層に取り付けられた集電部材が装脱口から突出している構成としてもよい。

更に、図示しないが、本実施形態においても、導電性枠部材が、電解液を電解液収容部に供給するための供給口と電解液を供給する際に電解液収容部内の空気などの気体や使用済みの電解液を排出するための排出口とを有するものであることが必要に応じて電解液の供給や排出が可能であるという観点から好ましい。

また、図示しないが、本実施形態においても、導電性枠部材が、第１正極ユニットや第２正極ユニットが嵌合する段差部を有することを必須としない。

（第２−２の実施形態）
図１１は、第２−２の実施形態に係る電極構造体の要部を模式的に示す分解斜視図である。また、図１２は、図１１に示した電極構造体の要部の模式的な断面図である。なお、図１２は、図９に示すような外観の電極構造体において、図９と同様の位置における断面を示す。また、上記の形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図１１及び図１２に示すように、本実施形態の電極構造体の要部１０１は、導電性枠部材４０が、その枠内４０ａに電気的に接続された梁部４６を備え、梁部４６が、空気電池用正極層２４と接している構成が、上述した形態（電極構造体１００）と相違している。
なお、図示しないが、本実施形態においては、第１正極ユニットの空気電池用正極と梁部とが接している構成であることが好ましい。

このように、相対的に厚みがあり、更に集電性能を向上させる梁部を有するなど大電流を通じやすい導電性枠部材を正極層側の集電体（集電バスバー）として利用することができ、導電性枠部材が正極層側の周囲に配設された構成としたため、集電抵抗の更なる低減と正極側における電流密度分布の更なる均一化を実現できる電極構造体、これを有する空気電池のスタック構造体を提供することができる。
これにより、空気電池のスタック構造体の放電時間をより長くすることや、出力をより向上させることができるなどの電池性能をより向上させることができる。

また、導電性枠部材の枠内で空気電池用負極層が保持される部分の両側に梁部が配設されると、空気電池用負極層を装着する際に装着作業が容易となるという副次的な利点もある。

なお、特に限定されるものではないが、本実施形態においても、梁部４６が枠部４２と同種の材料により一体的に形成されたものであることが集電抵抗の低減という観点から好ましい。もちろん、梁部を同種又は異種の材料で別体として作製した後、枠部に接合するなどして、電気的に接続された構造としてもよい。

また、図示しないが、本実施形態においても、梁部の空気電池用負極層に対向する表面には絶縁性被膜を形成することが正極と負極との間の短絡を確実に防止できるという観点から好ましい。絶縁性被膜は、例えば、梁部の空気電池用負極層に対向する表面にのみ絶縁性樹脂をコーティングするなど従来公知の方法により形成することができる。

（第２−３の実施形態）
図１３は、第２−３の実施形態に係る電極構造体の要部を模式的に示す分解斜視図である。また、図１４は、図１３に示した電極構造体の要部の模式的な断面図である。なお、図１３は、図９に示すような外観の電極構造体において、図９と同様の位置における断面を示す。また、上記の形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図１３及び図１４に示すように、本実施形態の電極構造体の要部１０２は、導電性枠部材４０が、その枠内４０ａに電気的に接続された梁部４６を備え、空気電池用正極層２４が、梁部４６に応じて形成される空気電池用正極層未形成部２２ｄにより複数（本例においては４個である。）に分割して配設されており、梁部４６が、空気電池用正極層未形成部２２ｄに露出した略板状筐体２２の表面２２ａと接している構成が、上述した形態（電極構造体１０１）と相違している。
なお、図示しないが、本実施形態においても、第１正極ユニットの空気電池用正極と梁部とが接している構成であることが好ましい。

このように、相対的に厚みがあり、更に集電性能をより向上させる梁部を有するなど大電流を通じやすい導電性枠部材を正極層側の集電体（集電バスバー）として利用することができ、導電性枠部材が正極層側の周囲に配設された構成としたため、集電抵抗の更なる低減と正極側における電流密度分布の更なる均一化を実現できる電極構造体、これを有する空気電池のスタック構造体を提供することができる。
これにより、空気電池のスタック構造体の放電時間を更に長くすることや、出力を更に向上させることができるなどの電池性能を更に向上させることができる。

なお、図１３及び図１４に示すように、本実施形態においても、梁部４６が略板状筐体２２の表面２２ａ及び空気電池用正極層２４と接している構成であることが集電抵抗の低減という観点から好ましいが、これに限定されるものではない。例えば、図示しないが、梁部が略板状筐体の表面にのみ接している構成としてもよい。

以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、図示しないが、第１の実施形態に係る電極構造体を複数組み合わせることにより、空気電池のスタック構造体とすることもできる。

また、例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、各実施形態に限定されるものではなく、例えば、第１正極ユニット、第２正極ユニット、空気電池用負極層及び導電性枠部材の構成の細部や、これらの接合状態を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることもできる。

１，１Ａ，１Ｂ 電極構造体（空気電池の単セル構造体）
１０ 第１正極ユニット
１０ａ，２０ａ 通気空間
１２，２２ 略板状筐体
１２ａ，２２ａ 表面
１２ｂ，２２ｂ 裏面
１２ｃ，２２ｃ 外表面
１２ｄ，２２ｄ 空気電池用正極層未形成部
１２Ａ，２２Ａ 絶縁性リブ
１２Ｂ，２２Ｂ 多孔質金属支持板
１４，２４ 空気電池用正極層
２０ 第２正極ユニット
３０ 空気電池用負極層
４０ 導電性枠部材
４０ａ 枠内
４０ｂ 装脱口
４０ｃ 段差部
４２ 枠部
４４ 絶縁部
４６ 梁部
１００ 電極構造体（空気電池のスタック構造体）
１０１，１０２ 電極構造体の要部
Ｅ 電解液収容部

Claims (10)

1. 内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体と、該略板状筐体の表面及び裏面の少なくとも一方の外表面に配設された空気電池用正極層と、を備えた２つの第１正極ユニットと、
   上記２つの第１正極ユニットの間に配設された空気電池用負極層と、
   上記空気電池用負極層を上記空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で保持する導電性枠部材と、を具備し、
   上記導電性枠部材が、その枠内に上記空気電池用負極層を備え、かつ、隣り合う上記空気電池用正極層と該空気電池用負極層とが対向するように、隣り合う該空気電池用正極層及び該空気電池用負極層を離間して接合し、かつ、上記２つの第１正極ユニットと共に電解液収容部を形成している
   ことを特徴とする電極構造体。
2. 上記導電性枠部材が、その枠内に電気的に接続された梁部を備え、
   上記梁部が、上記空気電池用正極層と接している
   ことを特徴とする請求項１に記載の電極構造体。
3. 上記導電性枠部材が、その枠内に電気的に接続された梁部を備え、
   上記空気電池用正極層が、上記梁部に応じて形成される空気電池用正極層未形成部により複数に分割して配設されており、
   上記梁部が、上記空気電池用正極層未形成部に露出した上記略板状筐体の表面及び裏面の少なくとも一方と接している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電極構造体。
4. 上記導電性枠部材が、上記空気電池用負極層を上記空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で装脱可能な装脱口を有し、
   上記空気電池用負極層の一部が、上記装脱口から突出している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の電極構造体。
5. 内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体と、該略板状筐体の表面及び裏面の少なくとも一方の外表面に配設された空気電池用正極層と、を備えた２つの第１正極ユニットと、
   上記２つの第１正極ユニットの間に配設され、内部に通気空間を有し、表面と裏面とが電気的に絶縁された構造を有する略板状筐体と、該略板状筐体の表面及び裏面の双方の外表面に配設された空気電池用正極層と、を備えた少なくとも１つの第２正極ユニットと、
   上記第１正極ユニットと上記第２正極ユニットとの間、又は上記第１正極ユニットと上記第２正極ユニットとの間及び上記第２正極ユニット同士の間に配設され、上記第２正極ユニットの個数より１つ多い個数の空気電池用負極層と、
   上記空気電池用負極層を上記空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で保持する該空気電池用負極層の個数と同じ個数の導電性枠部材と、を具備し、
   上記導電性枠部材が、その枠内に上記空気電池用負極層を備え、かつ、隣り合う上記空気電池用正極層と該空気電池用負極層とが対向するように、隣り合う該空気電池用正極層及び該空気電池用負極層を離間して接合し、かつ、上記第１正極ユニット及び上記第２正極ユニット、又は上記第１正極ユニット及び上記第２正極ユニット並びに上記２つの第２正極ユニットと共に電解液収容部を形成している
   ことを特徴とする電極構造体。
6. 上記導電性枠部材が、その枠内に電気的に接続された梁部を備え、
   上記梁部が、上記空気電池用正極層と接している
   ことを特徴とする請求項５に記載の電極構造体。
7. 上記導電性枠部材が、その枠内に電気的に接続された梁部を備え、
   上記空気電池用正極層が、上記梁部に応じて形成される空気電池用正極層未形成部により複数に分割して配設されており、
   上記梁部が、上記空気電池用正極層未形成部に露出した上記略板状筐体の表面及び裏面の少なくとも一方と接している
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の電極構造体。
8. 上記導電性枠部材が、上記空気電池用負極層を上記空気電池用正極層と電気的に絶縁した状態で装脱可能な装脱口を有し、
   上記空気電池用負極層の一部が、上記装脱口から突出している
   ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つの項に記載の電極構造体。
9. 請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の電極構造体を有することを特徴とする空気電池のスタック構造体。
10. 請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の電極構造体を有することを特徴とする空気電池の単セル構造体。

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