JP2022149943A - セル - Google Patents
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Abstract
【課題】性能を向上することができるセルを提供する。【解決手段】セルは、電解質層と、第１電極層および第２電極層とを備える。電解質層は、イオン伝導性を有する第１電解質を含有する。第１電極層および第２電極層は、電解質層を挟んで対向する。第１電極層は、金属水酸化物と、電子伝導体と、イオン伝導性を有する第２電解質とを含有する。第２電極層は、撥水性を有する。【選択図】図１
Description
開示の実施形態は、セルに関する。
従来、単一のセルで水電解と発電とを可逆的に切り替える技術が提案されている。
しかしながら、例えば、水電解に要する電圧や発電電圧など、性能の向上の面で改善の余地があった。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、性能を向上することができるセルを提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係るセルは、電解質層と、第１電極層および第２電極層とを備える。電解質層は、イオン伝導性を有する第１電解質を含有する。第１電極層および第２電極層は、電解質層を挟んで対向する。第１電極層は、金属水酸化物と、電子伝導体と、イオン伝導性を有する第２電解質とを含有する。第２電極層は、撥水性を有する。
実施形態の一態様によれば、性能を向上することができるセルが提供可能となる。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するセルの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係るセルの概略を示す図である。図１に示すように、セル１は、対向する第１面および第２面を有する電解質層４、電解質層４の第１面に位置する第１電極層３、第１電極層３上に位置する第１集電体２、電解質層４の第２面に位置する第２電極層５、および第２電極層５上に位置する第２集電体６を備える。
図１は、第１の実施形態に係るセルの概略を示す図である。図１に示すように、セル１は、対向する第１面および第２面を有する電解質層４、電解質層４の第１面に位置する第１電極層３、第１電極層３上に位置する第１集電体２、電解質層４の第２面に位置する第２電極層５、および第２電極層５上に位置する第２集電体６を備える。
電解質層４は、イオン伝導性を有する第１電解質を含有する。イオン伝導性を有する第１電解質としては、例えば、固体高分子電解質、高分子ゲル電解質、無機固体電解質などを使用することができる。固体高分子電解質としては、例えば、水酸化物イオン（ＯＨ－）伝導性を有する電解質、すなわちアルカリ性の電解質であるアルカリイオン交換樹脂（膜）、キトサンなどを使用することができる。
また、例えば、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する電解質、すなわち酸性の電解質であるナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸系の材料などを使用してもよい。また、電解質層４は水を含有してもよい。なお、電解質層４は緻密質であり、第１面と第２面との間で水素（Ｈ２）などの気体を基本的に通さない。電解質層４は、さらにバインダを含有してもよい。
第１電極層３は、活物質として金属水酸化物、例えば水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）を含有する。また、第１電極層３は、オキシ水酸化金属、例えばオキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）を含有してもよい。また、第１電極層３は、金属水酸化物およびオキシ水酸化金属の両方を含有してもよい。金属水酸化物、オキシ水酸化金属の金属としては、ニッケル（Ｎｉ）のほか、例えばコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等が挙げられる。このうち、特にＮｉの水酸化物は、第１電極層３の活物質として用いると高い電池性能を得ることができ、第１電極層３の活物質として好ましい。
第１電極層３は、電子伝導体を含有する。電子伝導体としては、例えば、導電性を有する炭素材料、無機化合物材料、金属材料などの電子伝導性材料を使用することができる。電子伝導体は、第１電極層３内に粒子として分散していてもよいし、多孔質の構造を有していてもよい。また、電子伝導体は、活物質の表面を被覆していてもよい。炭素材料としては、例えばカーボンブラックなどを用いてもよい。電子伝導体は、炭素材料に限らず、酸、アルカリに侵されにくい導電性の無機化合物材料、金属材料などを用いてもよい。電子伝導体は、第１電極層３として用いたときに水の電解を起こしにくく、活物質である水酸化物金属の反応に影響が少ない性質を有していてもよい。
また、第１電極層３は、イオン伝導性を有する第２電解質を含有する。電解質としては、電解質層４に含まれる第１電解質と同じものを使用してもよいし、第１電解質とは異なる電解質を使用してもよい。また、第１電極層３に含まれる第２電解質は、電解質層４に含まれる第１電解質と共通する性質（プロトン伝導性または水酸化物イオン伝導性）を有していてもよい。第１電極層３は、第２電解質として固体高分子電解質（ionomer）が分散した電解質分散液（ionomer solution）を含有してもよい。なお、水酸化物イオン伝導性の第２電解質を用いると、例えば水酸化ニッケルなどの酸に侵されやすい活物質でも腐食しにくくなる。
第２電解質の具体例としては、例えばナフィオン（登録商標）、ゼオライト、層状プロトン伝導性ナノ粒子などのプロトン伝導性材料、およびアルカリイオン交換樹脂、キトサン、層状複水酸化物（LDH：Layered Double Hydroxide）などの水酸化物イオン伝導性材料が挙げられる。層状プロトン伝導性ナノ粒子としては、例えば数ｎｍ程度の粒径を有するＧＤＣ（Gd-Doped Ceria）、ＳＤＣ（Sm-Doped Ceria）、ＹＳＺ（Yttria-Stabilized Zirconia）、ＴｉＯ２（チタニア）などが挙げられる。ＬＤＨとしては、例えばＭｇ（マグネシウム）－Ａｌ（アルミニウム）系層状複水酸化物（Ｍｇ－ＡｌＣＯ３
２－）などが挙げられる。第１電極層３は、さらにバインダを含有してもよい。
また、第１電極層３は、水を含有してもよい。第１電極層３に含まれる水は、第２電解質として水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの塩基、または塩酸（ＨＣｌ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）等の酸を含有する水系電解液であってもよい。
第１集電体２は、例えば、ステンレス鋼など、緻密質の金属材料である。第１集電体２の材料は、電子伝導性を有し、酸またはアルカリおよび水に対し耐久性を有する金属であればよい。第１集電体２の形状は、例えば、板状または柱状であってもよい。また、表面を例えば耐食性の高いＰｔなどでメッキ処理した金属材料を第１集電体２としてもよい。
第２電極層５は、電極触媒を含有する。電極触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を使用することができる。電解質層４が水酸化物イオン伝導性の第１電解質を含む場合は、電極触媒として鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）を含む材料または炭素系材料を使用してもよい。また、第２電極層５は、撥水性を有する。第２電極層５が撥水性を有することにより、例えば、第２集電体６への水の進入が抑えられる。すなわち、第２電極層５は、全体にわたる撥水性を必ずしも要さず、例えば、第２集電体６に近い一部にのみ撥水性が付与されていてもよい。第２電極層５は、撥水性を付与するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ＝テフロン（登録商標））、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、などを含有してもよい。これらを含有することで第２電極層５に充分な撥水性を付与することができる。撥水性を有する第２電極層については、例えば特許文献１、特開２０１２－０４１５７８などに記載されている。
第２電極層５は、さらに第１電極層３に含まれるような電子伝導性材料を含有してもよい。第２電極層５は、電極触媒および撥水材料の混合物であってもよいし、電極触媒層、撥水材料層などの積層体であってもよい。第２電極層５として、例えば電子伝導性を有するカーボンペーパー上に上記のような撥水性材料を塗布し、さらにその上に電極触媒をスプレーし、積層構造を形成してもよい。
第２集電体６は、例えば金属メッシュ材料、貫通孔を有する金属板、金属粉末を焼成した多孔質金属など、ガス透過性を有する金属材料である。第２集電体６の材料は、電子伝導性を有し、水、水素および空気に対し耐久性を有する金属であればよい。第２集電体６の材料は、具体的には例えばチタン、ステンレス鋼などを用いることができる。第２集電体６の形状は、例えば、板状または柱状であってもよい。また、表面を例えば耐食性の高いＰｔなどでメッキ処理した金属材料を第２集電体６としてもよい。
ここで、セル１における電極反応について、電解質としてＯＨ－伝導性のアルカリ性電解質を適用したセル１を例に挙げて説明する。充電時における第１電極層３および第２電極層５での反応式はそれぞれ、以下のとおりである。
第１電極層：Ｎｉ（ＯＨ）２ ＋ ＯＨ－ → ＮｉＯＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ ＋ ｅ－
０．５２Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ：標準水素電極）
第２電極層：Ｈ２Ｏ ＋ ｅ－ → １／２Ｈ２ ＋ＯＨ－
－０．８３Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ：標準水素電極）
０．５２Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ：標準水素電極）
第２電極層：Ｈ２Ｏ ＋ ｅ－ → １／２Ｈ２ ＋ＯＨ－
－０．８３Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ：標準水素電極）
このように、充電時には、第２電極層５で水素が生成する。これにより、セル１は、水素生成装置として利用することができる。
また、充電時には、第１電極層３で水が生成するが、酸素はＮｉ（ＯＨ）２と反応してＮｉＯＯＨを生成し、酸素ガスは生成しない。このため、本実施形態に係るセル１は、酸素が発生する水電解セルと比較して電解電圧が低下する。これにより、本実施形態に係るセル１によれば、性能を向上することができる。
一方、放電（発電）時には、上記した反応式とは逆方向に反応が進行する。すなわち、第２電極層５は、外部から供給された水素を利用して発電する。これにより、セル１は、燃料電池として利用することができる。
また、放電時には、第１電極層３でＮｉＯＯＨが酸化されてＮｉ（ＯＨ）２を生成するが、酸素ガスは反応に寄与しない。このため、本実施形態に係るセル１は、酸素ガスを利用して発電する燃料電池と比較して発電電圧が上昇する。これにより、本実施形態に係るセル１によれば、性能を向上することができる。ＯＨ－伝導性のアルカリ性電解質を適用したセル１では、第１電極層３がアルカリ性の環境下にあり、活物質が酸に侵されないため、良好な性能を維持できる。
なお、電解質としてプロトン伝導性の酸性電解質を適用したセル１では、充電時における第１電極層３および第２電極層５での反応式はそれぞれ、以下のとおりである。
第１電極層：Ｎｉ（ＯＨ）２ → ＮｉＯＯＨ ＋ Ｈ＋ ＋ ｅ－
第２電極層：Ｈ＋ ＋ ｅ－ → １／２Ｈ２
第１電極層：Ｎｉ（ＯＨ）２ → ＮｉＯＯＨ ＋ Ｈ＋ ＋ ｅ－
第２電極層：Ｈ＋ ＋ ｅ－ → １／２Ｈ２
図１に示すセル１は、蓄電・水素発生装置として可逆的に使用することができる。図２は、第１の実施形態に係るセルを備える蓄電・水素発生装置の概略を示す図である。
図２に示すように、蓄電・水素発生装置１０は、セル１と、水槽７と、水素ガス流路８と、リード線９ａ，９ｂとを備える。
水槽７は、水または電解液で満たされている。電解液としては、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等の塩基を含む溶液、塩酸（ＨＣｌ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）等の酸を含む溶液を使用することができる。電解液は、第２電解質の性質（プロトン伝導性または水酸化物イオン伝導性）に応じ、適宜選択できる。第１電極層３および電解質層４の内部は、水槽７に面することにより湿潤している。水槽７の内部は、加圧されてもよい。水槽７の内部を適度に加圧することにより、例えば、セル１における電極反応が促進される。水槽７は、水または電解液を水槽７に供給、または水槽７から排出する水路と接続されていてもよい。
水電解モードでは、リード線９ａ，９ｂを介して第１集電体２および第２集電体６に電圧を印加する。その結果、第２電極層５で発生した水素ガスは、水素ガス流路８から外部へ排出される。
一方、発電モードでは、外部から水素ガス流路８を介して供給される水素ガスを利用して発電する。第１電極層３および電解質層４で生成された余剰な水は、水槽７に排出され、第１電極層３および電解質層４の内部は適度な湿潤状態を維持することができる。
＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態に係るセルの概略を示す図である。図３に示すように、セル１Ａは、第１電極層３および電解質層４に代えて、第１電極層１３および電解質層１４を備える点で第２の実施形態に係るセル１と相違する。
図３は、第２の実施形態に係るセルの概略を示す図である。図３に示すように、セル１Ａは、第１電極層３および電解質層４に代えて、第１電極層１３および電解質層１４を備える点で第２の実施形態に係るセル１と相違する。
電解質層１４は第１電解質としてイオン伝導性を有する固体電解質を含有する。電解質層１４は、多孔質の固体電解質を含有してもよいし、固体電解質の粉末を圧縮成形した圧粉体を含有してもよい。
電解質層１４が含有する固体電解質としては、固体高分子電解質、無機固体電解質などを使用することができる。固体高分子電解質としては、例えば、水酸化物イオン（ＯＨ－）伝導性を有する電解質、すなわちアルカリ性の電解質であるアルカリイオン交換樹脂（膜）、キトサンなどを使用することができる。また、例えば、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する電解質、すなわち酸性の電解質であるナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸系の材料などを使用してもよい。
無機固体電解質としては、例えば、水酸化物イオン（ＯＨ－）伝導性を有する層状複水酸化物（LDH：Layered Double Hydroxide）、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有するゼオライト、層状プロトン伝導性ナノ粒子などを使用することができる。
多孔質の固体電解質は、細孔を有している。固体電解質の圧粉体は、粒子間に空隙を有している。電解質層１４は、このような細孔または空隙の内部に、水または電解液を有している。電解質層１４は、細孔または空隙の内部に、水または電解液を有することにより、第１面と第２面との間で水素（Ｈ２）などの気体を基本的に通さない。電解質層１４は、さらにバインダを含有してもよい。
第１電極層１３は、活物質として金属水酸化物、例えば水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）を含有する。また、第１電極層１３は、オキシ水酸化金属、例えばオキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）を含有してもよい。また、第１電極層１３は、金属水酸化物およびオキシ水酸化金属の両方を含有してもよい。金属水酸化物、オキシ水酸化金属の金属としては、第１の実施形態で挙げたものと同じものを使用できる。
第１電極層１３は、電子伝導体を含有する。電子伝導体としては、例えば、導電性を有する炭素材料、無機化合物材料、金属材料などの電子伝導性材料を使用することができる。電子伝導体は、第１電極層３内に粒子として分散していてもよいし、多孔質の構造を有していてもよい。また、電子伝導体は、活物質の表面を被覆していてもよい。炭素材料、無機化合物材料、金属材料としては、第１の実施形態で挙げたものと同じものを使用できる。
また、第１電極層１３は、イオン伝導性を有する第２電解質を含有する。第２電解質としては、電解質層１４に含まれる固体電解質と同じものを使用してもよいし、固体電解質とは異なる電解質を使用してもよい。また、第１電極層１３に含まれる第２電解質は、電解質層１４に含まれる固体電解質と共通する特性（プロトン伝導性または水酸化物イオン伝導性）を有していてもよい。第２電解質としては、第１の実施形態で挙げたものと同じものを使用できる。第１電極層１３は、さらにバインダを含有してもよい。
また、第１電極層１３は、水を含有してもよい。第１電極層１３に含まれる水は、第２電解質として水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの塩基、または塩酸（ＨＣｌ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）などの酸を含有する水系電解液であってもよい。第１電極層１３に含まれる水が、電解質の細孔、または第１電極層１３を構成する活物質、電子伝導体、電解質の間に存在することにより、第１電極層１３は、イオン伝導性を有することとなる。
このように構成されたセル１Ａであっても、充電時には、第２電極層５で水素が生成する。これにより、セル１Ａは、水素生成装置として利用することができる。
また、充電時には、第１電極層１３で水が生成するが、酸素はＮｉ（ＯＨ）２と反応してＮｉＯＯＨを生成し、酸素ガスは生成しない。このため、本実施形態に係るセル１Ａは、酸素が発生する水電解セルと比較して電解電圧が低下する。これにより、本実施形態に係るセル１Ａによれば、性能を向上することができる。
一方、放電（発電）時には、第２電極層５は、外部から供給された水素を利用して発電する。これにより、セル１Ａは、燃料電池として利用することができる。
また、放電時には、第１電極層１３でＮｉＯＯＨが酸化されてＮｉ（ＯＨ）２を生成するが、酸素ガスは反応に寄与しない。このため、本実施形態に係るセル１Ａは、酸素ガスを利用して発電する燃料電池と比較して発電電圧が上昇する。これにより、本実施形態に係るセル１Ａによれば、性能を向上することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、図２に示す蓄電・水素発生装置１０が有するセル１に代えて、図３に示すセル１Ａを適用してもよい。かかる場合、例えば、図２に示す水槽７には、水を満たせばよい。
また、蓄電・水素発生装置１０は、セル１またはセル１Ａに代えて、複数のセル１またはセル１Ａを積層したセルスタックを備えてもよい。
以上のように、実施形態に係るセル１は、電解質層４と、第１電極層３および第２電極層５とを備える。電解質層４は、イオン伝導性を有する第１電解質を含有する。第１電極層３および第２電極層５は、電解質層４を挟んで対向する。第１電極層３は、金属水酸化物と、電子伝導体と、イオン伝導性を有する第２電解質とを含有する。第２電極層５は、撥水性を有する。これにより、セル１の性能を向上することができる。
また、実施形態に係る第１電解質および第２電解質は、水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質を含有する。これにより、セル１の性能を向上することができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本開示のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１，１Ａ セル
２ 第１集電体
３，１３ 第１電極層
４，１４ 電解質層
５ 第２電極層
６ 第２集電体
７ 水槽
１０ 蓄電・水素発生装置
２ 第１集電体
３，１３ 第１電極層
４，１４ 電解質層
５ 第２電極層
６ 第２集電体
７ 水槽
１０ 蓄電・水素発生装置
Claims (7)
- イオン伝導性を有する第１電解質を含有する電解質層と、
該電解質層を挟んで対向する第１電極層および第２電極層と
を備え、
前記第１電極層は、金属水酸化物と、電子伝導体と、イオン伝導性を有する第２電解質とを含有し、
前記第２電極層は、撥水性を有する
セル。 - 前記第１電解質および前記第２電解質は、水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質を含有する
請求項１に記載のセル。 - 前記第１電解質および前記第２電解質は、多孔質の固体電解質を含有する
請求項１または２に記載のセル。 - 前記金属水酸化物は、水酸化ニッケルを含む
請求項１～３のいずれか１つに記載のセル。 - 前記電解質層および前記第１電極層は、水を含有する
請求項１～４のいずれか１つに記載のセル。 - 前記第２電極層は、充電により水素を生成する
請求項１～５のいずれか１つに記載のセル。 - 前記第２電極層は、水素を消費して放電する
請求項１～６のいずれか１つに記載のセル。
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2021052303A JP2022149943A (ja) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | セル |
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|---|---|---|---|
| JP2021052303A Pending JP2022149943A (ja) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | セル |
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2021
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2022
- 2022-03-24 WO PCT/JP2022/014063 patent/WO2022203011A1/ja active Application Filing
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022203011A1 (ja) | 2022-09-29 |
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