JP5515028B2 - Reversible fuel cell and reversible fuel cell module - Google Patents

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Description

本発明は、充電時に供給される電気エネルギーを化学エネルギーとして貯蔵し、貯蔵した化学エネルギーを、電気エネルギーに再変換して利用することができるリバーシブル燃料電池と、これを用いた、リバーシブル燃料電池システム、リバーシブル燃料電池モジュール、および、リバーシブル燃料電池バンクとに関する。   The present invention relates to a reversible fuel cell that can store electric energy supplied at the time of charging as chemical energy, re-convert the stored chemical energy into electric energy, and a reversible fuel cell system using the same. The present invention relates to a reversible fuel cell module and a reversible fuel cell bank.

二次電池および燃料電池は、高効率でクリーンなエネルギー源である。近年、世界的に、このような二次電池および燃料電池を電源とする、電気自動車、燃料電池自動車、電車の開発が進んでいる。   Secondary batteries and fuel cells are highly efficient and clean energy sources. In recent years, electric vehicles, fuel cell vehicles, and trains using such secondary batteries and fuel cells as power sources have been developed worldwide.

燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有する、環境負荷の少ない電源として注目されている。従来、開発および実用化されている燃料電池は、例えば、固体高分子型燃料電池、アルカリ電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、および固体酸化物型燃料電池を含む。   The fuel cell is attracting attention as a power source having high energy conversion efficiency and low environmental load. Conventionally developed and commercialized fuel cells include, for example, solid polymer fuel cells, alkaline electrolyte fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells. .

燃料電池は、蓄電することはできない。しかし、燃料電池と、水の電気分解による水素製造装置等とを組み合わせることによって、一種の電力貯蔵システムを構築することは可能である。このような電力貯蔵システムは、リバーシブル燃料電池と呼ばれている(特許文献1および特許文献2を参照)。このような、燃料電池と水の電気分解装置とを組み合わせたリバーシブル燃料電池では、発電していないときには、自然エネルギーあるいは夜間電力を用いた、発電の逆反応である水の電気分解が行われる。これにより、この発電システムは、自らの燃料を製造する。   The fuel cell cannot store electricity. However, it is possible to construct a kind of power storage system by combining a fuel cell and a hydrogen production apparatus by electrolysis of water. Such a power storage system is called a reversible fuel cell (see Patent Document 1 and Patent Document 2). In such a reversible fuel cell in which a fuel cell and a water electrolyzer are combined, electrolysis of water, which is a reverse reaction of power generation, is performed using natural energy or night power when power is not generated. Thereby, this power generation system manufactures its own fuel.

一方、二次電池は、電動工具等の大電流放電を必要とする電気および電子機器用の電源として用いられている。特に、最近では、エンジンおよび電池で駆動されるハイブリッド自動車用の電池として、ニッケル水素二次電池およびリチウムイオン二次電池が注目されている。   On the other hand, the secondary battery is used as a power source for electric and electronic devices that require large current discharge such as electric tools. In particular, recently, nickel hydride secondary batteries and lithium ion secondary batteries have attracted attention as batteries for hybrid vehicles driven by engines and batteries.

通常の二次電池は、電気エネルギーの供給を受けることにより充電され、電気を蓄えることができる。しかし、電源がなければ、二次電池を充電することはできない。このため、二次電池は、十分な利便性を有していない。そこで、特許文献3には、ガスを用いた充電ができる二次電池が開示されている。また、特許文献4には、正極活物質に水酸化マンガンを使用し、負極活物質に水素吸蔵合金を使用した、燃料電池と二次電池を組み合わせた新たなタイプの燃料電池が開示されている。   A normal secondary battery is charged by receiving supply of electric energy and can store electricity. However, the secondary battery cannot be charged without a power source. For this reason, the secondary battery does not have sufficient convenience. Therefore, Patent Document 3 discloses a secondary battery that can be charged using gas. Patent Document 4 discloses a new type of fuel cell in which a fuel cell and a secondary battery are combined using manganese hydroxide as a positive electrode active material and a hydrogen storage alloy as a negative electrode active material. .

特許文献5および6では、電池の冷却方法が提案されている。すなわち、電池ケースの表面に設けられた突起によって、熱を効率よく放散すること、を含む冷却方法が提案されている。さらに、穴の開いた金属板を組電池の間に設けること、および、この穴に冷却空気を流すこと、を含む冷却方法が提案されている。   Patent Documents 5 and 6 propose a battery cooling method. That is, a cooling method including efficiently dissipating heat by a protrusion provided on the surface of the battery case has been proposed. Furthermore, a cooling method has been proposed which includes providing a metal plate with a hole between the assembled batteries and flowing cooling air through the hole.

特開2002−348694号公報JP 2002-348694 A 特開2005−65398号公報JP 2005-65398 A 特開2010−15729号公報JP 2010-15729 A 特開2010−15783号公報JP 2010-15783 A 特開2009−016285号公報JP 2009-016285 A 特開2003−007355号公報JP 2003-007355 A

二次電池は、蓄電することが可能である。しかし、負極及び正極の活物質の量は、電池の容積に依存する。このため、電池に蓄えることのできる電気容量には限界がある。ニッケル水素二次電池は、活物質の重量に対して貯蔵することのできる還元物質および酸化物質の重量の割合(重量比)は、小さい。例えば、ミッシュメタルニッケル合金を含むAB5型水素吸蔵合金に貯蔵することができる水素の重量比は、1.2重量%程度である。このため、二次電池は、エネルギー密度を大幅に高めることは困難である。   The secondary battery can store electricity. However, the amount of the negative electrode and the positive electrode active material depends on the volume of the battery. For this reason, there is a limit to the electric capacity that can be stored in the battery. In the nickel metal hydride secondary battery, the ratio (weight ratio) of the weight of the reducing substance and the oxidizing substance that can be stored with respect to the weight of the active material is small. For example, the weight ratio of hydrogen that can be stored in an AB5 type hydrogen storage alloy including a misch metal nickel alloy is about 1.2% by weight. For this reason, it is difficult for the secondary battery to significantly increase the energy density.

一方、燃料電池は、外部から供給される水素ガスあるいは酸素ガスを用いて発電(放電)する。このため、燃料電池は、二次電池に生じるような、エネルギー密度の限界に関する問題は生じない。一般に、燃料電池を使用するためには、電極部分に、水素ガスおよび酸素ガスを供給するための装置あるいは部材を必要とする。また、負荷変動に対する燃料電池の追従性は、二次電池に劣る。このため、車両のような負荷変動の大きい装置の電源として、燃料電池だけを用いることは、困難である。通常、燃料電池は、二次電池あるいはキャパシタなどの蓄電装置とともに使用される。また、燃料電池の反応場は、固体(電極)と液体(電解液)と気体(水素ガス、酸素ガス)の3つの相が接している極めて小さな界面である。このため、燃料電池の出力特性は、二次電池より劣る。出力特性を改善するために、触媒として白金を用いる手法もある。しかしながら、この手法にはコストがかかる。 On the other hand, the fuel cell generates power (discharges) using hydrogen gas or oxygen gas supplied from the outside. For this reason, the fuel cell does not have a problem related to the limit of energy density as occurs in the secondary battery. In general, in order to use a fuel cell, a device or member for supplying hydrogen gas and oxygen gas to an electrode portion is required . Further, the followability of the fuel cell with respect to the load fluctuation is inferior to that of the secondary battery. For this reason, it is difficult to use only a fuel cell as a power source of a device having a large load fluctuation such as a vehicle. Normally, a fuel cell is used with a power storage device such as a secondary battery or a capacitor. The reaction field of the fuel cell is an extremely small interface where three phases of solid (electrode), liquid (electrolyte), and gas (hydrogen gas, oxygen gas) are in contact. For this reason, the output characteristics of the fuel cell are inferior to those of the secondary battery. In order to improve output characteristics, there is also a technique using platinum as a catalyst. However, this approach is costly.

さらに、水素製造装置(例えば特許文献1)から取り出されるガスは、水素と酸素との比率が2:1となる酸水素ガスである。このため、安全性の確保に注意が必要となる。   Furthermore, the gas taken out from the hydrogen production apparatus (for example, Patent Document 1) is oxyhydrogen gas in which the ratio of hydrogen to oxygen is 2: 1. Therefore, care must be taken to ensure safety.

特許文献3に開示されている二次電池は、ガス供給を受けることによって、燃料電池のように放電することができる。このため、この二次電池は通常の二次電池のように電気容量が活物質の量に制限されることはない。しかし、電極部分に水素ガスおよび酸素ガスを供給するための、装置あるいは部材が必要となる。   The secondary battery disclosed in Patent Document 3 can be discharged like a fuel cell by receiving gas supply. For this reason, the electric capacity of the secondary battery is not limited by the amount of the active material unlike a normal secondary battery. However, an apparatus or member for supplying hydrogen gas and oxygen gas to the electrode portion is required.

特許文献4に開示されている「燃料電池蓄電池」は、独立して設けられたガス貯蔵室からガスの供給を受けて、発電(放電)する。このため、電極部分に水素ガスおよび酸素ガスを供給するための、追加的な装置あるいは部材が不要である。また、ガス貯蔵室が独立に設けられているので、安全性は確保されている。しかし、特許文献4に記載の電池は、正極活物質に水酸化マンガンを使用しているので、充放電を繰り返すうちに、充放電反応に寄与しない四三酸化マンガンが生成される。したがって、この燃料電池は、寿命特性が悪い、という課題を有している。   The “fuel cell storage battery” disclosed in Patent Document 4 generates power (discharges) by receiving a gas supply from a gas storage chamber provided independently. For this reason, an additional apparatus or member for supplying hydrogen gas and oxygen gas to an electrode part is unnecessary. Moreover, since the gas storage chamber is provided independently, safety is ensured. However, since the battery described in Patent Literature 4 uses manganese hydroxide as the positive electrode active material, trimanganese tetraoxide that does not contribute to the charge / discharge reaction is generated while charging / discharging is repeated. Therefore, this fuel cell has a problem that the life characteristics are poor.

二酸化マンガンを正極とする水溶液系電池として、亜鉛マンガン一次電池が広く知られている。亜鉛マンガン電池は、専ら一次電池として使用され、二次電池として使用されない。その理由を以下に述べる。すなわち、マンガン電池の正極は、放電過程において、二酸化マンガンMnO→オキシ水酸化マンガンMnOOH→水酸化マンガンMn(OH)と変化が生じる。この際、水酸化マンガンが生成されるまで放電が行われると、充電できない四三酸化マンガンMnが生成される。すなわち、放電過程(オキシ水酸化マンガン→水酸化マンガン)と充電過程(水酸化マンガン→オキシ水酸化マンガン)とが繰り返されるうちに、正極中に生成される不可逆物質である、四三酸化マンガンが増えて行くという問題がある。A zinc-manganese primary battery is widely known as an aqueous battery based on manganese dioxide as a positive electrode. Zinc-manganese batteries are exclusively used as primary batteries and are not used as secondary batteries. The reason is described below. In other words, the positive electrode of the manganese battery changes in the discharge process from manganese dioxide MnO 2 → manganese oxyhydroxide MnOOH → manganese hydroxide Mn (OH) 2 . At this time, if discharge is performed until manganese hydroxide is generated, trimanganese tetraoxide Mn 3 O 4 that cannot be charged is generated. That is, while the discharge process (manganese oxyhydroxide → manganese hydroxide) and the charge process (manganese hydroxide → manganese oxyhydroxide) are repeated, the irreversible substance produced in the positive electrode, manganese trioxide, is produced. There is a problem of increasing.

四三酸化マンガンは、導電性が低いという特性を有している。導電性が低いと、充電に時間がかかるため、十分に充電することが難しくなる。また、導電性が低いと、充電効率も悪くなる。したがって、四三酸化マンガンが増加すると、燃料電池は、性能が劣化して、遂には使用できなくなる。このため、二酸化マンガンは、専ら一次電池に用いられており、現時点では、二次電池の正極活物質として利用されていない。   Manganese tetroxide has a characteristic of low conductivity. If the conductivity is low, it takes time to charge, so that it is difficult to fully charge. Moreover, when electroconductivity is low, charging efficiency will also worsen. Therefore, when the trimanganese tetroxide increases, the performance of the fuel cell deteriorates and finally it cannot be used. For this reason, manganese dioxide is exclusively used for primary batteries and is not currently used as a positive electrode active material for secondary batteries.

電池の構成要素のひとつであるセパレータは、正極と負極との短絡を防止する。セパレータは、電池にとって重要なパーツである。セパレータは、小さい熱伝導度を有する素材(熱を伝え難い素材)からできている。捲回電池は、重ねられた電極とセパレータとが、渦巻状に捲回されている。このため、捲回電池は、電池中心から表面まで、セパレータが幾重にも介在している。したがって、捲回電池の表面温度は周囲温度に近いものの、中心部分の温度は高い。このため、捲回電池の外側を冷却しても、電池内部は、必要な程度に冷却されず高温のままとなる。   The separator which is one of the constituent elements of the battery prevents a short circuit between the positive electrode and the negative electrode. The separator is an important part for the battery. The separator is made of a material having a small thermal conductivity (a material that is difficult to transmit heat). In the wound battery, the stacked electrodes and separator are wound in a spiral shape. For this reason, the wound battery has many separators interposed from the battery center to the surface. Therefore, although the surface temperature of the wound battery is close to the ambient temperature, the temperature of the central portion is high. For this reason, even if the outside of the wound battery is cooled, the inside of the battery is not cooled to a necessary level and remains at a high temperature.

電池の冷却に関する種々の方法が、特許文献5および6に提案されている。これらは、いずれも、電池ケースの表面を冷却するためには有効である。しかし、捲回電池は、熱伝導度の小さいセパレータが、幾重にも捲かれている。このため、これらの方法は、捲回電池を冷却する方法としては、効果的ではない。   Various methods relating to battery cooling have been proposed in US Pat. These are all effective for cooling the surface of the battery case. However, the wound battery has many separators with low thermal conductivity. For this reason, these methods are not effective as a method for cooling the wound battery.

本発明は、上記従来技術の現状に鑑みてなされたものである。本発明では、エネルギー密度が高い燃料電池に、負荷追従性に優れる二次電池の反応機構を取り込んでいる。これにより、パワー密度、エネルギー密度、及び負荷追従性に優れ、かつ、安全性が確保され、寿命特性に優れたリバーシブル燃料電池が提供される。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art. In the present invention, a reaction mechanism of a secondary battery having excellent load followability is incorporated into a fuel cell having a high energy density. This provides a reversible fuel cell that is excellent in power density, energy density, and load followability, secures safety, and has excellent life characteristics.

発明者らは、上記の問題を解決するために鋭意研究を行い、本発明のリバーシブル燃料電池を完成させた。   The inventors have intensively studied to solve the above problems, and completed the reversible fuel cell of the present invention.

本発明のリバーシブル燃料電池(以下、本燃料電池)は、二酸化マンガンを含む正極と、水素吸蔵材料を含む負極と、前記正極と負極との間に介在するセパレータと、電解液とを有し、前記負極および前記正極は、発電用の電極であり、かつ、外部から供給された電流を用いて前記電解液を電気分解する電極である。   The reversible fuel cell of the present invention (hereinafter referred to as the present fuel cell) has a positive electrode containing manganese dioxide, a negative electrode containing a hydrogen storage material, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte. The negative electrode and the positive electrode are power generation electrodes, and are electrodes that electrolyze the electrolytic solution using a current supplied from the outside.

この構成によれば、正極と負極とが、それぞれ活物質を有している。このため、本燃料電池は、蓄電池としての機能を有する。すなわち、ガスの供給を受けることなく発電することが可能であり、また、電流を用いて充電することも可能である。更に、本燃料電池は、満充電状態にある本燃料電池に更に電流を供給すると、電解液が水分解される。これにより、各電極から、酸素ガスおよび水素ガスが発生する。また、正極と負極とは、それぞれ酸素と水素とを燃料として発電を行なうための電極として機能する。すなわち、本燃料電池の正極と負極とは、本燃料電池の電極として機能するだけなく、水分解のための電極としても機能する。   According to this configuration, the positive electrode and the negative electrode each have the active material. For this reason, this fuel cell has a function as a storage battery. That is, it is possible to generate electric power without receiving supply of gas, and it is also possible to charge using electric current. Furthermore, when the fuel cell is further supplied with current to the fully charged fuel cell, the electrolyte is hydrolyzed. Thereby, oxygen gas and hydrogen gas are generated from each electrode. The positive electrode and the negative electrode function as electrodes for generating electricity using oxygen and hydrogen as fuel, respectively. That is, the positive electrode and the negative electrode of the present fuel cell not only function as electrodes of the present fuel cell, but also function as electrodes for water splitting.

本燃料電池は、前記負極および前記正極の放電反応が、それぞれ式(1)および式(3)によって表される反応であってもよく、前記負極および前記正極の充電反応が、それぞれ式(2)および式(4)によって表される反応であってもよい。
MH → M + H+ + e- (1)
M + 1/2H2 → MH (2)
MnO2 + H+ + e- → MnOOH (3)
MnOOH + O2 → MnO2 + H2O (4)
ただし、式(1)および(2)において、Mは水素吸蔵材料を示す。
In the present fuel cell, the discharge reaction of the negative electrode and the positive electrode may be reactions represented by Formula (1) and Formula (3), respectively, and the charge reaction of the negative electrode and the positive electrode may be represented by Formula (2), respectively. ) And the formula (4).
MH → M + H + + e - (1)
M + 1 / 2H 2 → MH (2)
MnO 2 + H + + e → MnOOH (3)
MnOOH + O 2 → MnO 2 + H 2 O (4)
However, in Formula (1) and (2), M shows a hydrogen storage material.

本燃料電池の充電過程を示す式(2)および(4)に示すように、負極および正極は、それぞれ、水素および酸素によって化学的に充電される。
上記の反応式(3)および(4)示される通り、正極活物質は、二酸化マンガンとオキシ水酸化マンガンとの間で充放電を繰り返す。
As shown in the equations (2) and (4) showing the charging process of the fuel cell, the negative electrode and the positive electrode are chemically charged with hydrogen and oxygen, respectively.
As shown in the above reaction formulas (3) and (4), the positive electrode active material is repeatedly charged and discharged between manganese dioxide and manganese oxyhydroxide.

二酸化マンガンが水酸化マンガンとなるまで放電すると、四三酸化マンガンが生じる。そこで、発明者らは、二酸化マンガンが水酸化マンガンとなるまで放電しなければ、四三酸化マンガンが生じることがなく、正極の劣化が生じないと考えた。そして、発明者らは、そのことを実験により確かめた。この実験を以下に示す。   When discharging until manganese dioxide becomes manganese hydroxide, trimanganese tetraoxide is produced. Therefore, the inventors thought that if manganese dioxide is not discharged until it becomes manganese hydroxide, trimanganese tetroxide does not occur and the positive electrode does not deteriorate. The inventors have confirmed this through experiments. This experiment is shown below.

発明者らは、二酸化マンガンの充放電サイクル特性の、放電反応深度に応じた変遷を、実験により調べた。その結果を、図19AおよびBに示す。図19AおよびBの縦軸は電極の電位であり、横軸は放電電気量である。図19Aに示されている放電曲線は、一電子反応での充放電を30回繰り返した場合に得られる。図19Bに示されている放電曲線は、二電子反応での充放電を30回繰り返した場合に得られる。図19Aによれば、充放電を繰り返しても、放電曲線はほとんど変化していない。一方、図19Bによれば、充放電を繰り返すにしたがって放電電気量が減少していることが分かる。なお、一電子反応は、二酸化マンガンがオキシ水酸化マンガンに変化する放電反応である。二電子反応は、二酸化マンガンがオキシ水酸化マンガンを経て水酸化マンガンとなる放電反応である。図19AおよびBに示す実験結果から、一電子反応に留まる限り、放電特性はほぼ均一的であること、が分かる。さらに、二電子反応が生じると、放電特性は、充放電を繰り返すにしたがって徐々に悪化すること、が分かる。これにより、電極が劣化してゆくことが分かる。   The inventors investigated the transition of the charge / discharge cycle characteristics of manganese dioxide according to the discharge reaction depth through experiments. The results are shown in FIGS. 19A and B. 19A and 19B, the vertical axis represents the electrode potential, and the horizontal axis represents the amount of discharge electricity. The discharge curve shown in FIG. 19A is obtained when charging and discharging in a one-electron reaction is repeated 30 times. The discharge curve shown in FIG. 19B is obtained when charging and discharging in a two-electron reaction is repeated 30 times. According to FIG. 19A, even if charging / discharging is repeated, the discharge curve hardly changes. On the other hand, according to FIG. 19B, it turns out that the amount of discharge electricity is reducing as charging / discharging is repeated. The one-electron reaction is a discharge reaction in which manganese dioxide is changed to manganese oxyhydroxide. The two-electron reaction is a discharge reaction in which manganese dioxide becomes manganese hydroxide through manganese oxyhydroxide. From the experimental results shown in FIGS. 19A and 19B, it can be seen that the discharge characteristics are almost uniform as long as the one-electron reaction remains. Furthermore, it can be seen that when a two-electron reaction occurs, the discharge characteristics gradually deteriorate as charging and discharging are repeated. Thereby, it turns out that an electrode deteriorates.

発明者らは、この劣化の原因を追究するために、充放電後の電極に対するXRD測定を行った。その結果を図20に示す。図20のグラフ(a)に示されるように、一電子反応で充放電を繰り返した場合、実験前の電極の結晶構造に対応するもの以外、新たなピークはほとんど生成されない(比較のために図20のグラフ(s)に実験前の電極の測定結果を示す)。しかし、図20のグラフ(b)に示されるように、二電子反応で充放電を繰り返した場合、二酸化マンガン由来の特徴ピークがほとんど無くなる一方、四三酸化マンガン由来のピークが表れる。このことから、二酸化マンガンがオキシ水酸化マンガンとなる段階で放電を停止することによって、四三酸化マンガンの生成、を抑制できることが分かる。   Inventors performed XRD measurement with respect to the electrode after charging / discharging in order to investigate the cause of this deterioration. The result is shown in FIG. As shown in the graph (a) of FIG. 20, when charging and discharging are repeated by a one-electron reaction, new peaks are hardly generated except for the one corresponding to the crystal structure of the electrode before the experiment (for comparison, FIG. The measurement result of the electrode before the experiment is shown in graph (s) of 20). However, as shown in the graph (b) of FIG. 20, when charging and discharging are repeated by a two-electron reaction, the characteristic peak derived from manganese dioxide is almost eliminated, while the peak derived from manganese trioxide appears. From this, it can be seen that the generation of trimanganese tetraoxide can be suppressed by stopping the discharge at the stage where the manganese dioxide becomes manganese oxyhydroxide.

二酸化マンガンが、放電によりオキシ化しても、電極を酸素に接触させれば、二酸化マンガンに戻るので、水酸化マンガンまで反応が進むことがなく不可逆な四三酸化マンガンが生じることがない。つまり、二酸化マンガンがオキシ化した段階で酸素と接触させて充電することにより、二酸化マンガンを正極として用いることに成功した。   Even if manganese dioxide is oxidized by electric discharge, if the electrode is brought into contact with oxygen, it returns to manganese dioxide, so that the reaction does not proceed to manganese hydroxide, and irreversible manganese trioxide does not occur. That is, manganese dioxide was successfully used as a positive electrode by charging it in contact with oxygen at the stage of oxidation of manganese dioxide.

図21AおよびBは、正極を酸素ガスに触れさせることにより充電できること、を示す実験結果を示す図である。
図21は、オキシ水酸化マンガンを正極とし、銀(Ag)を参照極とし、アルカリ系電解液を用いて半電池を構成して、酸素ガスの加圧投入による充電および放電を行ったときの正極の電位変化を、時間に対してプロットしたものである。図21の縦軸は正極の電位(V vs.Ag/AgCl)を、横軸は経過時間(分)を示す。二酸化マンガンを正極とし、銀を参照極とする半電池において、放電により、正極がオキシ水酸化マンガンとなるときのカットオフ電位が−0.5Vである。図21の充電前(時刻ゼロ)において、正極電位が−0.5Vであることから、正極がオキシ水酸化マンガンであることが分かる。
21A and 21B are diagrams showing experimental results showing that the positive electrode can be charged by contacting with oxygen gas.
FIG. 21 shows a case where manganese oxyhydroxide is used as a positive electrode, silver (Ag) is used as a reference electrode, a half cell is formed using an alkaline electrolyte, and charging and discharging are performed by pressurizing oxygen gas. The potential change of the positive electrode is plotted against time. The vertical axis in FIG. 21 represents the potential of the positive electrode (V vs. Ag / AgCl), and the horizontal axis represents the elapsed time (minutes). In a half cell having manganese dioxide as the positive electrode and silver as the reference electrode, the cutoff potential when the positive electrode becomes manganese oxyhydroxide by discharge is -0.5V. Before charging (time zero) in FIG. 21, the positive electrode potential is −0.5 V, which indicates that the positive electrode is manganese oxyhydroxide.

図21Aの(i)は、正極に酸素ガスが加圧投入された後の、参照極に対する電位を示すグラフである。図21Aの(ii)は、酸素ガスの供給を停止し、0.2Cで放電を行った場合のグラフである。図21Aに示すように、正極を酸素ガスに接触させた場合(実線)、60分経過した段階で、正極はほぼ満充電の状態を示し、その後、0.2Cで放電をしていることを示している。一方、酸素ガスを接触させない場合(点線)、正極は殆ど充電が行なわれていないことを示している。これにより、酸素ガスにより燃料電池カソード反応(酸化還元反応)が起こること、および、酸素ガス遮断後に二次電池反応による放電が生じること、が確認できた。図21Bは、0.2Cでの放電状態時における、酸素ガスによる充電の状況を示している。この図から、放電中であっても、酸素ガスによる充電が可能であることがわかる。図21AおよびBに示した実験結果により、正極に酸素ガスを供給することで充電可能であることが確認された。   FIG. 21A (i) is a graph showing the potential with respect to the reference electrode after oxygen gas is pressurized and applied to the positive electrode. (Ii) of FIG. 21A is a graph when the supply of oxygen gas is stopped and discharging is performed at 0.2C. As shown in FIG. 21A, when the positive electrode is brought into contact with oxygen gas (solid line), after 60 minutes, the positive electrode is almost fully charged and then discharged at 0.2C. Show. On the other hand, when the oxygen gas is not brought into contact (dotted line), the positive electrode is hardly charged. As a result, it was confirmed that the fuel cell cathode reaction (oxidation-reduction reaction) was caused by the oxygen gas, and that the discharge by the secondary battery reaction occurred after the oxygen gas was shut off. FIG. 21B shows the state of charging with oxygen gas during the discharge state at 0.2C. From this figure, it can be seen that charging with oxygen gas is possible even during discharge. From the experimental results shown in FIGS. 21A and 21B, it was confirmed that charging was possible by supplying oxygen gas to the positive electrode.

本燃料電池の反応式では、式(2)のH2は、水素ガスであってもよい。また、式(4)のO2は、前記電解液に溶解した酸素であってもよい。そして、本燃料電池は、電池内部に、酸素が溶存した電解液を保持する第1酸素貯蔵室、および、水素ガスを保持する水素貯蔵室を有していてもよいIn the reaction formula of the present fuel cell, H 2 in formula (2) may be hydrogen gas. Further, O 2 in the formula (4) may be oxygen dissolved in the electrolytic solution. The fuel cell may have a first oxygen storage chamber for holding an electrolyte in which oxygen is dissolved and a hydrogen storage chamber for holding hydrogen gas inside the battery.

この構成によれば、満充電の状態にある電極内の活物質が、さらに電流によって充電された場合、負極では、水の電気分解(以下、単に電気分解と称す)によって水素ガスが発生する。この水素ガスは、水素貯蔵室に貯蔵することができる。また、電気分解によって正極で発生する酸素ガスは、高圧の電解液に溶解する。このため、酸素を、酸素溶存電解液として第1酸素貯蔵室に貯蔵することができる。すなわち、電気分解によって負極および正極で発生する水素ガス及び酸素ガスを、互いに接触および反応させることなく、各貯蔵室に、それぞれ別個に貯蔵することができる。   According to this configuration, when the active material in the fully charged electrode is further charged by current, hydrogen gas is generated in the negative electrode by water electrolysis (hereinafter simply referred to as electrolysis). This hydrogen gas can be stored in a hydrogen storage chamber. In addition, oxygen gas generated at the positive electrode by electrolysis is dissolved in the high-pressure electrolyte. For this reason, oxygen can be stored in the first oxygen storage chamber as an oxygen-dissolved electrolyte. That is, hydrogen gas and oxygen gas generated at the negative electrode and the positive electrode by electrolysis can be stored separately in each storage chamber without contacting and reacting with each other.

水素貯蔵室に貯蔵された水素ガスおよび第1酸素貯蔵室に貯蔵された酸素は、電池の放電時に電気エネルギーに再変換して利用することができる。特に、正極で発生する酸素ガスは、電解液に溶存されており、ガス状態で貯蔵されていない。このため、酸素の取り扱いの安全性が向上する。電池の放電時には、二次電池として電気エネルギーを取り出すことができる。このため、急速放電が可能となり、負荷追従性を向上させることができる。   The hydrogen gas stored in the hydrogen storage chamber and the oxygen stored in the first oxygen storage chamber can be reconverted to electrical energy and used when the battery is discharged. In particular, oxygen gas generated at the positive electrode is dissolved in the electrolyte and is not stored in a gas state. For this reason, the safety of handling oxygen is improved. When the battery is discharged, electric energy can be taken out as a secondary battery. For this reason, rapid discharge becomes possible and load followability can be improved.

前述した通り、二次電池の電気容量は、電極材に含まれる活物質の量で定まる。このため、二次電池を高エネルギー密度化することは困難である。しかし、本燃料電池は、外部に取り出すことができる電気エネルギーは、各貯蔵室に化学エネルギーとして蓄えられる。   As described above, the electric capacity of the secondary battery is determined by the amount of the active material contained in the electrode material. For this reason, it is difficult to increase the energy density of the secondary battery. However, in this fuel cell, electrical energy that can be taken out is stored as chemical energy in each storage chamber.

この結果、各貯蔵室およびこれを含む電池の耐圧性能および密閉性能を高めることにより、体積あたりの化学エネルギーの貯蔵量を増加させること、および、当該燃料電池の体積エネルギー密度を向上させることが可能となる。   As a result, it is possible to increase the amount of chemical energy stored per volume and improve the volume energy density of the fuel cell by increasing the pressure resistance and sealing performance of each storage chamber and the battery including the storage chamber. It becomes.

この構成によれば、正極の二酸化マンガンは、放電により、一時的にオキシ水酸化マンガンとなる。しかし、電解液に溶存した酸素により充電されて、二酸化マンガンに戻る。したがって、正極は、二酸化マンガンがオキシ水酸化マンガンからさらに他の物質に変化するほどには、放電することはない。充放電により、正極の活物質は、二酸化マンガンとオキシ水酸化マンガンとの間で変化する。このため、充放電に寄与しない四三酸化マンガンは生じない。また、四三酸化マンガンが生じないので、導電性の低下も抑制される。   According to this configuration, the manganese dioxide of the positive electrode temporarily becomes manganese oxyhydroxide by discharge. However, it is charged with oxygen dissolved in the electrolyte and returns to manganese dioxide. Therefore, the positive electrode does not discharge so much that manganese dioxide changes from manganese oxyhydroxide to another substance. Due to charging / discharging, the active material of the positive electrode changes between manganese dioxide and manganese oxyhydroxide. For this reason, trimanganese tetraoxide which does not contribute to charge / discharge does not occur. Moreover, since trimanganese tetroxide does not occur, a decrease in conductivity is also suppressed.

この構成の第1酸素貯蔵室および水素貯蔵室は、必ずしも専用の独立した空間でなくてもよい。これらの貯蔵室は、正負極の活物質等を含む合材の隙間、あるいは、電池内部に生じる隙間に形成されていてもよい。   The first oxygen storage chamber and the hydrogen storage chamber of this configuration are not necessarily dedicated independent spaces. These storage chambers may be formed in a gap of a composite material including positive and negative electrode active materials or the like, or a gap generated inside the battery.

本燃料電池は、前記第1酸素貯蔵室と前記水素貯蔵室とが、可動部材で区分されていてもよい。   In the fuel cell, the first oxygen storage chamber and the hydrogen storage chamber may be separated by a movable member.

この構成によれば、第1酸素貯蔵室と水素貯蔵室が、隣接して設けられていてもよい。両室の間は、可動部材で仕切られているため、過充電により発生する水素ガスにより水素貯蔵室の圧力が高圧となれば、その圧力の影響を受けて可動部材が変形する。この変形により、第1酸素貯蔵室の電解液が圧縮され、電解液の圧力が、水素貯蔵室の圧力と均圧化されて高圧となる。液体の体積弾性係数は、ガスのそれに比べて非常に大きい。このため、可動部材の変形量はごくわずかである。可動部材は、可撓部材であってもよく、また、弾性体を含んでいてもよい。可動部材は、薄い板状もしくは膜状の構造を有していてもよい。更には、可動部材は、正極あるいは負極であってもよい。可動部材は、ゴムあるいはポリプロピレン等の合成樹脂、もしくは、薄い金属製の膜であってもよい。
第1酸素貯蔵室と水素貯蔵室の間に、連通通路が設けられていてもよい。この場合、水素貯蔵室の圧力が、連通通路に配された可動部材を介して、第1酸素貯蔵室の電解液に伝えられてもよい。この場合、可動部材は、ピストンであってもよい。
According to this configuration, the first oxygen storage chamber and the hydrogen storage chamber may be provided adjacent to each other. Since the two chambers are partitioned by a movable member, if the pressure of the hydrogen storage chamber becomes high due to hydrogen gas generated by overcharging, the movable member is deformed under the influence of the pressure. By this deformation, the electrolyte solution in the first oxygen storage chamber is compressed, and the pressure of the electrolyte solution is equalized with the pressure in the hydrogen storage chamber to become a high pressure. The bulk modulus of liquid is very large compared to that of gas. For this reason, the deformation amount of the movable member is very small. The movable member may be a flexible member or may include an elastic body. The movable member may have a thin plate-like or film-like structure. Furthermore, the movable member may be a positive electrode or a negative electrode. The movable member may be a synthetic resin such as rubber or polypropylene, or a thin metal film.
A communication passage may be provided between the first oxygen storage chamber and the hydrogen storage chamber. In this case, the pressure in the hydrogen storage chamber may be transmitted to the electrolytic solution in the first oxygen storage chamber via a movable member disposed in the communication passage. In this case, the movable member may be a piston.

本燃料電池は、前記可動部材が可撓部材であってよく、また、前記可撓部材が前記正極、負極およびセパレータを含んでいることが好ましい。   In the fuel cell, the movable member may be a flexible member, and the flexible member preferably includes the positive electrode, the negative electrode, and a separator.

本燃料電池は、筒状のケースの内側に、径方向の空間を介して、筒状の前記正極および筒状の前記負極が前記セパレータを介して配置され、前記正極の前記セパレータとは反対側の面に接するように前記第1酸素貯蔵室が形成され、前記負極の前記セパレータとは反対側の面に接するように前記水素貯蔵室が形成されていて、前記第1酸素貯蔵室が前記径方向の空間に配置され、かつ、前記水素貯蔵室が前記負極の内方に配置されているか、もしくは、前記水素貯蔵室が前記径方向の空間に配置され、かつ、前記第1酸素貯蔵室が前記正極の内方に配置されていてもよい。この構成において、ケースは外装体として機能する。   In the present fuel cell, the cylindrical positive electrode and the cylindrical negative electrode are arranged via the separator inside a cylindrical case via a radial space, and the positive electrode is opposite to the separator. The first oxygen storage chamber is formed to contact the surface of the negative electrode, the hydrogen storage chamber is formed to contact the surface of the negative electrode opposite to the separator, and the first oxygen storage chamber is The hydrogen storage chamber is disposed inside the negative electrode, or the hydrogen storage chamber is disposed in the radial space, and the first oxygen storage chamber is You may arrange | position inside the said positive electrode. In this configuration, the case functions as an exterior body.

本燃料電池は、前記ケースの軸方向の一端に設けられた、前記負極に電気的に接続された負極端子と、前記外装体の軸方向の他端に設けられた、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記正極端子あるいは前記負極端子のいずれか一方に設けられた突起部と、前記正極端子あるいは前記負極端子いずれか他方に設けられた穴部と、をさらに有し、2つのリバーシブル燃料電池が直列に接続されるように、前記突起部と穴部とを嵌合可能としてもよい。この構成において、ケースは外装体として機能する。   The fuel cell is electrically connected to a negative electrode terminal provided at one end of the case in the axial direction and electrically connected to the negative electrode, and to the positive electrode provided at the other end in the axial direction of the exterior body. A positive electrode terminal connected; a protrusion provided on one of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal; and a hole provided on either the positive electrode terminal or the negative electrode terminal. The protrusion and the hole may be fitted so that two reversible fuel cells are connected in series. In this configuration, the case functions as an exterior body.

本発明の燃料電池モジュールは、直列に接続された複数の電池ユニットを有しており、この電池ユニットが、複数のリバーシブル燃料電池と、前記複数の前記リバーシブル燃料電池を挟むように、対向して設けられた一対の集電板とを有し、前記一方の集電板に前記正極端子が接続されること、および、前記他方の集電板に前記負極端子が接続されることにより、前記複数のリバーシブル燃料電池が前記集電板を介して互いに並列に接続されていてもよい。   The fuel cell module of the present invention has a plurality of battery units connected in series, and the battery units face each other so as to sandwich the plurality of reversible fuel cells and the plurality of reversible fuel cells. A plurality of the current collector plates, wherein the positive electrode terminal is connected to the one current collector plate, and the negative electrode terminal is connected to the other current collector plate. These reversible fuel cells may be connected in parallel to each other via the current collector plate.

本燃料電池は、筒状の胴部と、前記胴部の両端開口部に配され前記開口部の外方に膨出し前記開口部を覆う膨出部と、を有する外殻と、前記外殻の内部の前記膨出部の内方空間に設けられた前記第1酸素貯蔵室と、前記外殻の内部に軸方向に沿って収納されていて、その両端が前記第1酸素貯蔵室に開口されているチューブ状の集電体と、をさらに備え、前記正極が前記集電体の外周に配置され、前記セパレータが前記正極の周囲を覆っており、前記水素貯蔵室が、前記セパレータと前記外殻との間に形成されており、前記負極が、前記水素貯蔵室に充填されており、前記電解液が、前記第1酸素貯蔵室の内部に蓄えられ、前記集電体を通じて前記第1酸素貯蔵室間を往来可能とすることが好ましい。   The fuel cell includes an outer shell having a cylindrical body portion, and a bulging portion that is disposed at both end openings of the body portion and bulges outward from the opening portion and covers the opening portion, and the outer shell. The first oxygen storage chamber provided in the inner space of the bulging portion inside the container and the axially stored inside the outer shell, both ends of which are open to the first oxygen storage chamber A tubular current collector, the positive electrode is disposed on an outer periphery of the current collector, the separator covers the periphery of the positive electrode, and the hydrogen storage chamber includes the separator and the Formed between the outer shell, the negative electrode is filled in the hydrogen storage chamber, the electrolyte is stored in the first oxygen storage chamber, and the first oxygen storage chamber passes through the current collector. It is preferable to be able to travel between oxygen storage rooms.

本燃料電池は、筒状の胴部を有する外装体と、前記正極、負極およびセパレータを貫通している棒状の集電体と、をさらに備え、前記正極、負極およびセパレータが、前記胴部の軸方向に積層されているとともに、前記外装体の内部に収納されており、前記正極が、外周の一部を切り取ることにより形成される切欠部を有していて、かつ、前記正極の外周が、前記切欠部を除き前記胴部の内面に当接していて、前記正極は前記集電体に接触しておらず、前記負極が、内周方向に開口するコの字状の断面を有しており、前記負極と前記集電体とが当接していて、前記負極と前記集電体とで囲まれた空間が、前記水素貯蔵室を形成していて、前記負極の外形寸法が前記胴部の内側寸法より小さく、前記負極と前記胴部との間に、前記切欠部と連通する電解液溜が設けられており、前記第1酸素貯蔵室が、前記切欠部および前記電解液溜を含んでいてもよい。   The fuel cell further includes an exterior body having a cylindrical body, and a rod-shaped current collector that penetrates the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and the positive electrode, the negative electrode, and the separator are disposed on the body. It is laminated in the axial direction and housed in the exterior body, the positive electrode has a notch formed by cutting out a part of the outer periphery, and the outer periphery of the positive electrode is The positive electrode is not in contact with the current collector, and the negative electrode has a U-shaped cross section that opens in the inner circumferential direction. The negative electrode and the current collector are in contact with each other, a space surrounded by the negative electrode and the current collector forms the hydrogen storage chamber, and the outer dimensions of the negative electrode are Smaller than the inner dimension of the part, and communicated with the notch part between the negative electrode and the body part That the electrolyte reservoir is provided, wherein the first oxygen storage chamber may include the cutout portion and the electrolyte reservoir.

この構成では、外装体は、パイプ状の胴部と、その胴部の開口部を覆う蓋部材とを含んでいてもよい。また、外装体は、有低の円筒缶と、その開口部に設けられる蓋部材とを含んでいてもよい。
外装体が円筒形状であれば、正極の外径は胴部の内径より大きいため正極は外装体に当接する。また、集電体が貫通する正極の穴の大きさは集電体の外径より大きいので、正極と集電体は接触しない。同様に負極の穴の大きさは集電体の外径より小さく、負極と集電体は接触する。
In this configuration, the exterior body may include a pipe-shaped body and a lid member that covers the opening of the body. Moreover, the exterior body may contain the low and low cylindrical can and the lid member provided in the opening part.
If the exterior body is cylindrical, the positive electrode contacts the exterior body because the outer diameter of the positive electrode is larger than the inner diameter of the body. Moreover, since the size of the hole of the positive electrode through which the current collector passes is larger than the outer diameter of the current collector, the positive electrode and the current collector are not in contact with each other. Similarly, the hole size of the negative electrode is smaller than the outer diameter of the current collector, and the negative electrode and the current collector are in contact with each other.

本発明のリバーシブル燃料電池システムは、本燃料電池と、この燃料電池に接続された酸素貯蔵源および水素貯蔵源とを有し、前記酸素貯蔵源は、酸素ガスもしくは電解液に溶存した酸素を、本燃料電池に供給可能であるとともに、本燃料電池で発生した酸素ガスを、ガス状態もしくは電解液に溶存した状態で貯蔵可能であり、かつ、前記水素ガス貯蔵源は、水素ガスを本燃料電池に供給可能であるとともに、本燃料電池で発生した水素ガスを貯蔵可能であってもよい。   The reversible fuel cell system of the present invention has the present fuel cell, and an oxygen storage source and a hydrogen storage source connected to the fuel cell, and the oxygen storage source contains oxygen dissolved in oxygen gas or electrolyte, The fuel cell can be supplied and oxygen gas generated in the fuel cell can be stored in a gas state or dissolved in an electrolyte, and the hydrogen gas storage source can supply hydrogen gas to the fuel cell. The hydrogen gas generated in the fuel cell may be storable.

本発明のリバーシブル燃料電池システムは、本燃料電池と、本燃料電池に接続されており、電解液に含まれる水分を除去する塩濃度調整装置と、本燃料電池に接続されており、電解液に酸素を供給することによって、溶存酸素濃度を調製する酸素濃度調整装置と、を含んでいてもよい。   The reversible fuel cell system of the present invention is connected to the fuel cell, the fuel cell, a salt concentration adjusting device for removing water contained in the electrolyte, and the fuel cell. An oxygen concentration adjusting device that adjusts the dissolved oxygen concentration by supplying oxygen.

本燃料電池は、式(2)のH2が水素ガスであり、式(4)のO2が酸素ガスであってもよい。そして、前記負極で発生する水素ガスを貯蔵するか又は前記負極に水素ガスを供給するための、前記負極に接するように設けられた水素貯蔵室と、前記正極で発生する酸素ガスを貯蔵するか又は前記正極に酸素を供給するための、前記正極に接するように設けられた第2酸素貯蔵室とを備えていてもよい。In the present fuel cell, H 2 in the formula (2) may be hydrogen gas, and O 2 in the formula (4) may be oxygen gas. Whether to store hydrogen gas generated at the negative electrode or to supply hydrogen gas to the negative electrode and to store a hydrogen storage chamber provided in contact with the negative electrode and oxygen gas generated at the positive electrode Or you may provide the 2nd oxygen storage chamber provided in contact with the said positive electrode for supplying oxygen to the said positive electrode.

この構成によれば、電極内部が満充電の状態にあるときに、電流によって充電を行った場合、電気分解によって、負極で発生する水素ガスおよび正極で発生する酸素ガスを、互いに接触および反応させることなく、水素貯蔵室および第2酸素貯蔵室に、別個に貯蔵することができる。したがって、追加のガス供給源、供給通路および昇圧装置などを要することなく、水素ガスおよび酸素ガスを各貯蔵室に貯蔵できる。そして、貯蔵された水素ガスおよび酸素ガスを、電池の放電時に電気エネルギーに変換し、再利用することができる。電池の放電時には、二次電池としての通常の放電反応により電気エネルギーを取り出すことができる。つまり、二次電池の電極反応を介して、電気エネルギーが出力される。したがって、急速充放電および優れた充放電追従性を得ることができる。   According to this configuration, when charging is performed with an electric current when the inside of the electrode is in a fully charged state, the hydrogen gas generated at the negative electrode and the oxygen gas generated at the positive electrode are brought into contact with each other and reacted by electrolysis. Without being stored in the hydrogen storage chamber and the second oxygen storage chamber. Therefore, hydrogen gas and oxygen gas can be stored in each storage chamber without requiring an additional gas supply source, supply passage, pressure increase device, and the like. The stored hydrogen gas and oxygen gas can be converted into electric energy and reused when the battery is discharged. When the battery is discharged, electric energy can be taken out by a normal discharge reaction as a secondary battery. That is, electric energy is output through the electrode reaction of the secondary battery. Therefore, rapid charge / discharge and excellent charge / discharge followability can be obtained.

本燃料電池は、二酸化マンガンを含む正極と、水素吸蔵材料を含む負極と、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、アルカリ水溶液を含む電解液とを有し、前記負極で発生する水素ガスを貯蔵する水素貯蔵室と、前記正極で発生する酸素ガスを貯蔵する酸素貯蔵室と、を有するリバーシブル燃料電池であって、前記負極が、前記水素貯蔵室に接する面に配された疎水性を有する材料とを含む、および/または、前記正極が、前記酸素貯蔵室に接する面に配された疎水性を有する材料とを含み、前記疎水性を有する材料が、炭素またはテフロン(登録商標)であるThe fuel cell includes a positive electrode containing manganese dioxide, a negative electrode containing a hydrogen storage material, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte containing an alkaline aqueous solution, and is generated at the negative electrode. A reversible fuel cell comprising a hydrogen storage chamber for storing hydrogen gas and an oxygen storage chamber for storing oxygen gas generated at the positive electrode, wherein the negative electrode is disposed on a surface in contact with the hydrogen storage chamber. and a material having a gender, and / or, wherein the positive electrode comprises a material having a hydrophobic that disposed in the surface in contact with the oxygen storage chamber, a material having a hydrophobic, carbon or Teflon (registered trademark ) .

この構成によれば、負極のセパレータに接触する面は、親水性を有する。この面は、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、この面は、ガスが負極を通過することを阻止している。また、負極のイオン導電性が確保されている。負極の水素ガスに接触している面は、疎水性を有している。これにより、負極が濡れないので、負極と水素ガスとの良好な接触を保たれる。正極のセパレータに接触する面は、親水性を有する。この面は、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、この面は、ガスが正極を通過することを阻止する。また、正極のイオン導電性が確保される。また、正極の酸素ガスに接触している面は、疎水性を有する。これにより、正極が濡れないので、正極と酸素ガスとの良好な接触が保たれる。なお、セパレータは、ほぼ常に電解液を含むことで、気体の通過を阻止している。これにより、水素貯蔵室と第2酸素貯蔵室とが独立する。したがって、水素ガスと酸素ガスとは、互いに交じり合うことなく、独立に貯蔵される。   According to this structure, the surface which contacts the separator of a negative electrode has hydrophilic property. This surface is almost always wet with the electrolyte. As a result, this surface prevents the gas from passing through the negative electrode. Moreover, the ionic conductivity of the negative electrode is ensured. The surface of the negative electrode that is in contact with the hydrogen gas has hydrophobicity. Thereby, since a negative electrode does not get wet, the favorable contact with a negative electrode and hydrogen gas is maintained. The surface of the positive electrode that contacts the separator has hydrophilicity. This surface is almost always wet with the electrolyte. This surface thereby prevents gas from passing through the positive electrode. Moreover, the ionic conductivity of the positive electrode is ensured. Further, the surface of the positive electrode that is in contact with oxygen gas has hydrophobicity. Thereby, since the positive electrode is not wetted, good contact between the positive electrode and oxygen gas is maintained. The separator almost always contains an electrolytic solution, thereby preventing the passage of gas. Thereby, a hydrogen store room and a 2nd oxygen store room become independent. Therefore, hydrogen gas and oxygen gas are stored independently without intermingling with each other.

二次電池は、固体と液体とが反応する。このため、二次電池は、大きな反応面積を持っているため、出力を高くすることが可能である。しかし、固体である電極が、酸化剤と還元剤とを保有している。このため、二次電池のエネルギー量は少ない。一方、燃料電池の反応面は、固体(電極)と液体(電解質)と気体(水素ガス、酸素ガス)との3つの相が接している、極めて小さな界面である。したがって、燃料電池は、出力を高くすることが困難である。しかし、燃料電池は、酸化剤および還元剤をそのまま供給するため、そのエネルギー密度は大きくなる。この両者の長所を組み合わせたの電池が、本燃料電池である。
ところで、固体(電極)と液体(電解質)との反応面をもつ二次電池の特性と、固体(電極)と気体と液体との反応面をもつ燃料電池の特性とを、1つの電極中で実現することができれば、更なる高出力化および大エネルギー容量化が可能となる。そこで、電極の電解液に接触する界面を親水性とする一方、電極の気体と接触する界面を疎水性としてもよい。また、電極の一方の面を親水性とする一方、電極の他方の面を疎水性としてもよい。さらに、電極全体を、親水性と疎水性を併せもつ材料で構成してもよい。
In the secondary battery, a solid and a liquid react. For this reason, since the secondary battery has a large reaction area, the output can be increased. However, an electrode that is solid holds an oxidizing agent and a reducing agent. For this reason, the amount of energy of the secondary battery is small. On the other hand, the reaction surface of the fuel cell is an extremely small interface where three phases of solid (electrode), liquid (electrolyte), and gas (hydrogen gas, oxygen gas) are in contact. Therefore, it is difficult to increase the output of the fuel cell. However, since the fuel cell supplies the oxidizing agent and the reducing agent as they are, the energy density thereof is increased. A battery that combines the advantages of both is the fuel cell.
By the way, the characteristics of a secondary battery having a reaction surface between a solid (electrode) and a liquid (electrolyte) and the characteristics of a fuel cell having a reaction surface between a solid (electrode), a gas and a liquid can be measured in one electrode. If it can be realized, it is possible to further increase the output and increase the energy capacity. Therefore, the interface of the electrode that contacts the electrolyte may be made hydrophilic, while the interface of the electrode that contacts the gas may be made hydrophobic. Further, one surface of the electrode may be made hydrophilic while the other surface of the electrode may be made hydrophobic. Further, the entire electrode may be made of a material having both hydrophilicity and hydrophobicity.

本燃料電池は、前記電解液が前記第2酸素貯蔵室に保持されていてもよい。この構成では、第2酸素貯蔵室に電解液が保持され、その上部空間に酸素ガスが保持されていてもよい。このため、放電したときに正極表面で生成される水は、電解液に補給される。充電時の電気分解は、正極界面で行われる。このため、電解液が第2酸素貯蔵室に保持されていることは、好都合である。   In the fuel cell, the electrolyte solution may be held in the second oxygen storage chamber. In this configuration, the electrolytic solution may be held in the second oxygen storage chamber, and oxygen gas may be held in the upper space. For this reason, the water produced on the surface of the positive electrode when discharged is supplied to the electrolyte. Electrolysis during charging is performed at the positive electrode interface. For this reason, it is convenient that the electrolytic solution is held in the second oxygen storage chamber.

本燃料電池が筒状の外装体を有する場合、前記外装体の内側に、径方向の空間を介して、筒状の前記正極および筒状の前記負極が前記セパレータを介して配置され、前記正極の前記セパレータとは反対側の面に接するように前記第2酸素貯蔵室が形成され、前記負極の前記セパレータとは反対側の面に接するように前記水素貯蔵室が形成されていて、前記第2酸素貯蔵室が前記径方向の空間に配置され、かつ、前記水素貯蔵室が前記負極の内方に配置されているか、もしくは、前記水素貯蔵室が前記径方向の空間に配置され、かつ、前記第2酸素貯蔵室が前記正極の内方に配置されていてもよい。   When the present fuel cell has a cylindrical outer casing, the cylindrical positive electrode and the cylindrical negative electrode are disposed via the separator inside the outer casing via a radial space, and the positive electrode The second oxygen storage chamber is formed so as to be in contact with the surface on the opposite side of the separator, and the hydrogen storage chamber is formed so as to be in contact with the surface of the negative electrode on the side opposite to the separator. Two oxygen storage chambers are disposed in the radial space and the hydrogen storage chamber is disposed inward of the negative electrode, or the hydrogen storage chamber is disposed in the radial space, and The second oxygen storage chamber may be disposed inside the positive electrode.

この構成では、水素貯蔵室および第2酸素貯蔵室を形成するための追加の部材が不要である。このため、本燃料電池は、必要最小限の部材のみを含む、簡単な構造を有する。したがって、本燃料電池の寸法を小さくすること、および、これにより耐圧性を確保することが可能となる。また、本燃料電池のエネルギー密度を高くできるとともに、本燃料電池の組立作業も容易になる。
本燃料電池は、前記外装体の内側に、径方向の空間を介して配置された筒状の前記正極と、前記セパレータを介して前記正極の内側に配置された筒状の前記負極とを備え、前記第2酸素貯蔵室が前記径方向の空間に形成されており、前記水素貯蔵室が前記負極の内方に形成されていてもよい。このように正極を負極の外側に配置する構造を採用すれば、正極の表面積を負極の表面積より大きくすることが可能となる。電池の出力は電極表面積に比例するので、その分、出力を大きくすることができる。
In this configuration, an additional member for forming the hydrogen storage chamber and the second oxygen storage chamber is unnecessary. For this reason, the fuel cell has a simple structure including only the minimum necessary members. Therefore, it is possible to reduce the size of the fuel cell and to secure pressure resistance. In addition, the energy density of the fuel cell can be increased, and the assembly operation of the fuel cell is facilitated.
The fuel cell includes the cylindrical positive electrode disposed inside the outer package via a radial space and the cylindrical negative electrode disposed inside the positive electrode via the separator. The second oxygen storage chamber may be formed in the radial space, and the hydrogen storage chamber may be formed inside the negative electrode. By adopting a structure in which the positive electrode is arranged outside the negative electrode in this way, the surface area of the positive electrode can be made larger than the surface area of the negative electrode. Since the output of the battery is proportional to the electrode surface area, the output can be increased accordingly.

本燃料電池は、前記外装体の軸方向の一端に設けられた、前記負極に電気的に接続された負極端子と、前記外装体の軸方向の他端に設けられた、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記正極端子あるいは前記負極端子のいずれか一方に設けられた突起部と、前記正極端子あるいは前記負極端子いずれか他方に設けられた穴部と、をさらに有し、2つの本燃料電池が直列に接続されるように、前記突起部と穴部とが嵌合可能であってもよい。   The present fuel cell is electrically connected to the negative electrode terminal provided at one end in the axial direction of the outer casing and electrically connected to the negative electrode, and to the positive electrode provided at the other end in the axial direction of the outer casing. A positive electrode terminal connected to, a protrusion provided on either the positive electrode terminal or the negative electrode terminal, and a hole provided on either the positive electrode terminal or the negative electrode terminal, The protrusion and the hole may be fitable so that the two fuel cells are connected in series.

この構成によれば、2つの本燃料電池の突起部と穴部とが接続可能となっている。これにより、配線を必要とせずに、複数の本燃料電池を直列に接続することができる。突起部の外周に凸部を設けるとともに、穴部の内周面にグルーブ(溝)を設けてもよい。この場合、突起部の凸部が、穴部のグルーブに嵌められていてもよい。これにより、2つの本燃料電池を、確実に接続することが可能となる。   According to this configuration, the protrusions and the holes of the two fuel cells can be connected. Thereby, a plurality of the fuel cells can be connected in series without requiring wiring. While providing a convex part in the outer periphery of a projection part, you may provide a groove (groove) in the inner peripheral surface of a hole. In this case, the convex part of the projection part may be fitted into the groove of the hole part. As a result, the two fuel cells can be reliably connected.

本発明に係る燃料電池モジュールは、直列に接続された複数の電池ユニットを有していてもよい。この電池ユニットは、複数の本燃料電池と、前記複数の本燃料電池を挟むように対向して設けられた一対の集電板とを有し、前記一方の集電板に前記正極端子が接続されること、および、前記他方の集電板に前記負極端子が接続されることにより、本燃料電池が前記集電板を介して互いに並列に接続されていてもよい。   The fuel cell module according to the present invention may have a plurality of battery units connected in series. This battery unit has a plurality of fuel cells and a pair of current collector plates provided so as to sandwich the plurality of fuel cells, and the positive terminal is connected to the one current collector plate The fuel cell may be connected in parallel to each other via the current collector plate by connecting the negative electrode terminal to the other current collector plate.

この構成によれば、本燃料電池が、導電性の集電板の間に配置される。これにより、本燃料電池間を接続する配線を省略することができる。したがって、電池のモジュール化が容易となる。集電板は、ニッケルメッキされたアルミ板を有していてもよい。集電板に貫通穴を設けてもよい。そして、本燃料電池の突起部を貫通穴に通して、他の本燃料電池の穴部に嵌合させてもよい。これにより、集電板は、電池を直列および並列につなぐとともに、各電池を固定することを可能とするブラケットとなる。これにより、電池モジュールの組立が容易となる。   According to this configuration, the fuel cell is disposed between the conductive current collecting plates. Thereby, the wiring which connects between this fuel cell can be abbreviate | omitted. Therefore, modularization of the battery becomes easy. The current collector plate may have a nickel-plated aluminum plate. A through hole may be provided in the current collector plate. And you may let the projection part of this fuel cell pass through a through-hole, and may be fitted in the hole part of another this fuel cell. Thus, the current collector plate serves as a bracket that connects the batteries in series and in parallel, and allows the batteries to be fixed. Thereby, assembly of a battery module becomes easy.

本燃料電池は、前記第2酸素貯蔵室に連通する酸素ガス流通口と、前記水素貯蔵室に連通する水素ガス流通口と、をさらに有し、前記水素貯蔵室の水素ガスおよび第2酸素貯蔵室の酸素ガスが、別個に本燃料電池外に取り出されることが可能であってもよい。   The fuel cell further includes an oxygen gas circulation port communicating with the second oxygen storage chamber, and a hydrogen gas circulation port communicating with the hydrogen storage chamber, wherein the hydrogen gas and the second oxygen storage in the hydrogen storage chamber It may be possible for the oxygen gas in the chamber to be taken out of the fuel cell separately.

この構成では、酸素ガス流通口を外装体に設け、水素ガス流通口を外装体もしくは正極端子に設けてもよい。このようにすれば、水素貯蔵室および第2酸素貯蔵室に蓄積されたガスを、本燃料電池外に取り出して、別の容器に貯蔵することが可能である。さらに、外部に設けた容器から、水素ガスや酸素ガスを、水素貯蔵室および第2酸素貯蔵室に送り込むことが可能となる。   In this configuration, the oxygen gas circulation port may be provided in the exterior body, and the hydrogen gas circulation port may be provided in the exterior body or the positive electrode terminal. In this way, the gas accumulated in the hydrogen storage chamber and the second oxygen storage chamber can be taken out of the fuel cell and stored in another container. Furthermore, it becomes possible to send hydrogen gas and oxygen gas from the container provided outside to the hydrogen storage chamber and the second oxygen storage chamber.

本発明に係る電池バンクは、複数の互いに接続された本燃料電池と、前記水素ガス流通口に気密に接続可能な接続部を有する、電気導電体を含む第1の水素ガス配管と、前記酸素ガス流通口に気密に接続可能な接続部を有する、電気導電体を含む第1の酸素ガス配管とを有し、前記第1の水素ガス配管が、絶縁体を介して第2の水素ガス配管に接続され、前記第1の酸素ガス配管が、絶縁体を介して第2の酸素ガス配管に接続され、隣り合う第1の酸素ガス配管と第1の水素ガス配管とが、導電体により電気的に接続され、第2の水素ガス配管が、水素ガスタンクに接続され、かつ、第2の酸素ガス配管が、酸素ガスタンクに接続されていてもよい。この構成によれば、ガス配管が、電流の通路となる。このため、配線を省略することが可能となる。   A battery bank according to the present invention includes a plurality of fuel cells connected to each other, a first hydrogen gas pipe including an electric conductor having a connection portion that can be airtightly connected to the hydrogen gas circulation port, and the oxygen A first oxygen gas pipe including an electric conductor having a connection portion that can be airtightly connected to the gas distribution port, and the first hydrogen gas pipe is connected to the second hydrogen gas pipe via an insulator. The first oxygen gas pipe is connected to the second oxygen gas pipe via an insulator, and the adjacent first oxygen gas pipe and the first hydrogen gas pipe are electrically connected by a conductor. The second hydrogen gas pipe may be connected to the hydrogen gas tank, and the second oxygen gas pipe may be connected to the oxygen gas tank. According to this configuration, the gas pipe serves as a current path. For this reason, wiring can be omitted.

本燃料電池は、請求項1に記載のリバーシブル燃料電池であって、前記負極に接触して前記正極とセパレータを介して対向して配置されている負極ケースと、前記正極に接触して前記負極と前記セパレータを介して対向して配置されている正極ケースと、水素貯蔵室が、前記負極ケースと前記負極との間の空間に形成されており、酸素貯蔵室が、前記正極ケースと前記正極との間の空間に形成されている、単電池を、直列接続したリバーシブル燃料電池であって、直列に接続された前記単電池の前記正極に接触した正極端子と、直列に接続された前記単電池の前記負極に接触した負極端子と、を有し、前記単電池の前記正極ケースと、隣り合う前記単電池の前記負極ケースとが、互いに接触するように配置されていることが望ましい。 2. The reversible fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is a reversible fuel cell according to claim 1, wherein the negative electrode case is in contact with the negative electrode and is opposed to the positive electrode through a separator, and the negative electrode is in contact with the positive electrode. A positive electrode case disposed opposite to the separator, a hydrogen storage chamber is formed in a space between the negative electrode case and the negative electrode, and an oxygen storage chamber is formed between the positive electrode case and the positive electrode. A reversible fuel cell in which a unit cell formed in a space between the unit cell and the unit cell connected in series is connected to the positive electrode terminal of the unit cell connected in series. It is desirable that the positive electrode case of the unit cell and the negative electrode case of the adjacent unit cell are arranged so as to contact each other.

この構成によれば、負極ケースと正極ケースは、それぞれ負極端子と正極端子として機能する。また、単電池を接続するための配線が不要となる。また単電池ごとに耐圧容器を用意することが不要となる。燃料電池に、ひとつの耐圧構造を用意すればよい。  According to this configuration, the negative electrode case and the positive electrode case function as a negative electrode terminal and a positive electrode terminal, respectively. Moreover, the wiring for connecting the unit cells is not necessary. Moreover, it is not necessary to prepare a pressure vessel for each cell. A single pressure-resistant structure may be prepared for the fuel cell.

本発明に係る燃料電池バンクは、金属製のワイヤーと、構造物と、開閉路が可能な遮断器と、ブスバーと、を備え、前記金属製のワイヤーの一端が、前記リバーシブル燃料電池モジュールに取り付けられており、当該ワイヤーの他端が、前記構造物に取り付けられており、これにより、複数の前記リバーシブル燃料電池モジュールが前記構造物に吊り下げ可能であり、隣り合う前記リバーシブル燃料電池モジュールの正極端子と負極端子とが、前記遮断器を介して前記ブスバーにより接続されていてもよい。   The fuel cell bank according to the present invention includes a metal wire, a structure, a circuit breaker capable of opening and closing, and a bus bar, and one end of the metal wire is attached to the reversible fuel cell module. The other end of the wire is attached to the structure, whereby a plurality of the reversible fuel cell modules can be suspended from the structure, and the positive electrodes of the adjacent reversible fuel cell modules A terminal and a negative electrode terminal may be connected by the bus bar via the circuit breaker.

この構成によれば、リバーシブル燃料電池モジュールを、複数の金属製のワイヤーによって、鉄塔等の構造物に吊り下げられる。金属性ワイヤーは、碍子などの耐圧材料を挿入されていてもよいし、絶縁性のベルトであってもよい。このようなリバーシブル燃料電池モジュールを複数並べて、その正極と負極とを導電性のブスバーで接続してもよい。ブスバー間および電池システムの出力部に、遮断器を配してもよい。   According to this configuration, the reversible fuel cell module can be suspended from a structure such as a steel tower by a plurality of metal wires. The metallic wire may be inserted with a pressure-resistant material such as an insulator or may be an insulating belt. A plurality of such reversible fuel cell modules may be arranged, and the positive electrode and the negative electrode may be connected by a conductive bus bar. Circuit breakers may be arranged between the bus bars and at the output of the battery system.

この吊り下げ構造によれば、まず、大型構造物の設置が可能になる。橋梁あるいはボイラーなどの巨大な構造物は、大きな重量を有する。このため、下部で重量を支える自立構造を用いることは難しくなる。そこで吊り下げ構造にすることによって、電池各部への応力を均一化すること、および、歪によるトラブルを解消することができる。そして吊り下げ構造にすることにより、対地耐電圧性能およびモジユール間耐電圧を確保することができる。   According to this hanging structure, first, a large structure can be installed. A huge structure such as a bridge or a boiler has a large weight. For this reason, it becomes difficult to use a self-supporting structure that supports the weight in the lower part. Therefore, by adopting a hanging structure, it is possible to make the stress to each part of the battery uniform and to solve the trouble due to distortion. By using a suspended structure, it is possible to ensure the withstand voltage performance and the withstand voltage between modules.

本燃料電池は、前記二酸化マンガンが正極における充電反応の触媒として機能し、前記水素吸蔵材料が負極における充電反応の触媒として機能してもよい。   In the fuel cell, the manganese dioxide may function as a catalyst for a charging reaction at a positive electrode, and the hydrogen storage material may function as a catalyst for a charging reaction at a negative electrode.

この構成によれば、放電時には、負極および正極のそれぞれにおいて、放電によって減少した電気量分が、水素貯蔵室に貯蔵された水素ガス、および、第1または第2酸素貯蔵室と酸素に貯蔵された酸素による充電によって、補われる。具体的には、負極においては、放電反応を表す反応式(1)に示すように、充電状態の水素吸蔵合金(MH)からプロトンが放出される。そして、反応式(2)に示すように、放出された分のプロトンが、水素ガスによって補われる。これにより、負極の充電状態が維持される。   According to this configuration, at the time of discharging, in each of the negative electrode and the positive electrode, the amount of electricity reduced by the discharge is stored in the hydrogen gas stored in the hydrogen storage chamber and in the first or second oxygen storage chamber and oxygen. It is compensated by charging with oxygen. Specifically, in the negative electrode, protons are released from the hydrogen storage alloy (MH) in a charged state, as shown in the reaction formula (1) representing the discharge reaction. Then, as shown in the reaction formula (2), the released protons are supplemented with hydrogen gas. Thereby, the charged state of the negative electrode is maintained.

一方正極においては、放電反応を表す反応式(3)に示すように、充電状態の二酸化マンガン(MnO2)が還元されることによって、オキシ水酸化マンガン(MnOOH)が生じる。このオキシ水酸化マンガンが、反応式(4)に示すように、酸素によって再び酸化される。これにより、正極の充電状態が維持される。これにより、各貯蔵室の水素ガスおよび酸素が消費される。On the other hand, in the positive electrode, manganese oxyhydroxide (MnOOH) is produced by reducing charged manganese dioxide (MnO 2 ) as shown in the reaction formula (3) representing the discharge reaction. This manganese oxyhydroxide is oxidized again by oxygen as shown in the reaction formula (4). Thereby, the charge state of a positive electrode is maintained. Thereby, hydrogen gas and oxygen in each storage room are consumed.

つまり、本燃料電池は、水素ガスおよび酸素が供給される限り、放電によって失われた電気が、すぐに水素ガスおよび酸素により充電される。したがって、本燃料電池は、ほぼ常に満充電に近い状態を維持する。すなわち、負極は、水素ガスにより吸蔵状態をほぼ常に維持しているので、充放電による負極体積の膨張および収縮が抑えられる。この結果、負極は、優れた寿命特性を有することになる。更に、活物質の量が少なくても、負極は、上述した作用を有するので、重くて高価な水素吸蔵合金の量を減らすことが可能である。この結果、電池の軽量化およびコスト低減が可能となる。   That is, in this fuel cell, as long as hydrogen gas and oxygen are supplied, the electricity lost by the discharge is immediately charged by the hydrogen gas and oxygen. Therefore, the present fuel cell almost always maintains a state close to full charge. That is, since the negative electrode maintains the occlusion state almost always with hydrogen gas, expansion and contraction of the negative electrode volume due to charge / discharge can be suppressed. As a result, the negative electrode has excellent life characteristics. Furthermore, even if the amount of the active material is small, the negative electrode has the above-described action, so that the amount of heavy and expensive hydrogen storage alloy can be reduced. As a result, it is possible to reduce the weight and cost of the battery.

本燃料電池は、前記正極が、二酸化マンガンに加え、更に高次酸化マンガンを含んでいてもよい。ここに、高次酸化マンガンは、Mn、MnおよびMnOを含む。これらの高次酸化マンガンは、電解液を水分解するときに正極が過充電状態となることによって、一時的に正極に生じる。In the present fuel cell, the positive electrode may further contain higher-order manganese oxide in addition to manganese dioxide. Here, the higher-order manganese oxide includes Mn 2 O 5 , Mn 2 O 7 and MnO 5 . These higher-order manganese oxides are temporarily generated in the positive electrode when the positive electrode is overcharged when the electrolytic solution is hydrolyzed.

本燃料電池は、前記正極中に含まれる四三酸化マンガン(Mn34)の含有量が、正極重量に基づいて、5重量%以下であることが好ましい。水素ガスおよび酸素がほぼ常に供給されている状態であれば、四三酸化マンガンが生じることはない。しかし、一時的に水素ガスあるいは酸素が不足することがあれば、四三酸化マンガンを生じることはありうる。その量が5重量%を超えることは、問題となりうる。この量が5重量%以下程度となることは、用途によっては、許容されうる。なお、ここにいう正極重量は、集電体の重量を含まない。In the fuel cell, the content of trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ) contained in the positive electrode is preferably 5% by weight or less based on the weight of the positive electrode. If hydrogen gas and oxygen are almost always supplied, trimanganese tetroxide is not generated. However, if hydrogen gas or oxygen is temporarily insufficient, trimanganese tetroxide can be produced. The amount exceeding 5% by weight can be a problem. Depending on the application, this amount can be allowed to be about 5% by weight or less. In addition, the positive electrode weight here does not include the weight of the current collector.

本燃料電池は、前記正極に含まれる二酸化マンガンの含有量が、正極重量に基づいて、20〜99.8重量%の範囲内であることが好ましい。なお、ここにいう正極重量は、集電体の重量を含まない。   In the fuel cell, the content of manganese dioxide contained in the positive electrode is preferably in the range of 20 to 99.8% by weight based on the weight of the positive electrode. In addition, the positive electrode weight here does not include the weight of the current collector.

本燃料電池は、前記正極に含まれる二酸化マンガンの平均粒径が、1〜100μmの範囲内であることが好ましい。ここに、平均粒子径は、JIS
Z 8910の光散乱法による球相当径を用いて表した値である。
In this fuel cell, it is preferable that the average particle diameter of manganese dioxide contained in the positive electrode is in the range of 1 to 100 μm. Here, the average particle size is JIS
This is a value expressed by using a sphere equivalent diameter by the light scattering method of Z8910.

本燃料電池は、前記正極に含まれる二酸化マンガンが、カーボンコーティングされていてもよい。   In the present fuel cell, manganese dioxide contained in the positive electrode may be carbon-coated.

導電処理としてコバルトが用いられることもある。しかし、コバルトは高価である。通常、導電性を有する材料としてカーボンが用いられる。しかし、カーボンは酸化されて炭酸ガスとなる。このため、その導電性を確保することが困難となる。本燃料電池の内部は、水素雰囲気下である。このため、カーボンは、酸化されることなく、導電性を維持することが可能である。   Cobalt may be used as the conductive treatment. However, cobalt is expensive. Usually, carbon is used as a material having conductivity. However, carbon is oxidized to carbon dioxide gas. For this reason, it becomes difficult to ensure the conductivity. The inside of the fuel cell is under a hydrogen atmosphere. For this reason, carbon can maintain conductivity without being oxidized.

本燃料電池は、前記水素吸蔵材料が、水素吸蔵合金、又は、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属であることが好ましい。   In the fuel cell, the hydrogen storage material is preferably a hydrogen storage alloy or at least one metal selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni.

本燃料電池は、セパレータが、平均孔径0.1〜10μmの範囲内の微多孔膜であることが好ましい。
本燃料電池は、前記負極が、前記セパレータに接する面に配された、親水性を有する材料と、前記水素貯蔵室に接する面に配された、疎水性を有する材料と、を含んでいてもよい。
In the present fuel cell, the separator is preferably a microporous membrane having an average pore diameter of 0.1 to 10 μm.
In the fuel cell, the negative electrode may include a hydrophilic material disposed on a surface in contact with the separator and a hydrophobic material disposed on a surface in contact with the hydrogen storage chamber. Good.

本燃料電池は、前記電解液が、増粘剤を含有していることが好ましい。そして、その増粘剤が、ポリアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸ナトリウム及びポリアクリル酸カリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種のポリアクリル酸塩であってもよい。   In the present fuel cell, the electrolyte solution preferably contains a thickener. The thickening agent may be at least one polyacrylate selected from the group consisting of lithium polyacrylate, sodium polyacrylate, and potassium polyacrylate.

本燃料電池は、開路端子電圧が、0.8〜1.48Vの範囲内であることが好ましい。すなわち、1つの本燃料電池の開路時の端子電圧が、0.8〜1.48Vの範囲内であってもよい。正極がオキシ水酸化マンガンであって、電解液の圧力が0.1MPaのとき、端子電圧は0.8V近傍となる。一方、正極が二酸化マンガンであって、電解液が高圧の場合、端子電圧は1.48Vとなる。開路端子電圧は、正極の充電状態および電解液の圧力により定まる。   The fuel cell preferably has an open circuit terminal voltage in the range of 0.8 to 1.48V. That is, the terminal voltage when one fuel cell is opened may be in the range of 0.8 to 1.48V. When the positive electrode is manganese oxyhydroxide and the electrolyte pressure is 0.1 MPa, the terminal voltage is about 0.8V. On the other hand, when the positive electrode is manganese dioxide and the electrolyte is at a high voltage, the terminal voltage is 1.48V. The open circuit terminal voltage is determined by the state of charge of the positive electrode and the pressure of the electrolyte.

本燃料電池は、外装体と、前記正極と前記負極と前記セパレータとを、前記外装体の軸方向に貫通している集電体と、をさらに有し、前記正極もしくは前記負極のいずれか一方が、前記外装体の内面に当接して、この内面に電気的に接続されている第1電極であり、前記正極もしくは前記負極のいずれか他方が、前記外装体の内面に接触していない第2電極であり、前記第2電極は、前記集電体に当接して、これに電気的に接続されている一方、前記第1電極は、前記集電体と接触していない、積層タイプの電池であってもよい。   The fuel cell further includes an exterior body, and a current collector passing through the positive electrode, the negative electrode, and the separator in an axial direction of the exterior body, and either the positive electrode or the negative electrode Is a first electrode that is in contact with and electrically connected to the inner surface of the exterior body, and the other of the positive electrode and the negative electrode is not in contact with the inner surface of the exterior body. A laminated type, wherein the second electrode is in contact with and electrically connected to the current collector, while the first electrode is not in contact with the current collector. It may be a battery.

この構成によれば、セパレータは、電解液を保持しているとともに、正負極間を絶縁している。セパレータは、イオンの透過を可能にしている。外装体は金属であり、その材料は、鉄、アルミニウムあるいはチタンを含んでいてもよい。外装体は、外装体に接触している方の電極(第1電極)の端子として機能する。また、外装体は、中空の缶であってもよい。正負極およびセパレータは、シート状に形成されていてもよい。各電極は、外装体の軸方向に積層されて、外装体内部に収納されていてもよい。第1電極の外径寸法(厚み方向と垂直方向の寸法)は、外装体の内径よりも少し大きく作られていてもよい。第1電極は、その外周の全体もしくは一部が外装体の内面に接触している。第1電極は、外装体内部に圧入され、第1電極は熱的にも小さな抵抗をもって、外装体に接続される。このため、外装体は、電極を有効に冷却する。   According to this configuration, the separator holds the electrolytic solution and insulates between the positive and negative electrodes. The separator allows the permeation of ions. The exterior body is a metal, and the material thereof may contain iron, aluminum, or titanium. The exterior body functions as a terminal of the electrode (first electrode) that is in contact with the exterior body. The exterior body may be a hollow can. The positive and negative electrodes and the separator may be formed in a sheet shape. Each electrode may be stacked in the axial direction of the exterior body and housed inside the exterior body. The outer diameter of the first electrode (the dimension in the direction perpendicular to the thickness direction) may be made slightly larger than the inner diameter of the exterior body. The whole or part of the outer periphery of the first electrode is in contact with the inner surface of the exterior body. The first electrode is pressed into the exterior body, and the first electrode is connected to the exterior body with a small thermal resistance. For this reason, an exterior body cools an electrode effectively.

一方、第2電極の外径寸法は、外装体の内径よりも小さく作られていてもよい。第2電極は、外装体と接触せず、絶縁されていている。外装体は、缶であってよく、鉄、アルミニウムあるいはチタンを含んでいてもよい。   On the other hand, the outer diameter of the second electrode may be made smaller than the inner diameter of the exterior body. The second electrode is not in contact with the exterior body and is insulated. The exterior body may be a can and may contain iron, aluminum, or titanium.

第1電極で発生する熱は、直接外装体に伝えられる。途中に熱の不良導体が介在しないので、熱勾配(温度差)は小さい。第2電極で発生する熱は、セパレータを介して第1電極に伝えられる。途中に介在する熱伝導度の小さいセパレータは、1枚だけであり、大きな熱抵抗とはならない。このため、熱勾配は小さく抑えられる。更に、正負極およびセパレータを含む電極群は、軸方向に大きな圧力を持って、外装体に押し込まれる。これにより、第2電極が、強く第1電極に押し付けられる。このため、第2電極の熱の移動は、より大きくなる。捲回電池の温度勾配が大きい理由は、外装体と電極との間に、熱を伝え難いセパレータが幾重にも介在していること、および、その構造上、大きな力での捲回が困難であるので、電極間の熱の移動を大きくすることができないことにある。   The heat generated in the first electrode is directly transferred to the exterior body. Since there is no defective heat conductor in the middle, the thermal gradient (temperature difference) is small. Heat generated in the second electrode is transmitted to the first electrode through the separator. There is only one separator with a small thermal conductivity interposed in the middle, and it does not have a large thermal resistance. For this reason, the thermal gradient is kept small. Furthermore, the electrode group including the positive and negative electrodes and the separator is pushed into the exterior body with a large pressure in the axial direction. As a result, the second electrode is strongly pressed against the first electrode. For this reason, the heat transfer of the second electrode is further increased. The reason why the temperature gradient of the wound battery is large is that there are multiple separators that are difficult to transfer heat between the outer package and the electrode, and because of its structure, it is difficult to wind with a large force. Therefore, the heat transfer between the electrodes cannot be increased.

以上のように、本燃料電池は、温度勾配は小さく、電池の中心部における温度上昇を小さくすることができる。このため、電池内部に、冷媒を流すためのパイプ等を設ける必要がない。したがって、コンパクトな構造で、温度上昇を抑えることができる。更には、外装体を冷却することにより、容易に電池内部まで冷却することができる。このため、効果的に温度上昇を抑えることが可能となる。   As described above, the present fuel cell has a small temperature gradient and can reduce the temperature rise at the center of the cell. For this reason, it is not necessary to provide a pipe or the like for flowing the refrigerant inside the battery. Therefore, a temperature rise can be suppressed with a compact structure. Furthermore, it is possible to easily cool the inside of the battery by cooling the exterior body. For this reason, it becomes possible to suppress a temperature rise effectively.

また、第2電極は、前記集電体に当接して、これに電気的に接続されている。一方、第1電極は、前記集電体と接触していない。正負極およびセパレータは、それらの中心部分に、集電体が通る穴を有している。その穴を、棒状の集電体が貫通している。第1電極の穴の径は、棒状の集電体の外径より大きい。このため、第1電極は、集電体と接触しない。第2電極の穴の径は、棒状の集電体の外径より小さい。このため、第2電極は、集電体と接触して、これに電気的に接続されている。集電体の材料は、金属を含んでいる。このため、集電体は、第2電極の端子として機能する。また集電体の材料としては、鉄、アルミニウム、あるいは、これらにニッケルメッキを施したものを包含する。   The second electrode is in contact with and electrically connected to the current collector. On the other hand, the first electrode is not in contact with the current collector. The positive and negative electrodes and the separator have a hole through which the current collector passes in the central portion thereof. A rod-shaped current collector passes through the hole. The diameter of the hole of the first electrode is larger than the outer diameter of the rod-shaped current collector. For this reason, the first electrode is not in contact with the current collector. The diameter of the hole of the second electrode is smaller than the outer diameter of the rod-shaped current collector. For this reason, the second electrode is in contact with and electrically connected to the current collector. The material of the current collector contains a metal. For this reason, the current collector functions as a terminal of the second electrode. Moreover, as a material of a collector, iron, aluminum, or what plated these on nickel is included.

本燃料電池は、前記外装体が、円筒状の金属性の胴部を有していてもよい。前記外装体は、蓋付有底の円筒であってもよい。前記外装体は、円筒状の金属性の胴部と、当該胴部の軸方向開口部を覆う2つの蓋部とを有していてもよい。この場合、前記集電体は、前記蓋部を貫通していてもよい。   In the present fuel cell, the outer package may have a cylindrical metallic trunk. The exterior body may be a cylinder with a bottom with a lid. The said exterior body may have a cylindrical metallic trunk | drum and two cover parts which cover the axial direction opening part of the said trunk | drum. In this case, the current collector may penetrate through the lid.

この構成によれば、集電体は、蓋部を貫通して、両蓋部に支持されていてもよい。外装体は、円管(パイプ)の両端開口部に蓋を備えたものであってもよい。この場合、外装体は、その内部に、円管および蓋によって形成される密閉空間を有する。そして、この密閉空間内に、正負極およびセパレータを含む電極群が収納される。蓋部は、金属製であってもよい。第1電極の外径寸法は、外装体の内径よりも少し大きく作られていてもよい。また、第2電極の外径寸法は、外装体の内径よりも小さく作られている。   According to this configuration, the current collector may pass through the lid portion and be supported by both lid portions. The exterior body may be provided with lids at both end openings of a circular pipe (pipe). In this case, the exterior body has a sealed space formed by a circular tube and a lid therein. And the electrode group containing a positive / negative electrode and a separator is accommodated in this sealed space. The lid may be made of metal. The outer diameter of the first electrode may be made slightly larger than the inner diameter of the exterior body. The outer diameter of the second electrode is made smaller than the inner diameter of the exterior body.

本燃料電池は、前記外装体の側部が略円筒形状であり、かつ、前記外装体が、軸方向両端にドーム状に膨出する膨出部を有していてもよい。   In the present fuel cell, the side portion of the exterior body may have a substantially cylindrical shape, and the exterior body may have a bulge portion that bulges in a dome shape at both ends in the axial direction.

この構成によれば、外装体は、一端に膨出部が形成された側部と、側部の他端の開口部に取付けられる、側部とは別体の膨出部とを有していてもよい。あるいは、外装体は、軸方向両端が開口された略円筒状の側部と、その両端に取り付けられる膨出部とを有していてもよい。
いずれの場合も、外装体は膨出部と側部に囲まれた密閉空間を有している。密閉空間内に正負極とセパレータが収納される。
According to this structure, the exterior body has the side part in which the bulging part was formed in one end, and the bulging part separate from the side part attached to the opening of the other end of the side part. May be. Or the exterior body may have the substantially cylindrical side part by which the axial direction both ends were opened, and the bulging part attached to the both ends.
In any case, the exterior body has a sealed space surrounded by the bulging part and the side part. Positive and negative electrodes and a separator are accommodated in the sealed space.

第1電極の外径寸法は、外装体の内径よりも少し大きく作られている。第2電極の外径寸法は外装体の内径よりも小さく作られている。このような構成により、第1電極で発生する熱は、直接、外装体に伝えられる。第2電極で発生する熱は、1枚のセパレータを介して、第1電極に伝えられる。以上のように、本燃料電池は、電極で発生する熱が、外装体に効率よく伝えられる。このため、温度勾配を小さくすること、および、積層電池の中心部における温度上昇を小さくすることができる。   The outer diameter of the first electrode is made slightly larger than the inner diameter of the exterior body. The outer diameter of the second electrode is made smaller than the inner diameter of the exterior body. With such a configuration, the heat generated in the first electrode is directly transmitted to the exterior body. The heat generated in the second electrode is transferred to the first electrode through one separator. As described above, in the present fuel cell, the heat generated by the electrode is efficiently transmitted to the exterior body. For this reason, a temperature gradient can be made small and the temperature rise in the center part of a laminated battery can be made small.

本発明に係る積層電池は、前記外装体のドーム状膨出部の内方空間に設けられた、前記負極で発生する水素ガスを貯蔵する水素貯蔵室を、さらに備えていてもよい。   The laminated battery according to the present invention may further include a hydrogen storage chamber for storing hydrogen gas generated in the negative electrode, which is provided in an inner space of the dome-shaped bulge portion of the exterior body.

以上のように、本燃料電池およびこれを用いた燃料電池システムは、正極活物質に二酸化マンガンが採用されている。さらに、過充電時に、負極および正極から発生する水素ガスおよび酸素ガスが、それぞれ水素ガス状態および酸素ガス状態もしくは電解液に溶存した酸素として、貯蔵される。これにより、水素および酸素の化学エネルギーを電気エネルギーに再変換して利用することが可能である。したがって、エネルギーの利用効率およびエネルギー密度を飛躍的に高めることができる。また、水素ガスおよび酸素ガスを供給するための設備を別途設ける必要がない。   As described above, the present fuel cell and the fuel cell system using the same employ manganese dioxide as the positive electrode active material. Further, during overcharge, hydrogen gas and oxygen gas generated from the negative electrode and the positive electrode are stored as hydrogen gas state and oxygen gas state or oxygen dissolved in the electrolyte, respectively. Thereby, the chemical energy of hydrogen and oxygen can be reconverted into electric energy and used. Therefore, energy use efficiency and energy density can be dramatically increased. Further, it is not necessary to separately provide equipment for supplying hydrogen gas and oxygen gas.

さらには、二次電池の電極反応を介して、電気エネルギーが出力される。したがって、従来の燃料電池に比べて、負荷変動に対する追従性が大幅に改善される。また、正極での充放電反応過程において、不可逆物質となる四三酸化マンガンが生じることがない。このため、寿命特性を大幅に改善することができる。
加えて、本燃料電池は、電池内部の温度上昇を抑制するとともに、冷却のために余分なスペースを必要としない。
Furthermore, electric energy is output through the electrode reaction of the secondary battery. Therefore, the followability with respect to the load fluctuation is greatly improved as compared with the conventional fuel cell. Further, in the charge / discharge reaction process at the positive electrode, trimanganese tetraoxide that becomes an irreversible substance does not occur. For this reason, the life characteristics can be greatly improved.
In addition, this fuel cell suppresses the temperature rise inside the cell and does not require an extra space for cooling.

本発明の第1実施形態に係るリバーシブル燃料電池の構造を模式的に示す断面図であり、酸素が電解液に溶存した例である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the reversible fuel cell which concerns on 1st Embodiment of this invention, and is the example which oxygen dissolved in electrolyte solution. 本発明の第1実施形態のリバーシブル燃料電池の変形例である。It is a modification of the reversible fuel cell of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図2AのD−D断面を示す図面である。It is drawing which shows the DD cross section of FIG. 2A. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池の第2の変形例の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the 2nd modification of the fuel cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図3に示す変形例に係る燃料電池からなる電池モジュールの構造を示す図面であり、図において円形で囲った部分は要部拡大図である。It is drawing which shows the structure of the battery module which consists of a fuel cell which concerns on the modification shown in FIG. 3, and the part enclosed with the circle in the figure is a principal part enlarged view. 図4Aにおける集電板の正面図である。It is a front view of the current collecting plate in FIG. 4A. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池の第3の変形例の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the 3rd modification of the fuel cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図5Aにおいて、燃料電池の接続部の形状の変形例を示したものである。In FIG. 5A, the modification of the shape of the connection part of a fuel cell is shown. 図5Aにおいて、燃料電池の接続部の形状の他の変形例を示したものである。FIG. 5A shows another modification of the shape of the connecting portion of the fuel cell. 図5Cに示す変形例に係る燃料電池からなる電池バンクの構成を示す図面である。It is drawing which shows the structure of the battery bank which consists of a fuel cell which concerns on the modification shown to FIG. 5C. 本発明の第3実施形態に係る燃料電池を単位電池として構成したときの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a structure when the fuel cell which concerns on 3rd Embodiment of this invention is comprised as a unit cell. 図7Aの単位電池を組み立ててモジュール化をしたときの構造を示す組立断面図である。FIG. 7B is an assembled cross-sectional view showing a structure when the unit battery of FIG. 7A is assembled into a module. 図7Bに示す燃料電池を複数接続してなる電池バンクの構成を示す図面である。It is drawing which shows the structure of the battery bank formed by connecting multiple fuel cells shown to FIG. 7B. 図8Aの電池バンクにおける燃料電池の接続図である。FIG. 8B is a connection diagram of fuel cells in the battery bank of FIG. 8A. 本発明の第4実施形態に係るリバーシブル燃料電池の構造を示す部分破断側面図である。It is a partially broken side view which shows the structure of the reversible fuel cell which concerns on 4th Embodiment of this invention. 図9AのA−A断面である。It is an AA cross section of FIG. 9A. 本発明の第4実施形態に係るリバーシブル燃料電池の電極部分の構造を模式的に示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows typically the structure of the electrode part of the reversible fuel cell which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係るリバーシブル燃料電池を用いた発電プロセスを説明するための系統図である。It is a systematic diagram for demonstrating the electric power generation process using the reversible fuel cell which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係るリバーシブル燃料電池の構造を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the structure of a reversible fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention. 図12のB−B断面図を示すである。It is BB sectional drawing of FIG. 図12のC−C断面図を示すである。It is CC sectional drawing of FIG. 本発明の第5実施形態に係るリバーシブル燃料電池と外部系統との関係を示す系統図である。It is a systematic diagram which shows the relationship between the reversible fuel cell which concerns on 5th Embodiment of this invention, and an external system. 本発明の第5実施形態に係るリバーシブル燃料電池を用いた電解液処理プロセスを説明するための系統図である。It is a systematic diagram for demonstrating the electrolyte treatment process using the reversible fuel cell which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態に係る円筒積層型燃料電池の概略構成図であり、軸方向断面を示す図である。It is a schematic block diagram of the cylindrical laminated fuel cell which concerns on 6th Embodiment of this invention, and is a figure which shows an axial cross section. 本発明の第6実施形態に係る円筒積層型燃料電池の変形例の概略構成図であり、軸方向断面図である。It is a schematic block diagram of the modification of the cylindrical laminated fuel cell which concerns on 6th Embodiment of this invention, and is an axial sectional view. 本発明の第7実施形態に係るドーナツ電池を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the donut battery which concerns on 7th Embodiment of this invention. 二酸化マンガン正極の放電特性(一電子反応の場合)を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic (in the case of one electron reaction) of a manganese dioxide positive electrode. 二酸化マンガン正極の放電特性(二電子反応の場合)を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic (in the case of a two-electron reaction) of a manganese dioxide positive electrode. XRD測定の結果を示すグラフであり、この測定は、二酸化マンガン正極における組成の、放電深度の相違に応じた変化を調べる測定である。It is a graph which shows the result of a XRD measurement, and this measurement is a measurement which investigates the change according to the difference in the depth of discharge of the composition in a manganese dioxide positive electrode. 酸素ガスで二酸化マンガン電極を充電したときの実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows an experimental result when a manganese dioxide electrode is charged with oxygen gas. 酸素ガスで二酸化マンガン電極を充電したときの他の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the other experimental result when a manganese dioxide electrode is charged with oxygen gas. 正極の組成と端子電圧との関係を模式的に示す特性グラフである。It is a characteristic graph which shows typically the relation between the composition of the positive electrode and the terminal voltage. 自由エネルギーの圧力による影響を、熱力学計算により求めたグラフである。It is the graph which calculated | required the influence by the pressure of free energy by the thermodynamic calculation.

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照して説明する。なお、1個の燃料電池の電圧は、数ボルト以下と低い。このため、高電圧が必要となる場合、複数の燃料電池を、互いに直列に接続してモジュール化して使用する。なお、燃料電池と他の設備との組み合わせを含むシステムについては、燃料電池システムと称する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. The voltage of one fuel cell is as low as several volts or less. For this reason, when a high voltage is required, a plurality of fuel cells are connected in series with each other and used as a module. A system including a combination of a fuel cell and other equipment is referred to as a fuel cell system.

個別の実施形態を述べる前に、これらの実施形態に共通する事項について説明する。すなわち、まず、負極、正極、電解液およびセパレータについて述べる。その後、個別の実施形態について述べる。   Before describing individual embodiments, matters common to these embodiments will be described. That is, first, a negative electrode, a positive electrode, an electrolytic solution, and a separator will be described. Thereafter, individual embodiments are described.

<負極>
本発明のリバーシブル燃料電池で用いられる負極は、水素吸蔵材料を含有している。水素吸蔵材料は、水素を吸蔵および放出することができる材料であればよく、水素吸蔵合金に限定されない。水素吸蔵材料は、水素吸蔵合金の他、例えば、水素化触媒のような、触媒表面で水素を吸着するような材料であってもよい。水素化触媒は、例えば、Ni、Fe、Ti、Al、Ga、As、Se、Mg、Sb、Te、Tl、Pd、Sc、Bi、Ca、V、Cr、Mn、Co、Cu、ZnおよびRuから選ばれる一種又は二種以上を含む、金属或いは合金を含む。水素吸蔵材料は、Ni、Fe、Ti、Pd、Sc、V、MnおよびCoから選ばれる一種又は二種以上を含む、金属或いは合金であってもよい。これらの金属あるいは合金は、耐アルカリ性を有しているとともに、優れた水素解離吸着速度を有している。
<Negative electrode>
The negative electrode used in the reversible fuel cell of the present invention contains a hydrogen storage material. The hydrogen storage material may be any material that can store and release hydrogen, and is not limited to a hydrogen storage alloy. In addition to the hydrogen storage alloy, the hydrogen storage material may be a material that adsorbs hydrogen on the catalyst surface, such as a hydrogenation catalyst. Examples of the hydrogenation catalyst include Ni, Fe, Ti, Al, Ga, As, Se, Mg, Sb, Te, Tl, Pd, Sc, Bi, Ca, V, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, and Ru. A metal or an alloy containing one or more selected from The hydrogen storage material may be a metal or an alloy containing one or more selected from Ni, Fe, Ti, Pd, Sc, V, Mn, and Co. These metals or alloys have alkali resistance and an excellent hydrogen dissociation adsorption rate.

水素吸蔵材料は、水素吸蔵量の観点から、水素吸蔵合金であってもよい。水素吸蔵合金の材料は、通常用いられているもの、例えば、Mm(ミッシュメタル)、Ni、Co、MnあるいはAl系のAB5型合金であってもよい。また、この材料は、ニッケルを主成分とする遷移金属と、それよりも含有量の多い希土類金属とを含む、AB2型合金であってもよい。さらに、この材料は、AB3型合金、A2B7型合金、Ti−Fe系合金、V系合金、Mg系合金、あるいはPd系合金であってもよい。   The hydrogen storage material may be a hydrogen storage alloy from the viewpoint of the hydrogen storage amount. The material of the hydrogen storage alloy may be a commonly used material such as Mm (Misch metal), Ni, Co, Mn, or Al-based AB5 type alloy. Further, this material may be an AB2 type alloy containing a transition metal containing nickel as a main component and a rare earth metal having a higher content. Further, this material may be an AB3 type alloy, an A2B7 type alloy, a Ti—Fe alloy, a V alloy, an Mg alloy, or a Pd alloy.

負極に含まれる水素吸蔵合金の平均粒径は、5〜100μmの範囲内であってもよいし、10〜50μmの範囲内であることがより好ましい。水素吸蔵合金の平均粒径が5μm未満の場合、合金粒子の比表面積が大きくなる。このため、水素吸蔵合金の粒子表面が、アルカリに腐食されやすくなる。このような腐食は、水素吸蔵量の減少、および、負極中の水素吸蔵合金の利用率の低下を招く。さらに、導電性も悪くなるので、電池の放電特性が悪化する。平均粒径が100μmを超える場合、粒子の比表面積が小さくなる。このため、負極における水素吸蔵放出反応が遅くなる。このため、電池の放電特性が悪化する。なお、後述する第1実施形態においては、負極に含まれる水素吸蔵合金の平均粒子径は、20μmである。   The average particle size of the hydrogen storage alloy contained in the negative electrode may be in the range of 5 to 100 μm, and more preferably in the range of 10 to 50 μm. When the average particle size of the hydrogen storage alloy is less than 5 μm, the specific surface area of the alloy particles increases. For this reason, the particle | grain surface of a hydrogen storage alloy becomes easy to be corroded by an alkali. Such corrosion causes a decrease in the hydrogen storage amount and a decrease in the utilization rate of the hydrogen storage alloy in the negative electrode. Furthermore, since the conductivity is also deteriorated, the discharge characteristics of the battery are deteriorated. When the average particle diameter exceeds 100 μm, the specific surface area of the particles becomes small. For this reason, the hydrogen storage / release reaction in the negative electrode is delayed. For this reason, the discharge characteristic of a battery deteriorates. In the first embodiment to be described later, the average particle size of the hydrogen storage alloy contained in the negative electrode is 20 μm.

一般的に、水素吸蔵合金の粒子表面には、容量低下の原因となる酸化膜、および/または、充放電反応に寄与しない不純物が存在する。このため、水素吸蔵合金は、活性化処理されていてもよい。この活性化処理の方法は、たとえば、水素吸蔵合金を酸処理すること、および、合金粒子表面に存在する酸化被膜を除去することを含む、表面改質処理方法を含む。また、この活性化処理の方法は、アルカリ処理を用いた表面改質処理方法を含む。なお、酸処理を用いる方法は、後工程として、水洗工程を含む。この水洗工程は、水素吸蔵合金に付着している処理液を除去するための工程である。一方、アルカリ処理を用いた表面改質処理方法は、この水洗工程を含まないため、工程数が少ない表面改質処理方法である。なお、高温のアルカリ水溶液を用いると、処理の効果が向上する。後述する第1実施形態は、アルカリ処理を用いた表面改質処理方法が採用された。   In general, an oxide film that causes a decrease in capacity and / or impurities that do not contribute to a charge / discharge reaction are present on the particle surface of the hydrogen storage alloy. For this reason, the hydrogen storage alloy may be activated. This activation treatment method includes, for example, a surface modification treatment method including acid treatment of the hydrogen storage alloy and removal of an oxide film present on the surface of the alloy particles. The activation treatment method includes a surface modification treatment method using an alkali treatment. In addition, the method using an acid treatment includes a water washing process as a post process. This water washing process is a process for removing the processing liquid adhering to the hydrogen storage alloy. On the other hand, the surface modification treatment method using alkali treatment is a surface modification treatment method with a small number of steps since this water washing step is not included. If a high-temperature alkaline aqueous solution is used, the treatment effect is improved. In the first embodiment to be described later, a surface modification treatment method using alkali treatment is employed.

水素吸蔵合金は、一般組成式RE(1−x)MgNiAlで示される水素吸蔵合金であってもよい。上記組成式の水素吸蔵合金を用いる場合、従来のAB5系を用いる場合よりも、良好な負極を得ることができる。この負極は、少ない自己放電、高い容量維持率、高い放電電圧、および、良好な高率放電特性を有する。さらに、この負極は、上記のような酸処理あるいはアルカリ処理による活性化を必要としない。また、上記組成の水素吸蔵合金の結晶構造は、超格子相を有する。ここで、式中REは、La、Ce、Pr及びNdよりなる群から選ばれる、少なくとも1種以上の元素である。また、添字x、yおよびzは、それぞれ、0.01≦x≦0.2、4.0≦y≦4.9、0.05≦z≦0.3で示される範囲にある。The hydrogen storage alloy may be a hydrogen storage alloy represented by a general composition formula RE (1-x) Mg x Ni y Al z . When a hydrogen storage alloy having the above composition formula is used, a better negative electrode can be obtained than when a conventional AB5 system is used. This negative electrode has a low self-discharge, a high capacity retention rate, a high discharge voltage, and good high rate discharge characteristics. Furthermore, this negative electrode does not require activation by acid treatment or alkali treatment as described above. The crystal structure of the hydrogen storage alloy having the above composition has a superlattice phase. Here, RE in the formula is at least one element selected from the group consisting of La, Ce, Pr and Nd. The subscripts x, y, and z are in the ranges indicated by 0.01 ≦ x ≦ 0.2, 4.0 ≦ y ≦ 4.9, and 0.05 ≦ z ≦ 0.3, respectively.

水素吸蔵合金の粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電助剤の合計を100重量%とした場合、負極における水素吸蔵合金の重量比は、80〜99.8%の範囲内であってもよい。   When the total of the hydrogen storage alloy powder, binder, and conductive additive added as necessary is 100% by weight, the weight ratio of the hydrogen storage alloy in the negative electrode is in the range of 80 to 99.8%. It may be within.

負極は、ペースト式負極および非ペースト式負極を含む。ペースト式負極の製造は、水素吸蔵合金粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電性粉末を混合することによって、ペーストを形成する。このペーストを、集電体に塗布および充填し、乾燥させる。その後、ローラープレス等で集電体を圧延することにより、負極が製造される。非ペースト式負極の製造は、水素吸蔵合金粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電性粉末を撹拌する。攪拌によって得られた粉末を、集電体に散布する。その後、ローラープレス等で集電体圧延することにより、負極が製造される。   The negative electrode includes a paste-type negative electrode and a non-paste-type negative electrode. In the manufacture of the paste type negative electrode, the paste is formed by mixing the hydrogen storage alloy powder, the binder, and the conductive powder added as necessary. This paste is applied and filled into a current collector and dried. Then, a negative electrode is manufactured by rolling a collector with a roller press etc. In the production of the non-paste type negative electrode, the hydrogen storage alloy powder, the binder, and the conductive powder added as necessary are stirred. The powder obtained by stirring is spread on a current collector. Then, a negative electrode is manufactured by carrying out current collector rolling with a roller press etc.

負極に用いられる結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ソーダ、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレン−ビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、キサンタンガム、グァーガム、および、ペプチンを含む。水素吸蔵合金粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電助剤の合計を100重量%とした場合、負極に配合される結着剤の重量比は、0.1〜10重量%で配合されていることが好ましい。   Examples of the binder used for the negative electrode include sodium polyacrylate, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethylene-vinyl alcohol, ethylene vinyl acetate copolymer (EVA). ), Polyethylene (PE), polypropylene (PP), styrene butadiene rubber (SBR), styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), xanthan gum, guar gum, and peptin. When the total of the hydrogen storage alloy powder, the binder, and the conductive additive added as necessary is 100% by weight, the weight ratio of the binder blended in the negative electrode is 0.1 to 10% by weight. % Is preferable.

負極用導電助剤は、導電性を有する粉末であればよい。この導電助剤は、例えば、黒鉛粉末、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどの、カーボン粉末であってもよい。また、この導電助剤は、ニッケル粉末、銅粉末およびコバルト粉末などの金属粉末であってもよい。水素吸蔵合金粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電助剤の合計を100重量%とした場合、負極に配合される導電助剤の重量比は、0.1〜10重量%の範囲で配合されていることが好ましい。   The conductive auxiliary agent for negative electrode should just be the powder which has electroconductivity. The conductive aid may be a carbon powder such as graphite powder, acetylene black, and ketjen black. Further, the conductive auxiliary agent may be a metal powder such as nickel powder, copper powder and cobalt powder. When the total of the hydrogen storage alloy powder, the binder, and the conductive auxiliary agent added as necessary is 100% by weight, the weight ratio of the conductive auxiliary compounded in the negative electrode is 0.1 to 10% by weight. % Is preferable.

負極用集電体は、例えば、パンチングメタル、エキスパンドメタルおよび金網等の、二次元基板であってもよい。また、負極用集電体は、発泡ニッケル基板、網状焼結繊維基板、金属をメッキした不織布であるフェルトメッキ基板等の、三次元基板であってもよい。ただし、非ペースト式の水素吸蔵合金電極を作製する場合、水素吸蔵合金粉末を含む合材が散布される。このため、二次元基板を導電性基板として用いてもよい。   The negative electrode current collector may be a two-dimensional substrate such as a punching metal, an expanded metal, and a wire mesh. Further, the negative electrode current collector may be a three-dimensional substrate such as a foamed nickel substrate, a reticulated sintered fiber substrate, or a felt-plated substrate that is a metal-plated nonwoven fabric. However, when producing a non-paste type hydrogen storage alloy electrode, a mixture containing hydrogen storage alloy powder is dispersed. For this reason, a two-dimensional substrate may be used as the conductive substrate.

<正極>
正極は、活物質として二酸化マンガンを含有している。正極活物質の平均粒径は、1〜100μmの範囲内であってもよく、10〜50μmの範囲内が好ましい。正極活物質の平均粒径が1μm未満の場合、正極活物質粒子の比表面積が大きくなる。このため、粒子と粒子とを結着するための結着剤の量が多くなる。このことは、正極組成の活物質含有比の減少、および、正極容量の低下を招く。さらに、導電性も悪くなるので、電池の放電特性が悪化する。平均粒径が100μmを超える場合、酸素含有電解液と正極活物質との接触による充電の速度が、酸素の拡散律速のために、減少する傾向にある。また、粒子の比表面積が小さくなる。このことは、正極の充放電反応を阻害するとともに、電池の放電特性を悪化させる。また、電極が緻密でなくなるため、エネルギー密度が低くなる。なお、後述する第1実施形態においては、正極活物質は、10μmの平均粒子径を有する二酸化マンガンである。
<Positive electrode>
The positive electrode contains manganese dioxide as an active material. The average particle diameter of the positive electrode active material may be in the range of 1 to 100 μm, and preferably in the range of 10 to 50 μm. When the average particle diameter of the positive electrode active material is less than 1 μm, the specific surface area of the positive electrode active material particles is increased. For this reason, the amount of the binder for binding the particles to each other increases. This leads to a decrease in the active material content ratio of the positive electrode composition and a decrease in the positive electrode capacity. Furthermore, since the conductivity is also deteriorated, the discharge characteristics of the battery are deteriorated. When the average particle size exceeds 100 μm, the charge rate due to the contact between the oxygen-containing electrolyte and the positive electrode active material tends to decrease due to the oxygen diffusion rate limiting. In addition, the specific surface area of the particles is reduced. This hinders the charge / discharge reaction of the positive electrode and deteriorates the discharge characteristics of the battery. Moreover, since the electrode is not dense, the energy density is lowered. In the first embodiment to be described later, the positive electrode active material is manganese dioxide having an average particle diameter of 10 μm.

正極活物質、結着剤、および、必要に応じて添加される導電助剤の合計を100重量%とした場合、正極に配合される正極活物質の重量比は、20〜99.8重量%の範囲内であってもよい。正極活物質の重量比が20重量%未満であると、急速放電の際、正極に、不可逆成分である四三酸化マンガンが生成されやすくなる。一方、正極活物質の重量比が99.8重量%を超える場合、電極を製作することが困難である。   When the total of the positive electrode active material, the binder, and the conductive auxiliary agent added as necessary is 100% by weight, the weight ratio of the positive electrode active material blended in the positive electrode is 20 to 99.8% by weight. It may be within the range. When the weight ratio of the positive electrode active material is less than 20% by weight, trimanganese tetraoxide, which is an irreversible component, is easily generated in the positive electrode during rapid discharge. On the other hand, when the weight ratio of the positive electrode active material exceeds 99.8% by weight, it is difficult to manufacture an electrode.

上記の正極活物質は、通常、二酸化マンガン粒子と、その表面を被覆する導電性を有する材料との、複合体である。導電性を有する材料としては、金属材料、カーボン材料、導電性セラミックス、又は導電性ポリマーであってもよい。また、この材料は、導電性および耐アルカリ性の観点から、カーボン材料であってもよい。カーボン材料は、導電性を有していれば、特に限定されない。カーボン材料は、たとえば、ケッチンブラック(KB)、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、グラファイト、グラフェン、繊維状炭素、ガラスカーボン、および活性炭を含む。上記KBおよびABの比表面積は、50〜3000m/gのものが好ましい。The positive electrode active material is usually a composite of manganese dioxide particles and a conductive material covering the surface. The conductive material may be a metal material, a carbon material, a conductive ceramic, or a conductive polymer. In addition, this material may be a carbon material from the viewpoint of conductivity and alkali resistance. The carbon material is not particularly limited as long as it has conductivity. The carbon material includes, for example, ketchin black (KB), acetylene black (AB), furnace black, graphite, graphene, fibrous carbon, glass carbon, and activated carbon. The specific surface areas of KB and AB are preferably 50 to 3000 m 2 / g.

通常、導電性を有する材料としてカーボンを用いると、カーボンは、酸化されて二酸化炭素となり、導電性を維持することができなくなる。しかし、本燃料電池の内部は、水素雰囲気下である。このため、カーボンは、酸化されることがなく、導電性を維持することが可能となる。   Normally, when carbon is used as a conductive material, the carbon is oxidized to carbon dioxide, and the conductivity cannot be maintained. However, the inside of the fuel cell is under a hydrogen atmosphere. For this reason, carbon is not oxidized and can maintain conductivity.

カーボンコーティングの被覆膜の厚さは、例えば、0.01〜5μmの範囲内であってもよい。カーボン被覆膜の厚さが0.01μm未満では、導電性の改善が不十分である。このため、充放電時に、活物質表面での電流集中が生じやすくなる。このため、高率充放電特性を向上させることが困難となる。一方、カーボン被覆膜の厚さが5μmを超える場合、電極容量密度の低下を招くおそれがある。カーボン被覆膜の被覆率は、正極活物質100重量%に対して、0.1〜20重量%が好ましい。被覆率が0.1重量%未満では、導電性の改善が不十分である。このため、充放電時に、活物質表面での電流集中が生じやすくなる。このため、高率充放電特性を向上させることが困難となる。一方、被覆率が20重量%を超えると、電極容量密度が低下する、という問題が生じる。被覆率の好ましい下限は、0.2重量%であり、より好ましい下限は、0.5重量%である。また、被覆率の好ましい上限は、5重量%であり、より好ましい上限は、2重量%である。   The thickness of the coating film of the carbon coating may be within a range of 0.01 to 5 μm, for example. When the thickness of the carbon coating film is less than 0.01 μm, the improvement in conductivity is insufficient. For this reason, current concentration on the active material surface is likely to occur during charging and discharging. For this reason, it becomes difficult to improve the high rate charge / discharge characteristics. On the other hand, when the thickness of the carbon coating film exceeds 5 μm, the electrode capacity density may be reduced. The coverage of the carbon coating film is preferably 0.1 to 20% by weight with respect to 100% by weight of the positive electrode active material. When the coverage is less than 0.1% by weight, the improvement in conductivity is insufficient. For this reason, current concentration on the active material surface is likely to occur during charging and discharging. For this reason, it becomes difficult to improve the high rate charge / discharge characteristics. On the other hand, when the coverage exceeds 20% by weight, there arises a problem that the electrode capacity density is lowered. A preferable lower limit of the coverage is 0.2% by weight, and a more preferable lower limit is 0.5% by weight. Moreover, the upper limit with preferable coverage is 5 weight%, and a more preferable upper limit is 2 weight%.

導電性処理の方法は、正極活物質粒子の表面にカーボン被覆膜を形成することができる方法であればよい。この方法は、例えば、スパッタリング、蒸着法、メカニカルミリング法、加熱法、無電解メッキ法およびスプレードライ法などの、公知の技術を含む。このうち、メカニカルミリング法および加熱法では、大規模な装置を用いることなく、簡単な方法で、均一性に優れた炭素被覆を形成できる。例えば、メカニカルミリング法では、粉末粒子に機械的エネルギーを与えること、および、粒子表面におけるメカノケミカル的な反応により、粒子間における強固な表面融合を起こすことを含む。この方法は、微粒子複合素材を得る技術であり、カーボンを活物質粉末の粒子表面に被覆する方法である。メカニカルミリング法は、水素雰囲気下で実施されてもよい。水素雰囲気下であれば、正極活物質粒子の表面にカーボン被覆膜を形成しやすくなる。   The conductive treatment method may be any method that can form a carbon coating film on the surface of the positive electrode active material particles. This method includes known techniques such as sputtering, vapor deposition, mechanical milling, heating, electroless plating, and spray drying. Among these, the mechanical milling method and the heating method can form a carbon coating with excellent uniformity by a simple method without using a large-scale apparatus. For example, the mechanical milling method includes applying mechanical energy to the powder particles and causing strong surface fusion between the particles by a mechanochemical reaction on the particle surface. This method is a technique for obtaining a fine particle composite material, and is a method of coating the particle surface of the active material powder with carbon. The mechanical milling method may be performed in a hydrogen atmosphere. Under a hydrogen atmosphere, it becomes easy to form a carbon coating film on the surface of the positive electrode active material particles.

加熱法は、正極活物質と炭素前駆体とを混合すること、および、非酸化性雰囲気下で加熱するなどの熱処理を含む。これによって、炭素による被膜が形成される。熱処理では、例えば、ブタンガスなどのカーボン前躯体ガスが、非酸化性ガス雰囲気下で、400〜2000℃に保ったロータリーキルンなどの熱処理炉に0.1〜5時間保持される。熱処理温度が、400℃未満では、カーボン化が実現しにくくなるため、正極活物質の導電性改善効果が少なくなることがある。一方、熱処理温度が2000℃を超えると、装置が大掛かりなものとなる。このため、コスト高になるだけでなく、活物質がダメージを受けることがある。また、熱処理時間が0.1時間未満では、カーボンを均一に被覆しにくいことがある。一方、熱処理時間が5時間を超えると、長時間にわたって熱源が駆動される。このため、コスト高になることがある。熱処理雰囲気は、ブタンガスに限らず、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、または、それら混合ガスなどであってもよい。熱処理雰囲気は、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、水素、二酸化炭素、または、それらの混合ガス等で希釈したカーボン前躯体ガスでもよい。   The heating method includes heat treatment such as mixing the positive electrode active material and the carbon precursor, and heating in a non-oxidizing atmosphere. As a result, a carbon film is formed. In the heat treatment, for example, a carbon precursor gas such as butane gas is held in a heat treatment furnace such as a rotary kiln maintained at 400 to 2000 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere for 0.1 to 5 hours. If the heat treatment temperature is less than 400 ° C., it is difficult to realize carbonization, and the conductivity improving effect of the positive electrode active material may be reduced. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 2000 ° C., the apparatus becomes large. For this reason, not only the cost is increased, but the active material may be damaged. Further, when the heat treatment time is less than 0.1 hour, it may be difficult to coat the carbon uniformly. On the other hand, when the heat treatment time exceeds 5 hours, the heat source is driven for a long time. For this reason, the cost may increase. The heat treatment atmosphere is not limited to butane gas, but may be methane gas, ethane gas, propane gas, or a mixed gas thereof. The heat treatment atmosphere may be, for example, carbon precursor gas diluted with nitrogen, helium, neon, argon, hydrogen, carbon dioxide, or a mixed gas thereof.

正極の製造は、上記正極活物質粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電性粉末を混合することによって、ペーストを形成する。このペーストを、集電体に塗布および充填し、乾燥させる。その後、ローラープレス等で集電体を圧延することにより、正極が製造される。   In the manufacture of the positive electrode, the paste is formed by mixing the positive electrode active material powder, the binder, and conductive powder added as necessary. This paste is applied and filled into a current collector and dried. Then, a positive electrode is manufactured by rolling a current collector with a roller press or the like.

正極用結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ソーダ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレン−ビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、および、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)を含む。これらのうち、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は、撹拌によって繊維化する。このため、正極活物質粉末および必要に応じて添加される導電助剤を、網目状に固定することが可能である。正極に配合される結着剤の重量比は、正極活物質粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電助剤の合計を100重量%とした場合、0.1〜20重量%の範囲内であってもよい。   Examples of the binder for the positive electrode include sodium polyacrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE), methyl cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethylene-vinyl alcohol, and ethylene acetate. Including vinyl copolymer (EVA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS). Of these, polytetrafluoroethylene (PTFE) is fiberized by stirring. For this reason, it is possible to fix positive electrode active material powder and the conductive support agent added as needed in mesh shape. The weight ratio of the binder to be mixed with the positive electrode is 0.1 to 20% when the total of the positive electrode active material powder, the binder, and the conductive additive added as necessary is 100% by weight. % May be within the range.

正極用導電助剤は、正極電位で酸化されずに導電性を維持する粉末であればよい。この導電助剤は、例えばカーボン、ニッケル、水酸化コバルト(Co(OH))、一酸化コバルト(CoO)、および、コバルトなどの粉末であってもよい。正極に配合される導電助剤の重量比は、正極活物質粉末、結着剤、および、必要に応じて添加される導電助剤の合計を100重量%とした場合、0.1〜60重量%の範囲で配合することが好ましい。The conductive additive for positive electrode may be a powder that maintains conductivity without being oxidized at the positive electrode potential. The conductive aid may be, for example, a powder of carbon, nickel, cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ), cobalt monoxide (CoO), cobalt, or the like. The weight ratio of the conductive auxiliary compounded in the positive electrode is 0.1 to 60% when the total of the positive electrode active material powder, the binder, and the conductive auxiliary agent added as necessary is 100% by weight. It is preferable to mix in the range of%.

正極用集電体は、例えば、金属箔、パンチングメタル、エキスパンドメタル、および金網等の二次元基板であってもよい。また、正極用集電体は、発泡メタル基板、網状焼結繊維基板、金属をメッキした不織布であるフェルトメッキ基板等の、三次元基板であってもよい。正極用集電体が、パンチングメタル、三次元基板、あるいは、発泡メタル基板である場合、十分な集電性が得られるとともに、酸素溶存電解液が浸液しやすい構造の正極が得られる。   The positive electrode current collector may be, for example, a two-dimensional substrate such as a metal foil, a punching metal, an expanded metal, and a wire mesh. Further, the positive electrode current collector may be a three-dimensional substrate such as a foam metal substrate, a reticulated sintered fiber substrate, or a felt-plated substrate that is a metal-plated nonwoven fabric. When the current collector for the positive electrode is a punching metal, a three-dimensional substrate, or a foam metal substrate, a sufficient current collecting property can be obtained, and a positive electrode having a structure in which the oxygen-dissolved electrolyte can easily be immersed is obtained.

正極を充電することは、正極と酸素溶存電解液とを接触させることで実現できる。正極の厚みが大きすぎると、正極の酸化速度(充電速度)が、酸素拡散律速となり、減少する傾向にある。そのため、正極の厚みは、電解液中に溶存した酸素の濃度により異なるが、50〜2000μmの範囲内であってもよい。正極の厚みが50μm未満であると、正極容量が小さくなる。正極の厚みが2000μmを超えると、酸素の拡散が不十分になるため、正極に酸化されない部分が残る可能性がある。   Charging the positive electrode can be realized by bringing the positive electrode into contact with an oxygen-dissolved electrolyte. When the thickness of the positive electrode is too large, the oxidation rate (charging rate) of the positive electrode becomes oxygen diffusion rate limiting and tends to decrease. Therefore, the thickness of the positive electrode varies depending on the concentration of oxygen dissolved in the electrolytic solution, but may be in the range of 50 to 2000 μm. When the thickness of the positive electrode is less than 50 μm, the positive electrode capacity becomes small. When the thickness of the positive electrode exceeds 2000 μm, oxygen diffusion becomes insufficient, and there is a possibility that a portion that is not oxidized remains in the positive electrode.

<電解液>
本発明で用いられる電解液は、酸素が電解液中に0.02〜200g/Lの範囲内で溶存した酸素溶存電解液であることが好ましい。電解液中に溶存する酸素濃度が0.1g/L未満である場合、酸素濃度が低いため、正極活物質を酸化するのに時間がかかる。酸素濃度が200g/Lを超える場合、電解液の腐食性が強まるため、負極にダメージを与える。
<Electrolyte>
The electrolytic solution used in the present invention is preferably an oxygen-dissolved electrolytic solution in which oxygen is dissolved in a range of 0.02 to 200 g / L in the electrolytic solution. When the oxygen concentration dissolved in the electrolytic solution is less than 0.1 g / L, it takes time to oxidize the positive electrode active material because the oxygen concentration is low. When the oxygen concentration exceeds 200 g / L, the corrosiveness of the electrolytic solution is increased, so that the negative electrode is damaged.

電解液中の溶存酸素濃度の調整は、過酸化水素を電解液に加えることによって、溶存酸素の濃度を上げてもよい。或いは、この調整では、ヘンリーの法則に従って電解液の液圧を上昇させることによって、溶存酸素濃度を上げてもよい。例えば、100MPaの液圧で酸素を封入すれば、1リットルの電解液中に約26gの酸素を溶存させることができる。   Adjustment of the dissolved oxygen concentration in electrolyte solution may raise the concentration of dissolved oxygen by adding hydrogen peroxide to electrolyte solution. Alternatively, in this adjustment, the dissolved oxygen concentration may be increased by increasing the hydraulic pressure of the electrolyte according to Henry's law. For example, if oxygen is sealed at a hydraulic pressure of 100 MPa, about 26 g of oxygen can be dissolved in 1 liter of electrolyte.

しかし、過酸化水素を電解液に加えることによって溶存酸素の濃度を上げる方法では、高濃度の過酸化水素が使用される。高濃度の過酸化水素は、強い腐食性を有するため、可燃物と接触すると過酸化物を生成しやすい。このため、電解液の液圧を上昇させることにより、溶存酸素濃度を調整してもよい。その場合、電解液の液圧は、0.1MPa〜10GPaであることが好ましい。高圧或いは超高圧の電解液を用いることで、溶存酸素濃度を上昇させることが可能であるだけでなく、過充電時に発生する酸素ガスを電解液中に溶存させることができる。加えて、電池の動作電圧を上げることが可能である。   However, in a method of increasing the concentration of dissolved oxygen by adding hydrogen peroxide to the electrolyte, a high concentration of hydrogen peroxide is used. High concentrations of hydrogen peroxide have strong corrosive properties, and thus easily generate peroxides when in contact with combustible materials. For this reason, you may adjust a dissolved oxygen concentration by raising the liquid pressure of electrolyte solution. In that case, the liquid pressure of the electrolytic solution is preferably 0.1 MPa to 10 GPa. By using a high-pressure or ultrahigh-pressure electrolytic solution, it is possible not only to increase the dissolved oxygen concentration, but also to dissolve oxygen gas generated during overcharging in the electrolytic solution. In addition, the operating voltage of the battery can be increased.

上記の酸素溶存電解液は、正極と接触することで、正極活物質を酸化(充電)することができる。酸素溶存電解液を高圧或いは超高圧とすれば、充電の際に発生する酸素ガスは、電解液中に溶存する。このため、酸素ガスを貯蔵するスペースが不要となるとともに、電解液中の溶存酸素濃度を高くすることができる。   Said oxygen-dissolved electrolyte can oxidize (charge) a positive electrode active material by contacting with a positive electrode. If the oxygen-dissolved electrolyte is set to a high pressure or an ultrahigh pressure, the oxygen gas generated during charging is dissolved in the electrolyte. For this reason, a space for storing oxygen gas becomes unnecessary, and the dissolved oxygen concentration in the electrolytic solution can be increased.

上記した電解液の液圧範囲に関し、電解液の液圧が0.1MPa未満であると、電解液中の溶存酸素濃度を高くすることが困難となる。このため、正極活物質を酸化するのに時間がかかるだけでなく、充電の際に発生する酸素ガスを効果的に電解液中に溶存させることが困難となる。電解液の液圧を、10GPaを超える超高圧とすることは、実質的に困難である。   Regarding the above-described hydraulic pressure range of the electrolytic solution, if the hydraulic pressure of the electrolytic solution is less than 0.1 MPa, it is difficult to increase the dissolved oxygen concentration in the electrolytic solution. For this reason, not only does it take time to oxidize the positive electrode active material, but it also becomes difficult to effectively dissolve the oxygen gas generated during charging in the electrolytic solution. It is substantially difficult to set the liquid pressure of the electrolytic solution to an ultrahigh pressure exceeding 10 GPa.

本発明で用いられる電解液は、通常用いられているアルカリ水溶液でよい。合金成分の電解液への溶出が抑制される観点から、例えば、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、あるいは水酸化カリウム(KOH)等のアルカリ物質を一種単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。これらの電解液におけるアルカリ物質の濃度は、1〜10mol/Lであることが好ましく、3〜8mol/Lがより好ましい。   The electrolytic solution used in the present invention may be a commonly used alkaline aqueous solution. From the viewpoint of suppressing elution of the alloy component into the electrolyte, for example, an alkaline substance such as lithium hydroxide (LiOH), sodium hydroxide (NaOH), or potassium hydroxide (KOH) may be used alone. Two or more kinds may be used in combination. The concentration of the alkaline substance in these electrolytic solutions is preferably 1 to 10 mol / L, and more preferably 3 to 8 mol / L.

電解液中に、増粘剤を溶解させてもよい。増粘剤を溶解させた電解液は、高い粘度であるため、酸素拡散速度が遅い。酸素拡散速度を遅くすることで、負極と酸素とが接触しにくくなるため、負極の自己放電反応を少なくすることができる。また、電解液の粘度も高くなるため、耐液漏れ性も向上する。増粘剤の材料としては、吸水性を有し、電解液の粘度を上昇させる材料であればよい。この材料は、例えば、ポリアクリル酸塩、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルスルホン酸塩、ゼラチン、デンプン、ポリビニルアルコール(PVA)およびフッ素樹脂などの樹脂を含む。   A thickener may be dissolved in the electrolytic solution. Since the electrolyte solution in which the thickener is dissolved has a high viscosity, the oxygen diffusion rate is slow. By slowing down the oxygen diffusion rate, it is difficult for the negative electrode and oxygen to come into contact with each other, so that the self-discharge reaction of the negative electrode can be reduced. In addition, since the viscosity of the electrolytic solution is increased, the liquid leakage resistance is also improved. The material of the thickener may be any material that has water absorption and increases the viscosity of the electrolytic solution. This material includes, for example, resins such as polyacrylate, polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, gelatin, starch, polyvinyl alcohol (PVA), and fluororesin.

上記の増粘剤は、高吸水性、高保水性、高ゲル化力、耐アルカリ性の観点から、ポリアクリル酸塩であってもよい。このポリアクリル酸塩としては、具体的には、ポリアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸カリウムなどを含む。これらは、一種単独で用いられても、二種以上を併用されてもかまわない。   The thickener may be a polyacrylate from the viewpoints of high water absorption, high water retention, high gelling power, and alkali resistance. Specific examples of the polyacrylate include lithium polyacrylate, sodium polyacrylate, and potassium polyacrylate. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

増粘剤の重量比は、電解液と増粘剤との合計を100重量%とした場合、0.1〜30重量%の範囲内であることが好ましく、1〜20重量%がより好ましい。増粘剤の重量比が30重量%を超える場合、電解液粘度が高すぎるため、活物質と電解液とが接触しにくくなる。このため、プロトン伝導性が低くなるだけでなく、電解液が循環しにくくなる。増粘剤の重量比が0.1重量%未満であると、増粘剤を添加することによる十分な効果が得られない。   The weight ratio of the thickener is preferably in the range of 0.1 to 30% by weight, more preferably 1 to 20% by weight, when the total of the electrolytic solution and the thickener is 100% by weight. When the weight ratio of the thickener exceeds 30% by weight, the electrolyte solution viscosity is too high, so that the active material and the electrolyte solution are difficult to contact. For this reason, not only proton conductivity is lowered, but also the electrolytic solution is difficult to circulate. When the weight ratio of the thickener is less than 0.1% by weight, a sufficient effect due to the addition of the thickener cannot be obtained.

<セパレータ>
本発明で用いられるセパレータは、プロトンを透過させる一方、酸素ガスを通過しにくいセパレータが好ましい。セパレータの材質としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリブテン(PB)、エチレンプロピレンラバーなどのポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイト、ポリフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミドおよびナフィオンなどの樹脂を含む。これらは、一種単独で用いられても、二種以上を併用されてもよい。
<Separator>
The separator used in the present invention is preferably a separator that allows protons to pass therethrough but hardly passes oxygen gas. Examples of the separator material include polyolefins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polybutene (PB), and ethylene propylene rubber, resins such as polyphenylene sulfite, polyfluoroethylene, polyamide, polyimide, polyamideimide, and Nafion. Including. These may be used alone or in combination of two or more.

セパレータは、上記樹脂の他に、無機粒子を含んでいてもよい。無機粒子の重量比は、上記樹脂と無機粒子との合計を100重量%とした場合、10〜80重量%の範囲内であることが好ましい。無機粒子は、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリアおよび酸化鉄などの、酸化物系セラミックスであってもよい。さらに、無機粒子は、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックスであってもよい。さらに、無機粒子は、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレー、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、ゼオライト等のセラミックスであってもよいし、ガラス繊維等であってもよい。これらは、1種を単独で、又は、2種以上を組み合わせて用いられてもよい。樹脂に無機粒子を含ませることで、浸液性および電気化学的安定性が向上するだけでなく、熱によるセパレータのメルトダウンが抑制される。   The separator may contain inorganic particles in addition to the resin. The weight ratio of the inorganic particles is preferably in the range of 10 to 80% by weight when the total of the resin and the inorganic particles is 100% by weight. The inorganic particles may be oxide ceramics such as alumina, titania, zirconia, magnesia, ceria, yttria and iron oxide. Furthermore, the inorganic particles may be nitride ceramics such as titanium nitride and boron nitride. Further, the inorganic particles are ceramics such as aluminum sulfate, aluminum hydroxide, potassium titanate, talc, kaolin clay, kaolinite, halloysite, pyrophyllite, montmorillonite, sericite, mica, amicite, bentonite, zeolite, etc. Alternatively, glass fiber or the like may be used. These may be used singly or in combination of two or more. By including inorganic particles in the resin, not only the liquid immersion property and electrochemical stability are improved, but also the meltdown of the separator due to heat is suppressed.

セパレータは、例えば、織布および不織布などの繊維状集合体であってもよいし、微多孔膜のようなフィルム状であってもよい。また、セパレータは、これらを多層に張り合わせたシート状であってもよい。   The separator may be, for example, a fibrous aggregate such as a woven fabric and a non-woven fabric, or may be a film like a microporous membrane. The separator may be in the form of a sheet in which these layers are laminated.

セパレータが微多孔膜である場合、その孔の大きさは0.1〜10μmの範囲内であることが好ましい。本実施形態は、セパレータとして、ポリプロピレン製の微多孔膜(厚み20μm、平均孔径0.2μm)を使用するのが好ましい。20μmの厚み、および、20μmの平均孔径を有するセパレータを使用すると、短絡する確率が高くなる。なお、セパレータの平均孔径を求める手法は、走査型電子顕微鏡(SEM)によって、倍率が5000倍の写真を撮影すること、および、最表面の孔径のみを30点抽出すること、を含む。セパレータは、電解液或いは水で濡らされた水封セパレータとして形成されていてもよい。水封セパレータは、高いガス不透過性を有する。水封セパレータを用いることにより、水素ガス及び酸素ガスがセパレータを通過してお互いに接触および反応すること、を一層確実に防止することができる。   When the separator is a microporous membrane, the pore size is preferably in the range of 0.1 to 10 μm. In the present embodiment, it is preferable to use a polypropylene microporous film (thickness 20 μm, average pore diameter 0.2 μm) as a separator. When a separator having a thickness of 20 μm and an average pore diameter of 20 μm is used, the probability of short-circuiting is increased. The method for obtaining the average pore diameter of the separator includes taking a photograph with a magnification of 5000 times with a scanning electron microscope (SEM) and extracting only 30 pore diameters on the outermost surface. The separator may be formed as a water seal separator wetted with an electrolyte or water. The water seal separator has high gas impermeability. By using the water-sealed separator, it is possible to more reliably prevent hydrogen gas and oxygen gas from contacting and reacting with each other through the separator.

以下、より詳細な実施形態に基づいて、本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施形態に何ら限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on more detailed embodiments. Note that the present invention is not limited to these embodiments.

(第1実施形態)
図1AおよびBは、燃料電池の基本構成を有する、第1実施形態に係るリバーシブル燃料電池C1(以下、単に電池C1と称す)の構造を模式的に示す断面図である。この電池C1は、水素及び酸素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する。さらに、電池C1は、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵することが可能である。電池C1は、主な要素として、負極4、正極6、負極ケース1および正極ケース2を備えている。負極4および正極6は、セパレータ5を介して、互いに対向している。負極ケース1は、水素貯蔵室8を有している。正極ケース2は、酸素貯蔵室7を有している。
(First embodiment)
1A and 1B are cross-sectional views schematically showing the structure of a reversible fuel cell C1 (hereinafter simply referred to as a cell C1) according to the first embodiment having the basic configuration of a fuel cell. The battery C1 uses the chemical energy of hydrogen and oxygen by converting it into electrical energy. Further, the battery C1 can store electrical energy converted into chemical energy. The battery C1 includes a negative electrode 4, a positive electrode 6, a negative electrode case 1, and a positive electrode case 2 as main elements. The negative electrode 4 and the positive electrode 6 are opposed to each other with the separator 5 interposed therebetween. The negative electrode case 1 has a hydrogen storage chamber 8. The positive electrode case 2 has an oxygen storage chamber 7.

負極4の負極活物質は、La0.54Pr0.18Nd0.18Mg0.1Ni4.5Al0.1で示される水素吸蔵合金を含む。負極4の製造は、AB、CMCおよびSBRを用いて、これらの重量比が97:1:1:1となるようなスラリー状合材が調整される。さらに、このスラリー状合材が、鋼材にニッケルメッキを施したパンチングメタルに塗工される。The negative electrode active material of the negative electrode 4 includes a hydrogen storage alloy represented by La 0.54 Pr 0.18 Nd 0.18 Mg 0.1 Ni 4.5 Al 0.1 . In the manufacture of the negative electrode 4, a slurry-like composite material having a weight ratio of 97: 1: 1: 1 is adjusted using AB, CMC, and SBR. Further, this slurry-like composite material is applied to a punching metal obtained by nickel-plating a steel material.

正極6の正極活物質は、二酸化マンガンを含む。正極6の製造は、AB、CMCおよびPTFEを用いて、これらの重量比が97:0.5:2:0.5となるようなスラリー状合材が調整される。さらに、このスラリー状合材が、発泡ニッケルに充填される。なお、正極活物質の二酸化マンガンは、予め、ロータリーキルン(700℃、1時間、ブタンガス雰囲気)に装入される。これにより、二酸化マンガンに、導電性の薄膜が形成される。導電被膜(カーボン被覆膜)の被覆率は、得られた二酸化マンガンを酸素雰囲気下で熱処理すること、および、二酸化マンガンの熱処理前後の重量差を算出すること、によって求められる。カーボン被覆膜の被覆率は、二酸化マンガン100重量%に対して、0.9重量%である。   The positive electrode active material of the positive electrode 6 contains manganese dioxide. In the manufacture of the positive electrode 6, a slurry-like mixture is prepared using AB, CMC, and PTFE so that the weight ratio thereof is 97: 0.5: 2: 0.5. Further, this slurry-like composite material is filled in the foamed nickel. Note that manganese dioxide as the positive electrode active material is previously charged in a rotary kiln (700 ° C., 1 hour, butane gas atmosphere). Thereby, a conductive thin film is formed on manganese dioxide. The coverage of the conductive film (carbon coating film) is obtained by heat-treating the obtained manganese dioxide in an oxygen atmosphere and calculating the weight difference before and after the heat treatment of manganese dioxide. The coverage of the carbon coating film is 0.9% by weight with respect to 100% by weight of manganese dioxide.

セパレータ5は、ポリプロピレン製の微多孔膜(厚み20μm、平均孔径0.2μm)を含む。セパレータ5には電解液3が保持されている。   The separator 5 includes a microporous membrane made of polypropylene (thickness 20 μm, average pore diameter 0.2 μm). The separator 5 holds the electrolytic solution 3.

電解液3は、6mol/Lの水酸化カリウム水溶液を含む。さらに、電解液3は、増粘剤として、5重量%のポリアクリル酸ナトリウムを含んでいる。   The electrolytic solution 3 contains a 6 mol / L potassium hydroxide aqueous solution. Furthermore, the electrolytic solution 3 contains 5% by weight of sodium polyacrylate as a thickener.

図1Aに示すように、負極4と正極6がセパレータ5挟んだ構造となっている。そして、負極4のセパレータ5に接していない方の面は、箱型の負極ケース1によって気密に覆われている。負極4と負極ケース1とによって形成される内方空間は、水素貯蔵室8を構成する。水素貯蔵室8は、負極で発生する水素ガスを、昇圧装置などの追加部材を必要とすることなく、直接貯蔵する。また、水素貯蔵室8は、負極4に接するように設けられている。このため、連通路あるいは追加部材を介在させることなく、直接負極4に水素ガスを供給することが可能である。 As shown in FIG. 1A, a negative electrode 4 and a positive electrode 6 have a structure in which a separator 5 is sandwiched. The surface of the negative electrode 4 that is not in contact with the separator 5 is airtightly covered with the box-shaped negative electrode case 1. An inner space formed by the negative electrode 4 and the negative electrode case 1 constitutes a hydrogen storage chamber 8. The hydrogen storage chamber 8 directly stores the hydrogen gas generated at the negative electrode without requiring an additional member such as a booster. Further, the hydrogen storage chamber 8 is provided in contact with the negative electrode 4. For this reason, it is possible to supply hydrogen gas directly to the negative electrode 4 without interposing a communication path or an additional member.

正極6のセパレータ5に接していない方の面は、箱型の正極ケース2によって覆われている。正極6と正極ケース2とによって形成される内方空間は、酸素を貯蔵する酸素貯蔵室7を構成する。酸素貯蔵室7は、高い液圧(例えば10MPa)を有する電解液3を貯蔵する。このため、正極6で発生する酸素ガスは、電解液中に溶解して、溶存酸素として酸素貯蔵室7に貯蔵される。つまり、正極6で発生する酸素ガスは、昇圧装置などの追加部材を必要とすることなく、直接酸素貯蔵室7に貯蔵される。また、酸素貯蔵室7は、正極6に接するように設けられている。このため、連通路あるいは追加部材を介在させることなく、直接正極6に酸素を供給することが可能である。   The surface of the positive electrode 6 that is not in contact with the separator 5 is covered with the box-shaped positive electrode case 2. The inner space formed by the positive electrode 6 and the positive electrode case 2 constitutes an oxygen storage chamber 7 for storing oxygen. The oxygen storage chamber 7 stores the electrolytic solution 3 having a high hydraulic pressure (for example, 10 MPa). For this reason, the oxygen gas generated at the positive electrode 6 is dissolved in the electrolytic solution and stored in the oxygen storage chamber 7 as dissolved oxygen. That is, the oxygen gas generated in the positive electrode 6 is directly stored in the oxygen storage chamber 7 without requiring an additional member such as a booster. The oxygen storage chamber 7 is provided in contact with the positive electrode 6. For this reason, it is possible to supply oxygen directly to the positive electrode 6 without interposing a communication path or an additional member.

水素貯蔵室8と酸素貯蔵室7とは、可動性を有する壁部材9によって区分されている。壁部材9は、正極4および負極6と、セパレータ5とを含む。壁部材9は可撓性を有する部材であってもよい。   The hydrogen storage chamber 8 and the oxygen storage chamber 7 are separated by a wall member 9 having mobility. Wall member 9 includes positive electrode 4 and negative electrode 6, and separator 5. The wall member 9 may be a flexible member.

負極4の水素貯蔵室8に接触している面は、疎水性材料を多く含んでいる。これにより、負極4の水素吸蔵合金は、濡れることなく、水素ガスと接触することができる。また、負極4のセパレータ5に接触する面は、親水性を有する。これにより、この面は、水素ガスが負極4を通過することを阻止している。この面は、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、負極4のイオン導電性が確保されている。   The surface of the negative electrode 4 in contact with the hydrogen storage chamber 8 contains a lot of hydrophobic material. Thereby, the hydrogen storage alloy of the negative electrode 4 can contact with hydrogen gas, without getting wet. Moreover, the surface which contacts the separator 5 of the negative electrode 4 has hydrophilicity. Thus, this surface prevents hydrogen gas from passing through the negative electrode 4. This surface is almost always wet with the electrolyte. Thereby, the ionic conductivity of the negative electrode 4 is ensured.

上記のように構成された電池C1の動作を、以下に示す。電池C1は、正極活物質を有する正極6と、負極活物質を有する負極4とを備えている。このため、初期充電時には、電池C1の電極に、電気エネルギーとして貯えられる。なお、本明細書では、説明の都合上、電極内の活物質の電気容量を超えて充電することを、過充電と称することがある。過充電状態では、酸素ガスおよび水素ガスが発生する。   The operation of the battery C1 configured as described above will be described below. The battery C1 includes a positive electrode 6 having a positive electrode active material and a negative electrode 4 having a negative electrode active material. For this reason, at the time of initial charge, it is stored as electric energy in the electrode of the battery C1. In the present specification, for convenience of description, charging exceeding the electric capacity of the active material in the electrode may be referred to as overcharging. In the overcharged state, oxygen gas and hydrogen gas are generated.

電池C1の電極が初期充電された後、さらに電流を供給し続けると、負極4からは水素ガスが発生し、正極6からは酸素ガスが発生する。水素ガスは、水素貯蔵室8に貯蔵される。充電が進むと、水素貯蔵室8内部の圧力が上昇する。このため、水素貯蔵室8は、水素ガス圧力の影響を受けて膨張する。水素貯蔵室8と酸素貯蔵室7とは、可動性を有する壁部材9により仕切られている。このため、水素貯蔵室8が膨張すると、壁部材9が変位もしくは変形して、酸素貯蔵室7の電解液3が圧縮される。壁部材9の変形は、水素貯蔵室8と酸素貯蔵室7との圧力がほぼ均一化されるまで続く。このようにして、酸素貯蔵室7の電解液3は高圧となる。その結果、正極6から発生した酸素ガスは、電解液3中に溶解する。これにより、電解液3は、酸素溶存電解液となる。   If the current is continued to be supplied after the electrode of the battery C1 is initially charged, hydrogen gas is generated from the negative electrode 4 and oxygen gas is generated from the positive electrode 6. Hydrogen gas is stored in the hydrogen storage chamber 8. As charging proceeds, the pressure inside the hydrogen storage chamber 8 increases. For this reason, the hydrogen storage chamber 8 expands under the influence of the hydrogen gas pressure. The hydrogen storage chamber 8 and the oxygen storage chamber 7 are partitioned by a wall member 9 having mobility. For this reason, when the hydrogen storage chamber 8 expands, the wall member 9 is displaced or deformed, and the electrolyte 3 in the oxygen storage chamber 7 is compressed. The deformation of the wall member 9 continues until the pressures in the hydrogen storage chamber 8 and the oxygen storage chamber 7 are substantially equalized. In this way, the electrolytic solution 3 in the oxygen storage chamber 7 becomes a high pressure. As a result, the oxygen gas generated from the positive electrode 6 is dissolved in the electrolytic solution 3. Thereby, the electrolyte solution 3 becomes an oxygen-dissolved electrolyte solution.

本燃料電池の電解液3は、0.1MPa〜10GPaの範囲内の液圧を有することが可能である。本実施形態の電池C1は、電解液3は、1MPa〜10MPaの範囲内の液圧を有する。   The electrolyte 3 of the fuel cell can have a liquid pressure in the range of 0.1 MPa to 10 GPa. In the battery C1 of the present embodiment, the electrolytic solution 3 has a hydraulic pressure in the range of 1 MPa to 10 MPa.

電池C1の放電時には、負極4と正極6との間で、二次電池としての放電反応が起こる。これにより、負荷に電流が流れる。このとき、負極4及び正極6の電気量は、放電によって減少する。負極4及び正極6の減少した電気量分は、水素貯蔵室8および酸素貯蔵室7に貯蔵された水素ガスおよび酸素による充電によって補われる。すなわち、負極4では、化学式(2)で示す反応が起こる。その結果、充電状態の水素吸蔵合金(MH)から放出された分のプロトンが、水素ガスによって補われる。これにより、負極の充電状態が維持される。一方、正極6では、化学式(4)で示す反応が起こる。その結果、充電状態の二酸化マンガン(MnO)が還元されることによって生成されたオキシ水酸化マンガンが、酸素によって再び酸化される。これにより、正極の充電状態が維持される。つまり、二酸化マンガンは、正極における反応の触媒として機能する。一方、水素吸蔵合金は、負極における反応の触媒として機能する。When the battery C1 is discharged, a discharge reaction as a secondary battery occurs between the negative electrode 4 and the positive electrode 6. Thereby, a current flows through the load. At this time, the amount of electricity of the negative electrode 4 and the positive electrode 6 decreases due to discharge. The reduced amount of electricity in the negative electrode 4 and the positive electrode 6 is compensated by charging with hydrogen gas and oxygen stored in the hydrogen storage chamber 8 and the oxygen storage chamber 7. That is, in the negative electrode 4, the reaction represented by the chemical formula (2) occurs. As a result, the protons released from the charged hydrogen storage alloy (MH) are supplemented with hydrogen gas. Thereby, the charged state of the negative electrode is maintained. On the other hand, in the positive electrode 6, the reaction represented by the chemical formula (4) occurs. As a result, the manganese oxyhydroxide generated by reducing the charged manganese dioxide (MnO 2 ) is oxidized again by oxygen. Thereby, the charge state of a positive electrode is maintained. That is, manganese dioxide functions as a catalyst for the reaction at the positive electrode. On the other hand, the hydrogen storage alloy functions as a catalyst for the reaction in the negative electrode.

正極6中の二酸化マンガンは、放電を行うとオキシ水酸化マンガンに還元される。オキシ水酸化マンガンは、電解液中の酸素により酸化され、二酸化マンガンに戻る。したがって、正極6中には、ほぼ常に二酸化マンガンが存在していることとなる。このため、正極のSOC(充電状態;State
of Charge)は、ほぼ100%に維持される。また、正極6は、酸素貯蔵室7に面しており、常に酸素に接触している。このため、二酸化マンガンの放電反応は、二酸化マンガンが水酸化マンガンとなるまで進行することはなく、不可逆成分である四三酸化マンガン(Mn)は生成されない。したがって、正極6は、劣化を抑制されるので、その寿命特性が大幅に改善される。
Manganese dioxide in the positive electrode 6 is reduced to manganese oxyhydroxide when discharged. Manganese oxyhydroxide is oxidized by oxygen in the electrolyte and returns to manganese dioxide. Therefore, manganese dioxide is almost always present in the positive electrode 6. For this reason, the positive electrode SOC (state of charge; State
of Charge) is maintained at almost 100%. The positive electrode 6 faces the oxygen storage chamber 7 and is always in contact with oxygen. For this reason, the discharge reaction of manganese dioxide does not proceed until the manganese dioxide becomes manganese hydroxide, and trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ), which is an irreversible component, is not generated. Therefore, since the deterioration of the positive electrode 6 is suppressed, its life characteristics are greatly improved.

負極4中の水素吸蔵合金は、放電時にプロトンを放出する。このため、水素吸蔵合金の水素量が低下する。しかし、負極4は、水素貯蔵室8に面しており、常に水素ガスに接触している。このため、水素吸蔵合金(MH)から放出された分のプロトンは、水素ガスによって補われる。その結果、水素を放出した水素吸蔵合金は、水素を吸蔵した状態に戻る。したがって、負極4中には、ほぼ常に水素を吸蔵した合金が存在していることとなる。その結果、負極のSOCは、ほぼ100%に維持される。   The hydrogen storage alloy in the negative electrode 4 releases protons during discharge. For this reason, the hydrogen content of the hydrogen storage alloy decreases. However, the negative electrode 4 faces the hydrogen storage chamber 8 and is always in contact with hydrogen gas. Therefore, the protons released from the hydrogen storage alloy (MH) are supplemented by hydrogen gas. As a result, the hydrogen storage alloy that has released hydrogen returns to the state of storing hydrogen. Therefore, in the negative electrode 4, there is almost always an alloy that occludes hydrogen. As a result, the SOC of the negative electrode is maintained at almost 100%.

図22は、二酸化マンガン電極の電位(縦軸)とSOC(横軸)との関係を、模式的に示したグラフである。図22に示すように、電池C1の電位は、二酸化マンガン(MnO)で示される高い電位の近傍にある。すなわち、電池C1は、高い放電電位を維持している。FIG. 22 is a graph schematically showing the relationship between the potential (vertical axis) of the manganese dioxide electrode and the SOC (horizontal axis). As shown in FIG. 22, the potential of the battery C1 is in the vicinity of the high potential indicated by manganese dioxide (MnO 2 ). That is, the battery C1 maintains a high discharge potential.

本実施形態に係る電池C1は、過充電時に供給される電気エネルギーを、化学エネルーとして貯蔵室7および8に蓄える。そして、電池C1は、蓄えた化学エネルギーを、電気エネルギーに再変換して利用するすることが可能である。よって、従来の二次電池とは異なり、電池C1の電気容量は、活物質の量による制限を受けない。したがって、貯蔵室7および8および電池C1の耐圧性能および密閉性能を高めることにより、体積あたりの水素ガス貯蔵量および溶存酸素量を増加することができる。これにより、電池C1のエネルギー密度を、従来の二次電池と比較して、大幅に(例えば数十倍に)向上することが可能となる。しかも貯蔵室7および8には、過充電時に、負極4で発生した水素ガスあるいは正極6で発生した酸素ガスが、直接貯蔵される。このため、ガスの昇圧装置あるいは連通路を追加で設ける必要がない。したがって、電池C1は、簡単な構造を有するので、安価に製造および供給することが可能な電池である。特に、酸素ガスは、電解液に溶存して貯蔵される。このため、酸素ガスの取り扱いに関する安全性は、飛躍的に向上する。   The battery C1 according to the present embodiment stores the electrical energy supplied during overcharge in the storage chambers 7 and 8 as chemical energy. The battery C1 can use the stored chemical energy by reconverting it into electrical energy. Therefore, unlike the conventional secondary battery, the electric capacity of the battery C1 is not limited by the amount of the active material. Therefore, the amount of hydrogen gas stored per volume and the amount of dissolved oxygen can be increased by increasing the pressure resistance and sealing performance of the storage chambers 7 and 8 and the battery C1. Thereby, the energy density of the battery C1 can be significantly improved (for example, several tens of times) as compared with the conventional secondary battery. Moreover, the hydrogen gas generated at the negative electrode 4 or the oxygen gas generated at the positive electrode 6 is directly stored in the storage chambers 7 and 8 during overcharge. For this reason, there is no need to provide an additional gas booster or communication passage. Therefore, since the battery C1 has a simple structure, it can be manufactured and supplied at low cost. In particular, oxygen gas is dissolved and stored in the electrolyte. For this reason, the safety regarding handling of oxygen gas is dramatically improved.

さらに、上述のように、電池C1の放電時には、式(1)および(3)に示す反応により、電気エネルギーが出力される。このため、従来の燃料電池と比較して、負荷に対する追従性およびパワーが、大幅に向上する。これにより、電池C1は、例えば車両のような、瞬間的な高出力を要求される負荷変動の大きい用途に使用されることも可能である。この際、電池C1は、追加の二次電池あるいはキャパシタなどの蓄電デバイスを必要とすることなく、単独で使用されることが可能である。   Furthermore, as described above, when the battery C1 is discharged, electric energy is output by the reactions shown in the equations (1) and (3). For this reason, as compared with the conventional fuel cell, the followability to the load and the power are greatly improved. Thereby, the battery C1 can be used for an application with a large load fluctuation that requires instantaneous high output, such as a vehicle. At this time, the battery C1 can be used alone without the need for an additional secondary battery or a power storage device such as a capacitor.

(第1実施形態の変形例)
図1Bは、第1実施形態の変形例に係る電池C1’の構造を、模式的に表した断面図である。電池C1’は、第1実施形態の電池C1とほぼ同じ構造を有している。すなわち、電池C1’は、セパレータ5’を介して対向する負極4’および正極6’、水素貯蔵室8’を形成する負極ケース1’、ならびに酸素貯蔵室7’を形成する正極ケース2’を、主要な構成要素として備えている。主な相違点は、以下の点である。すなわち、電池C1の酸素貯蔵室7’には、酸素を溶存した電解液3’が貯蔵されている。一方、電池C1’の酸素貯蔵室7’は、酸素ガスと電解液3’とを保持している。すなわち、この酸素貯蔵室7’は、部分的に電解液3’を保持している。
(Modification of the first embodiment)
FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing the structure of a battery C1 ′ according to a modification of the first embodiment. Battery C1 ′ has substantially the same structure as battery C1 of the first embodiment. That is, the battery C1 ′ includes a negative electrode 4 ′ and a positive electrode 6 ′ facing each other through a separator 5 ′, a negative electrode case 1 ′ forming a hydrogen storage chamber 8 ′, and a positive electrode case 2 ′ forming an oxygen storage chamber 7 ′. , As a major component. The main differences are as follows. That is, the electrolytic solution 3 ′ in which oxygen is dissolved is stored in the oxygen storage chamber 7 ′ of the battery C1. On the other hand, the oxygen storage chamber 7 ′ of the battery C1 ′ holds oxygen gas and the electrolyte 3 ′. That is, the oxygen storage chamber 7 ′ partially holds the electrolyte 3 ′.

負極4’の水素貯蔵室8’に接触している面は、疎水性材料を多く含んでいる。一方、負極4’のセパレータ5’に接触する面は、親水性を有する。また、正極6’の酸素貯蔵室7’に接触している面は、疎水性材料を多く含んでいる。これにより、正極6’の二酸化マンガンは、濡れることなく、酸素ガスと接触することができる。正極6’のセパレータ5’に接触する面は、親水性を有する。これにより、この面は、酸素ガスが通過することを阻止している。この面は、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、正極6’のイオン導電性が確保されている。電極4’および6’のガス貯蔵室8’および7’側の面は、疎水性を有する炭素あるいはテフロン等を塗布もしくは噴霧されていてもよい。また、電極4’および6’のセパレータ5’に接触する面は、親水性を有する改質ナイロンを塗布もしくは噴霧されていてもよい。更には、親水性および疎水性の両方の性質をもった酢酸ビニルが、造粒され、バインダーとして用いられてもよい。   The surface in contact with the hydrogen storage chamber 8 ′ of the negative electrode 4 ′ contains a lot of hydrophobic material. On the other hand, the surface of the negative electrode 4 ′ that contacts the separator 5 ′ has hydrophilicity. Further, the surface of the positive electrode 6 'that is in contact with the oxygen storage chamber 7' contains a large amount of hydrophobic material. Thereby, the manganese dioxide of the positive electrode 6 ′ can come into contact with oxygen gas without getting wet. The surface of the positive electrode 6 'that contacts the separator 5' has hydrophilicity. As a result, this surface prevents oxygen gas from passing therethrough. This surface is almost always wet with the electrolyte. Thereby, the ionic conductivity of the positive electrode 6 'is ensured. The surfaces of the electrodes 4 ′ and 6 ′ on the gas storage chambers 8 ′ and 7 ′ side may be coated or sprayed with hydrophobic carbon or Teflon. Moreover, the surface which contacts the separator 5 'of electrodes 4' and 6 'may be coated or sprayed with hydrophilic modified nylon. Furthermore, vinyl acetate having both hydrophilic and hydrophobic properties may be granulated and used as a binder.

セパレータ5’は、電解液3’を保持している。さらに、本実施形態では、セパレータ5’の両表面が、電解液3’で濡れている。このため、セパレータ5’は、水封セパレータとして機能する。これにより、セパレータ5’のガス不透過性が高められている。その結果、水素ガスおよび酸素ガスがセパレータ5’を通過して互いに接触および反応することが、一層確実に防止されている。   The separator 5 'holds the electrolytic solution 3'. Further, in the present embodiment, both surfaces of the separator 5 'are wetted with the electrolytic solution 3'. For this reason, the separator 5 ′ functions as a water seal separator. Thereby, the gas impermeability of the separator 5 'is enhanced. As a result, hydrogen gas and oxygen gas are more reliably prevented from contacting and reacting with each other through the separator 5 '.

水素貯蔵室8’と酸素貯蔵室7’とは、互いに連通しないように構成されている。酸素貯蔵室7’には、正負極間に介在している電解液3’と同種類の電解液が、酸素貯蔵室7’の容積の約1/3程度、充填されている。   The hydrogen storage chamber 8 'and the oxygen storage chamber 7' are configured not to communicate with each other. The oxygen storage chamber 7 ′ is filled with an electrolyte of the same type as the electrolyte 3 ′ interposed between the positive and negative electrodes, about 1/3 of the volume of the oxygen storage chamber 7 ′.

酸素貯蔵室7’に充填される電解液3’の量が少ない場合、電気分解されるべき水の量が少なくなる。その結果、過充電時に発生する水素ガスおよび酸素ガスの量が少なくなる。一方、電解液の量が多ければ、ガスの貯蔵容積が減少する。このような観点から、酸素貯蔵室7’に充填される電解液3’の量は、酸素貯蔵室7’の容積の20〜50%の範囲内にあることが好ましく、25〜40%の範囲内にあることがより好ましい。   When the amount of the electrolyte 3 'filled in the oxygen storage chamber 7' is small, the amount of water to be electrolyzed is small. As a result, the amount of hydrogen gas and oxygen gas generated during overcharging is reduced. On the other hand, if the amount of the electrolytic solution is large, the gas storage volume decreases. From such a viewpoint, the amount of the electrolyte 3 ′ filled in the oxygen storage chamber 7 ′ is preferably in the range of 20 to 50% of the volume of the oxygen storage chamber 7 ′, and in the range of 25 to 40%. More preferably, it is within.

上記のように構成された電池C1’の動作を、以下に示す。電池C1’は、二次電池として満充電の状態となるまで、通常どおり、電流によって充電されることができる。電池C1’が満充電状態に達した後、さらに電流を供給し続けると、負極4’からは水素ガスが、正極6’からは酸素ガスがそれぞれ発生する。これら水素ガスおよび酸素ガスは、互いに接触することなく、水素貯蔵室8’および酸素貯蔵室7’にそれぞれ貯蔵される。そして、貯蔵室8’あるいは7’に蓄えられた水素ガスもしくは酸素ガスにより、負極4’および正極6’が充電される。   The operation of the battery C1 'configured as described above will be described below. The battery C1 'can be charged with current as usual until it is fully charged as a secondary battery. When the battery C1 'reaches the fully charged state and continues to supply current, hydrogen gas is generated from the negative electrode 4' and oxygen gas is generated from the positive electrode 6 '. These hydrogen gas and oxygen gas are stored in the hydrogen storage chamber 8 'and the oxygen storage chamber 7' without contacting each other. Then, the negative electrode 4 ′ and the positive electrode 6 ′ are charged with hydrogen gas or oxygen gas stored in the storage chamber 8 ′ or 7 ′.

電池C1’の放電が開始されると、負極4’と正極6’との間で、二次電池としての通常の放電反応が起こる。これにより、負荷に電流が流れる。このとき、負極4’および正極6’の電気量は、放電によって減少する。負極4’及び正極6’の減少した電気量分は、水素貯蔵室8’および酸素貯蔵室7’に貯蔵された水素ガスおよび酸素ガスによる充電によって、補われる。すなわち、負極4’では、充電状態の水素吸蔵合金(MH)から放出された分のプロトンが、水素ガスによって補われる。これにより、負極の充電状態が維持される。一方、正極6’では、充電状態の二酸化マンガン(MnO)が還元されることによって生成されたオキシ水酸化マンガン(MnOOH)が、酸素ガスによって再び酸化される。これにより、正極の充電状態が維持される。貯蔵室7’および8’の水素ガスおよび酸素ガスが消費された後では、電池C1’は、通常の二次電池と同様に放電する。When the discharge of the battery C1 ′ is started, a normal discharge reaction as a secondary battery occurs between the negative electrode 4 ′ and the positive electrode 6 ′. Thereby, a current flows through the load. At this time, the amount of electricity of the negative electrode 4 ′ and the positive electrode 6 ′ decreases due to the discharge. The reduced amount of electricity in the negative electrode 4 ′ and the positive electrode 6 ′ is compensated by charging with hydrogen gas and oxygen gas stored in the hydrogen storage chamber 8 ′ and the oxygen storage chamber 7 ′. That is, in the negative electrode 4 ′, the protons released from the charged hydrogen storage alloy (MH) are supplemented with hydrogen gas. Thereby, the charged state of the negative electrode is maintained. On the other hand, in the positive electrode 6 ′, manganese oxyhydroxide (MnOOH) generated by reducing charged manganese dioxide (MnO 2 ) is oxidized again by oxygen gas. Thereby, the charge state of a positive electrode is maintained. After the hydrogen gas and oxygen gas in the storage chambers 7 ′ and 8 ′ are consumed, the battery C1 ′ is discharged in the same manner as a normal secondary battery.

すなわち、本実施形態に係る電池C1’は、二次電池として、通常の充電により、電極にエネルギーを蓄えることができる。さらに、電池C1’は、過充電時に供給される電気エネルギーを、貯蔵室7’および8’に、ガスとして蓄える。そして、電池C1’は、蓄えたエネルギーを、利用のために電気エネルギーに再変換することが可能である。   That is, the battery C1 'according to the present embodiment can store energy in the electrode as a secondary battery by normal charging. Furthermore, the battery C1 'stores the electric energy supplied at the time of overcharging as gas in the storage chambers 7' and 8 '. The battery C1 'can reconvert the stored energy into electrical energy for use.

さらに、電池C1’は、貯蔵室7’および8’と、これらを含む電池C1’との、耐圧性能および密閉性能が高められている。これにより、体積あたりのガス貯蔵量が増加している。その結果、電池C1’のエネルギー密度を、従来の二次電池と比較して、大幅に(例えば数10倍程度に)向上することが可能となる。しかも、貯蔵室7’および8’には、過充電時に、負極4’で発生した水素ガスあるいは正極6’で発生した酸素ガスが、直接貯蔵される。このため、ガスの昇圧装置あるいは連通路を追加で設ける必要がない。したがって、電池C1’は、簡単な構造を有するので、安価に製造および供給することが可能な電池である。   Further, the battery C1 'has improved pressure resistance and sealing performance between the storage chambers 7' and 8 'and the battery C1' including them. Thereby, the gas storage amount per volume is increasing. As a result, the energy density of the battery C1 'can be significantly improved (for example, about several tens of times) as compared with the conventional secondary battery. In addition, in the storage chambers 7 ′ and 8 ′, hydrogen gas generated at the negative electrode 4 ′ or oxygen gas generated at the positive electrode 6 ′ is directly stored during overcharge. For this reason, there is no need to provide an additional gas booster or communication passage. Therefore, the battery C1 'has a simple structure and can be manufactured and supplied at low cost.

さらには、上述のように、電池C1’の放電時には、二次電池の電極反応によって、電気エネルギーが出力される。このため、従来の燃料電池と比較して、負荷に対する追従性およびパワーが、大幅に向上する。これにより、電池C1’は、例えば車両のような、瞬間的な高出力が要求される負荷変動の大きい用途に使用することも可能である。この際、電池C1’は、追加の二次電池あるいはキャパシタなどの蓄電装置を必要とすることなく、単独で使用されることが可能である。   Furthermore, as described above, when the battery C1 'is discharged, electric energy is output by the electrode reaction of the secondary battery. For this reason, as compared with the conventional fuel cell, the followability to the load and the power are greatly improved. Accordingly, the battery C1 'can be used for an application with a large load fluctuation that requires instantaneous high output, such as a vehicle. At this time, the battery C1 'can be used alone without requiring an additional secondary battery or a power storage device such as a capacitor.

(第2実施形態)
次に、本燃料電池の第2実施形態に係る電池C2について説明する。電池C2は、耐圧性能に優れ、取り扱いの容易な電池構造を有する。図2AおよびBは、電池C2の構造を示す断面図である。なお、図2Bは図2AにおけるD−D断面図である。この電池C2は、図1AおよびBで説明した第1実施形態の電池C1と同様の基本構成を有する。ただし、電池C2は、図2Aに示すように、管状の外装体10を有している。これにより、電池C2は、優れた耐圧性能および取扱性能を有する。そして、電池C2は、エネルギー密度が増大するとともに、その取り扱いが容易である。なお、本実施形態に係る電池C2の電池としての基本要素である、負極、正極、セパレータおよび電解液は、以下で特に説明する点を除いて、上記の第1実施形態にかかる電池C1と同様の物質および構造を有していてもよい。
(Second Embodiment)
Next, a battery C2 according to the second embodiment of the fuel cell will be described. The battery C2 has a battery structure that is excellent in pressure resistance and easy to handle. 2A and 2B are cross-sectional views showing the structure of the battery C2. 2B is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 2A. The battery C2 has the same basic configuration as the battery C1 of the first embodiment described with reference to FIGS. 1A and B. However, the battery C2 has a tubular outer package 10 as shown in FIG. 2A. Thereby, the battery C2 has excellent pressure resistance performance and handling performance. Battery C2 has an increased energy density and is easy to handle. The negative electrode, the positive electrode, the separator, and the electrolytic solution, which are the basic elements of the battery C2 according to the present embodiment, are the same as those of the battery C1 according to the first embodiment, except as described below. It may have the substance and structure.

図2Aに示すように、管状に形成されている外装体10は、より具体的には、円筒部10aと、底部10bとを有している。底部10bは、円筒部10aの一端に続く外装体10の底である。底部10bの内方に、負極14、正極16、および、これら負極14と正極16との間に介在するセパレータ15が収容されている。負極14および正極16は、有底の筒状に形成されている。負極14および正極16は、円筒状の周壁14aおよび16aと、底部14bおよび16bとを有する。外装体10の内側に、径方向の空間を介して、正極16が配置されている。正極16のさらに内側に、セパレータ15を介して、負極14が配置されている。この電池C2は、外装体10と正極16との間にある空間(径方向の空間)が、酸素貯蔵室19を構成している。一方、負極14の内方に形成された空間が、水素貯蔵室18を構成する。   As shown in FIG. 2A, more specifically, the outer package 10 formed in a tubular shape has a cylindrical portion 10a and a bottom portion 10b. The bottom portion 10b is the bottom of the exterior body 10 that follows one end of the cylindrical portion 10a. A negative electrode 14, a positive electrode 16, and a separator 15 interposed between the negative electrode 14 and the positive electrode 16 are accommodated inside the bottom portion 10 b. The negative electrode 14 and the positive electrode 16 are formed in a bottomed cylindrical shape. The negative electrode 14 and the positive electrode 16 have cylindrical peripheral walls 14a and 16a and bottom portions 14b and 16b. A positive electrode 16 is disposed inside the exterior body 10 via a radial space. A negative electrode 14 is disposed further inside the positive electrode 16 with a separator 15 interposed therebetween. In the battery C <b> 2, a space (radial space) between the outer package 10 and the positive electrode 16 forms an oxygen storage chamber 19. On the other hand, the space formed inside the negative electrode 14 constitutes the hydrogen storage chamber 18.

外装体10は、導電性素材、具体的にはニッケルメッキを施した鉄で形成されている。この外装体10の底部10bの内面に、正極16の底部16bの外面が接合されている。これにより、外装体10が、電池C2の正極端子として機能する。一方、負極14の、底部14bと反対側(図2Aの右方)の右端部14cには、円板状の負極端子11が接合されている。具体的には、負極14の右端部14cは、外装体10および正極16の右方端面10cおよび16cよりも、右方に突出するように配置されている。右端部14cの外周面には、ドーナツ状の絶縁部材17の内径面17aが嵌合されている。この絶縁部材17は、外装体10および正極16の右方端面10cおよび16cを覆っている。さらに、負極端子11の一方の面である内面(図2Aの左面)が、負極14の右端部14cに接合されている。   The exterior body 10 is made of a conductive material, specifically, nickel-plated iron. The outer surface of the bottom portion 16 b of the positive electrode 16 is joined to the inner surface of the bottom portion 10 b of the exterior body 10. Thereby, the exterior body 10 functions as a positive electrode terminal of the battery C2. On the other hand, the disc-shaped negative electrode terminal 11 is joined to the right end portion 14c of the negative electrode 14 on the side opposite to the bottom portion 14b (right side in FIG. 2A). Specifically, the right end portion 14 c of the negative electrode 14 is disposed so as to protrude rightward from the right end surfaces 10 c and 16 c of the exterior body 10 and the positive electrode 16. An inner diameter surface 17a of a donut-shaped insulating member 17 is fitted to the outer peripheral surface of the right end portion 14c. The insulating member 17 covers the outer body 10 and the right end surfaces 10 c and 16 c of the positive electrode 16. Furthermore, the inner surface (the left surface in FIG. 2A) that is one surface of the negative electrode terminal 11 is joined to the right end portion 14 c of the negative electrode 14.

電極14および16は、可撓性を有している。このため、水素貯蔵室18が、過充電による水素ガスの発生により高圧となった場合、水素貯蔵室18の圧力は、酸素貯蔵室19に伝えられる。その結果、酸素貯蔵室19内の電解液13は、圧縮されて高圧となる。高圧となった電解液は、より多くの酸素をその内部に溶解することが可能となる。   The electrodes 14 and 16 have flexibility. For this reason, when the hydrogen storage chamber 18 becomes high pressure due to generation of hydrogen gas due to overcharging, the pressure of the hydrogen storage chamber 18 is transmitted to the oxygen storage chamber 19. As a result, the electrolytic solution 13 in the oxygen storage chamber 19 is compressed to a high pressure. The electrolytic solution having a high pressure can dissolve more oxygen therein.

ここで、負極14の水素貯蔵室18に接触している面は、疎水性材料を多く含んでいる。これにより、負極14の水素吸蔵合金は、濡れることなく、水素ガスと接触することができる。また、負極14のセパレータ15に接触する面は、親水性を有するので、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、水素ガスが負極14を通過すること阻止するとともに、負極14のイオン導電性が確保されている。   Here, the surface of the negative electrode 14 in contact with the hydrogen storage chamber 18 contains a large amount of hydrophobic material. Thereby, the hydrogen storage alloy of the negative electrode 14 can contact with hydrogen gas without getting wet. Moreover, since the surface which contacts the separator 15 of the negative electrode 14 has hydrophilicity, the state almost always wetted with electrolyte solution is maintained. Thereby, hydrogen gas is prevented from passing through the negative electrode 14, and the ionic conductivity of the negative electrode 14 is ensured.

外装体10の寸法について説明する。外装体10の外径は、13.5mm〜14.5mmの範囲内であってもよい。また、外装体10の長さは、49.0mm〜50.5mmの範囲内であってもよい。また、外装体10の外径は、10.5mm〜9.5mmの範囲内であってもよい。また、外装体10の長さは、42.5mm〜44.5mmの範囲内であってもよい。外装体10の寸法が上記の範囲内にあることにより、市販の単3形電池もしくは単4形電池との寸法上の互換性を実現することができる。   The dimension of the exterior body 10 is demonstrated. The outer diameter of the outer package 10 may be in the range of 13.5 mm to 14.5 mm. Moreover, the length of the exterior body 10 may be in the range of 49.0 mm to 50.5 mm. Further, the outer diameter of the outer package 10 may be in the range of 10.5 mm to 9.5 mm. Moreover, the length of the exterior body 10 may be in the range of 42.5 mm to 44.5 mm. When the dimensions of the outer package 10 are within the above range, dimensional compatibility with commercially available AA batteries or AAA batteries can be realized.

上記のように構成された第2実施形態に係る電池C2によれば、上述した第1実施形態に係る電池C1によって得られる効果に加えて、以下の効果が得られる。   According to the battery C2 according to the second embodiment configured as described above, the following effects are obtained in addition to the effects obtained by the battery C1 according to the first embodiment described above.

電池C2の外装体10は、図2AおよびBに示すように、管状の構造を有している。このため、優れた耐圧性を確保すること、および、エネルギー密度を高めることが容易となる。さらに、多数の電池C2を並列および直列に接続することによって、充放電容量の大きな電池モジュールを構成することも容易となる。特に、本実施形態の電池C2は、酸素貯蔵室19が、径方向の空間に形成されている。さらに、水素貯蔵室18が、負極14の内方に形成されている。このため、水素貯蔵室18および酸素貯蔵室19を形成するための、追加の部材が不要である。したがって、電池C2は、簡単な構造を有するので、必要最小限の部材のみを用いて形成することができる。したがって、電池C2は、小さい寸法を有しているため、高い耐圧性およびエネルギー密度を有している。それにも関わらず、部品点数が少ないため、電池C2の組立作業は容易である。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the outer package 10 of the battery C2 has a tubular structure. For this reason, it becomes easy to ensure the outstanding pressure | voltage resistance and to raise an energy density. Furthermore, it becomes easy to configure a battery module having a large charge / discharge capacity by connecting a large number of batteries C2 in parallel and in series. In particular, in the battery C2 of this embodiment, the oxygen storage chamber 19 is formed in a radial space. Furthermore, a hydrogen storage chamber 18 is formed inside the negative electrode 14. For this reason, the additional member for forming the hydrogen store room 18 and the oxygen store room 19 is unnecessary. Accordingly, since the battery C2 has a simple structure, it can be formed using only the minimum necessary members. Therefore, since the battery C2 has a small size, it has high pressure resistance and energy density. Nevertheless, since the number of parts is small, the assembly work of the battery C2 is easy.

(第2実施形態の第1変形例)
第2実施形態の変形例に係る電池C2’は、第2実施形態の電池C2とほぼ同じ構造を有している。相違点は、以下の点である。すなわち、電池C2の酸素貯蔵室19には、酸素を溶存した電解液13が貯蔵されている。一方、電池C2’の酸素貯蔵室19は、酸素ガスと電解液13とを保持している。すなわち、この酸素貯蔵室19は、部分的に電解液13を保持している。また、各電極は、可撓性を有していなくてもよい。
(First Modification of Second Embodiment)
The battery C2 ′ according to the modification of the second embodiment has substantially the same structure as the battery C2 of the second embodiment. The differences are as follows. That is, the electrolytic solution 13 in which oxygen is dissolved is stored in the oxygen storage chamber 19 of the battery C2. On the other hand, the oxygen storage chamber 19 of the battery C2 ′ holds oxygen gas and the electrolytic solution 13. That is, the oxygen storage chamber 19 partially holds the electrolytic solution 13. Moreover, each electrode does not need to have flexibility.

更に、正極16の酸素貯蔵室19に接触している面は、疎水性材料を多く含んでいる。これにより、正極16の二酸化マンガンは、濡れることなく、酸素ガスと接触することができる。正極16のセパレータ15に接触する面は、親水性を有するので、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、酸素ガスが正極16を通過すること阻止するとともに、正極16のイオン導電性が確保されている。電極14および16のガス貯蔵室18および19側の面は、疎水性を有する炭素あるいはテフロン等を塗布もしくは噴霧されていてもよい。また、電極14および16のセパレータ15側の面は、改質ナイロンを塗布もしくは噴霧されていてもよい。   Furthermore, the surface of the positive electrode 16 in contact with the oxygen storage chamber 19 contains a large amount of hydrophobic material. Thereby, the manganese dioxide of the positive electrode 16 can contact oxygen gas without getting wet. Since the surface of the positive electrode 16 that contacts the separator 15 has hydrophilicity, it is almost always wet with the electrolyte. This prevents oxygen gas from passing through the positive electrode 16 and ensures ionic conductivity of the positive electrode 16. The surfaces of the electrodes 14 and 16 on the gas storage chambers 18 and 19 side may be coated or sprayed with hydrophobic carbon or Teflon. Further, the surface of the electrodes 14 and 16 on the separator 15 side may be coated or sprayed with modified nylon.

(第2実施形態の第2変形例)
次に、本燃料電池の第2実施形態の第2変形例に係る電池C3について説明する。図3は、電池C3の接続構造を示す部分破断図である。電池C3は、第2実施形態に係る電池C2の外部構造の一部を変更したものである。以下に、その変更点を中心に説明する。この電池C3は、軸方向(外装体10の軸方向)の一端に、負極14に電気的に接続された負極端子11を有している。また、電池C3は、軸方向の他端に、正極16に電気的に接続された外装体10である正極端子を有している。そして、図3に示すように負極端子11の中央に、突起部11dが設けられている。また、外装体10の底部10bの中央に、底部凹部10dが設けられている。当該突起部11dと底部凹部10dとは、嵌合可能な形状となっている。これにより、2つの電池C3を、直列に接続することができる。
この構成によれば、配線を必要とせずに、複数の電池C3を直列に接続することができる。なお、図3に示した例は、突起部の外周軸方向に、凸部が設けられている。一方、底部凹部の内周面に、グルーブが設けられている。そして、突起部の凸部が、底部凹部のグルーブに嵌合するように構成されている。しかしながら、嵌合部の形状は、他の方法であってもよい。
(Second Modification of Second Embodiment)
Next, a battery C3 according to a second modification of the second embodiment of the fuel cell will be described. FIG. 3 is a partially cutaway view showing the connection structure of the battery C3. The battery C3 is obtained by changing a part of the external structure of the battery C2 according to the second embodiment. Hereinafter, the changes will be mainly described. This battery C3 has a negative electrode terminal 11 electrically connected to the negative electrode 14 at one end in the axial direction (the axial direction of the outer package 10). Further, the battery C <b> 3 has a positive electrode terminal that is the outer package 10 electrically connected to the positive electrode 16 at the other end in the axial direction. As shown in FIG. 3, a protrusion 11 d is provided at the center of the negative electrode terminal 11. Further, a bottom recess 10 d is provided in the center of the bottom 10 b of the exterior body 10. The protrusion 11d and the bottom recess 10d have a shape that can be fitted. Thereby, the two batteries C3 can be connected in series.
According to this configuration, a plurality of batteries C3 can be connected in series without requiring wiring. In the example shown in FIG. 3, a convex portion is provided in the outer peripheral axis direction of the protruding portion. On the other hand, a groove is provided on the inner peripheral surface of the bottom recess. And the convex part of a projection part is comprised so that it may fit in the groove | channel of a bottom part recessed part. However, the shape of the fitting portion may be another method.

正極端子(外装体10)および負極端子11に、ネジ部を形成してもよい。すなわち、負極端子11の突起部11dを雄ネジとし、外装体10の底部10bに設けた凹部10dを雌ネジとしてもよい。これにより、2つの電池C2を、より確実に接続することができる。   You may form a screw part in the positive electrode terminal (exterior body 10) and the negative electrode terminal 11. FIG. That is, the protrusion 11d of the negative electrode terminal 11 may be a male screw, and the recess 10d provided on the bottom 10b of the exterior body 10 may be a female screw. Thereby, two batteries C2 can be connected more reliably.

なお、電池C3において、酸素貯蔵室(図示せず)は酸素が溶存した電解液で満たされていてもよい。あるいは、電解液と酸素ガスで満たされていてもよい。   In the battery C3, the oxygen storage chamber (not shown) may be filled with an electrolytic solution in which oxygen is dissolved. Or you may be satisfy | filled with electrolyte solution and oxygen gas.

図4AおよびBは、複数の電池C3が接続されてなる電池モジュールB3の構造を示す図面である。電池モジュールB3は、対向して設けられた、導電性の一対の集電板25を有している。複数の電池C3は、集電板25の間に配置されている。一方の集電板25に、正極端子である外装体10が接触している。他方の集電板25に、負極端子11が接触している。このような状態を維持するように、電池C3は、互いに平行に並べられている。電池モジュールB3は、並列に接続された複数の電池C3を含む電池群が、直列に接続されている(図4A)。   4A and 4B are diagrams showing the structure of a battery module B3 in which a plurality of batteries C3 are connected. The battery module B3 has a pair of conductive current collecting plates 25 provided to face each other. The plurality of batteries C <b> 3 are disposed between the current collector plates 25. One current collector plate 25 is in contact with the outer package 10 that is a positive electrode terminal. The negative electrode terminal 11 is in contact with the other current collector plate 25. The batteries C3 are arranged in parallel with each other so as to maintain such a state. In the battery module B3, a battery group including a plurality of batteries C3 connected in parallel is connected in series (FIG. 4A).

このような構成により、電池C3を接続する配線を省略することができる。このため、電池モジュールB3の組立が容易となる。また、図4Aの円形で囲った要部拡大図に示すように、集電板25に、貫通穴25aが設けられてもよい。この場合、電池C3の突起部11dは、貫通穴25aを通って、他方の電池C3の底部凹部10dに嵌合する。これにより、電池モジュールB3の組立が更に容易となる。このような構造により、複数の電池C3は、集電体25によって支持される。したがって、電池モジュールB3は、組電池として自立構造を有する。なお、電池モジュールB3に含まれる電池は、電池C3に限らず、電池C2であってもよい。   With such a configuration, wiring for connecting the battery C3 can be omitted. For this reason, assembly of battery module B3 becomes easy. Moreover, as shown in the enlarged view of the main part surrounded by the circle in FIG. 4A, the current collector plate 25 may be provided with a through hole 25a. In this case, the protrusion 11d of the battery C3 fits into the bottom recess 10d of the other battery C3 through the through hole 25a. Thereby, assembly of battery module B3 becomes still easier. With such a structure, the plurality of batteries C <b> 3 are supported by the current collector 25. Therefore, the battery module B3 has a self-supporting structure as an assembled battery. The battery included in the battery module B3 is not limited to the battery C3, and may be a battery C2.

集電板25の平行方向に冷却風を送るために、送風ファン27が設けられていてもよい。電池C3で発生した熱は、集電板25に伝えられる。集電板25が放熱フィンとして作用することにより、電池C3が間接的に冷却される。集電板25は、導電部材と放熱部材との両方の役割を有する。このため、集電板25の材料としては、高い熱伝導度および電気導電率を有していてもよい。この点において、アルミニウムは、比較的低い電気抵抗、および、比較的大きい熱伝導率を有する。このため、アルミニウムは、集電板25を形成する素材として好ましい特性を有している。しかしながら、アルミニウムは酸化しやすいので、集電板25の接触抵抗が増大しやすい。このため、集電板25に含まれるアルミニウム板には、ニッケルメッキが施されてもよい。これにより、接触抵抗の低減が図られる。集電板25には、冷却用の絶縁油を通すための、複数の冷媒通路26が設けられている(図4B参照)。また、電池C3(貫通穴25a)の配置を、千鳥配列としてもよい(図4B参照)。これにより、送風ファン27からの冷却空気が、電池C3の側面に直接吹き付けられる。その結果、冷却効果が高くなる。もっとも、電池モジュールが冷えているときは、送風ファン27により、図示せぬヒータで暖められた空気を送風してもよい。これにより、電池モジュールを暖機することが可能となる。   In order to send the cooling air in the parallel direction of the current collector plate 25, a blower fan 27 may be provided. The heat generated in the battery C3 is transmitted to the current collector plate 25. The current collecting plate 25 acts as a heat radiating fin, whereby the battery C3 is indirectly cooled. The current collector plate 25 serves as both a conductive member and a heat radiating member. For this reason, the material of the current collector plate 25 may have high thermal conductivity and electrical conductivity. In this respect, aluminum has a relatively low electrical resistance and a relatively high thermal conductivity. For this reason, aluminum has preferable characteristics as a material for forming the current collector plate 25. However, since aluminum easily oxidizes, the contact resistance of the current collector plate 25 tends to increase. For this reason, the aluminum plate included in the current collector plate 25 may be subjected to nickel plating. Thereby, reduction of contact resistance is achieved. The current collecting plate 25 is provided with a plurality of refrigerant passages 26 for allowing the insulating oil for cooling to pass therethrough (see FIG. 4B). Further, the arrangement of the battery C3 (through hole 25a) may be a staggered arrangement (see FIG. 4B). Thereby, the cooling air from the blower fan 27 is blown directly on the side surface of the battery C3. As a result, the cooling effect is enhanced. However, when the battery module is cold, the air heated by a heater (not shown) may be blown by the blower fan 27. Thereby, it becomes possible to warm up the battery module.

(第2実施形態の第3変形例)
次に、本燃料電池の第2実施形態の第3変形例に係る、電池C4について説明する。図5A〜Cは、電池C4(電池C4a、C4bおよびC4c)の構造を示す断面図である。電池C4は、本燃料電池の第2実施形態に係る電池C2の構造の一部を変更したものである。以下、その変更点を中心に説明する。電池C4は、負極端子11の中央部に、水素貯蔵室18に連通する水素流通口28が設けられている。正極端子として作用する外装体10の底部10bの中央部に、酸素貯蔵室19に連通する酸素流通口30が設けられている。電池C4の貯蔵室18および19に貯蔵された水素あるいは酸素は、接続部29および31に設けられた流通口28あるいは30を通って、排出されることが可能である。
(Third Modification of Second Embodiment)
Next, a battery C4 according to a third modification of the second embodiment of the fuel cell will be described. 5A to 5C are cross-sectional views showing the structure of battery C4 (batteries C4a, C4b, and C4c). The battery C4 is obtained by changing a part of the structure of the battery C2 according to the second embodiment of the present fuel cell. Hereinafter, the changes will be mainly described. The battery C <b> 4 is provided with a hydrogen circulation port 28 that communicates with the hydrogen storage chamber 18 at the center of the negative electrode terminal 11. An oxygen circulation port 30 communicating with the oxygen storage chamber 19 is provided at the center of the bottom 10 b of the outer package 10 that acts as a positive electrode terminal. Hydrogen or oxygen stored in the storage chambers 18 and 19 of the battery C4 can be discharged through the circulation ports 28 or 30 provided in the connection portions 29 and 31.

また、水素ガス源、および、酸素ガス源が、外部に設置されている。これらから、水素ガスおよび酸素ガスが、流通口28および30を通って、貯蔵室18および19に供給されることが可能である。なお、接続部29および31は、電池C4と外部の水素ガス源および酸素ガス源との接続を実現するための、接続手段を提供する。また、電池C4における接続部29および31の形状は、図5A〜Cのいずれに示した構成であってもよい。すなわち、図5Aに示した例(電池C4a)では、接続部29aが突起した形状を有している一方、接続部31aが貫通する穴の形状を有している。また、図5Cに示す例(電池C4c)では、接続部29cおよび31cは、共に突起した形状を有している。さらに、図5Bに示す例(電池C4b)では、接続部29bおよび31bは、共に、貫通する穴の形状を有している。いずれの形状とするかは、適宜選択可能である。   Further, a hydrogen gas source and an oxygen gas source are installed outside. From these, hydrogen gas and oxygen gas can be supplied to the storage chambers 18 and 19 through the flow ports 28 and 30. Connection portions 29 and 31 provide connection means for realizing connection between battery C4 and an external hydrogen gas source and oxygen gas source. Further, the shape of the connection portions 29 and 31 in the battery C4 may be the configuration shown in any of FIGS. That is, in the example (battery C4a) shown in FIG. 5A, the connection portion 29a has a protruding shape, while the connection portion 31a has a hole shape. Further, in the example shown in FIG. 5C (battery C4c), the connection portions 29c and 31c both have a protruding shape. Furthermore, in the example shown in FIG. 5B (battery C4b), both of the connection portions 29b and 31b have the shape of a through-hole. Which shape is used can be appropriately selected.

図6は、電池バンクS4の構成を示す図面である。電池バンクS4は、複数の電池C4cが接続されている。なお、接続部の形状に応じて、電池C4aもしくは電池C4bが使用されてもよい。電池バンクS4は、水素ガス第一ヘッダー35および酸素ガス第一ヘッダー36を有している。これらは、導電性材料を含む。これらには、それぞれ、複数の接続部35aおよび36aが設けられている。これにより、電池C4の接続部29および接続部31が、気密に接続されている。これにより、電池C4の水素貯蔵室18および酸素貯蔵室19は、それぞれ、水素ガス第一ヘッダー35および酸素ガス第一ヘッダー36に連通可能である。例えば、30個の電池C4が、水素ガス第一ヘッダー35および酸素ガス第一ヘッダー36の間に配置され、これらヘッダー35および36に接続されている。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the battery bank S4. A plurality of batteries C4c are connected to the battery bank S4. The battery C4a or the battery C4b may be used depending on the shape of the connection portion. The battery bank S4 includes a hydrogen gas first header 35 and an oxygen gas first header 36. These include conductive materials. Each of them is provided with a plurality of connecting portions 35a and 36a. Thereby, the connection part 29 and the connection part 31 of the battery C4 are airtightly connected. Thereby, the hydrogen storage chamber 18 and the oxygen storage chamber 19 of the battery C4 can communicate with the hydrogen gas first header 35 and the oxygen gas first header 36, respectively. For example, 30 batteries C4 are disposed between the hydrogen gas first header 35 and the oxygen gas first header 36 and connected to the headers 35 and 36.

30個以上の電池C4を用いる場合、水素ガス第一ヘッダー35および酸素ガス第一ヘッダー36を追加してもよい。複数の水素ガス第一ガスヘッダー35および酸素ガス第一ヘッダー36が用いられる場合、水素ガス第一ガスヘッダー35および酸素ガス第一ヘッダー36は、それぞれ絶縁材を含む絶縁接続部材32および33を介して、水素ガス第二ヘッダー38および酸素ガス第二ヘッダー39に接続される。そして、隣接する酸素ガス第一ヘッダー36と水素ガス第一ヘッダー35とは、導電材を含む導電接続部材34を介して、電気的に接続される。水素ガス第二ヘッダー38および酸素ガス第二ヘッダー39は、最終的には、水素ガスタンクおよび酸素ガスタンク(いずれも図中のTANK)に接続される。このような構成では、電池C4で発生する水素ガスおよび酸素ガスは、それぞれのタンクに集められ、電池C4において供用可能となる。また、これらのタンクから、電池C4の水素貯蔵室18および酸素貯蔵室19に、水素ガスおよび酸素ガスを供給することが可能となる。これにより、水素ガスおよび酸素ガスの化学エネルギーを用いて発電することが可能となる。一方、電池C4の負極端子11と、正極端子となる外装体10とは、それぞれ、水素ガス第一ヘッダー35および酸素ガス第一ヘッダー36に接続される。これにより、電池C4の電気は、第一ヘッダー35および36によって集電される。複数の第一ヘッダー35および36が採用される場合、これら導電接続部材34により直列に接続され、電池バンクS4から電気が出力される。   When using 30 or more batteries C4, the hydrogen gas first header 35 and the oxygen gas first header 36 may be added. When a plurality of hydrogen gas first gas headers 35 and oxygen gas first headers 36 are used, the hydrogen gas first gas header 35 and the oxygen gas first header 36 are respectively connected via insulating connecting members 32 and 33 including an insulating material. The hydrogen gas second header 38 and the oxygen gas second header 39 are connected. The adjacent oxygen gas first header 36 and the hydrogen gas first header 35 are electrically connected via a conductive connecting member 34 containing a conductive material. The hydrogen gas second header 38 and the oxygen gas second header 39 are finally connected to a hydrogen gas tank and an oxygen gas tank (both are TANK in the figure). In such a configuration, the hydrogen gas and oxygen gas generated in the battery C4 are collected in the respective tanks and can be used in the battery C4. Further, hydrogen gas and oxygen gas can be supplied from these tanks to the hydrogen storage chamber 18 and the oxygen storage chamber 19 of the battery C4. Thereby, it becomes possible to generate electric power using chemical energy of hydrogen gas and oxygen gas. On the other hand, the negative electrode terminal 11 of the battery C4 and the outer package 10 serving as the positive electrode terminal are connected to the hydrogen gas first header 35 and the oxygen gas first header 36, respectively. Thereby, the electricity of the battery C4 is collected by the first headers 35 and 36. When the plurality of first headers 35 and 36 are employed, these conductive connection members 34 are connected in series, and electricity is output from the battery bank S4.

なお、電池C4において、酸素ガス源の代わりに酸素を溶存した酸素電解液源が接続されていてもよい。この場合は、上記の電池バンクでは、酸素は、電解液に溶存した状態で、作動流体として作用する。   In the battery C4, an oxygen electrolyte source in which oxygen is dissolved may be connected instead of the oxygen gas source. In this case, in the battery bank, oxygen acts as a working fluid in a state dissolved in the electrolytic solution.

(第3実施形態)
図7Aは、図7Bに示す第3実施形態に係る燃料電池電池を構成する単電池(以下、電池C5と称す)の構造を示す断面図である。この電池C5は、図1AおよびBにおいて説明した第1実施形態の電池C1と、ほぼ同様の材料および構成が採用されている。しかしながら、電池C5と電池C1とでは、構造の一部が異なっている。相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
FIG. 7A is a cross-sectional view showing a structure of a unit cell (hereinafter referred to as a battery C5) constituting the fuel cell battery according to the third embodiment shown in FIG. 7B. The battery C5 employs substantially the same material and configuration as the battery C1 of the first embodiment described in FIGS. 1A and 1B. However, the battery C5 and the battery C1 are partially different in structure. The difference will be mainly described.

この電池C5は、水素および酸素の化学エネルギーを、電気エネルギーに変換して利用する。さらに、電池C5は、燃料電池に二次電池の反応機構を取り込んだリバーシブル燃料電池として構成されている。電池C5は、主要な構成要素として、負極54、正極56、負極ケース51および正極ケース52を備えている。負極54および正極56は、セパレータ55を介して、互いに対向している。負極ケース51は、水素貯蔵室58を有している。正極ケース52は、酸素貯蔵室59を有している。   This battery C5 uses the chemical energy of hydrogen and oxygen by converting it into electrical energy. Further, the battery C5 is configured as a reversible fuel cell in which a reaction mechanism of a secondary battery is incorporated in the fuel cell. The battery C5 includes a negative electrode 54, a positive electrode 56, a negative electrode case 51, and a positive electrode case 52 as main components. The negative electrode 54 and the positive electrode 56 are opposed to each other with the separator 55 interposed therebetween. The negative electrode case 51 has a hydrogen storage chamber 58. The positive electrode case 52 has an oxygen storage chamber 59.

負極54の主要な活物質は、水素吸蔵合金である。正極56の主要な活物質は、二酸化マンガンである。負極54と正極56との間には、セパレータ55とともに、電解液53が介在している。この電解液53としては、二次電池で一般的に用いられているアルカリ系水溶液である、KOH水溶液が用いられている。   The main active material of the negative electrode 54 is a hydrogen storage alloy. The main active material of the positive electrode 56 is manganese dioxide. Between the negative electrode 54 and the positive electrode 56, the electrolytic solution 53 is interposed together with the separator 55. As the electrolytic solution 53, a KOH aqueous solution, which is an alkaline aqueous solution generally used in secondary batteries, is used.

負極54は、以下のように製造される。すなわち、負極活物質、導電性フィラーおよび樹脂に溶剤を加えて、ペーストを形成する。このペーストを、基板上に塗布して板状に成形し、硬化する。同様に、正極56は、以下のように製造される。すなわち、正極活物質、導電性フィラーおよび樹脂に溶剤を加えて、ペーストを形成する。このペーストを、基板上に塗布して板状に成形し、硬化する。   The negative electrode 54 is manufactured as follows. That is, a paste is formed by adding a solvent to the negative electrode active material, the conductive filler, and the resin. This paste is applied onto a substrate, formed into a plate shape, and cured. Similarly, the positive electrode 56 is manufactured as follows. That is, a paste is formed by adding a solvent to the positive electrode active material, the conductive filler, and the resin. This paste is applied onto a substrate, formed into a plate shape, and cured.

導電性フィラーの材料としては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキを施したもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキを施したもの、有機繊維にニッケルメッキを施したもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、およびニッケル箔を含む。これらは、単独で、または複数を組み合わせて用いることができる。樹脂はバインダーとして用いられる。この樹脂として、120℃までの軟化温度を有する熱可塑性樹脂、常温から120℃までの硬化温度を有する樹脂、120℃以下の蒸発温度を有し溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、アルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂などを用いることができる。基板としては、ニッケル板のような、電気伝導性のある金属板を用いることができる。また、基板の代わりに発泡ニッケルシートが使用されてもよい。   The conductive filler material is carbon fiber, carbon fiber nickel-plated, carbon particles, carbon particles nickel-plated, organic fibers nickel-plated, fibrous nickel, nickel particles And nickel foil. These can be used alone or in combination. The resin is used as a binder. As this resin, a thermoplastic resin having a softening temperature up to 120 ° C., a resin having a curing temperature from room temperature to 120 ° C., a resin having an evaporation temperature of 120 ° C. or lower and soluble in a solvent, a solvent soluble in water A resin that dissolves, a resin that dissolves in a solvent soluble in alcohol, and the like can be used. As the substrate, an electrically conductive metal plate such as a nickel plate can be used. Further, a foamed nickel sheet may be used instead of the substrate.

負極54の水素貯蔵室58に接触している面は、疎水性材料を多く含んでいる。これにより、負極54の水素吸蔵合金は、濡れることなく、水素ガスと接触することができる。負極54のセパレータ55に接触する面は、親水性を有している。これにより、この面は、水素ガスが負極54を通過することを阻止している。この面は、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、負極54のイオン導電性が確保されている。正極56の酸素貯蔵室59に接触している面は、疎水性材料を多く含んでいる。これにより、正極56の二酸化マンガンは、濡れることなく、酸素ガスと接触することができる。正極56のセパレータ55に接触する面は、親水性を有している。これにより、この面は、酸素ガスが正極56を通過することを阻止している。この面は、電解液にほぼ常に濡れている状態を保っている。これにより、正極56のイオン導電性が確保されている。   The surface of the negative electrode 54 that is in contact with the hydrogen storage chamber 58 contains a large amount of hydrophobic material. Thereby, the hydrogen storage alloy of the negative electrode 54 can contact with hydrogen gas without getting wet. The surface of the negative electrode 54 that contacts the separator 55 has hydrophilicity. As a result, this surface prevents hydrogen gas from passing through the negative electrode 54. This surface is almost always wet with the electrolyte. Thereby, the ionic conductivity of the negative electrode 54 is ensured. The surface of the positive electrode 56 in contact with the oxygen storage chamber 59 contains a lot of hydrophobic material. Thereby, the manganese dioxide of the positive electrode 56 can contact with oxygen gas without getting wet. The surface that contacts the separator 55 of the positive electrode 56 has hydrophilicity. Thus, this surface prevents oxygen gas from passing through the positive electrode 56. This surface is almost always wet with the electrolyte. Thereby, the ionic conductivity of the positive electrode 56 is ensured.

電極54および56のガス貯蔵室58および59に側の面は、疎水性を有する炭素やテフロン等を塗布もしくは噴霧されていてもよい。また、電極54および56のセパレータ55側の面は、改質ナイロンを塗布もしくは噴霧されていてもよい。また、電極を製作する際、親水性および疎水性の両方の特性を有する酢酸ビニルを造粒してバインダーとして用いてもよい。更には、造粒された酢酸ビニルを含むバインダーと親水性材料とを混合したものを、電極54および56のセパレータ55側に塗布してもよい。造粒された酢酸ビニルを含むバインダーと疎水性材料とを混合したものを、電極54および56のガス貯蔵室58および59側に塗布してもよい。   The surfaces of the electrodes 54 and 56 facing the gas storage chambers 58 and 59 may be coated or sprayed with hydrophobic carbon, Teflon, or the like. The surface of the electrodes 54 and 56 on the separator 55 side may be coated or sprayed with modified nylon. Further, when manufacturing an electrode, vinyl acetate having both hydrophilic and hydrophobic characteristics may be granulated and used as a binder. Further, a mixture of a granulated binder containing vinyl acetate and a hydrophilic material may be applied to the separator 55 side of the electrodes 54 and 56. A mixture of granulated binder containing vinyl acetate and a hydrophobic material may be applied to the gas storage chambers 58 and 59 side of the electrodes 54 and 56.

セパレータ55は、プロトン(H)を透過させるが水素ガスおよび酸素ガスを透過させにくい構造を有している。具体的には、セパレータ55を形成する素材は、微多孔膜を使用することができる。この微多孔膜の材料は、ポリエチレン繊維やポリプロピレン繊維などのポリオレフィン系繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリフルオロエチレン系繊維、ポリアミド系繊維などを含む。セパレータ55には電解液53が保持されている。さらに、本実施形態では、セパレータ55の両表面が、電解液53で濡れている。これにより、セパレータ55は、水封セパレータとして機能し、高いガス不透過性を有する。また、水素ガスおよび酸素ガスがセパレータ55を通過して互いに接触および反応することが、確実に防止される。The separator 55 has a structure that allows protons (H + ) to pass therethrough but hardly allows hydrogen gas and oxygen gas to pass therethrough. Specifically, the material forming the separator 55 can be a microporous membrane. The material of the microporous membrane includes polyolefin fibers such as polyethylene fibers and polypropylene fibers, polyphenylene sulfide fibers, polyfluoroethylene fibers, polyamide fibers, and the like. The separator 55 holds the electrolytic solution 53. Furthermore, in this embodiment, both surfaces of the separator 55 are wet with the electrolyte solution 53. Thereby, the separator 55 functions as a water seal separator and has high gas impermeability. Further, it is reliably prevented that hydrogen gas and oxygen gas pass through the separator 55 and contact and react with each other.

負極54と正極56がセパレータ55挟んだ構造となっている。そして、負極54のセパレータ55に接していない方の面は、箱型の負極ケース51によって気密に覆われている。このため、負極54と負極ケース51とによって形成される内方空間は、水素貯蔵室58として機能する。水素貯蔵室58は、負極54で発生する水素ガスを、負極54との間に昇圧装置や連通路などの追加部材を介在させずに貯蔵する。同様に、正極56のセパレータ55に接していない方の面は、箱型の正極ケース52によって気密に覆われている。正極56と正極ケース52とによって形成される内方空間は、酸素貯蔵室59として機能する。水素貯蔵室58と酸素貯蔵室59とは、独立に、つまり、水素貯蔵室58と酸素貯蔵室59とが互いに連通しないように構成されている。酸素貯蔵室59には、セパレータ55に保持された電解液53と同種類の電解液が、酸素貯蔵室59の容積の約1/3程度、充填されている。もっとも、酸素貯蔵室59は、電解液によって満たされていてもよい。この場合、この電解液に酸素を溶存させてもよい。ただし、この場合は、電極54および56は、可撓性を有しており、水素貯蔵室58の変形は、酸素貯蔵室59に及ぶ。これにより、水素貯蔵室58の圧力が水素ガスにより高圧となれば、電解液の圧力は水素貯蔵室58の圧力とほぼ均一となるように、高圧となる。   The negative electrode 54 and the positive electrode 56 are sandwiched between the separators 55. The surface of the negative electrode 54 that is not in contact with the separator 55 is airtightly covered with the box-shaped negative electrode case 51. For this reason, the inner space formed by the negative electrode 54 and the negative electrode case 51 functions as the hydrogen storage chamber 58. The hydrogen storage chamber 58 stores the hydrogen gas generated in the negative electrode 54 without interposing additional members such as a booster and a communication path between the hydrogen gas and the negative electrode 54. Similarly, the surface of the positive electrode 56 that is not in contact with the separator 55 is airtightly covered with a box-shaped positive electrode case 52. An inner space formed by the positive electrode 56 and the positive electrode case 52 functions as an oxygen storage chamber 59. The hydrogen storage chamber 58 and the oxygen storage chamber 59 are configured independently, that is, the hydrogen storage chamber 58 and the oxygen storage chamber 59 are not communicated with each other. The oxygen storage chamber 59 is filled with the same type of electrolyte solution as the electrolyte solution 53 held in the separator 55, about 1/3 of the volume of the oxygen storage chamber 59. However, the oxygen storage chamber 59 may be filled with an electrolytic solution. In this case, oxygen may be dissolved in the electrolytic solution. However, in this case, the electrodes 54 and 56 have flexibility, and the deformation of the hydrogen storage chamber 58 extends to the oxygen storage chamber 59. As a result, when the pressure of the hydrogen storage chamber 58 is increased by the hydrogen gas, the pressure of the electrolyte becomes high so that the pressure of the electrolytic solution is substantially uniform with the pressure of the hydrogen storage chamber 58.

負極ケース51および正極ケース52は、高い熱伝導度および電気電導度を有する材料で構成されていてもよい。これらは、アルミニウムなどの鋼材で構成されていてもよい。しかしながら、鋼材は酸化しやすく、接触抵抗が増大しやすい。このため、負極ケース51および正極ケース52に含まれるアルミニウムは、ニッケルメッキが施されてもよい。これにより、接触抵抗の低減が図られる。負極ケース51および正極ケース52は、それぞれ、電池C5の負極端子および正極端子として作用する。   The negative electrode case 51 and the positive electrode case 52 may be made of a material having high thermal conductivity and electrical conductivity. These may be made of a steel material such as aluminum. However, steel materials are easily oxidized and contact resistance is likely to increase. For this reason, the aluminum contained in the negative electrode case 51 and the positive electrode case 52 may be nickel-plated. Thereby, reduction of contact resistance is achieved. The negative electrode case 51 and the positive electrode case 52 function as a negative electrode terminal and a positive electrode terminal of the battery C5, respectively.

酸素貯蔵室59に充填される電解液53の量は、大別して2通りである。一つは、酸素貯蔵室59の容積の90%以上である。もう一つは、貯蔵室59の容積の20〜40%の範囲内である。前者の場合、電気分解で生じた酸素ガスは、電解液に溶存させて貯蔵される。後者の場合、酸素は、ガス状態で酸素貯蔵室59に貯蔵される。   The amount of the electrolyte 53 filled in the oxygen storage chamber 59 is roughly divided into two types. One is 90% or more of the volume of the oxygen storage chamber 59. The other is in the range of 20 to 40% of the volume of the storage chamber 59. In the former case, the oxygen gas generated by electrolysis is dissolved and stored in the electrolytic solution. In the latter case, oxygen is stored in the oxygen storage chamber 59 in a gas state.

上記のように構成された電池C5の動作を以下に示す。電池C5は、満充電となるまで、二次電池として電流によって充電され。電池C5が満充電状態に達した後、さらに電流を供給し続けると、負極54からは水素ガスが、正極56からは酸素ガスがそれぞれ発生する。これら水素ガスおよび酸素ガスは、互いに接触することなく、水素貯蔵室58および酸素貯蔵室59にそれぞれ貯蔵される。   The operation of the battery C5 configured as described above will be described below. The battery C5 is charged with current as a secondary battery until it is fully charged. When the current continues to be supplied after the battery C5 reaches the fully charged state, hydrogen gas is generated from the negative electrode 54 and oxygen gas is generated from the positive electrode 56, respectively. These hydrogen gas and oxygen gas are stored in the hydrogen storage chamber 58 and the oxygen storage chamber 59, respectively, without contacting each other.

電池C5の放電が開始されると、負極54と正極56との間で、二次電池としての通常の放電反応が起こる。これにより、負荷に電流が流れる。このとき、負極54および正極56の電気量は、放電によって減少する。負極54および正極56の減少した電気量分は、水素貯蔵室58および酸素貯蔵室59に貯蔵された水素ガスおよび酸素ガスによる充電によって、補われる。なお、酸素貯蔵室59が酸素を溶存した電解液で満たされている場合、正極56は、電解液中の酸素により充電される。   When the discharge of the battery C5 is started, a normal discharge reaction as a secondary battery occurs between the negative electrode 54 and the positive electrode 56. Thereby, a current flows through the load. At this time, the amount of electricity of the negative electrode 54 and the positive electrode 56 decreases due to the discharge. The reduced amount of electricity of the negative electrode 54 and the positive electrode 56 is compensated by charging with hydrogen gas and oxygen gas stored in the hydrogen storage chamber 58 and the oxygen storage chamber 59. When the oxygen storage chamber 59 is filled with an electrolytic solution in which oxygen is dissolved, the positive electrode 56 is charged with oxygen in the electrolytic solution.

負極54において、充電状態の水素吸蔵合金(MH)から放出された分のプロトンが、水素ガスによって補われる。これにより、負極の充電状態が維持される。一方、正極56は、充電状態の二酸化マンガン(MnO)が還元されることによって生成されたオキシ水酸化マンガン(MnOOH)が、酸素によって再び酸化される。これにより、正極の充電状態が維持される。貯蔵室58および59の水素ガスおよび酸素ガスが消費された後は、電池C5は、通常の二次電池と同様に放電する。In the negative electrode 54, protons released from the charged hydrogen storage alloy (MH) are supplemented by hydrogen gas. Thereby, the charged state of the negative electrode is maintained. On the other hand, in the positive electrode 56, manganese oxyhydroxide (MnOOH) generated by reducing charged manganese dioxide (MnO 2 ) is oxidized again by oxygen. Thereby, the charge state of a positive electrode is maintained. After the hydrogen gas and oxygen gas in the storage chambers 58 and 59 are consumed, the battery C5 is discharged in the same manner as a normal secondary battery.

すなわち、本実施形態に係る電池C5は、二次電池として、電気による充電により、電極に電気エネルギーを蓄えることができる。さらに、電池C5は、過充電時に供給される電気エネルギーを、貯蔵室58および59にガス(化学エネルギー)として蓄える。そして、電池C5は、蓄えた化学エネルギーを、電気エネルギーに再変換して利用することが可能である。さらに、貯蔵室58、59およびこれを含む電池C5の耐圧性能および密閉性能を高めることにより、体積あたりのガス貯蔵量を増加させることが可能となる。その結果、電池C5のエネルギー密度を、従来の二次電池と比較して、大幅に(例えば数10倍程度に)向上することが可能となる。しかも、貯蔵室58および59には、過充電時に、負極54で発生した水素ガスあるいは正極56で発生した酸素ガスが、直接貯蔵される。このため、ガスの昇圧装置あるいは連通路を追加で設ける必要がない。したがって、電池C5は、簡単な構造を有するので、安価に製造および供給することが可能な電池である。   That is, the battery C5 according to the present embodiment can store electric energy in the electrode as a secondary battery by charging with electricity. Further, the battery C5 stores the electric energy supplied at the time of overcharging as gas (chemical energy) in the storage chambers 58 and 59. The battery C5 can use the stored chemical energy by reconverting it into electrical energy. Furthermore, by increasing the pressure resistance and sealing performance of the storage chambers 58 and 59 and the battery C5 including the storage chambers 58 and 59, it is possible to increase the gas storage amount per volume. As a result, the energy density of the battery C5 can be significantly improved (for example, about several tens of times) as compared with the conventional secondary battery. Moreover, the hydrogen gas generated at the negative electrode 54 or the oxygen gas generated at the positive electrode 56 is directly stored in the storage chambers 58 and 59 during overcharge. For this reason, there is no need to provide an additional gas booster or communication passage. Therefore, since the battery C5 has a simple structure, it can be manufactured and supplied at low cost.

電池C5の放電時には、二次電池の電極反応によって、電気エネルギーが出力される。このため、従来の燃料電池と比較して、負荷に対する追従性が大幅に向上する。これにより、電池C5は、例えば車両のような、瞬間的な高出力が要求される負荷変動の大きい用途に使用することも可能である。この際、電池C5は、追加の二次電池あるいはキャパシタなどの蓄電装置を必要とすることなく、単独で使用されることが可能である。   When the battery C5 is discharged, electric energy is output by the electrode reaction of the secondary battery. For this reason, the followability with respect to the load is greatly improved as compared with the conventional fuel cell. As a result, the battery C5 can be used for an application with a large load fluctuation that requires instantaneous high output, such as a vehicle. At this time, the battery C5 can be used alone without requiring an additional secondary battery or a power storage device such as a capacitor.

しかも、本実施形態に係る電池C5は、正極56は、正極活物質として、二酸化マンガンを含んでいる。このため、正極56は、耐久性に優れ、高い寿命特性を有している。   Moreover, in the battery C5 according to this embodiment, the positive electrode 56 includes manganese dioxide as a positive electrode active material. For this reason, the positive electrode 56 has excellent durability and high life characteristics.

図7Aに示す電池C5は、セパレータ55の外周面55aは、セパレータ55と同じ厚みを有する絶縁部67で覆われている。負極ケース51の外周面51a、正極ケース52の外周面52aおよび絶縁部67の外周面67aが面一となるように、負極ケース51,正極ケース52および絶縁部67の外形寸法が調製されている。絶縁部67は、気密性を有する材料で構成されている。また、セパレータ55は、電解液の作用により、ガスの通過を阻止している。このため、酸素ガスもしくは水素ガスがセパレータ55の外周面55aに到達しても、これらが電池C5の外部に漏れることはない。   In the battery C5 shown in FIG. 7A, the outer peripheral surface 55a of the separator 55 is covered with an insulating portion 67 having the same thickness as the separator 55. The outer dimensions of the negative electrode case 51, the positive electrode case 52, and the insulating portion 67 are adjusted so that the outer peripheral surface 51a of the negative electrode case 51, the outer peripheral surface 52a of the positive electrode case 52, and the outer peripheral surface 67a of the insulating portion 67 are flush with each other. . The insulating part 67 is made of an airtight material. Further, the separator 55 prevents the passage of gas by the action of the electrolytic solution. For this reason, even if oxygen gas or hydrogen gas reaches the outer peripheral surface 55a of the separator 55, they do not leak to the outside of the battery C5.

負極ケース51および正極ケース52の開口部には、それぞれ、段差65あるいは66が設けられている。段差65および66の幅は、負極54および正極56の厚みにほぼ等しい。負極54および正極56は、それぞれ、負極ケース51および正極ケース52の開口部を覆うように取り付けられている。   Steps 65 or 66 are provided in the openings of the negative electrode case 51 and the positive electrode case 52, respectively. The widths of the steps 65 and 66 are substantially equal to the thickness of the negative electrode 54 and the positive electrode 56. The negative electrode 54 and the positive electrode 56 are attached so as to cover the openings of the negative electrode case 51 and the positive electrode case 52, respectively.

図7Bは、図7Aに示す電池C5を複数備えた燃料電池B5の構造を示す組立断面図である。この燃料電池B5は、正極端子64、負極端子63と、電池C5を包む絶縁ケーシング62と、蓋部材68および69と、取付ボルト70とを、主要な構成要素として備えている。蓋部材68および69は、電池C5を絶縁ケーシング62の軸方向に締め付け固定するための部材である。これら主要な構成要素は、金属製の保護ケーシング61によって覆われている。 FIG. 7B is an assembled cross-sectional view showing the structure of a fuel cell B5 including a plurality of the batteries C5 shown in FIG. 7A. The fuel cell B5 includes a positive electrode terminal 64, a negative electrode terminal 63, an insulating casing 62 that encloses the battery C5, lid members 68 and 69, and mounting bolts 70 as main components. The lid members 68 and 69 are members for fastening and fixing the battery C5 in the axial direction of the insulating casing 62. These main components are covered with a metal protective casing 61.

燃料電池B5は、複数の電池C5が、絶縁ケーシング62の軸方向に沿って、絶縁ケーシング62に内包されている。電池C5の外周面51aおよび52aは、絶縁材を含む絶縁ケーシング62の内周面62aに沿っている。隣接する電池C5の負極ケース51の側面51bと正極ケース52の側面52bとが、互いに接触している。複数の電池C5の両端には、燃料電池B5の負極端子63および正極端子64が設けられている。これら負極端子63および正極端子64のそれぞれの外方において、蓋部材68あるいは69が、保護ケーシング61の内周面61aに嵌合されている。蓋部材68および69には、ねじ穴が形成されている。また、保護ケーシング61には、ボルト穴70aが形成されている。取付ボルト70により、保護ケーシング61と、蓋部材68および69とが各々固定されている。このように、電池C5と正負極端子63および64とは、保護ケーシング61の内部に収納されている。 In the fuel cell B <b> 5, a plurality of cells C <b> 5 are included in the insulating casing 62 along the axial direction of the insulating casing 62. Outer peripheral surfaces 51a and 52a of battery C5 are along inner peripheral surface 62a of insulating casing 62 containing an insulating material. The side surface 51b of the negative electrode case 51 and the side surface 52b of the positive electrode case 52 of the adjacent battery C5 are in contact with each other. A negative electrode terminal 63 and a positive electrode terminal 64 of the fuel cell B5 are provided at both ends of the plurality of batteries C5. A lid member 68 or 69 is fitted to the inner peripheral surface 61 a of the protective casing 61 on the outer side of each of the negative electrode terminal 63 and the positive electrode terminal 64. Screw holes are formed in the lid members 68 and 69. The protective casing 61 has a bolt hole 70a. The protective casing 61 and the lid members 68 and 69 are fixed by the mounting bolts 70, respectively. Thus, the battery C5 and the positive and negative terminals 63 and 64 are housed in the protective casing 61.

互いに接続された複数の燃料電池B5を含む電池モジュールの構成例を、図8AおよびBに示す。
電池モジュールS5は、金属製のワイヤー474の一端が、燃料電池B5に取り付けられ、他端が、鉄塔478に取り付けられている。これにより、複数の燃料電池B5が、鉄塔478に吊り下げられることが可能である。隣り合う燃料電池B5の負極端子63と正極端子64とは、開閉路が可能な遮断器476を介して、ブスバー477により接続されている。
8A and 8B show a configuration example of a battery module including a plurality of fuel cells B5 connected to each other.
In the battery module S5, one end of a metal wire 474 is attached to the fuel cell B5 , and the other end is attached to the steel tower 478. Thereby, the plurality of fuel cells B5 can be suspended from the steel tower 478. The negative electrode terminal 63 and the positive electrode terminal 64 of the adjacent fuel cell B5 are connected by a bus bar 477 through a circuit breaker 476 that can be opened and closed.

上記のような電池モジュールS5は、電力系統に適用されてもよい。電池モジュールS5が電力系統に適用される場合、電圧が高電圧になり、耐電圧構造が採用される。このため、この場合、対地耐圧性能を確保するために、遮断器476も、絶縁されたワイヤー474で吊るされる。 The battery module S5 as described above may be applied to a power system. When battery module S5 is applied to an electric power system, a voltage becomes a high voltage and a withstand voltage structure is adopted. For this reason, in this case, the circuit breaker 476 is also suspended by the insulated wire 474 in order to ensure the ground pressure resistance performance.

(第4実施形態)
図9AおよびBは、本燃料電池の第4実施形態に係るリバーシブル燃料電池C10(以下、単に電池C10と称す)の構造を示す断面図である。図9Aは、長手方向の部分破断図である。図9Bは、図9AにおけるA−A断面図である。電池C10は、外殻100により覆われた構造を有している。外殻100の内部に、チューブ状に形成された複数の正極110が、外殻100の軸方向(図9AのX方向)に沿って収納されている。そして、正極110の周囲には、セパレータ130を介して、負極120が充填配置されている。なお、本実施形態に係る電池C10の基本要素である、負極、正極、セパレータおよび電解液は、以下で特に説明する場合を除いて、前述の第1実施形態にかかる電池C1と同様の物質/組成および構造であってもよい。
(Fourth embodiment)
9A and 9B are cross-sectional views showing the structure of a reversible fuel cell C10 (hereinafter simply referred to as cell C10) according to the fourth embodiment of the present fuel cell. FIG. 9A is a partial cutaway view in the longitudinal direction. 9B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 9A. The battery C10 has a structure covered with an outer shell 100. Inside the outer shell 100, a plurality of positive electrodes 110 formed in a tube shape are accommodated along the axial direction of the outer shell 100 (the X direction in FIG. 9A). A negative electrode 120 is filled and disposed around the positive electrode 110 with a separator 130 interposed therebetween. In addition, the negative electrode, the positive electrode, the separator, and the electrolytic solution, which are the basic elements of the battery C10 according to the present embodiment, are the same substances / cells as those of the battery C1 according to the first embodiment described above, unless otherwise described below. It may be a composition and structure.

外殻100は、円筒状の胴部101と、膨出部102とを有している。膨出部102は、胴部101の両端開口部に配されている。膨出部102は、開口部から離れる方向、開口部の外方に膨出しており、開口部を覆っている。胴部101と膨出部102との間には、外殻100の内部を液密に保つためのパッキング103が配されている。胴部101および膨出部102は鋼製であってもよく、好ましくは高張力鋼であってもよい。このように、胴部101が円筒状を有しているとともに、膨出部102が外方に膨出している。これにより、外殻100は、内部が超高圧となっても、それに耐えうる構造を有している。   The outer shell 100 has a cylindrical body portion 101 and a bulging portion 102. The bulging part 102 is arranged at both end openings of the body part 101. The bulging portion 102 bulges outward from the opening in a direction away from the opening, and covers the opening. A packing 103 for keeping the inside of the outer shell 100 liquid-tight is disposed between the trunk portion 101 and the bulging portion 102. The body portion 101 and the bulging portion 102 may be made of steel, and preferably high tensile steel. Thus, while the trunk | drum 101 has a cylindrical shape, the bulging part 102 bulges outward. As a result, the outer shell 100 has a structure that can withstand even the inside of the outer shell 100 having an ultrahigh pressure.

外殻100の内部であって膨出部102の内方空間には、酸素貯蔵室136aおよびbが設けられている。そして、左右の酸素貯蔵室136aおよびbは、それぞれ、仕切板135により区分されている。酸素貯蔵室136aおよびbは、外殻100に取付けられたフランジ211および212を介して、外部機器に接続可能となっている。左右の酸素貯蔵室136aおよびbの間であって、仕切板135と胴部101とに囲まれた空間には、正極110、負極120、セパレータ130および集電体134が配置されている。   Oxygen storage chambers 136 a and 136 b are provided in the inner space of the bulging portion 102 inside the outer shell 100. The left and right oxygen storage chambers 136a and b are divided by a partition plate 135, respectively. The oxygen storage chambers 136a and 136b can be connected to external equipment via flanges 211 and 212 attached to the outer shell 100. A positive electrode 110, a negative electrode 120, a separator 130, and a current collector 134 are disposed in a space between the left and right oxygen storage chambers 136 a and 136 b and surrounded by the partition plate 135 and the body portion 101.

図10は、電池C10における電極の構造を説明するための部分破断図である。集電体134はニッケルメッキを施した穴あきの鋼製のパイプである。正極110は、集電体134の周囲に二酸化マンガンを含むペースト状の合材を塗布して形成されている。正極110は、集電体134に合材を直接に塗布されてもよい。また、発泡ニッケルに合材を塗布して形成した正極シートを、集電体134に捲きつけることによって、正極110を形成してもよい。正極110と酸素吸蔵合金を含む負極120との間には、セパレータ130が介在している。セパレータ130は、正極110と負極120とが接触することを防止している。外殻100の左右両側に位置する酸素貯蔵室136aおよびbは、集電体134を介して、互いに連通している。酸素貯蔵室136aおよびb内の電解液137は、図10の矢符で示す方向に流れることができる。   FIG. 10 is a partially cutaway view for explaining the structure of the electrode in battery C10. The current collector 134 is a perforated steel pipe plated with nickel. The positive electrode 110 is formed by applying a paste-like mixture containing manganese dioxide around the current collector 134. The positive electrode 110 may be applied directly to the current collector 134 with the composite material. Alternatively, the positive electrode 110 may be formed by spreading a positive electrode sheet formed by applying a composite material on nickel foam to the current collector 134. A separator 130 is interposed between the positive electrode 110 and the negative electrode 120 containing the oxygen storage alloy. The separator 130 prevents the positive electrode 110 and the negative electrode 120 from contacting each other. The oxygen storage chambers 136 a and 136 b located on the left and right sides of the outer shell 100 are in communication with each other via the current collector 134. The electrolyte solution 137 in the oxygen storage chambers 136a and 136b can flow in the direction indicated by the arrow in FIG.

左右の仕切板135の間であって、セパレータ130の外方空間には、20μmの平均粒子径を有する水素吸蔵合金が充填されている。この構成では、空隙率は、およそ35%となる。空隙率の大きさは、水素吸蔵合金の充填の仕方によって変わる。空隙率は、35%より大きくてもよい。平均粒子径が5〜50μmであれば、空隙率はおよそ30〜60%となる。このような空隙は、水素貯蔵室138として機能する。なお、上記の平均粒子径は、他の実施形態と同様、JIS
Z 8910の光散乱法による球相当径を用いて表した値である。
Between the left and right partition plates 135, the outer space of the separator 130 is filled with a hydrogen storage alloy having an average particle diameter of 20 μm. In this configuration, the porosity is approximately 35%. The size of the porosity varies depending on how the hydrogen storage alloy is filled. The porosity may be greater than 35%. When the average particle diameter is 5 to 50 μm, the porosity is about 30 to 60%. Such a void functions as a hydrogen storage chamber 138. In addition, said average particle diameter is JIS like other embodiment.
This is a value expressed by using a sphere equivalent diameter by the light scattering method of Z8910.

図9Aに破線で示すように、電池C10の水素貯蔵室138には、水素ガス貯蔵源121および貯蔵通路122が接続されている。負極120は、外部から供給される水素ガスにより、充電されることが可能である。   As shown by a broken line in FIG. 9A, a hydrogen gas storage source 121 and a storage passage 122 are connected to the hydrogen storage chamber 138 of the battery C10. The negative electrode 120 can be charged with hydrogen gas supplied from the outside.

正極の集電体134は、ニッケルメッキを施した鋼製の仕切板135を貫通している。集電体134の両端は、仕切板135に支えられている。このため、膨出部102と正極110とは、仕切板135を介して電気的に接続されている。これにより、膨出部102は、電池C10の正極端子として機能する。また、負極120に直接接触している胴部101は、負極端子として機能する。パッキング103は、シール性だけでなく絶縁性を有している。これにより、パッキング103は、正極110と負極120とが短絡することを防いでいる。   The positive electrode current collector 134 passes through a nickel-plated steel partition plate 135. Both ends of the current collector 134 are supported by a partition plate 135. For this reason, the bulging part 102 and the positive electrode 110 are electrically connected via the partition plate 135. Thereby, the bulging part 102 functions as a positive electrode terminal of the battery C10. Further, the body portion 101 that is in direct contact with the negative electrode 120 functions as a negative electrode terminal. The packing 103 has an insulating property as well as a sealing property. Thereby, the packing 103 prevents the positive electrode 110 and the negative electrode 120 from being short-circuited.

上記のように構成された電池C10の動作を以下に示す。電池C10には、一方のフランジ211(図9Aの右側)から、酸素が溶存した電解液137が供給される。この電解液137は、高濃度に酸素が溶存した電解液であり、高濃度酸素溶存電解液と称することができる。高濃度に酸素を溶存した電解液137は、パイプ状の集電体134の内部を流れ、集電体134に設けられたパンチ穴を通り、正極110に接触する。これにより、電解液中に溶存した酸素により、正極中のオキシ水酸化マンガンが、酸化されて二酸化マンガンとなる。その結果、正極が充電される。これにより、電解液に溶存した酸素が消費されH2Oが生じ、電解液中の酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下した電解液137(低濃度酸素溶存電解液)は、左方の酸素貯蔵室136bに排出され、最終的にはフランジ212から系外に排出される。一方、負極120は、外部の水素ガス貯蔵源121から供給される水素ガスによって、充電される。The operation of the battery C10 configured as described above will be described below. The electrolyte C 137 in which oxygen is dissolved is supplied to the battery C10 from one flange 211 (right side in FIG. 9A). This electrolytic solution 137 is an electrolytic solution in which oxygen is dissolved at a high concentration, and can be referred to as a high concentration oxygen-dissolved electrolytic solution. The electrolytic solution 137 in which oxygen is dissolved at a high concentration flows through the pipe-shaped current collector 134, passes through punch holes provided in the current collector 134, and contacts the positive electrode 110. Thereby, the manganese oxyhydroxide in the positive electrode is oxidized by the oxygen dissolved in the electrolytic solution to become manganese dioxide. As a result, the positive electrode is charged. As a result, oxygen dissolved in the electrolytic solution is consumed to generate H 2 O, and the oxygen concentration in the electrolytic solution is lowered. The electrolyte solution 137 (low-concentration oxygen-dissolved electrolyte solution) having a reduced oxygen concentration is discharged into the oxygen storage chamber 136b on the left, and is finally discharged out of the system from the flange 212. On the other hand, the negative electrode 120 is charged with hydrogen gas supplied from an external hydrogen gas storage source 121.

正極端子として機能する膨出部102と、負極端子として機能する胴部101との間に、図示しない配線ケーブルを用いて電気負荷が接続されると、電池C10は放電する。これにより、電気負荷に電流が供給される。負荷電流は、両端の膨出部102から取り出すことができる。このため、集電体134を流れる電流は、左右に2分され、ジュール熱損失は、約1/4となる。   When an electrical load is connected between the bulging portion 102 functioning as a positive electrode terminal and the body portion 101 functioning as a negative electrode terminal using a wiring cable (not shown), the battery C10 is discharged. Thereby, a current is supplied to the electric load. The load current can be taken out from the bulging portions 102 at both ends. For this reason, the current flowing through the current collector 134 is divided into left and right parts, and the Joule heat loss is about 1/4.

次に、電気エネルギー化学エネルギーに変換して、電池C10を充電する場合について説明する。電池C10は、過充電により生じた水素ガスを、水素貯蔵室138に貯えることができる。また、電池C10は、酸素ガスを、電解液中に溶解させた状態で、酸素貯蔵室136aおよびbに貯えることができる。つまり、本実施形態の電池C10は、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵することができる。さらに、電池C10は、適宜、化学エネルギーを電気エネルギーに変換して出力することができる。このため、電池C10は、従来の二次電池とは異なり、活物質の量により蓄電容量の制限を受けない。 Next, a case where electric energy is converted into chemical energy and the battery C10 is charged will be described. The battery C10 can store hydrogen gas generated by overcharging in the hydrogen storage chamber 138. The battery C10 can store oxygen gas in the oxygen storage chambers 136a and 136b in a state in which the oxygen gas is dissolved in the electrolyte. That is, the battery C10 of the present embodiment can store electric energy converted into chemical energy. Further, the battery C10 can appropriately convert chemical energy into electric energy and output it. For this reason, unlike the conventional secondary battery, the battery C10 is not limited in the storage capacity by the amount of the active material.

第1実施形態にかかる電池C1と同様に、本実施形態にかかる電池C10も、放電の際には、電池反応により放電し、水素ガスおよび酸素により充電される。このような充放電の際、二酸化マンガンは、正極における反応の触媒として機能する。一方、水素吸蔵合金は、負極における反応の触媒として機能する。   Similarly to the battery C1 according to the first embodiment, the battery C10 according to the present embodiment is also discharged by a battery reaction and charged with hydrogen gas and oxygen during discharge. During such charge and discharge, manganese dioxide functions as a catalyst for the reaction at the positive electrode. On the other hand, the hydrogen storage alloy functions as a catalyst for the reaction in the negative electrode.

第4実施形態に係る電池C10を用いた発電プロセスを、図11に示す。電池C10には、フランジ212を介して、配管220が接続されている。電池C10の放電により劣化した電解液137は、配管220を介して、塩濃度調整装置230の第1室231に運ばれる。塩濃度調整装置230には、逆浸透膜233が取付けられている。塩濃度調整装置230は、この逆浸透膜233により、第1室231と第2室232とに区分されている。逆浸透膜233は、電解液137中の水分を選択的に透過させる機能を有している。透過した水分は、第2室232にドレンとして貯まり、排水口234から系外に排出される。塩濃度調整装置230の電解液137は、配管221を介して、酸素濃度調整装置250に運ばれる。酸素濃度調整装置250の底部には、酸素貯蔵源251および貯蔵通路252が接続されている。酸素ガスと電解液137とが接触することにより、電解液中の溶存酸素濃度が高められる。なお、酸素濃度調整装置250に、別途、貯蔵通路253を設けておいて、過充電により生じた酸素を、酸素貯蔵源251に保存することができる。これにより、酸素貯蔵源251に蓄えられた高濃度の酸素溶存電解液を、酸素濃度調整装置250に戻すことができる。この電解液は、放電により低下した酸素濃度の調整に利用されることができる。   A power generation process using the battery C10 according to the fourth embodiment is shown in FIG. A pipe 220 is connected to the battery C10 through a flange 212. The electrolyte solution 137 deteriorated by the discharge of the battery C10 is carried to the first chamber 231 of the salt concentration adjusting device 230 via the pipe 220. A reverse osmosis membrane 233 is attached to the salt concentration adjusting device 230. The salt concentration adjusting device 230 is divided into a first chamber 231 and a second chamber 232 by the reverse osmosis membrane 233. The reverse osmosis membrane 233 has a function of selectively permeating moisture in the electrolytic solution 137. The permeated moisture is stored as drainage in the second chamber 232 and is discharged out of the system through the drain port 234. The electrolyte solution 137 of the salt concentration adjusting device 230 is conveyed to the oxygen concentration adjusting device 250 via the pipe 221. An oxygen storage source 251 and a storage passage 252 are connected to the bottom of the oxygen concentration adjusting device 250. When the oxygen gas and the electrolytic solution 137 come into contact with each other, the dissolved oxygen concentration in the electrolytic solution is increased. Note that a separate storage passage 253 may be provided in the oxygen concentration adjusting device 250 so that oxygen generated by overcharging can be stored in the oxygen storage source 251. Thereby, the high concentration oxygen-dissolved electrolyte stored in the oxygen storage source 251 can be returned to the oxygen concentration adjusting device 250. This electrolytic solution can be used to adjust the oxygen concentration lowered by the discharge.

酸素濃度調整装置250から出た電解液137は、電池の使用により温度が上昇している。この電解液137は、冷却器260で冷却されて、所定の温度となる。その後、電解液137は、ポンプ270にて昇圧され、配管222を介して電池C10に戻される。   The temperature of the electrolyte solution 137 discharged from the oxygen concentration adjusting device 250 is increased by using the battery. The electrolytic solution 137 is cooled by the cooler 260 and reaches a predetermined temperature. Thereafter, the electrolyte solution 137 is pressurized by the pump 270 and returned to the battery C10 through the pipe 222.

(第5実施形態)
図12は、本燃料電池の第5実施形態に係るリバーシブル燃料電池(以下、単に電池C30と称す)の軸方向の概略断面図である。なお、本実施形態に係る電池C30の基本要素である、負極、正極、セパレータおよび電解液は、以下で特に説明する点を除いて、上記の第1実施形態にかかる電池C1と同様の物質/組成および構造を有していてもよい。図12に示すように、電池C30は、外装体300と、集電体310と、外装体内部に収納される電極とを、主な構成要素として備えている。外装体300は、円管301と、円盤状の蓋部材302とを含んでいる。蓋部材302は、円管301の両端の開口部に設けられている。円管301および蓋部材302の材料は、鉄にニッケルメッキを施したものである。
(Fifth embodiment)
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view in the axial direction of a reversible fuel cell (hereinafter simply referred to as a cell C30) according to the fifth embodiment of the present fuel cell. In addition, the negative electrode, the positive electrode, the separator, and the electrolytic solution, which are the basic elements of the battery C30 according to the present embodiment, are the same substances / It may have a composition and structure. As shown in FIG. 12, the battery C30 includes an exterior body 300, a current collector 310, and an electrode housed in the exterior body as main components. The exterior body 300 includes a circular tube 301 and a disk-shaped lid member 302. The lid member 302 is provided at the openings at both ends of the circular tube 301. The material of the circular tube 301 and the lid member 302 is obtained by applying nickel plating to iron.

集電体310の材料は、棒状の鉄にニッケルメッキを施した導電性の材料でできている。集電体310の両端部は、蓋部材302の中央に設けた穴を貫通している。集電体310の両端部には、ナット311が螺合している。このナット311により、集電体310は蓋部材302に固定されている。ナット311は、袋状である。これにより、電池内部の電解液が外部に漏れることが防止されている。ナット311と蓋部材302との間には、絶縁性のパッキング312が設けられている。これにより、集電体310と蓋部材302とが電気的に接触することが防止されている。円管301と蓋部材302との間には、電池内部をシールするためのパッキング303が設けられている。パッキング303は、絶縁性を有する。このため、円管301と蓋部材302とが電気的に接触することが防止される。集電体310は、ニッケルメッキされることにより、電解液により腐食されることが防止されている。   The material of the current collector 310 is made of a conductive material obtained by nickel-plating rod-shaped iron. Both end portions of the current collector 310 pass through a hole provided in the center of the lid member 302. Nuts 311 are screwed into both ends of the current collector 310. The current collector 310 is fixed to the lid member 302 by the nut 311. The nut 311 has a bag shape. Thereby, it is prevented that the electrolyte solution inside a battery leaks outside. An insulating packing 312 is provided between the nut 311 and the lid member 302. Thereby, it is prevented that the electrical power collector 310 and the cover member 302 electrically contact. A packing 303 for sealing the inside of the battery is provided between the circular tube 301 and the lid member 302. The packing 303 has an insulating property. For this reason, the circular tube 301 and the lid member 302 are prevented from being in electrical contact. The current collector 310 is prevented from being corroded by the electrolytic solution by being nickel-plated.

正極320および負極330は、セパレータ340を介して、円管301の軸方向(図12のX方向)に積層されている。これら正極320および負極330は、外装体300の内部に収納されている。セパレータは、電解液を保持している。セパレータ340は、正負極間を絶縁するとともに、イオンを透過させることが可能である。正極320は、発泡ニッケルに充填された二酸化マンガンを含んでいる。負極330は、発泡ニッケルに充填された水素吸蔵合金を含んでいる。これにより、水素ガスが、負極を透過できる。正極320は、円管301の内径より少し大きい外形を有する、略円盤状を有している。正極320は、互いに180度離れた周上の一部が、切り取られている。正極320の外周は、切り取られた部分を除き、円管301の内面に当接している(図13A参照)。正極320の切り取られた部分と円管301との間に、切欠321が形成される。正極320の内方の、正極320と集電体310との間には、正極320と同じ厚みのポリプロピレン製のPPパッキング351が介在している。このPPパッキング351は、正極320と集電体310とを絶縁している。   The positive electrode 320 and the negative electrode 330 are stacked in the axial direction of the circular tube 301 (X direction in FIG. 12) via the separator 340. The positive electrode 320 and the negative electrode 330 are housed in the exterior body 300. The separator holds the electrolytic solution. The separator 340 can insulate between positive and negative electrodes and transmit ions. The positive electrode 320 contains manganese dioxide filled with foamed nickel. The negative electrode 330 includes a hydrogen storage alloy filled with foamed nickel. Thereby, hydrogen gas can permeate | transmit a negative electrode. The positive electrode 320 has a substantially disk shape having an outer shape slightly larger than the inner diameter of the circular tube 301. A part of the positive electrode 320 on the circumference 180 degrees away from each other is cut off. The outer periphery of the positive electrode 320 is in contact with the inner surface of the circular tube 301 (see FIG. 13A) except for the cut-out portion. A notch 321 is formed between the cut portion of the positive electrode 320 and the circular tube 301. Between the positive electrode 320 and the current collector 310 inside the positive electrode 320, a polypropylene PP packing 351 having the same thickness as the positive electrode 320 is interposed. The PP packing 351 insulates the positive electrode 320 and the current collector 310 from each other.

図13Aは電池C30のB−B断面を、図13Bは電池C30のC−C断面を示す。
負極330は、円盤形状を有している。負極330は、内周径方向内側に開口する断面コの字状の形状を有する。負極330の中央に設けられた穴を、集電体310が貫通している。貫通穴の径は、集電体310の外径より少し小さい。このため、負極330の内径部分と集電体310の外径部分とが、互いに当接している。負極330と集電体310とで囲まれた空間は、水素貯蔵室380を形成している。正極320と負極330との間には、セパレータ340が介在している。負極330の半径方向の外周面は、PPパッキング352で覆われている。PPパッキング351の外径は、円管301の内径より小さい。このため、PPパッキング351と円管301との間には、空間(隙間)331が形成されている(図13B参照)。更に、負極330のセパレータ340および水素貯蔵室380に面していない部分は、PPパッキング353で覆われている。
13A shows a BB cross section of the battery C30, and FIG. 13B shows a CC cross section of the battery C30.
The negative electrode 330 has a disk shape. The negative electrode 330 has a U-shaped cross section that opens inward in the inner circumferential direction. A current collector 310 passes through a hole provided in the center of the negative electrode 330. The diameter of the through hole is slightly smaller than the outer diameter of the current collector 310. For this reason, the inner diameter portion of the negative electrode 330 and the outer diameter portion of the current collector 310 are in contact with each other. A space surrounded by the negative electrode 330 and the current collector 310 forms a hydrogen storage chamber 380. A separator 340 is interposed between the positive electrode 320 and the negative electrode 330. The outer peripheral surface of the negative electrode 330 in the radial direction is covered with PP packing 352. The outer diameter of the PP packing 351 is smaller than the inner diameter of the circular tube 301. For this reason, a space (gap) 331 is formed between the PP packing 351 and the circular tube 301 (see FIG. 13B). Further, the portion of the negative electrode 330 not facing the separator 340 and the hydrogen storage chamber 380 is covered with PP packing 353.

蓋部材302には、水素ガス供給口373が設けられている。正極320およびPPパッキング353には、孔351aあるいは353aが設けられている。これらの孔351aおよび353aは、水素貯蔵室380に連通する水素ガス通路370を形成している。水素ガス供給口373には、図14に示すように、高圧の水素ガス貯蔵源371が、貯蔵通路372を介して接続されている。高圧力の水素ガスは、これら水素ガス通路370を介して、各水素貯蔵室380に供給されることが可能となっている。   The lid member 302 is provided with a hydrogen gas supply port 373. The positive electrode 320 and the PP packing 353 are provided with holes 351a or 353a. These holes 351 a and 353 a form a hydrogen gas passage 370 communicating with the hydrogen storage chamber 380. As shown in FIG. 14, a high-pressure hydrogen gas storage source 371 is connected to the hydrogen gas supply port 373 via a storage passage 372. High-pressure hydrogen gas can be supplied to each hydrogen storage chamber 380 via these hydrogen gas passages 370.

蓋部材302には、180度離れた位置に、酸素が溶存した電解液の出入口である電解液入口365と電解液出口366とが設けられている。これら電解液出入口365および366は、切欠321に連通している。また、切欠321は、PPパッキング351と円管301との間の、隙間331と連通している。このため、電解液入口365から流入した電解液は、円管301の内面に沿って電池C30の内部を循環して、電解液出口366から流出する。図14に示すように、高濃度の酸素が溶存した電解液の供給源361が、供給通路362を介して、電解液入口365に接続されている。一方、電解液出口366には、電解液調整室363が排出通路364を介して接続されている。電解液調整室363は、酸素濃度の低下した電解液を処理する。   The lid member 302 is provided with an electrolyte inlet 365 and an electrolyte outlet 366 that are outlets and outlets for the electrolyte in which oxygen is dissolved, at positions 180 degrees apart. These electrolyte outlets 365 and 366 communicate with the notch 321. The notch 321 communicates with a gap 331 between the PP packing 351 and the circular tube 301. For this reason, the electrolytic solution flowing in from the electrolytic solution inlet 365 circulates in the battery C30 along the inner surface of the circular tube 301 and flows out from the electrolytic solution outlet 366. As shown in FIG. 14, an electrolyte supply source 361 in which high-concentration oxygen is dissolved is connected to an electrolyte inlet 365 via a supply passage 362. On the other hand, an electrolyte adjustment chamber 363 is connected to the electrolyte outlet 366 via a discharge passage 364. The electrolytic solution adjustment chamber 363 processes the electrolytic solution with a reduced oxygen concentration.

図15は、電解液処理プロセスを含む、第5実施形態の電池C30に係る系統図である。電池C30の電解液出口366から出た電解液は、配管364aを介して、冷却器326に送られる。電池の使用により温度が上昇した電解液は、冷却器326で冷却され、一定の温度となる。その後、電解液は、ポンプ327にて昇圧され、配管364bを介して、電解液調整室363に運ばれる。ここで、電解液から、水分の一部が選択的に取除かれる。また、電解液は、電解液供給源361から酸素の供給を受ける。これにより、電解液の酸素濃度が調整される。その後、電解液は、配管364cを介して電池C30に戻される。   FIG. 15 is a system diagram related to the battery C30 of the fifth embodiment including an electrolytic solution treatment process. The electrolytic solution exiting from the electrolytic solution outlet 366 of the battery C30 is sent to the cooler 326 via the pipe 364a. The electrolytic solution whose temperature has increased due to the use of the battery is cooled by the cooler 326 and becomes a constant temperature. Thereafter, the electrolytic solution is pressurized by the pump 327 and conveyed to the electrolytic solution adjustment chamber 363 through the pipe 364b. Here, a part of the water is selectively removed from the electrolytic solution. Further, the electrolytic solution is supplied with oxygen from the electrolytic solution supply source 361. Thereby, the oxygen concentration of electrolyte solution is adjusted. Thereafter, the electrolytic solution is returned to the battery C30 via the pipe 364c.

次に、電池C30の作用について説明する。前述したように、水素ガス供給口373から供給された水素ガスは、水素貯蔵室380に導かれ、負極330を充電する。一方、電解液入口365から供給された、高濃度に酸素を溶存した電解液は、切欠321から正極320に供給されて、正極320を充電する。正極320を充電することにより、H2Oが生じる。このH2Oは、電解液に混ざり、電解液出口366から電池C30の外部に排出される。Next, the operation of the battery C30 will be described. As described above, the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply port 373 is led to the hydrogen storage chamber 380 and charges the negative electrode 330. On the other hand, the electrolytic solution in which oxygen is dissolved at a high concentration supplied from the electrolytic solution inlet 365 is supplied from the notch 321 to the positive electrode 320 to charge the positive electrode 320. When the positive electrode 320 is charged, H 2 O is generated. The H 2 O is mixed with the electrolytic solution and discharged from the electrolytic solution outlet 366 to the outside of the battery C30.

第1実施形態にかかる電池C1における充放電と同様、本実施形態にかかる電池C30も、放電時に、二次電池の機能により放電するとともに、水素ガスおよび酸素により化学的に充電される。すなわち、電池C30は、二次電池として放電すると同時に、ガスにより充電される。そしてこのとき、二酸化マンガンは、正極における反応の触媒として機能する。一方、水素吸蔵合金は、負極における反応の触媒として機能する。更に、電池C30は、電流によっても充電されることが可能である。過充電により生じた水素ガスは、水素ガス通路370および貯蔵通路372を通って、水素ガス貯蔵源371に蓄えられることができる。また、酸素ガスは、電解液に溶存された状態で、貯えられることができる。換言すれば、本実施形態の電池C30は、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵することができる。このため、従来の二次電池とは異なり、電池C30の蓄電容量は、活物質の量により制限を受けない。   Similar to the charging / discharging in the battery C1 according to the first embodiment, the battery C30 according to the present embodiment is also discharged by the function of the secondary battery and chemically charged with hydrogen gas and oxygen during discharging. That is, the battery C30 is discharged as a secondary battery and charged with gas at the same time. At this time, manganese dioxide functions as a catalyst for the reaction in the positive electrode. On the other hand, the hydrogen storage alloy functions as a catalyst for the reaction in the negative electrode. Furthermore, the battery C30 can be charged by an electric current. Hydrogen gas generated by overcharging can be stored in the hydrogen gas storage source 371 through the hydrogen gas passage 370 and the storage passage 372. The oxygen gas can be stored in a state dissolved in the electrolyte. In other words, the battery C30 of the present embodiment can store electrical energy converted into chemical energy. For this reason, unlike the conventional secondary battery, the storage capacity of the battery C30 is not limited by the amount of the active material.

なお、電池C30の負極には、水素ガスが供給される。このため、放電によっても負極が酸化しない。したがって、負極の寿命は、体積の膨張および収縮によって劣化しない。正極は、酸素溶存電解液の酸素により酸化されて、充電状態となる。このため、正極は、放電によって劣化しない。   Note that hydrogen gas is supplied to the negative electrode of the battery C30. For this reason, the negative electrode is not oxidized even by discharge. Therefore, the lifetime of the negative electrode is not degraded by volume expansion and contraction. The positive electrode is oxidized by the oxygen in the oxygen-dissolved electrolyte and is charged. For this reason, a positive electrode does not deteriorate by discharge.

<リバーシブル燃料電池のエネルギー効率について>
本燃料電池の圧力とエネルギー効率との関係について、以下に付言する。化学反応を利用して電力を取り出す場合、使用される化学物質から得られるエネルギーをΔH、取り出せる電気量をΔG、および、発生する熱をTΔSとすると、ΔH=ΔG+TΔSの関係が成り立つ。ΔHは、反応生成熱あるいは発熱量とも呼ばれる。ΔHは、燃焼反応などの発熱反応の際には、負の値になる。ΔGは、自由エネルギーと呼ばれる。ΔGは、仕事として取り出すことができるエネルギーであり、有効なエネルギーとしてエクセルギーと呼ばれている。
<Energy efficiency of reversible fuel cells>
The relationship between the pressure and energy efficiency of the fuel cell is described below. When taking out electric power using a chemical reaction, the relationship of ΔH = ΔG + TΔS is established, where ΔH is the energy obtained from the chemical substance used, ΔG is the amount of electricity that can be taken out, and TΔS is the generated heat. ΔH is also called reaction generation heat or heat generation amount. ΔH takes a negative value during an exothermic reaction such as a combustion reaction. ΔG is called free energy. ΔG is energy that can be taken out as work, and is called exergy as effective energy.

TΔSは、反応に伴って発生する熱であり、エントロピー変化と温度との積で表される。そして、ΔG/ΔHは、有効なエネルギーを取り出す能力であり、エクセルギー効率と呼ばれる。ニッケル水素二次電池を充放電する際の蓄電効率(すなわち、充電電力量に対する放電電力量)は、90〜99%程度まで上げることができる。一方、水を電気分解して水素および酸素を生成する際の、エクセルギー効率ΔG/ΔHは、常温では、83%である。このため蓄電効率は、83%を超えることが困難である。   TΔS is the heat generated with the reaction, and is represented by the product of entropy change and temperature. ΔG / ΔH is the ability to extract effective energy and is called exergy efficiency. The power storage efficiency (that is, the discharge power amount with respect to the charge power amount) when charging and discharging the nickel metal hydride secondary battery can be increased to about 90 to 99%. On the other hand, the exergy efficiency ΔG / ΔH when electrolyzing water to produce hydrogen and oxygen is 83% at room temperature. For this reason, it is difficult for the power storage efficiency to exceed 83%.

本燃料電池により解決しようとしている課題の一つは、エクセルギー効率ΔG/ΔHを出来る限り1に近づけること、および、ΔHにおける熱(TΔS)になる割合を減らし、可能な限り多く割合のΔHを電気エネルギー(ΔG)に変換すること、を実現することのできる装置を提供することである。発電効率η(=ΔG/ΔH)を高くするためには、TΔSを減少させてΔGを増加すればよい。ΔGは、温度および圧力により決まる値である。これを大きくすることによって、ΔG/ΔHの値を上げることができる。   One of the problems to be solved by the present fuel cell is to bring the exergy efficiency ΔG / ΔH as close to 1 as possible, and reduce the rate of heat (TΔS) in ΔH, and increase the proportion of ΔH as much as possible. It is to provide a device capable of realizing conversion into electrical energy (ΔG). In order to increase the power generation efficiency η (= ΔG / ΔH), it is only necessary to decrease TΔS and increase ΔG. ΔG is a value determined by temperature and pressure. By increasing this, the value of ΔG / ΔH can be increased.

燃料電池を使用して水素を電気エネルギーに変換する時には、水素から得られる化学エネルギーΔHの17%が熱(TΔS)となる。この熱の発生量を低くするためには、高圧水素を燃料電池に送り込んで発電すればよい。これにより、熱の発生を抑えることができるとともに、発電効率を上げることが可能となる。燃料電池を使用して水素を電気エネルギーから製造する時には、水素から得られるΔHの17%に相当する熱(TΔS)が用いられる。その時、常圧で水素および酸素を発生させると、大気に対して仕事をすることになり、損失が生じる。そこで、電気分解は、密閉空間で行われる。これにより、使用されるTΔSを、ΔHの17%よりも小さくすることができる。図23は、熱力学計算結果である。この図は、圧力が大きいほどTΔSが小さくなることを示している。   When using a fuel cell to convert hydrogen to electrical energy, 17% of the chemical energy ΔH obtained from hydrogen becomes heat (TΔS). In order to reduce the amount of heat generated, high pressure hydrogen may be sent to the fuel cell to generate power. Thereby, generation | occurrence | production of a heat | fever can be suppressed and it becomes possible to raise electric power generation efficiency. When hydrogen is produced from electrical energy using a fuel cell, heat (TΔS) corresponding to 17% of ΔH obtained from hydrogen is used. At that time, if hydrogen and oxygen are generated at normal pressure, work is performed on the atmosphere, and loss occurs. Therefore, electrolysis is performed in a sealed space. Thereby, TΔS used can be made smaller than 17% of ΔH. FIG. 23 shows the thermodynamic calculation results. This figure shows that TΔS decreases as the pressure increases.

本燃料電池は、電解液を電気分解することによって得られた酸素ガスおよび水素ガスが、大気圧に戻ることなく、高圧力のまま貯蔵および利用される。これにより、高い発電効率ηを実現することができる。   In this fuel cell, oxygen gas and hydrogen gas obtained by electrolyzing an electrolyte solution are stored and used at a high pressure without returning to atmospheric pressure. Thereby, high power generation efficiency η can be realized.

また、電位Vと自由エネルギーΔGとは、比例する。すなわち、V=ΔG/FMの関係が成り立つ(ここで、F;ファラデー係数、M;分子量)。つまり、電位Vが高いほど、ΔGが大きくなるとともに、発電効率ηも高くなる。図22に示したように、本燃料電池は、ほぼ常に高い電位を保っており、高い発電効率ηを維持している。   Further, the potential V and the free energy ΔG are proportional. That is, the relationship V = ΔG / FM is established (where F: Faraday coefficient, M: molecular weight). That is, the higher the potential V, the larger ΔG and the higher the power generation efficiency η. As shown in FIG. 22, the present fuel cell almost always maintains a high potential and maintains a high power generation efficiency η.

本燃料電池の1つあたりの開路時の端子電圧は、0.8〜1.48Vの範囲内である。正極の放電が進み、その組成の殆どがオキシ水酸化マンガンとなり、電解液の圧力が0.1MPaのとき、端子電圧が0.8Vとなる。正極の充電が進み、その組成の殆どが二酸化マンガンとなり、電解液の圧力が10MPaを超える高圧となる場合、端子電圧は1.48Vとなる。   The terminal voltage when one fuel cell is opened is in the range of 0.8 to 1.48V. When the discharge of the positive electrode proceeds, most of the composition becomes manganese oxyhydroxide, and when the pressure of the electrolytic solution is 0.1 MPa, the terminal voltage becomes 0.8V. When the charging of the positive electrode proceeds and most of the composition becomes manganese dioxide, and the pressure of the electrolyte becomes a high pressure exceeding 10 MPa, the terminal voltage becomes 1.48V.

(第6実施形態)
図16は、本燃料電池の第6実施形態に係る円筒積層型リバーシブル燃料電池の、軸方向の概略断面図である。図16に示す円筒積層型燃料電池電池71(以下、単に積層電池という)は、外装体75と、集電体77と、外装体75の内部に収納される電極体73と、を主な構成要素として備えている。外装体75は、有底の円筒缶72と、円盤状の蓋部材76とを有している。蓋部材76は、円筒缶72の開口部72cに取付けられている。円筒缶72および蓋部材76は鉄でできてもよいし、他の金属であってもよい。蓋部材76の外径は、円筒缶72の開口部72cの内径より少し大きく、蓋部材76は、電極体73に収納された後、円筒缶開口部72cにおいて絞まり嵌めされる。
(Sixth embodiment)
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view in the axial direction of a cylindrical stacked reversible fuel cell according to the sixth embodiment of the present fuel cell. A cylindrical laminated fuel cell battery 71 (hereinafter simply referred to as a laminated battery) shown in FIG. 16 mainly includes an exterior body 75, a current collector 77, and an electrode body 73 housed inside the exterior body 75. As an element. The exterior body 75 includes a bottomed cylindrical can 72 and a disk-shaped lid member 76. The lid member 76 is attached to the opening 72 c of the cylindrical can 72. The cylindrical can 72 and the lid member 76 may be made of iron or other metals. The outer diameter of the lid member 76 is slightly larger than the inner diameter of the opening 72c of the cylindrical can 72. After the lid member 76 is housed in the electrode body 73, the lid member 76 is tightly fitted in the cylindrical can opening 72c.

電極体73は、正極活物質を含む正極73aと、負極活物質を含む負極73bと、セパレータ73cとを有している。セパレータ73cは、正極73aと負極73bとの間に介在し、イオンは透過するが電子を透過させない。正極73a、負極73bおよびセパレータ73cは、円筒缶72の軸方向(図16のX方向)に積層されて、外装体75の内部に収納されている。なお、電解液(図示せず)は、セパレータ73cに保持されている。正極73a、負極73bおよびセパレータ73cは、いずれも、中央に穴の開いた円盤形状を有している。正極73aの外径73abは、円筒缶72の内径72aよりも小さい。このため、正極73aと円筒缶72とは接触していない。一方、負極73bの外径73bbは、円筒缶72の内径72aより大きい。このため、負極の外周73bbは、円筒缶72の内面72aと接触している。これにより、負極73bと円筒缶72とは、電気的に接続されている。負極73bの外径73bbは、円筒缶72の内径72aより100μm大きくてもよい。   The electrode body 73 includes a positive electrode 73a including a positive electrode active material, a negative electrode 73b including a negative electrode active material, and a separator 73c. The separator 73c is interposed between the positive electrode 73a and the negative electrode 73b, and transmits ions but does not transmit electrons. The positive electrode 73 a, the negative electrode 73 b, and the separator 73 c are stacked in the axial direction (X direction in FIG. 16) of the cylindrical can 72 and housed in the exterior body 75. Note that an electrolytic solution (not shown) is held in the separator 73c. The positive electrode 73a, the negative electrode 73b, and the separator 73c all have a disk shape with a hole in the center. The outer diameter 73ab of the positive electrode 73a is smaller than the inner diameter 72a of the cylindrical can 72. For this reason, the positive electrode 73a and the cylindrical can 72 are not in contact. On the other hand, the outer diameter 73bb of the negative electrode 73b is larger than the inner diameter 72a of the cylindrical can 72. For this reason, the outer periphery 73bb of the negative electrode is in contact with the inner surface 72a of the cylindrical can 72. Thereby, the negative electrode 73b and the cylindrical can 72 are electrically connected. The outer diameter 73bb of the negative electrode 73b may be 100 μm larger than the inner diameter 72a of the cylindrical can 72.

集電体77の材料は、ニッケルメッキを施した鉄を含む、導電性の材料である。ニッケルメッキにより、集電体77がセパレータ73cに含まれる電解液により腐食されることが防止される。集電体77は、棒状の軸部77aと、軸部77aの一端に配された止め部77bとを有している。集電体77の軸部77aは、正極73aと負極73bとセパレータ73cとを含む電極体73の中央を、外装体75の軸方向(図16のX方向)に貫通している。正極73aの中央に設けられた穴73aaの径は、軸部77aの外径より小さい。このため、正極73aは、軸部77aと接触しており、軸部77aと電気的に接続されている。一方、負極73bの中央に設けられた穴73baの径は、軸部77aの外径より大きい。このため、負極73bは、軸部77aと接触していないので、軸部77aと電気的に絶縁されている。   The material of the current collector 77 is a conductive material including nickel-plated iron. Nickel plating prevents the current collector 77 from being corroded by the electrolyte contained in the separator 73c. The current collector 77 has a rod-shaped shaft portion 77a and a stop portion 77b disposed at one end of the shaft portion 77a. The shaft portion 77a of the current collector 77 passes through the center of the electrode body 73 including the positive electrode 73a, the negative electrode 73b, and the separator 73c in the axial direction of the exterior body 75 (X direction in FIG. 16). The diameter of the hole 73aa provided in the center of the positive electrode 73a is smaller than the outer diameter of the shaft portion 77a. For this reason, the positive electrode 73a is in contact with the shaft portion 77a and is electrically connected to the shaft portion 77a. On the other hand, the diameter of the hole 73ba provided in the center of the negative electrode 73b is larger than the outer diameter of the shaft portion 77a. For this reason, since the negative electrode 73b is not in contact with the shaft portion 77a, it is electrically insulated from the shaft portion 77a.

電極体73は、集電体の止め部77bの上に順次積み重ねられるように、配されている。止め部77bは、電極体73が集電体77の端部から脱落することを防いでいる。止め部77bの形状は、円盤状である。止め部77bは、円筒缶底部72bに配置される。円筒缶底部72bと止め部77bとの間には、絶縁板74が配されている。これにより、集電体77と円筒缶72とが接触して電気的に短絡することを防止している。軸部77aの止め部77bと反対側の端部は、蓋部材76の中央に設けられた軸受78によって支持されている。蓋部材76と軸部77aとが電気的短絡を起こすことを防止するために、軸受78は、絶縁性を有する。蓋部材76を貫通している軸部77は、正極端子77dとして機能する。円筒缶72は、負極端子として機能する。   The electrode bodies 73 are arranged so as to be sequentially stacked on the stoppers 77b of the current collector. The stopper portion 77 b prevents the electrode body 73 from dropping from the end portion of the current collector 77. The shape of the stop portion 77b is a disc shape. The stopper 77b is disposed on the cylindrical can bottom 72b. An insulating plate 74 is disposed between the cylindrical can bottom 72b and the stopper 77b. As a result, the current collector 77 and the cylindrical can 72 are prevented from coming into contact and being electrically short-circuited. An end portion of the shaft portion 77 a opposite to the stop portion 77 b is supported by a bearing 78 provided at the center of the lid member 76. In order to prevent an electrical short circuit between the cover member 76 and the shaft portion 77a, the bearing 78 has an insulating property. The shaft portion 77 passing through the lid member 76 functions as a positive electrode terminal 77d. The cylindrical can 72 functions as a negative electrode terminal.

次に、第6実施形態の作用および効果、特に冷却効果について説明する。
<冷却構造について>
負極73bは、円筒缶72に強く押し当てられており、これらは、互いに密に接触している。負極73bで発生した熱は、少ない抵抗で直接、円筒缶72に伝えられる。また、正極73aで発生した熱は、セパレータ73cを介して、負極73bに伝えられる。セパレータ73cは、熱を伝えにくいけれども、薄く(本実施形態においては10μm)、1枚のみである。このため、セパレータ73cは、熱伝導を大きく妨げない。以上のようにして、電極73aおよび73bで発生した熱は、小さな熱勾配で、円筒缶72に伝えられる。これにより、積層電池内部の温度上昇を抑制することが可能である。
Next, the operation and effect of the sixth embodiment, particularly the cooling effect will be described.
<About cooling structure>
The negative electrode 73b is strongly pressed against the cylindrical can 72, and these are in close contact with each other. The heat generated in the negative electrode 73b is directly transmitted to the cylindrical can 72 with a small resistance. The heat generated in the positive electrode 73a is transferred to the negative electrode 73b through the separator 73c. Although the separator 73c is difficult to transmit heat, it is thin (in this embodiment, 10 μm) and is only one sheet. For this reason, the separator 73c does not greatly hinder heat conduction. As described above, the heat generated in the electrodes 73a and 73b is transmitted to the cylindrical can 72 with a small thermal gradient. Thereby, it is possible to suppress the temperature rise inside the laminated battery.

このようにして、積層電池は、中心部における温度上昇を小さくすることができる。このため、冷媒を流すためのパイプ等を、電池内部に設ける必要がない。更に、外装体75は、外部に露出している。このため、積層電池は、従来の捲回電池に比べて、効果的に温度上昇を抑えることが可能となる。ここで、本実施形態に係る積層電池と従来型の捲回電池との、温度上昇の相違を、計算例を用いて示す。   In this way, the laminated battery can reduce the temperature rise at the center. For this reason, it is not necessary to provide a pipe or the like for flowing the refrigerant inside the battery. Furthermore, the exterior body 75 is exposed to the outside. For this reason, a laminated battery can suppress a temperature rise effectively compared with the conventional winding battery. Here, the difference in temperature rise between the laminated battery according to the present embodiment and the conventional wound battery will be described using a calculation example.

捲回電池の総括熱伝達係数(U1)は、数1で示される。一方、本発明に係る積層電池の総括熱伝達係数(U2)は、数2で示される。The overall heat transfer coefficient (U 1 ) of the wound battery is expressed by Equation 1. On the other hand, the overall heat transfer coefficient (U 2 ) of the laminated battery according to the present invention is expressed by Equation 2.

Figure 0005515028
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Figure 0005515028
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ここで、18650型電池を例に取り計算してみる。捲回電池の諸元は、
t=0.5mm,t =t =t =10μm,
k=k =k =40Wm−2 deg−1
=100Wm−2 deg−1 ,h =1Wm−2 deg−1
=1Wm−2 deg−1 ,n=9/0.03=300となる。
これらの値を数1に代入すると、U=0.0011Wm−2 deg−1を得る。
Here, calculation will be made taking an 18650 type battery as an example. The specifications of the wound battery
t = 0.5 mm, t + = t = t s = 10 μm,
k = k + = k = 40 Wm −2 deg −1 ,
h 0 = 100 Wm −2 deg −1 , h 1 = 1 Wm −2 deg −1 ,
k s = 1 Wm −2 deg −1 , n = 9 / 0.03 = 300.
Substituting these values into Equation 1 yields U 1 = 0.0011 Wm −2 deg −1 .

一方、本実施形態に係る積層電池の諸元は、
=100Wm−2 deg−1,t=0.5mm,k=40Wm−2 deg−1
=10000Wm−2 deg−1,t =0.009m,
=40Wm−2 deg−1である。
これらの値を数2に代入すると、U=100Wm−2 deg−1が得られる。
On the other hand, the specifications of the laminated battery according to this embodiment are as follows:
h 0 = 100 Wm −2 deg −1 , t = 0.5 mm, k = 40 Wm −2 deg −1
h 1 = 10000 Wm −2 deg −1 , t * = 0.409 m,
k * = 40 Wm −2 deg −1 .
Substituting these values into Equation 2 yields U 2 = 100 Wm −2 deg −1 .

両者を比較すると、本発明に係る冷却構造を有する積層電池は、従来の捲回電池に比べて、10万倍近く、熱伝達に優れているといえる。   When both are compared, it can be said that the laminated battery having the cooling structure according to the present invention is excellent in heat transfer by nearly 100,000 times as compared with the conventional wound battery.

(第6実施形態の変形例)
図17は、本燃料電池の第6実施形態の変形例に係るパイプ積層型リバーシブル燃料電池(以下、単にパイプ電池という)の、軸方向の概略断面図である。図17に示すパイプ電池81は、外装体85と、集電体87と、外装体85の内部に収納される電極体83と、を主な構成要素として備えている。外装体85は、円管82と、円盤状の蓋部材86とを有している。蓋部材86は、円管82の両端にある開口部82bに取付けられている。円管82および蓋部材86は、鉄でできていてもよいし、他の金属であってもよい。蓋部材86の外径は、円管82の開口部82bの内径より少し大きい。蓋部材86は、電極体83に収納された後に、円管開口部82bにおいて絞まり嵌めされる。
(Modification of the sixth embodiment)
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view in the axial direction of a pipe-stacked reversible fuel cell (hereinafter simply referred to as a pipe cell) according to a modification of the sixth embodiment of the present fuel cell. The pipe battery 81 shown in FIG. 17 includes an exterior body 85, a current collector 87, and an electrode body 83 housed inside the exterior body 85 as main components. The exterior body 85 includes a circular tube 82 and a disk-shaped lid member 86. The lid member 86 is attached to the openings 82 b at both ends of the circular tube 82. The circular tube 82 and the lid member 86 may be made of iron or another metal. The outer diameter of the lid member 86 is slightly larger than the inner diameter of the opening 82b of the circular tube 82. After the lid member 86 is accommodated in the electrode body 83, the lid member 86 is tightly fitted in the circular tube opening 82b.

電極体83は、正極活物質を含む正極83aと、負極活物質を含む負極83bと、セパレータ83cとを含んでいる。セパレータ83cは、正極83aと負極83bとの間に介在する。正極83a、負極83bおよびセパレータ83cは、円管82の軸方向(図17のX方向)に積層されているとともに、外装体85の内部に収納されている。なお、電解液(図示せず)は、セパレータ83cに保持されている。正極83a、負極83bおよびセパレータ83cは、いずれも、中央に穴の開いた円盤形状を有している。負極83bの外径83bbは、円管82の内径82aよりも小さい。このため、負極83bは、円管82に接触していない。一方、正極83aの外径83abは、円管82の内径82aより大きい。このため、正極83aは、円管82の内面82aと接触しており、正極83aは、円管82に電気的に接続されている。正極83aの外径83abは、円管82の内径82aより100μm大きくてもよい。   The electrode body 83 includes a positive electrode 83a including a positive electrode active material, a negative electrode 83b including a negative electrode active material, and a separator 83c. The separator 83c is interposed between the positive electrode 83a and the negative electrode 83b. The positive electrode 83 a, the negative electrode 83 b, and the separator 83 c are stacked in the axial direction (X direction in FIG. 17) of the circular tube 82 and are housed inside the exterior body 85. Note that an electrolytic solution (not shown) is held in the separator 83c. Each of the positive electrode 83a, the negative electrode 83b, and the separator 83c has a disk shape with a hole in the center. The outer diameter 83bb of the negative electrode 83b is smaller than the inner diameter 82a of the circular tube 82. For this reason, the negative electrode 83 b is not in contact with the circular tube 82. On the other hand, the outer diameter 83ab of the positive electrode 83a is larger than the inner diameter 82a of the circular tube 82. For this reason, the positive electrode 83 a is in contact with the inner surface 82 a of the circular tube 82, and the positive electrode 83 a is electrically connected to the circular tube 82. The outer diameter 83ab of the positive electrode 83a may be 100 μm larger than the inner diameter 82a of the circular tube 82.

集電体87の材料は、ニッケルメッキを施した棒状の鉄を含む、導電性の材料である。集電体87は、中央部分の軸部87aと、両端部分の端部87bとを有している。集電体87の軸部87aは、正極83aと負極83bとセパレータ83cとを含む電極体83の中央を、外装体85の軸方向(図17のX方向)に貫通している。負極83bに設けられた穴83baの径は、軸部87aの外径より小さい。このため、負極83bは、軸部87aと接触しており、軸部87aと電気的に接続されている。一方、正極83aに設けられた穴83aaの径は、軸部87aの外径より大きい。このため、正極83aは、軸部87aと接触していないので、軸部87aと電気的に絶縁されている。   The material of the current collector 87 is a conductive material including rod-shaped iron plated with nickel. The current collector 87 has a shaft portion 87a at the center portion and end portions 87b at both end portions. The shaft portion 87a of the current collector 87 passes through the center of the electrode body 83 including the positive electrode 83a, the negative electrode 83b, and the separator 83c in the axial direction of the exterior body 85 (X direction in FIG. 17). The diameter of the hole 83ba provided in the negative electrode 83b is smaller than the outer diameter of the shaft portion 87a. Therefore, the negative electrode 83b is in contact with the shaft portion 87a and is electrically connected to the shaft portion 87a. On the other hand, the diameter of the hole 83aa provided in the positive electrode 83a is larger than the outer diameter of the shaft portion 87a. For this reason, since the positive electrode 83a is not in contact with the shaft portion 87a, it is electrically insulated from the shaft portion 87a.

電極体83は、集電体の軸部87aに、串刺状態で、順次、積み重ねられている。集電体87の両端部87bは、蓋部材86の中央に設けられた軸受88によって支持されている。軸受88は、絶縁性を有している。これにより、蓋部材86と集電体87とが電気的短絡を起こすことが防止されている。蓋部材86を貫通した集電体端部87bは、負極端子87dとして機能する。円管82は、正極端子として機能する。   The electrode bodies 83 are sequentially stacked in a skewered state on the shaft portion 87a of the current collector. Both end portions 87 b of the current collector 87 are supported by bearings 88 provided at the center of the lid member 86. The bearing 88 has an insulating property. Thereby, it is prevented that the cover member 86 and the electrical power collector 87 raise | generate an electrical short circuit. The current collector end portion 87b penetrating the lid member 86 functions as a negative electrode terminal 87d. The circular tube 82 functions as a positive electrode terminal.

(第7実施形態)
図18は、本燃料電池の第7実施形態に係る円筒積層型リバーシブル燃料電池(以下、ドーナツ電池と称す)の、軸方向の概略断面図である。図18に示すドーナツ電池41は、外装体45と、集電体47と、外装体内部に収納される電極体43と、を主な構成要素として備えている。外装体45は、有底円筒の外構体42と、蓋部材46とを有している。蓋部材46は、外構体42の開口部42cに取り付けられている。外構体42および蓋部材46は、ニッケルメッキを施した鉄を含んでいてもよい。外構体42および蓋部材46は、それぞれ、筒状の側部42aあるいは46aと、底部にドーム状に膨出した膨出部42bあるいは46bとを有する。なお、蓋部材46は、外構体42よりも短い。蓋部材46の外径は、外構体42の開口部42cの内径より小さい。蓋部材46は、絶縁シール部材48を介して、外構体42に接合されている。蓋部材46の開口部と外構体42の開口部とは、互いに対向している。絶縁シール部材48は、外構体42と蓋部材46とを電気的に絶縁する。さらに、絶縁シール部材48は、接合部をシールすることにより、外装体45の内方に密閉空間を形成する。絶縁シール部材48は、絶縁性およびシール性を兼ね備えた物質であって、例えば、アスファルトピッチであってもよい。
(Seventh embodiment)
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view in the axial direction of a cylindrical stacked reversible fuel cell (hereinafter referred to as a donut cell) according to a seventh embodiment of the present fuel cell. A donut battery 41 shown in FIG. 18 includes an exterior body 45, a current collector 47, and an electrode body 43 housed inside the exterior body as main components. The exterior body 45 has a bottomed cylindrical outer structure 42 and a lid member 46. The lid member 46 is attached to the opening 42 c of the outer structure 42. The outer structure 42 and the lid member 46 may include nickel-plated iron. The outer structure 42 and the lid member 46 each have a cylindrical side portion 42a or 46a and a bulging portion 42b or 46b bulging in a dome shape at the bottom. The lid member 46 is shorter than the outer structure 42. The outer diameter of the lid member 46 is smaller than the inner diameter of the opening 42 c of the outer structure 42. The lid member 46 is joined to the outer structure 42 via an insulating seal member 48. The opening of the lid member 46 and the opening of the outer structure 42 are opposed to each other. The insulating seal member 48 electrically insulates the outer structure 42 and the lid member 46. Furthermore, the insulating seal member 48 forms a sealed space inside the exterior body 45 by sealing the joint portion. The insulating seal member 48 is a substance having both insulating properties and sealing properties, and may be, for example, asphalt pitch.

電極体43は、正極活物質を含む正極43aと、負極活物質を含む負極43bと、セパレータ43cとを含んでいる。セパレータ43cは、正極43aと負極43bとの間に介在する。正極43a、負極43bおよびセパレータ43cは、外構体42の軸方向(図18のX方向)に積層されているとともに、外装体45の内部に収納されている。なお、電解液(図示せず)は、セパレータ43cに保持されている。正極43a、負極43bおよびセパレータ43cは、いずれも、中央に穴の開いた円盤形状を有している。正極43aの外径43aaは、外構体42の内径42aaよりも小さい。このため、正極43aと外構体42とは接触していない。一方、負極43bの外径43baは、外構体42の内径42aaより大きい。このため、負極43bは、外構体42の内面42aと接触している。これにより、負極43bは、外構体42に電気的に接続されている。負極43bの外径43baは、外構体42の内径42aaより100μm大きくてもよい。   The electrode body 43 includes a positive electrode 43a including a positive electrode active material, a negative electrode 43b including a negative electrode active material, and a separator 43c. The separator 43c is interposed between the positive electrode 43a and the negative electrode 43b. The positive electrode 43 a, the negative electrode 43 b, and the separator 43 c are stacked in the axial direction of the outer structure 42 (X direction in FIG. 18) and housed in the exterior body 45. In addition, the electrolyte solution (not shown) is hold | maintained at the separator 43c. Each of the positive electrode 43a, the negative electrode 43b, and the separator 43c has a disk shape with a hole in the center. The outer diameter 43aa of the positive electrode 43a is smaller than the inner diameter 42aa of the outer structure 42. For this reason, the positive electrode 43a and the outer structure 42 are not in contact. On the other hand, the outer diameter 43ba of the negative electrode 43b is larger than the inner diameter 42aa of the outer structure 42. For this reason, the negative electrode 43 b is in contact with the inner surface 42 a of the outer structure 42. Thereby, the negative electrode 43b is electrically connected to the outer structure 42. The outer diameter 43ba of the negative electrode 43b may be 100 μm larger than the inner diameter 42aa of the outer structure 42.

集電体47の材料は、ニッケルメッキを施した鉄を含む、導電性の材料である。集電体47は、棒状の軸部47aと、軸部47aの一端に取付けられた止め部47bとを有している。集電体47の軸部47aは、正極43aと負極43bとセパレータ43cとを含む電極体43の中央を、外装体45の軸方向(図18のX方向)に貫通している。正極43aの中央に設けられた穴43abの径は、軸部47aの外径より小さい。このため、正極43aは、軸部47aと接触しており、軸部47aと電気的に接続されている。一方、負極43bの中央に設けられた穴43bbの径は、軸部47aの外径より大きい。このため、負極43bは、軸部47aと接触していないので、軸部47aと電気的に絶縁されている。   The material of the current collector 47 is a conductive material including nickel-plated iron. The current collector 47 has a rod-shaped shaft portion 47a and a stop portion 47b attached to one end of the shaft portion 47a. The shaft portion 47a of the current collector 47 passes through the center of the electrode body 43 including the positive electrode 43a, the negative electrode 43b, and the separator 43c in the axial direction of the exterior body 45 (X direction in FIG. 18). The diameter of the hole 43ab provided in the center of the positive electrode 43a is smaller than the outer diameter of the shaft portion 47a. For this reason, the positive electrode 43a is in contact with the shaft portion 47a and is electrically connected to the shaft portion 47a. On the other hand, the diameter of the hole 43bb provided in the center of the negative electrode 43b is larger than the outer diameter of the shaft portion 47a. For this reason, since the negative electrode 43b is not in contact with the shaft portion 47a, it is electrically insulated from the shaft portion 47a.

電極体43は、集電体の止め部47bの上に順次積み重ねられるように配されている。止め部47bは、電極体43が集電体47の端部から脱落することを防いでいる。積み重ねられた電極体43の両端には、絶縁性の押板44aが配されている。この押板44aは、電極体43が積層および押圧されたときに、電極体43が破損することを防止している。押板44aの材料は、絶縁材および構造材として適切な材料であればよい。この材料は、たとえば、ポリプロピレンを含む。止め部47bの形状は円盤状である。止め部47bは、外構体底部にある膨出部42bに当接していない。このため、止め部47bと外構体42aとは、電気的に絶縁されている。軸部47aの止め部47bおよび反対側の端部47cは、蓋部材46の中央に設けられた穴46dを貫通して、蓋部材46の外方(図の右方向)に突出している。蓋部材46を貫通した軸部47cは、正極端子として機能する。外構体42は、負極端子として機能する。膨出部42bおよび46bの内方空間には、水素貯蔵室49が設けられている。すなわち、膨出部の内面42baおよび46baと電極体43とによって囲まれた外装体内部の空間に、水素貯蔵室49が配置されている。   The electrode body 43 is disposed so as to be sequentially stacked on the stopper 47b of the current collector. The stopper 47 b prevents the electrode body 43 from dropping from the end of the current collector 47. Insulating push plates 44 a are disposed at both ends of the stacked electrode bodies 43. The pressing plate 44a prevents the electrode body 43 from being damaged when the electrode body 43 is stacked and pressed. The material of the pressing plate 44a may be any material suitable as an insulating material and a structural material. This material includes, for example, polypropylene. The shape of the stopper 47b is a disc shape. The stopping portion 47b does not contact the bulging portion 42b at the bottom of the outer structure. For this reason, the stopper 47b and the outer structure 42a are electrically insulated. The stopper portion 47b and the opposite end portion 47c of the shaft portion 47a pass through a hole 46d provided in the center of the lid member 46 and project outward (rightward in the figure) of the lid member 46. The shaft portion 47c penetrating the lid member 46 functions as a positive electrode terminal. The outer structure 42 functions as a negative electrode terminal. A hydrogen storage chamber 49 is provided in the inner space of the bulging portions 42b and 46b. That is, the hydrogen storage chamber 49 is arranged in a space inside the outer package surrounded by the inner surfaces 42ba and 46ba of the bulging portion and the electrode body 43.

本燃料電池は、産業用および民生用の蓄電装置として、好適に用いられることができる。   The fuel cell can be suitably used as an industrial and consumer power storage device.

1 負極ケース
2 正極ケース
3 電解液
4 負極
5 セパレータ
6 正極
7 酸素貯蔵室
8 水素貯蔵室
9 壁部材
10 外装体
11 負極端子
13 電解液
14 負極
15 セパレータ
16 正極
17 絶縁部材
18 水素貯蔵室
19 酸素貯蔵室
25 集電板
27 送風ファン
28 水素流通口
29 接続部
30 酸素流通口
31 接続部
32 絶縁接続部材
33 絶縁接続部材
34 導電接続部材
35 水素ガス第一ヘッダー
36 酸素ガス第一ヘッダー
38 水素ガス第二ヘッダー
39 酸素ガス第二ヘッダー
41 ドーナツ電池
42 外構体(a:側部、b:膨出部)
43 電極体(a:正極、b:負極、c:セパレータ)
44 押板
45 外装体
46 蓋部材
47 集電体(a:軸部、b:止め部、c:ネジ部、d:端部)
48 絶縁シール部材
49 水素貯蔵室
51 負極ケース
52 正極ケース
53 電解液
54 負極
55 セパレータ
56 正極
58 水素貯蔵室
59 酸素貯蔵室
61 保護ケーシング
62 絶縁ケーシング
63 負極端子
64 正極端子
65 段差
66 段差
67 絶縁部
68 蓋部材
69 蓋部材
70 取付けボルト
474 ワイヤー
476 遮断器
477 ブスバ−
478 鉄塔
71 積層電池
72 円筒缶(a:側部内面)
73 電極体(a:正極、b:負極、c:セパレータ)
74 絶縁板
75 外装体
76 蓋部材
77 集電体(a:軸部、b:止め部、c:ネジ部、d:正極端子)
78 軸受
81 パイプ電池
82 円管(a:内面)
83 電極体(a:正極、b:負極、c:セパレータ)
85 外装体
86 蓋部材
87 集電体
88 軸受
100 外殻
101 胴部
102 膨出部
103 パッキング
110 正極
120 負極
121 水素ガス貯蔵源
130 セパレータ
134 集電体
135 仕切板
136aおよびb 酸素貯蔵室
137 電解液
138 水素貯蔵室
211、212 フランジ
220、221、222 配管
230 塩濃度調整装置
233 逆浸透膜
250 酸素濃度調整装置
251 酸素貯蔵源
260 冷却器
270 ポンプ
300 外装体
301 円管
302 蓋部材
310 集電体
311 ナット
320 正極
321 切欠
330 負極
331 隙間
340 セパレータ
351、352、353 PPパッキング
365 電解液入口
361 電解液供給源
363 電解液調整室
364 排出通路
366 電解液出口
371 水素ガス貯蔵源
372 水素ガス貯蔵通路
373 水素ガス供給口
380 水素ガス貯蔵室
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode case 2 Positive electrode case 3 Electrolytic solution 4 Negative electrode 5 Separator 6 Positive electrode 7 Oxygen storage chamber 8 Hydrogen storage chamber 9 Wall member 10 Exterior body 11 Negative electrode terminal 13 Electrolytic solution 14 Negative electrode 15 Separator 16 Positive electrode 17 Insulating member 18 Hydrogen storage chamber 19 Oxygen Storage chamber 25 Current collector plate 27 Blower fan 28 Hydrogen flow port 29 Connection portion 30 Oxygen flow port 31 Connection portion 32 Insulation connection member 33 Insulation connection member 34 Conductive connection member 35 Hydrogen gas first header 36 Oxygen gas first header 38 Hydrogen gas Second header 39 Oxygen gas second header 41 Donut battery 42 External structure (a: side, b: bulge)
43 electrode body (a: positive electrode, b: negative electrode, c: separator)
44 pressure plate 45 exterior body 46 lid member 47 current collector (a: shaft part, b: stopper part, c: screw part, d: end part)
48 Insulating seal member 49 Hydrogen storage chamber 51 Negative electrode case 52 Positive electrode case 53 Electrolytic solution 54 Negative electrode 55 Separator 56 Positive electrode 58 Hydrogen storage chamber 59 Oxygen storage chamber 61 Protective casing 62 Insulating casing 63 Negative electrode terminal 64 Positive electrode terminal 65 Step 66 Step 67 Insulating part 68 Lid member 69 Lid member 70 Mounting bolt 474 Wire 476 Breaker 477 Bus bar
478 Steel tower 71 Stacked battery 72 Cylindrical can (a: Side inner surface)
73 electrode body (a: positive electrode, b: negative electrode, c: separator)
74 Insulating plate 75 Exterior body 76 Lid member 77 Current collector (a: shaft part, b: stopper part, c: screw part, d: positive electrode terminal)
78 Bearing 81 Pipe battery 82 Circular tube (a: Inner surface)
83 Electrode body (a: positive electrode, b: negative electrode, c: separator)
85 Exterior body 86 Lid member 87 Current collector 88 Bearing 100 Outer shell 101 Body portion 102 Expanded portion 103 Packing 110 Positive electrode 120 Negative electrode 121 Hydrogen gas storage source 130 Separator 134 Current collector 135 Partition plates 136a and b Oxygen storage chamber 137 Electrolysis Liquid 138 Hydrogen storage chamber 211, 212 Flange 220, 221, 222 Piping 230 Salt concentration adjusting device 233 Reverse osmosis membrane 250 Oxygen concentration adjusting device 251 Oxygen storage source 260 Cooler 270 Pump 300 Exterior body 301 Circular tube 302 Lid member 310 Current collector Body 311 Nut 320 Positive electrode 321 Notch 330 Negative electrode 331 Gap 340 Separator 351, 352, 353 PP packing 365 Electrolyte inlet 361 Electrolyte supply source 363 Electrolyte adjustment chamber 364 Discharge passage 366 Electrolyte outlet 371 Hydrogen gas storage source 372 Hydrogen gas storage aisle 373 Hydrogen gas supply port 380 Hydrogen gas storage room

Claims (6)

二酸化マンガンを含む正極と、
水素吸蔵材料を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、
アルカリ水溶液を含む電解液とを有し、
前記負極で発生する水素ガスを貯蔵する水素貯蔵室と、
前記正極で発生する酸素ガスを貯蔵する酸素貯蔵室と、を有するリバーシブル燃料電池であって、
前記負極が、前記水素貯蔵室に接する面に配された疎水性を有する材料とを含む、および/または、
前記正極が、前記酸素貯蔵室に接する面に配された疎水性を有する材料とを含み、
前記疎水性を有する材料が、炭素またはテフロン(登録商標)である、
密閉型のリバーシブル燃料電池。
A positive electrode comprising manganese dioxide;
A negative electrode containing a hydrogen storage material;
A separator interposed between the positive electrode and the negative electrode;
An electrolyte solution containing an alkaline aqueous solution,
A hydrogen storage chamber for storing hydrogen gas generated in the negative electrode;
An oxygen storage chamber for storing oxygen gas generated at the positive electrode, and a reversible fuel cell,
The negative electrode includes a hydrophobic material disposed on a surface in contact with the hydrogen storage chamber, and / or
The positive electrode includes a hydrophobic material disposed on a surface in contact with the oxygen storage chamber;
The hydrophobic material is carbon or Teflon (registered trademark).
Sealed reversible fuel cell.
前記電解液が前記酸素貯蔵室に保持されている請求項1に記載のリバーシブル燃料電池。 The reversible fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte is held in the oxygen storage chamber. 筒状の外装体の内側に、径方向の空間を介して、筒状の前記正極および筒状の前記負極が前記セパレータを介して配置され、前記正極の前記セパレータとは反対側の面に接するように前記酸素貯蔵室が形成され、前記負極の前記セパレータとは反対側の面に接するように前記水素貯蔵室が形成されていて、
前記酸素貯蔵室が前記径方向の空間に配置され、かつ、前記水素貯蔵室が前記負極の内方に配置されているか、もしくは、
前記水素貯蔵室が前記径方向の空間に配置され、かつ、前記酸素貯蔵室が前記正極の内方に配置されている、請求項1に記載のリバーシブル燃料電池。
The cylindrical positive electrode and the cylindrical negative electrode are arranged via the separator inside a cylindrical outer casing through a radial space, and contact the surface of the positive electrode opposite to the separator. The oxygen storage chamber is formed, and the hydrogen storage chamber is formed so as to contact the surface of the negative electrode opposite to the separator,
The oxygen storage chamber is disposed in the radial space, and the hydrogen storage chamber is disposed inward of the negative electrode, or
The reversible fuel cell according to claim 1, wherein the hydrogen storage chamber is disposed in the radial space, and the oxygen storage chamber is disposed inward of the positive electrode.
前記外装体の軸方向の一端に設けられた、前記負極に電気的に接続された負極端子と、
前記外装体の軸方向の他端に設けられた、前記正極に電気的に接続された正極端子と、
前記正極端子あるいは前記負極端子のいずれか一方に設けられた突起部と、
前記正極端子あるいは前記負極端子いずれか他方に設けられた穴部と、をさらに有し、
2つのリバーシブル燃料電池が直列に接続されるように、前記突起部と穴部とが嵌合可能である、請求項3に記載のリバーシブル燃料電池。
A negative electrode terminal provided at one end in the axial direction of the exterior body and electrically connected to the negative electrode;
A positive electrode terminal provided at the other end in the axial direction of the exterior body and electrically connected to the positive electrode;
A protrusion provided on either the positive terminal or the negative terminal;
A hole provided in either the positive electrode terminal or the negative electrode terminal, and
The reversible fuel cell according to claim 3, wherein the protrusion and the hole can be fitted so that the two reversible fuel cells are connected in series.
請求項1に記載のリバーシブル燃料電池であって、
前記負極に接触して前記正極とセパレータを介して対向して配置されている負極ケースと、
前記正極に接触して前記負極と前記セパレータを介して対向して配置されている正極ケースと、
水素貯蔵室が、前記負極ケースと前記負極との間の空間に形成されており、
酸素貯蔵室が、前記正極ケースと前記正極との間の空間に形成されている、単電池を、直列接続したリバーシブル燃料電池であって、
直列に接続された前記単電池の前記正極に接触した正極端子と、
直列に接続された前記単電池の前記負極に接触した負極端子と、を有し、
前記単電池の前記正極ケースと、隣り合う前記単電池の前記負極ケースとが、互いに接触するように配置されている、
リバーシブル燃料電池。
The reversible fuel cell according to claim 1,
A negative electrode case disposed in contact with the negative electrode and facing the positive electrode via a separator;
A positive electrode case disposed in contact with the positive electrode in contact with the negative electrode via the separator;
A hydrogen storage chamber is formed in a space between the negative electrode case and the negative electrode;
An oxygen storage chamber is formed in a space between the positive electrode case and the positive electrode, and is a reversible fuel cell in which unit cells are connected in series,
A positive electrode terminal in contact with the positive electrode of the unit cells connected in series;
A negative electrode terminal in contact with the negative electrode of the unit cells connected in series,
The positive electrode case of the unit cell and the negative electrode case of the adjacent unit cell are arranged so as to contact each other,
Reversible fuel cell.
請求項5に記載のリバーシブル燃料電池と、金属製のワイヤーと、構造物と、開閉路が可能な遮断器と、ブスバーと、を備え、
前記金属製のワイヤーの一端が、前記リバーシブル燃料電池に取り付けられており、当該ワイヤーの他端が、前記構造物に取り付けられており、これにより、複数の前記リバーシブル燃料電池が前記構造物に吊り下げ可能であり、
隣り合う前記リバーシブル燃料電池の正極端子と負極端子とが、前記遮断器を介して前記ブスバーにより接続されている、リバーシブル燃料電池モジュール。
The reversible fuel cell according to claim 5, a metal wire, a structure, a circuit breaker capable of opening and closing, and a bus bar,
One end of the metal wire is attached to the reversible fuel cell, and the other end of the wire is attached to the structure, whereby a plurality of the reversible fuel cells are suspended from the structure. Can be lowered,
The reversible fuel cell module with which the positive electrode terminal and negative electrode terminal of the said reversible fuel cell which are adjacent are connected by the said bus bar via the said circuit breaker.
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