JP6605373B2

JP6605373B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6605373B2
Application number: JP2016053219A
Authority: JP
Inventors: 豊賀相本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017168333A

Description

本発明は、空気極と燃料極とを備えた燃料電池に関する。

燃料電池の一種に、正極活物質として空気中の酸素を用いる空気極と、負極活物質として金属を用いる燃料極とから構成される電池がある（例えば、特許文献１参照。）。この種の燃料電池は、燃料電池の収容体に、例えば、二酸化マンガン等のような正極活物質を充填する必要がないため、その分、負極活物質の充填量を増加させて放電容量を大きくすることができる。このような利点があるため、空気極を用いた燃料電池の研究が盛んに行われている。

特開２０１３−２１４３８３号公報

このような燃料電池では、空気極に空気を供給するため、燃料電池の収容体に開口部が設けられている。この開口部から電解液が燃料電池の外部へ漏出することを防止するために、燃料電池の収容体には、空気を通過させる一方で、電解液を通過させない膜を設ける等の対策が施されている。しかし、これらの対策を講じていても、時間が経過するにつれて、電解液は膜に徐々に浸み込み、浸み込んだ電解液が開口部から漏出する虞がある。また、電解液は収容体と膜との隙間から漏出する虞もある。電解液が漏出して燃料電池内の電解液が減少すると、電極間でのイオンの移動が十分に行えず、電池の性能が劣化する。このため、電解液の漏出を防止することが重要であるが、特許文献１に記載された燃料電池は、電解液の漏出に対して何ら対策を講じていない。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、空気極と燃料極とを備える燃料電池において、電解液の漏出を防止することである。

この発明の燃料電池は、空気極及び燃料極と、収容体と、漏出防止部と、を備える。収容体は、空気極及び燃料極を収容するとともに電解液で充たされ、空気極に供給される空気を通過させる開口部を有する。漏出防止部は、開口部からの電解液の漏出を防止する。

この構成において、開口部は、収容体に形成された複数の貫通孔を有し、収容体の内面には、互いに隣接する少なくとも２つの貫通孔を繋ぐ第１溝が配置されており、漏出防止部は第１溝を含むことが好ましい。

この構成によれば、互いに隣接する少なくとも２つの貫通孔において、貫通孔へ流れ込もうとする電解液を第１溝に流入させることにより、電解液の漏出を防止することができる。

また、収容体が設置された通常姿勢において、第１溝は、２つの貫通孔のうちの一方が有する収容体の内面側の縁の位置であって鉛直方向についての最下点と、２つの貫通孔のうちの他方が有する収容体の内面側の縁の位置であって鉛直方向についての最上点とを繋いでいることが好ましい。この構成によれば、収容体が設置された通常姿勢において、第１溝は、鉛直方向に配置されることになる。このため、第１溝内の電解液を、これに重力を作用させてスムーズに下方へ流すことが可能となる。

また、開口部は、収容体に形成された少なくとも１つの貫通孔を有し、収容体の内面には、貫通孔が有する収容体の内面側の縁に沿って第２溝が配置されており、漏出防止部は第２溝を含むことが好ましい。この構成によれば、貫通孔に流れ込もうとする電解液を第２溝に流入させることにより、電解液の漏出を防止することができる。

また、開口部は、収容体に形成された少なくとも１つの貫通孔を有し、貫通孔の内周面に鍔部が配置されており、漏出防止部は鍔部を含むことが好ましい。この構成によれば、貫通孔に流れ込もうとする電解液が上記の鍔部に堰き止められて収容体の内側に戻される。このため、貫通孔には電解液が流れ込み難くなる。従って、電解液の漏出を防止することができる。

また、開口部は、収容体に形成された少なくとも１つの貫通孔を有し、貫通孔の内周面には、収容体の内側から外側へ向けて貫通孔が窄まるようにテーパ面が形成されており、漏出防止部はテーパ面を含むことが好ましい。この構成によれば、貫通孔の内周面に傾斜面が形成されることとなる。よって、貫通孔に流れ込もうとする電解液は、この傾斜面を上がることができず、収容体の内側に戻される。このため、貫通孔には電解液が流れ込み難くなる。従って、電解液の漏出を防止することができる。

また、第１溝及び第２溝は、断面形状がＵ字状又はＶ字状を呈したものであることが好ましい。この構成によれば、電解液が第１溝及び第２溝に流入し易くなる。また、収容体を製造する際、加工が比較的容易であり、収容体の強度が向上するという利点がある。

この発明によれば、空気極と燃料極とを備える燃料電池において、電解液の漏出を防止することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る燃料電池の構成を説明するための図であり、側面視における断面を模式的に示した図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池の収容体を説明するための図である。（Ａ）は、収容体の内面側の一部分を示す斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の要部拡大図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池の収容体を説明するための要部の平面図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池の収容体を説明するための要部の側面視断面図である。本発明の第４実施形態に係る燃料電池の収容体を説明するための要部の側面視断面図である。

図１に示すように、燃料電池１００は、収容体１０と、蓋１３と、補強リブ１４とを備える。収容体１０は、燃料電池１００に電極等を収容する部材であり、矩形状の第１フレーム１１及び第２フレーム１２を接合して形成されている。図１は、燃料電池１００を使用する際の通常姿勢における斜視図であり、この状態において、長辺方向をＸ方向（水平方向）とし、短辺方向をＹ方向（鉛直方向）とし、幅方向をＺ方向とする。また、本明細書中で「燃料電池（あるいは、収容体）の側面」とは、幅方向の面を意味することとする。

図１に示すように、第１フレーム１１及び第２フレーム１２を接合したとき、収容体１０の上端辺１０aの中央付近に電解液５０を充填するための充填口が設けられるように、第１フレーム１１及び第２フレーム１２の夫々の上端辺は成形されている。蓋１３は、この充填口を覆う部材である。補強リブ１４は、収容体１０の強度を向上させるために設けられる部材である。

また、収容体１０の上端辺１０aには、孔１５，１６，１７が設けられている。孔１５，１６，１７は、夫々燃料電池１００の空気極３０、燃料極４０、及び補助極６０（図２を参照。）に取り付けられる外部端子を挿入するための孔である。第１フレーム１１及び第２フレーム１２を接合したとき、孔１５，１６，１７が形成されるように、第１フレーム１１及び第２フレーム１２の夫々の上端辺は成形されている。

第１フレーム１１及び第２フレーム１２の材質としては、耐久性及び耐食性を有するものであればとくに限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、及びポリエチレンテレフタラート等が挙げられる。

第１フレーム１１及び第２フレーム１２には、空気極３０に供給する空気を通過させる開口部が形成されている。この開口部は、図１に示すように、第１フレーム１１に形成された複数の貫通孔２０を有する。図１では、第１フレーム１１のみを図示しているが、第２フレーム１２にも同様の貫通孔２０が複数形成されている。また、図１では、貫通孔２０を円形状としているが、矩形状であってもよく、形状はとくに限定されない。

燃料電池１００のサイズは、短辺方向の長さは、約９０〜９７ｍｍであり、長辺方向の長さは、約１４５〜１５５ｍｍであり、幅方向の長さは、約８〜１５ｍｍが好適である。また、貫通孔２０のサイズは、直径約４〜５ｍｍが好適である。

図２に示すように、燃料電池１００は、空気極３０、燃料極４０、電解液５０、補助極６０、セパレータ７０、及び案内部材８０を備え、これらが収容体１０に収容されている。本実施形態では、収容体１０内において、燃料極４０の両側に、空気極３０、補助極６０、セパレータ７０、及び案内部材８０が、略左右対称に配置されている。具体的には、第１フレーム１１と第２フレーム１２との間において、第１フレーム１１に近い順に、空気極３０、セパレータ７０、補助極６０、案内部材８０、燃料極４０、案内部材８０、補助極６０、セパレータ７０、及び空気極３０が配置されている。なお、図２では、燃料極４０に対して第２フレーム１２側に配された案内部材８０、補助極６０、セパレータ７０、及び空気極３０の図示が省略されている。

このように、第１フレーム１１及び第２フレーム１２の夫々に隣接して２つの空気極３０が配されているため、本実施形態では、第１フレーム１１及び第２フレーム１２の何れにも、空気極３０に供給する空気を通過させる開口部が設けられている。

空気極３０は、燃料電池１００の正極であり、貫通孔２０を通過する空気中の酸素を取り込み、取り込んだ酸素を正極活物質として利用する。そして、空気極３０においては、空気中の酸素と水と電子とから水酸化物イオンが生成される。具体的には、空気極３０は、空気極触媒層３１、空気極集電体３２、多孔質層３３、及びガス拡散層３４から構成される。これらは、第１フレーム１１（あるいは、第２フレーム１２）に近い順に、ガス拡散層３４、多孔質層３３、空気極触媒層３１、空気極集電体３２の順で配置される。

空気極触媒層３１は、上記した水酸化物イオンの生成反応を促進させることができる。空気極触媒層３１に含まれる空気極触媒としては、例えば、白金、銀、ニッケル、モリブデン、コバルト、マンガン、鉄等の金属や、これらの金属化合物、また、これらの金属からなる合金等が挙げられる。

空気極集電体３２は、空気極３０と燃料極４０との間に生じた電力を取り出すためのものであり、空気極３０に取り付けられた外部端子に接続されている。空気極集電体３２の材料としては、耐食性を有するものであればとくに限定されないが、例えば、鉄、銅、亜鉛、ニッケル、ステンレス等が挙げられる。なお、空気極集電体３２は、集電基材の表面に上記材料がメッキされたものであってもよい。また、空気極集電体３２は、本実施形態においては、図２に示すように、空気極触媒層３１に内包されていてもよいし、空気極触媒層３１と別に設けられても構わない。

多孔質層３３は、空気極触媒層３１の表面に設けられることにより、空気極触媒層３１で生成された水酸化物イオンの伝導を促進させる。多孔質層３３に含まれる多孔性物質としては、例えば、炭素繊維や、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔性の樹脂からなる不織布が挙げられる。

ガス拡散層３４は、貫通孔２０を通じて取り込まれた空気を、空気極触媒層３１に均一に供給すべく拡散するものである。ガス拡散層３４は、電解液５０の漏出を防止する。ガス拡散層３４の材料としては、例えば、炭素、黒鉛、モリブデン、チタン等の金属や、炭素繊維等の繊維が挙げられる。また、ガス拡散層３４には、空気を通過させる一方で電解液５０を通過させ難くするべく、撥水処理が施されている。

なお、空気極３０の形状は、図２では板状の部材として図示しているが、メッシュ状に構成しても構わない。

燃料極４０は、燃料電池１００の負極であり、燃料極活物質層４１と燃料極集電体４２とから構成される。燃料極活物質層４１は、負極の電極活物質となる金属からなる。電極活物質は、電解液５０に溶解してイオン化することにより、燃料極活物質層４１に電荷を生じさせる。そして、電極活物質には、燃料電池の種類に応じて適切な金属が用いられる。例えば、リチウム、亜鉛、鉄、ナトリウム、亜鉛、マグネシウム、これらの金属からなる合金等が挙げられる。

燃料極集電体４２は、空気極３０と燃料極４０との間に生じた電力を取り出すためのものであり、燃料極４０に取り付けられた外部端子に接続されている。燃料極集電体４２の材質としては、耐食性を有するものであればとくに限定はされないが、例えば、鉄、銅、亜鉛、ニッケル、ステンレス等が挙げられる。なお、燃料極集電体４２は、集電基材の表面に上記材料がメッキされたものであってもよい。

燃料極４０は、図２に示すように、燃料極集電体４２を燃料極活物質層４１で覆うように構成することができる。

電解液５０は、空気極３０と燃料極４０との間でイオンを伝導させる電解質水溶液である。電解液５０には、燃料極４０の負極活物質の種類に応じて適切なものが用いられる。電解液５０は、イオンの伝導を妨げない限りにおいて、種々の添加剤を含むことができる。

電解液５０として、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液、及び塩化ナトリウム水溶液等が挙げられる。

補助極６０は、燃料極４０とともに外部電源に接続した場合、充電用の電極として機能する。補助極６０の材料としては、例えば、ニッケル、ニッケル合金等が挙げられる。また、補助極６０の形状は、板状であっても構わないが、メッシュ状が好適に使用される。

セパレータ７０は、空気極３０と補助極６０との間に配置されている。セパレータ７０は、不織布等からなり、シート状の部材である。

案内部材８０は、電解液５０中で水素ガスの気泡が滞留することを防止するために設けられている。水素ガスの気泡が滞留すると、燃料極４０での反応が阻害される。案内部材８０を設けることにより、水素ガスの気泡を電解液５０の液面の方へ移動させることができる。また、案内部材８０の材料としては、耐食性を有するものであればとくに限定されないが、例えば、樹脂製のものが挙げられる。

［第１実施形態］
燃料電池１００は、開口部（貫通孔２０）からの電解液５０の漏出を防止する漏出防止部をさらに備える。本実施形態では、図３（Ａ）に示されるように、第１フレーム１１の内面１１ａに第１溝２１が形成されており、この第１溝２１により、互いに隣接する少なくとも２つの貫通孔２０が繋がれている。そして、漏出防止部が、第１溝２１により構成されている。具体的には、以下のとおりである。なお、図３（Ａ）中のＸＹＺ軸は、図１中のＸＹＺ軸に対応している。また、図３（Ａ）及び（Ｂ）では、説明の便宜上、互いに隣接する２つの貫通孔２０のうち、Ｙ方向において上方に位置するものに符号２０Ａが付され、この貫通孔の直下に位置するものに符号２０Ｂが付されている。

図３（Ｂ）に示されるように、第１溝２１は、第１フレーム１１の内面１１ａにおいて、貫通孔２０Ａが有する縁２０１Ａの位置であってＹ方向についての最下点２０１Ａａと、貫通孔２０Ｂが有する縁２０１ＢであってＹ方向についての最上点２０１Ｂｂと繋いでいる。本実施形態では、第１溝２１は、最下点２０１Ａａから最上点２０１Ｂｂまで真っ直ぐ延びている。なお、第１溝２１は、これに限らず、最下点２０１Ａａと最上点２０１Ｂｂとの間で湾曲又は屈曲していてもよい。

上記漏出防止部によれば、第１フレーム１１の内面１１ａまで到達して貫通孔２０へ流れ込もうとする電解液５０の多くが、貫通孔２０に流入する前に第１溝２１に導かれる。よって、貫通孔２０からの電解液５０の漏出が防止される。

また、図１に示されるように燃料電池１００が通常姿勢で設置されたとき、上記Ｙ方向と鉛直方向（上向き）とが略一致することになる。このとき、最下点２０１Ａａ及び最上点２０１Ｂｂは夫々、鉛直方向についての最下点及び最上点となる。即ち、第１溝２１は、鉛直方向に配置されることになる。そして、第１溝２１に導かれた電解液５０は、図３（Ｂ）にて白抜き矢印で示されるように、下方に位置する最上点２０１Ｂｂへ向けて、重量の作用を受けて流れる。即ち、第１溝２１内の電解液５０を、これに重力を作用させてスムーズに下方へ流すことが可能となる。

さらに、本実施形態では、鉛直方向に並ぶ複数の貫通孔２０が第１溝２１で一列に繋がれるように、第１フレーム１１の内面１１ａには複数の第１溝２１が形成されている。この構成によれば、電解液５０は、第１溝２１又は貫通孔２０の縁２０１に到達した後、第１溝２１と貫通孔２０の縁２０１とを交互に経由して収容体１０の下方位置（例えば底）まで流れる。よって、第１フレーム１１の内面１１ａまで到達して貫通孔２０へ流れ込もうとする電解液５０の多くを、貫通孔２０から漏出させることなく、収容体１０の下方位置へ導くことができる。即ち、本実施形態に係る燃料電池１００によれば、電解液５０を、収容体１０の内部に留めることができる。

また、第１溝２１は、側面視における断面形状がＵ字状又はＶ字状を呈するものであることが好ましい。このような形状により、電解液５０は、第１溝２１に流入し易くなる。また、収容体１０を製造する際、加工が比較的容易であり、収容体の強度が向上するという利点がある。

なお、上記では、第１フレーム１１に形成されている貫通孔２０及び第１溝２１に関して説明したが、第２フレーム１２にも同様に第１溝２１が配置される。

［第２実施形態］
第２実施形態に係る燃料電池２００は、漏出防止部が、第２溝２２により構成されている。図４に示されるように、第２溝２２は、第１フレーム１１の内面１１ａにおいて、貫通孔２０の縁２０１に沿って配置されている溝である。

上記漏出防止部によれば、第１フレーム１１の内面１１ａまで到達して貫通孔２０へ流れ込もうとする電解液５０の多くが、貫通孔２０に流入する前に第２溝２２に導かれる。よって、貫通孔２０からの電解液５０の漏出が防止される。

また、燃料電池２００は、上記第１溝２１が設けられてもよい。図４にて白抜き矢印で示されるように、電解液５０は、第１溝２１又は貫通孔２０の縁２０１に到達した後、第１溝２１と第２溝２２とを交互に経由して収容体１０の下方位置（例えば底）まで流れる。よって、第１フレーム１１の内面１１ａまで到達して貫通孔２０へ流れ込もうとする電解液５０の多くを、貫通孔２０から漏出させることなく、収容体１０の下方位置へ導くことができる。即ち、第２実施形態に係る燃料電池２００によれば、電解液５０を、収容体１０の内部に留めることができる。

また、第２溝２２は、上記第１溝２１と同様に、側面視における断面形状がＵ字状又はＶ字状を呈するものであることが好ましい。このような形状により、電解液５０は、第２溝２２に流入し易くなる。

［第３実施形態］
第３実施形態に係る燃料電池３００は、漏出防止部が、鍔部２３により構成されている。図５に示されるように、鍔部２３は、貫通孔２０の内周面２０２に設けられている。

上記漏出防止部によれば、第１フレーム１１の内面１１ａまで到達して貫通孔２０へ流れ込もうとする電解液５０の多くが、鍔部２３に堰き止められて収容体１０内に戻される。このため、貫通孔２０には電解液５０が流れ込み難くなる。即ち、第３実施形態に係る燃料電池３００によれば、電解液５０を、収容体１０の内部に留めることができる。

また、燃料電池３００は、上記第１溝２１及び第２溝２２が設けられてもよい。そのような場合、第１溝２１及び第２溝２２は、側面視における断面形状がＵ字状又はＶ字状を呈するものであることが好ましい。このような形状により、電解液５０は、第１溝２１及び第２溝２２に流入し易くなる。

［第４実施形態］
第４実施形態に係る燃料電池４００は、漏出防止部が、貫通孔２０の内周面２０２に形成されるテーパ面２４により構成されている。図６に示されるように、テーパ面２４は、貫通孔２０の内周面２０２に、第１フレーム１１の内側から外側へ向けて貫通孔２０が窄まるように形成されている。

上記漏出防止部によれば、第１フレーム１１の内面１１ａまで到達して貫通孔２０へ流れ込もうとする電解液５０の多くが、このテーパ面２４を上がることができず、収容体１０内に戻される。このため、貫通孔２０には電解液５０が流れ込み難くなる。即ち、第４実施形態に係る燃料電池４００によれば、電解液５０を、収容体１０の内部に留めることができる。

また、燃料電池４００は、上記第１溝２１及び第２溝２２が設けられてもよい。そのような場合、第１溝２１及び第２溝２２は、側面視における断面形状がＵ字状又はＶ字状を呈するものであることが好ましい。このような形状により、電解液５０は、第１溝２１及び第２溝２２に流入し易くなる。

なお、上記の実施形態1〜４に係る燃料電池１００，２００，３００，４００では、収容体１０を構成する第１フレーム１１にのみ言及したが、第２フレーム１２に関しても同様である。

また、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…収容体
２０Ａ，２０Ｂ…貫通孔
２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ…縁
２０１Ａａ…最下点
２０１Ｂｂ…最上点
２０２…内周面
２１…第１溝
２２…第２溝
２３…鍔部
２４…テーパ面
３０…空気極
４０…燃料極
５０…電解液
１００，２００，３００，４００…燃料電池

Claims

空気極及び燃料極と、
前記空気極及び前記燃料極を収容するとともに電解液で充たされ、前記空気極に供給される空気を通過させる開口部を有する収容体と、
を備え、
前記開口部は、前記収容体に形成された複数の貫通孔を有し、
前記収容体の内面には、互いに隣接する少なくとも２つの貫通孔を繋ぐ溝が配置されている、燃料電池。
前記収容体が設置された通常姿勢において、前記溝は、前記２つの貫通孔のうちの一方が有する前記収容体の内面側の縁の位置であって鉛直方向についての最下点と、前記２つの貫通孔のうちの他方が有する前記収容体の内面側の縁の位置であって鉛直方向についての最上点とを繋いでいる、請求項１に記載の燃料電池。
空気極及び燃料極と、
前記空気極及び前記燃料極を収容するとともに電解液で充たされ、前記空気極に供給される空気を通過させる開口部を有する収容体と、
を備え、
前記開口部は、前記収容体に形成された少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記収容体の内面には、前記貫通孔が有する前記収容体の内面側の縁に沿って溝が配置されている、燃料電池。
空気極及び燃料極と、
前記空気極及び前記燃料極を収容するとともに電解液で充たされ、前記空気極に供給される空気を通過させる開口部を有する収容体と、
を備え、
前記開口部は、前記収容体に形成された少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔の内周面には、鍔部が配置されている、燃料電池。
空気極及び燃料極と、
前記空気極及び前記燃料極を収容するとともに電解液で充たされ、前記空気極に供給される空気を通過させる開口部を有する収容体と、
を備え、
前記開口部は、前記収容体に形成された少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔の内周面には、前記収容体の内側から外側へ向けて前記貫通孔が窄まるようにテーパ面が形成されている、燃料電池。
前記溝は、断面形状がＵ字状又はＶ字状を呈したものである、請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池。