JP6963596B2 - 電気化学セル - Google Patents
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Description
・正極: O2+2H2O+4e− → 4OH− (2)
・正極: 3/2O2+3H2O+6e− → 6OH− (4)
(亜鉛空気二次電池10の構成)
図1は、第1実施形態に係る亜鉛空気二次電池10の構成を模式的に示す断面図である。亜鉛空気二次電池10は、空気極12、負極14、電解液16、セパレータ20及び容器26を備える。空気極12は、本発明に係る「正極」の一例である。セパレータ20は、本発明に係る「電解質体」の一例である。
・空気極12: O2+2H2O+4e− → 4OH− (2)
なお、充電反応は、式(1),(2)の逆である。
セパレータ20は、空気極12と負極14との間に配置される。セパレータ20は、板状、膜状、或いは、層状に形成される。
空気極12は、亜鉛空気電池などの金属空気電池に使用される公知の空気極であればよく、特に限定されない。空気極12は、5〜200μmの厚さを有する層状の形態であるのが好ましい。空気極12は、空気極触媒、電子伝導性材料、及び所望により水酸化物イオン伝導性材料を含むのが典型的である。空気極12は、バインダーを含んでいてもよい。バインダーとしては熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂が挙げられるが、特に限定されない。また、電子伝導性材料としても機能する空気極触媒を用いる場合、空気極12は、水酸化物イオン伝導性材料を含んでいてもよい。空気極12は、反応に必要な空気を空気極触媒に十分に行き渡らせるための気孔を含むのが好ましい。
負極14は、負極活物質として機能する亜鉛、亜鉛合金及び/又は亜鉛化合物を含む。負極14は、粒子状、板状、ゲル状等のいかなる形状又は形態であってもよいが、粒子状またはゲル状とするのが反応速度の点で好ましい。粒子状の負極は、30〜350μmの粒径の粒子によって構成することができる。ゲル状の負極は、100〜300μmの粒径の無汞化亜鉛合金粉、アルカリ電解液及び増粘剤(ゲル化剤)を混合攪拌してゲル状にすることで形成できる。
本実施形態では、電解液16として、水酸化カリウム水溶液が用いられる。水酸化カリウムの濃度は特に制限されないが、6〜9mol/Lが好ましい。亜鉛合金の自己溶解を抑制するために、電解液16には、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物が溶解されていてもよい。
次に、セパレータ20における水及びプラスチャージ元素それぞれのクロスオーバ値について説明する。
第2実施形態では、電気化学セルの一例として、アルカリ形燃料電池200について説明する。
図2は、第2実施形態に係るアルカリ形燃料電池200の構成を模式的に示す断面図である。アルカリ形燃料電池200は、カソード212、アノード214、及び電解質216を備える。カソード212は、本発明に係る「正極」の一例である。アノード214は、本発明に係る「負極」の一例である。電解質216は、本発明に係る「電解質体」の一例である。
・カソード212: 3/2O2+3H2O+6e− → 6OH− (4)
カソード212は、電解質216に接続される。カソード212は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。アルカリ形燃料電池200の発電中、カソード212には、酸素(O2)を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード212は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード212の気孔率は特に制限されない。カソード212の厚みは特に制限されないが、例えば10〜200μmとすることができる。
アノード214は、電解質216に接続される。アノード214は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。アルカリ形燃料電池200の発電中、アノード214には、水素原子(H)を含む燃料が供給される。アノード214は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード214の気孔率は特に制限されない。アノード214の厚みは特に制限されないが、例えば10〜500μmとすることができる。
電解質216は、カソード212とアノード214との間に配置される。電解質216は、カソード212及びアノード214のそれぞれに接続される。電解質216は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。
アルカリ形燃料電池200では、電解質216における水のクロスオーバ値とプラスチャージ元素のクロスオーバ値とが性能及び耐久性に影響を与える。
ここで、クロスオーバ比(CV4/CV3)は、上記第1実施形態で説明したように、図2に示したH型セル100を用いて測定することができる。
(常温形燃料電池300の構成)
第3実施形態では、電気化学セルの一例として、常温形燃料電池300について説明する。
図4は、第3実施形態に係る常温形燃料電池300の構成を模式的に示す断面図である。常温形燃料電池300は、空気極312、負極314、電解液316、セパレータ320及び容器326を備える。空気極312は、本発明に係る「正極」の一例である。セパレータ320は、本発明に係る「電解質体」の一例である。
・空気極12: (1/2)・O2+H2O+2e−→2OH− …(6)
次に、セパレータ320における水及びプラスチャージ元素それぞれのクロスオーバ値について説明する。
(1)多孔質基材の作製
ジルコニア粉末(東ソー社製、TZ−8YS)100重量部に対して、分散媒(キシレン:ブタノール=1:1)70重量部、バインダー(ポリビニルブチラール:積水化学工業株式会社製BM−2)11.1重量部、可塑剤(DOP:黒金化成株式会社製)5.5重量部、及び分散剤(花王株式会社製レオドールSP−O30)2.9重量部を混合し、この混合物を減圧下で攪拌して脱泡することによりスラリーを得た。
無定形アルミナ溶液(Al−ML15、多木化学株式会社製)と酸化チタンゾル溶液(M−6、多木化学株式会社製)を溶液の重量比が1:1となるように混合して混合ゾルを作製した。
原料として、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O、関東化学株式会社製)、及び尿素((NH2)2CO、シグマアルドリッチ製)を用意した。
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液と多孔質基材とを封入した。このとき、多孔質基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、多孔質基材両面に溶液が接するように水平に設置した。
Pt担持量50wt%(田中貴金属工業(株)社製TEC10E50E)の白金担持カーボン(以下、「Pt/C」という。)と、バインダーであるPVDF粉末(以下、「PVDFバインダー」という。)とを準備した。そして、(Pt/C触媒):(PVDFバインダー):(水)の重量比が9wt%:0.9wt%:90wt%の比率となるように、Pt/C、PVDFバインダー及び水を混合してペースト化することによってカソード用ペーストを作製した。
実施例1〜6及び比較例1〜3に係る電解質について、水のクロスオーバ値CV3とルテニウムイオンのクロスオーバ値CV4とを測定した。
まず、アルカリ形燃料電池を120℃に加熱した。
12 空気極(正極の一例)
14 負極
16 電解液
20 セパレータ(電解質体の一例)
200 アルカリ形燃料電池(電気化学セルの一例)
212 カソード(正極の一例)
214 アノード(負極の一例)
216 電解質(電解質体の一例)
300 常温形燃料電池(電気化学セルの一例)
312 空気極(正極の一例)
314 負極
316 電解液
320 セパレータ(電解質体の一例)
Claims (2)
- 正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質体と、
を備え、
前記負極は、水酸化カリウム水溶液に浸漬されており、
前記電解質体において、水のクロスオーバ値に対するカリウムイオンのクロスオーバ値のクロスオーバ比は、10以下である、
亜鉛空気二次電池。 - 正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質体と、
を備え、
前記負極は、負極触媒としてルテニウムを含有し、
前記電解質体において、水のクロスオーバ値に対するルテニウムイオンのクロスオーバ値のクロスオーバ比は、10以下である、
アルカリ形燃料電池。
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