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技術 燃料電池

出願人 富士ゼロックス株式会社
発明者 岸健太郎下谷啓宮原知子穴澤一則森川尚長谷川真史
出願日 2004年6月21日 (16年6ヶ月経過) 出願番号 2004-183047
公開日 2006年1月5日 (14年11ヶ月経過) 公開番号 2006-004893
状態 未査定
技術分野 無消耗性電極 燃料電池(本体) 燃料電池(システム)
主要キーワード イオン反応式 金属ボンベ 半反応式 発泡金属シート パンチングメタル板 過酸化水素分解反応 複合発電機 エネルギー総量
関連する未来課題
重要な関連分野

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課題

電極反応を促進することで、安定して十分な起電力を発揮させることが可能であり、かつ、簡易な構造で安全に反応物質貯蔵、供給することができる燃料電池を提供すること。

解決手段

発電部と、発電寄与物質貯蔵部を備えた電池本体から着脱可能な容器と、発電寄与物質輸送手段と、発電寄与物質供給口と、を具備する燃料電池であって、前記発電部が、少なくとも、第1の電極が配置された酸性媒体と、第2の電極が配置された塩基性媒体と、を備え、前記酸性媒体および前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、前記酸性媒体および前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、さらに、前記発電寄与物質貯蔵部が反応物質貯蔵部を備え、前記発電寄与物質供給口が反応物質供給口を備え、該反応物質貯蔵部から前記反応物質を前記反応物質供給口を通じて前記発電部へ供給する反応物質輸送手段を前記発電寄与物質輸送手段に備えていることを特徴とする燃料電池。

概要

背景

電池は、物質が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。また、その化学エネルギーを使い切るまで電力を提供する一次電池、使い切った後に充電操作によって化学エネルギーを再び蓄えて再使用が可能な二次電池、さらに、外部から化学エネルギーを有する物質を継続的に供給することで電気エネルギーを得る燃料電池分類できる。現在、多種類の電池が開発されているが、各電池はそれぞれ、環境安全性、経済性、供給できる電気エネルギー量携帯性貯蔵性使用環境対応性、リサイクル性等の各項目について長所と短所が異なるので、使用目的に合わせて電池が選択され、実用に供されている。いずれの電池においても共通の重要な技術要素は、どのような化学物質の反応を利用するのか、その反応をどのようにして促進するのか、また、その化学物質をどのような形態で貯蔵・供給・回収するのかという点にある。

電池では、還元反応相手電子を与えるか、もしくは酸素を引き抜く)を引き起こす還元剤と、酸化反応(相手から電子を引き抜くか、もしくは酸素を与える)を引き起こす酸化剤と、の2種の化学物質を使用する。その化学反応を、相対する2つの電極で別々に引き起こすことによって、発生した電子のエネルギーを外部に取り出す(電子の発生に伴って両極で生成したイオンは電池内部で中和される)。それらの反応効率は、使用する化学物質の種類と反応様式、電極材質活性度、また、電解質を含めた反応場の環境に依存する。さらに、どのような物質を選択して電池を構成するかは、前述した使用時のみならず、製造時・廃棄時も含めた電池システム全体の良否に関わるポイントである。

近年、燃料電池の研究、開発が盛んに行われている。というのも、燃料電池は、絶えず外部から燃料を供給しつづければ充電することなく連続的に発電することができる上、発電効率が高く、環境への負荷が低いことから、多方面への利用が期待されているからである。
その用途の一つとして携帯機器用燃料電池が上げられ、携帯型のパーソナルコンピューター携帯電話等の電源としての開発が進められている。例えば、ポータブル機器に搭載する、水素を燃料とした固体高分子型燃料電池が開示されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、水素は可燃性の物質であり、取り扱いには細心の注意を払わなければならない。また、水素は常温常圧気体であることから、貯蔵方法にも注意が必要である。

一方で、メタノール改質せずに燃料として使用する直接メタノール型燃料電池の開発も盛んに行われている。メタノールは常温常圧で液体であるため、気体である水素と比べるとその貯蔵や取り扱いが簡便であり、構造が簡単で小型の電池が作成できる。そのため、携帯機器の電源としての応用が見込まれている。しかし、メタノールは可燃性の液体であるため、その漏洩は非常に危険である。
特開平9−213359号公報

概要

電極反応を促進することで、安定して十分な起電力を発揮させることが可能であり、かつ、簡易な構造で安全に反応物質を貯蔵、供給することができる燃料電池を提供すること。発電部と、発電寄与物質貯蔵部を備えた電池本体から着脱可能な容器と、発電寄与物質輸送手段と、発電寄与物質供給口と、を具備する燃料電池であって、前記発電部が、少なくとも、第1の電極が配置された酸性媒体と、第2の電極が配置された塩基性媒体と、を備え、前記酸性媒体および前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、前記酸性媒体および前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、さらに、前記発電寄与物質貯蔵部が反応物質貯蔵部を備え、前記発電寄与物質供給口が反応物質供給口を備え、該反応物質貯蔵部から前記反応物質を前記反応物質供給口を通じて前記発電部へ供給する反応物質輸送手段を前記発電寄与物質輸送手段に備えていることを特徴とする燃料電池。なし

目的

以上から、本発明は、従来技術の問題点を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は、電極反応を促進することで、安定して十分な起電力を発揮させることが可能であり、かつ、簡易な構造で安全に反応物質を貯蔵、供給することができる燃料電池を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

発電部と、発電寄与物質貯蔵部を備えた電池本体から着脱可能な容器と、発電寄与物質輸送手段と、発電寄与物質供給口と、を具備する燃料電池であって、前記発電部が、少なくとも、第1の電極が配置された酸性媒体と、第2の電極が配置された塩基性媒体と、を備え、前記酸性媒体および前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、前記酸性媒体および前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、さらに、前記発電寄与物質貯蔵部が反応物質貯蔵部を備え、前記発電寄与物質供給口が反応物質供給口を備え、該反応物質貯蔵部から前記反応物質を前記反応物質供給口を通じて前記発電部へ供給する反応物質輸送手段を前記発電寄与物質輸送手段に備えていることを特徴とする燃料電池。

請求項2

前記容器がさらに発電反応によって生じた生成物回収する生成物回収部を具備し、かつ、前記生成物を前記生成物回収部へ輸送する生成物輸送手段と、生成物排出口と、を具備することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項3

前記発電寄与物質供給口が、さらに酸性媒体供給口および/または塩基性媒体供給口を具備し、前記発電寄与物質貯蔵部が、さらに前記酸性媒体を貯蔵する酸性媒体貯蔵部および/または前記塩基性媒体を貯蔵する塩基性媒体貯蔵部を具備し、かつ、前記発電寄与物質輸送手段が、さらに前記酸性媒体貯蔵部から前記酸性媒体を前記酸性媒体供給口を通じて前記発電部へ供給する酸性媒体輸送手段および/または前記塩基性媒体貯蔵部から前記塩基性媒体を前記塩基性媒体供給口を通じて前記発電部へ供給する塩基性媒体輸送手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項4

前記反応物質供給口が、前記酸性媒体供給口および前記塩基性媒体供給口の少なくとも一方に組み込まれ、それに対応して、前記反応物質貯蔵部が、前記酸性媒体貯蔵部および前記塩基性媒体貯蔵部の少なくとも一方に組み込まれ、前記反応物質は前記酸性媒体貯蔵部に貯蔵された前記酸性媒体および/または前記塩基性媒体貯蔵部に貯蔵された前記塩基性媒体中に含有され、該酸性媒体および/または塩基性媒体と共に、前記発電寄与物質供給口を通じて前記発電部へ供給されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項5

前記発電寄与物質輸送手段および前記生成物輸送手段が同一の動力源にて作動することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。

請求項6

前記酸性媒体が酸性水溶液からなり、かつ、前記塩基性媒体が塩基性水溶液からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項7

前記発電部において、前記反応物質が前記酸性媒体および前記塩基性媒体のそれぞれに含有されてなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項8

前記酸性媒体に含有される前記反応物質としての第1の物質と、前記塩基性媒体に含有される前記反応物質としての第2の物質と、が同一の物質であることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。

請求項9

前記反応物質が、過酸化水素であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項10

前記発電部において、前記酸性水溶液と前記塩基性水溶液とがその内部で層流を形成する流路構造が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。

請求項11

請求項12

請求項13

前記酸性媒体が酸性イオン伝導性ゲルから構成され、かつ、前記塩基性媒体が塩基性のイオン伝導性ゲルから構成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項14

前記酸性のイオン伝導性ゲルが、酸性水溶液を水ガラス無水二酸化ケイ素架橋ポリアクリル酸寒天、またはその塩類によりゲル化してなることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。

請求項15

前記塩基性のイオン伝導性ゲルが、塩基性水溶液をカルボキシメチルセルロース、架橋ポリアクリル酸、またはその塩類によりゲル化してなることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。

請求項16

前記第1の電極が、白金白金黒酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム炭素構造体アモルファスカーボン、およびグラッシーカーボンからなる群より選択される1以上の材料から構成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項17

前記第2の電極が、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、およびグラッシーカーボンからなる群より選択される1以上の材料から構成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項18

前記第1の電極および第2の電極が、板状、薄膜状、網目状、または繊維状であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

請求項19

前記第1の電極および第2の電極が、無電解メッキ法蒸着法、またはスパッタ法により、前記酸性媒体および前記塩基性媒体にそれぞれ配置されてなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

技術分野

0001

本発明は、特に携帯機器用等として好ましく用いることができる燃料電池に関する。

背景技術

0002

電池は、物質が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。また、その化学エネルギーを使い切るまで電力を提供する一次電池、使い切った後に充電操作によって化学エネルギーを再び蓄えて再使用が可能な二次電池、さらに、外部から化学エネルギーを有する物質を継続的に供給することで電気エネルギーを得る燃料電池に分類できる。現在、多種類の電池が開発されているが、各電池はそれぞれ、環境安全性、経済性、供給できる電気エネルギー量携帯性貯蔵性使用環境対応性、リサイクル性等の各項目について長所と短所が異なるので、使用目的に合わせて電池が選択され、実用に供されている。いずれの電池においても共通の重要な技術要素は、どのような化学物質の反応を利用するのか、その反応をどのようにして促進するのか、また、その化学物質をどのような形態で貯蔵・供給・回収するのかという点にある。

0003

電池では、還元反応相手電子を与えるか、もしくは酸素を引き抜く)を引き起こす還元剤と、酸化反応(相手から電子を引き抜くか、もしくは酸素を与える)を引き起こす酸化剤と、の2種の化学物質を使用する。その化学反応を、相対する2つの電極で別々に引き起こすことによって、発生した電子のエネルギーを外部に取り出す(電子の発生に伴って両極で生成したイオンは電池内部で中和される)。それらの反応効率は、使用する化学物質の種類と反応様式、電極材質活性度、また、電解質を含めた反応場の環境に依存する。さらに、どのような物質を選択して電池を構成するかは、前述した使用時のみならず、製造時・廃棄時も含めた電池システム全体の良否に関わるポイントである。

0004

近年、燃料電池の研究、開発が盛んに行われている。というのも、燃料電池は、絶えず外部から燃料を供給しつづければ充電することなく連続的に発電することができる上、発電効率が高く、環境への負荷が低いことから、多方面への利用が期待されているからである。
その用途の一つとして携帯機器用燃料電池が上げられ、携帯型のパーソナルコンピューター携帯電話等の電源としての開発が進められている。例えば、ポータブル機器に搭載する、水素を燃料とした固体高分子型燃料電池が開示されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、水素は可燃性の物質であり、取り扱いには細心の注意を払わなければならない。また、水素は常温常圧気体であることから、貯蔵方法にも注意が必要である。

0005

一方で、メタノール改質せずに燃料として使用する直接メタノール型燃料電池の開発も盛んに行われている。メタノールは常温常圧で液体であるため、気体である水素と比べるとその貯蔵や取り扱いが簡便であり、構造が簡単で小型の電池が作成できる。そのため、携帯機器の電源としての応用が見込まれている。しかし、メタノールは可燃性の液体であるため、その漏洩は非常に危険である。
特開平9−213359号公報

発明が解決しようとする課題

0006

以上から、本発明は、従来技術の問題点を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は、電極反応を促進することで、安定して十分な起電力を発揮させることが可能であり、かつ、簡易な構造で安全に反応物質を貯蔵、供給することができる燃料電池を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記目的は下記の本発明により達成される。
すなわち、本発明は、発電部と、発電寄与物質貯蔵部を備えた電池本体から着脱可能な容器と、発電寄与物質輸送手段と、発電寄与物質供給口と、を具備する燃料電池であって、前記発電部が、少なくとも、第1の電極が配置された酸性媒体と、第2の電極が配置された塩基性媒体と、を備え、前記酸性媒体および前記塩基性媒体が互いに隣接もしくは近設されてなり、前記酸性媒体および前記塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなり、さらに、前記発電寄与物質貯蔵部が反応物質貯蔵部を備え、前記発電寄与物質供給口が反応物質供給口を備え、該反応物質貯蔵部から前記反応物質を前記反応物質供給口を通じて前記発電部へ供給する反応物質輸送手段を前記発電寄与物質輸送手段に備えていることを特徴とする燃料電池である。

0008

本発明の燃料電池においては、下記第1〜第18の態様を少なくとも1つ適用することが好ましい。
(1)前記容器がさらに発電反応によって生じた生成物を回収する生成物回収部を具備し、かつ、前記生成物を前記生成物回収部へ輸送する生成物輸送手段と、生成物排出口と、を具備する態様である。
(2)前記発電寄与物質供給口が、さらに酸性媒体供給口および/または塩基性媒体供給口を具備し、前記発電寄与物質貯蔵部が、さらに前記酸性媒体を貯蔵する酸性媒体貯蔵部および/または前記塩基性媒体を貯蔵する塩基性媒体貯蔵部を具備し、かつ、前記発電寄与物質輸送手段が、さらに前記酸性媒体貯蔵部から前記酸性媒体を前記酸性媒体供給口を通じて前記発電部へ供給する酸性媒体輸送手段および/または前記塩基性媒体貯蔵部から前記塩基性媒体を前記塩基性媒体供給口を通じて前記発電部へ供給する塩基性媒体輸送手段を具備する態様である。
(3)前記反応物質供給口が、前記酸性媒体供給口および前記塩基性媒体供給口の少なくとも一方に組み込まれ、それに対応して、前記反応物質貯蔵部が、前記酸性媒体貯蔵部および前記塩基性媒体貯蔵部の少なくとも一方に組み込まれ、前記反応物質は前記酸性媒体貯蔵部に貯蔵された前記酸性媒体および/または前記塩基性媒体貯蔵部に貯蔵された前記塩基性媒体中に含有され、該酸性媒体および/または塩基性媒体と共に、前記発電寄与物質供給口を通じて前記発電部へ供給される態様である。
(4)前記発電寄与物質輸送手段および前記生成物輸送手段が同一の動力源にて作動する態様である。
(5)前記酸性媒体が酸性水溶液からなり、かつ、前記塩基性媒体が塩基性水溶液からなる態様である。
(6)前記発電部において、前記反応物質が前記酸性媒体および前記塩基性媒体のそれぞれに含有されてなる態様である。
(7)前記酸性媒体に含有される前記反応物質としての第1の物質と、前記塩基性媒体に含有される前記反応物質としての第2の物質とが、同一の物質である態様である。
(8)前記反応物質が、過酸化水素である態様である。
(9)前記発電部において、前記酸性水溶液と前記塩基性水溶液とがその内部で層流を形成する流路構造が設けられている態様である。
(10)前記酸性水溶液が、硫酸メタンスルホン酸トリフルオロメタンスルホン酸塩化水素酸ヨウ化水素酸臭化水素酸過塩素酸、過ヨウ素酸オルトリン酸ポリリン酸硝酸テトラフルオロホウ酸ヘキサフルオロ珪酸ヘキサフルオロリン酸ヘキサフルオロ砒酸ヘキサクロロ白金酸酢酸トリフルオロ酢酸クエン酸蓚酸サリチル酸酒石酸マレイン酸マロン酸フタル酸フマル酸、およびピクリン酸からなる群より選択される酸を1以上含む態様である。
(11)前記塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム水酸化カリウム水酸化リチウム水酸化カルシウム水酸化バリウム水酸化マグネシウム水酸化アンモニウム水酸化テトラメチルアンモニウム水酸化テトラエチルアンモニウム水酸化テトラプロピルアンモニウム、および水酸化テトラブチルアンモニウムを含む群から選択される塩基を1以上含む、または、炭酸ナトリウム炭酸水素ナトリウム炭酸カリウム炭酸水素カリウムホウ酸ナトリウムホウ酸カリウム珪酸ナトリウム珪酸カリウムトリポリリン酸ナトリウムトリポリリン酸カリウムアルミン酸ナトリウム、およびアルミン酸カリウムを含む群から選択されるアルカリ金属塩を1以上含む態様である。
(12)前記酸性媒体が酸性イオン伝導性ゲルから構成され、かつ、前記塩基性媒体が塩基性のイオン伝導性ゲルから構成される態様である。
(13)前記酸性のイオン伝導性ゲルが、酸性水溶液を水ガラス無水二酸化ケイ素架橋ポリアクリル酸寒天、またはその塩類によりゲル化してなる態様である。
(14)前記塩基性のイオン伝導性ゲルが、塩基性水溶液をカルボキシメチルセルロース、架橋ポリアクリル酸、またはその塩類によりゲル化してなる態様である。
(15)前記第1の電極が、白金白金黒酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム炭素構造体アモルファスカーボン、およびグラッシーカーボンからなる群より選択される1以上の材料から構成される態様である。
(16)前記第2の電極が、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金、表面を不動態化したチタン、表面を不動態化したステンレス、表面を不動態化したニッケル、表面を不動態化したアルミニウム、炭素構造体、アモルファスカーボン、およびグラッシーカーボンからなる群より選択される1以上の材料から構成される態様である。
(17)前記第1の電極および第2の電極が、板状、薄膜状、網目状、または繊維状である態様である。
(18)前記第1の電極および第2の電極が、無電解メッキ法蒸着法、またはスパッタ法により、前記酸性媒体および前記塩基性媒体にそれぞれ配置されてなる態様である。

発明の効果

0009

本発明によれば、電極反応を促進することで、安定して十分な起電力を発揮させることが可能であり、かつ、簡易な構造で安全に反応物質を貯蔵、供給することができる燃料電池を提供することができる

発明を実施するための最良の形態

0010

以下、本発明の燃料電池について詳細に説明する。

0011

<燃料電池>
本発明の燃料電池は、大きく分けて(1)発電部と(2)発電寄与物質貯蔵部を備えた電池本体から着脱可能な容器と(3)発電寄与物質輸送手段との3部から構成され、前記容器にはさらに生成物回収部を設けることができ、その場合には(4)生成物輸送手段が設けられる。
なお、本発明において「発電寄与物質」とは、後述の反応物質と、酸性媒体と、塩基性媒体と、をさす。

0012

(1)発電部
発電部は、第1の電極が配置された酸性媒体と、第2の電極が配置された塩基性媒体とを備えてなる。そして、酸性媒体および塩基性媒体は互いに隣接もしくは近設してなり、酸性媒体および塩基性媒体の少なくともいずれかに反応物質が含有されてなる。
本発明の電池は、上述の各部材を備える構成を有するバイポーラー型の電池である。そして、後述する、着脱可能な容器に備えられた反応物質貯蔵部、および反応物質輸送手段と組み合わせることで、燃料電池とすることが可能となり、発電部を備えた電池本体には、着脱可能な容器との間に、反応物質供給口を備えた発電寄与物質供給口を具備する。なお、本発明において、バイポーラー型の電池とは、酸性媒体と塩基性媒体とが隣接もしくは近設し、これらの中に電気エネルギーを取り出すための物質(反応物質)と電極が含まれる構成を有するものである。
尚、前記反応物質を媒体(酸性媒体および/または塩基性媒体)中に含有させる方法として、発電反応開始以前から媒体中に混合もしくは分散するか、電極の近傍に設置された流路を通して、或いは、毛細管への染込みを利用して、或いは直接的に媒体へ添加される方式としてもよい。

0013

酸性媒体または塩基性媒体に含有される反応物質は、下記のような作用により正極側および/または負極側での電極反応を生じさせ、効率のよい電気エネルギーの発生を可能とする。すなわち、かかる反応物質が、酸性媒体または塩基性媒体に存在しないと、電池としての十分な起電力が得られないことになる。

0014

例えば、上記反応物質が、酸性媒体および塩基性媒体のそれぞれに含有されてなる場合、酸性媒体中の反応物質である第1の物質は、その酸性媒体中に含まれる水素イオンを伴って第1の電極から電子を奪う反応を生じさせる。一方、塩基性媒体中の反応物質である第2の物質は、その塩基性媒体中に含まれる水酸化物イオンを伴って第2の電極へと電子を供与する反応を生じさせる。

0015

特に、本発明における燃料電池は、まず、(1)上記の酸性媒体中またはこれに接触する電極近傍で第1の物質および水素イオンが共存し、共に反応系物質として第1の電極から電子を奪う(酸化する)反応を引き起こす。また、(2)上記塩基性媒体中或いはこれに接触する電極近傍で第2の物質および水酸化物イオンが共存し、共に反応系物質として電極に電子を与える(還元する)反応を引き起こす。このような(1)および(2)の反応が同時に進行して、外部回路を駆動する電気エネルギーを発生する。

0016

なお、本発明の電池は、バイポーラー型反応場において、酸性媒体中の水素イオンは、第1の物質による第1の電極から電子を奪う反応に加わり、また、その濃度増加は反応を促進する(化学平衡生成系方向にずらす)作用を有する。一方、塩基性媒体を構成する水酸化物イオンは、第2の物質による第2の電極へと電子を供与する反応に加わり、また、その濃度増加は反応を促進する作用を有する。このため、水素イオン濃度或いは水酸化物イオン濃度を高くする、即ち、酸性媒体中ではpHを低くし、塩基性媒体ではpHを高くすることで反応を増強させることが可能となり、出力を高めることが可能な構成を有している点でも有効である。
以下、発電部を構成する各部材について、詳細に説明する。

0017

(酸性媒体および塩基性媒体)
本発明において、酸性媒体は、pH7未満(好ましくは、pHが3以下)である媒体を指し、水素イオンが存在する酸性反応場を形成し得ることが好ましい。また、塩基性媒体はpH7を超える(好ましくは、pHが11以上)媒体を指し、水酸化物イオンが存在する塩基性反応場を形成し得ることが好ましい。
これらの酸性媒体および塩基性媒体としては、それぞれが独立に、液体状態ゲル状態固体状態のいずれの態様であってもよいが、両媒体が同じ態様であることが好ましい。また、酸性媒体および塩基性媒体としては、有機化合物無機化合物の種類に関らず用いることができる。

0018

酸性媒体と塩基性媒体との好ましい組み合わせは、例えば、硫酸や塩酸リン酸等の酸性水溶液と、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアアンモニウム化合物等の塩基性水溶液と、の水溶液の組み合わせ;それらの水溶液をゲル化剤によってゲル化したイオン伝導性ゲルの組み合わせ;などが挙げられる。

0019

より具体的には、酸性水溶液としては、硫酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、塩化水素酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸、過塩素酸、過ヨウ素酸、オルトリン酸、ポリリン酸、硝酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロ珪酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロ砒酸、ヘキサクロロ白金酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、クエン酸、蓚酸、サリチル酸、酒石酸、マレイン酸、マロン酸、フタル酸、フマル酸、およびピクリン酸からなる群より選択される酸を1以上含む水溶液を用いることが好ましく、中でも、強酸である、硫酸、塩化水素酸、硝酸、リン酸を含むことがより好ましい。

0020

また、塩基性水溶液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化アンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、および、水酸化テトラブチルアンモニウムを含む群から選択される塩基を1以上含む、または、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、トリポリリン酸ナトリウム、トリポリリン酸カリウム、アルミン酸ナトリウム、およびアルミン酸カリウムを含む群から選択されるアルカリ金属塩を1以上含む水溶液を用いることが好ましく、中でも、強塩基である、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを含むことがより好ましい。

0021

さらに、酸性媒体としての酸性のイオン伝導性ゲルは、上記のような酸性水溶液を、水ガラス、無水二酸化ケイ素、架橋ポリアクリル酸、寒天、またはその塩類などのゲル化剤を用いて、ゲル化したものが好ましい。
一方、塩基性媒体としての塩基性のイオン伝導性ゲルは、上記のような塩基性水溶液を、例えば、カルボキシメチルセルロース、架橋ポリアクリル酸、またはその塩類をゲル化剤として用いて、ゲル化したものが好ましい。
なお、上記の酸や塩基は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。また、ゲル化剤の使用方法も同様である。

0022

発電部において、酸性媒体および塩基性媒体は、互いに隣接もしくは近設することを必須とするが、これは、酸性媒体中で水素イオンを放出することにより生成した対陰イオンと、塩基性媒体中で水酸化物イオンを放出したことにより生成した対陽イオンと、により塩を形成させて電荷バランスをとることを可能とするためである。そのため、例えば、上述のように、両媒体が、酸性水溶液と塩基性水溶液とからなる場合、生成した陽イオンおよび/または陰イオンを透過可能な特性を有している膜、あるいは、生成した陽イオンおよび/または陰イオンが移動可能な塩橋を用いれば、酸性媒体と塩基性媒体との間が分離される態様であってもかまわない。また、それぞれの全体が隣接している必要はなく、その一部が隣接していればよい。

0023

また、本発明の燃料電池が、発電寄与物質供給口にさらに酸性媒体供給口および/または塩基性媒体供給口を具備し、後述する着脱可能な容器に備えられた発電寄与物質貯蔵部において酸性媒体貯蔵部および/または塩基性媒体貯蔵部を具備する形態である場合、酸性媒体および/または塩基性媒体は、酸性媒体供給口および/または塩基性媒体供給口を通じて、後述する酸性媒体輸送手段および/または塩基性媒体輸送手段によって連続的に発電部に供給され、常にフレッシュな反応場が構築され、常時安定した発電が可能となる。

0024

(反応物質)
反応物質は、酸性媒体中に含有させる場合は、当該酸性媒体中で、水素イオンを伴って第1の電極から電子を奪う酸化反応を生成させる物質(酸化剤)であれば、如何なるものをも用いることができる。一方、塩基性媒体中に含有させる場合は、当該塩基性媒体中で、水酸化物イオンを伴って第2の電極へと電子を供与する還元反応を生成させる物質(還元剤)であれば、如何なるものをも用いることができる。
ここでは、好ましい態様として、酸性媒体に含有される反応物質としての第1の物質、および、塩基性媒体に含有される反応物質としての第2の物質を例に、以下詳細に説明する。

0025

第1の物質としては、水素イオン濃度が高い場合に反応が促進される物質であることが好ましい。具体的には、過酸化水素や酸素のほか、次亜塩素酸次亜臭素酸次亜ヨウ素酸等の次亜ハロゲン酸等を用いることができる。また、これらの物質を含有する液体、あるいは、化学変化によってこれらの物質を放出する液体、の状態で第1の物質を供給するようにしてもよい。

0026

また、第2の物質としては、水酸化物イオン濃度が高い場合に反応が促進される物質であることが好ましい。具体的には、過酸化水素、水素、ヒドラジン等を用いることができる。また、これらの物質を含有する液体、あるいは、化学変化によってこれらの物質を放出する液体、の状態で第2の物質を供給するようにしてもよい。

0027

第1の物質または第2の物質としては、鉄、マンガンクロムバナジウムといった酸化・還元反応によって価数を変化できる金属イオンや、それらの金属錯体を用いることができ、やはりこれらを含有する液体等を用いてこれらの物質を供給することもできる。

0028

尚、酸性媒体および塩基性媒体のそれぞれに反応物質を含有させる場合には、第1の物質および第2の物質が、同一成分からなることが好ましい。このような物質は、酸性媒体中で、水素イオンを伴って第1の電極から電子を奪う酸化反応を生成させ、塩基性媒体中では、水酸化物イオンを伴って第2の電極へと電子を供与する還元反応を起こさせる性質を有する。この場合には、電池の構成が容易になり、従来の電池で大きな課題であった正極側と負極側の化学物質の分離膜の選択の自由度が拡がるとともに、酸性媒体と塩基性媒体が混合されない状態に保てる場合には必ずしも分離膜を必要としない。

0029

上記のように、酸化剤および還元剤のどちらにも使用できる物質としては、特に過酸化水素が好ましい。この理由については後で詳細に説明する。なお、過酸化水素を含有する液体、あるいは、化学変化によって過酸化水素を放出する液体を用いて、過酸化水素を供給することが、取り扱いがより簡易になる点で好ましい。過酸化水素の供給手段である「液体」は、溶液溶媒として、水、有機溶媒等を含む)、分散液、ゲルの形態のいずれであってもよい。また、これらの使用形態は、上述した酸性媒体および塩基性媒体の形態との好ましい組み合わせにより選択されることが望ましい。
また、過酸化水素濃度は、後述する反応式から明らかなように、反応が過不足なく進むことから、酸性媒体中の水素イオン濃度および塩基性媒体中の水酸化物イオン濃度と1(過酸化水素):2(水素イオン、水酸化物イオン)とすることが好ましく、酸性媒体中の水素イオン濃度と塩基性媒体中の水酸化物イオンの濃度を同じとすることがより好ましい。
また、前述のように、過酸化水素は、反応開始以前から媒体(酸性媒体および/または塩基性媒体)中に混合もしくは分散されるか、電極の近傍に設置された流路を通して、或いは、毛細管への染込みを利用して、或いは直接的に媒体へ添加される方式としてもよい。

0030

このような構成によれば、電極での反応に水素イオンH+と水酸化物イオンOH-が関与する場合、酸性媒体中で第1の物質が水素イオンH+を伴って第1の電極から電子を奪う酸化反応を生じさせ、塩基性媒体中で第2の物質が水酸化物イオンOH-を伴って電極へと電子を供与する還元反応を生じさせる。このとき、酸性媒体中での酸化反応による起電力は、塩基性媒体中で酸化反応させるよりも、原理的に大きくなる。これは、水素イオンH+が反応系の物質であるため、水素イオン濃度の高い酸性媒体中では化学平衡が生成系に傾き、結果として酸化電位を高くするためである。また、塩基性媒体中での還元反応による起電力は、酸性媒体中で還元反応させるよりも、原理的に大きくなる。これは、水酸化物イオンOH-が反応系の物質であるため、水酸化物イオン濃度の高い塩基性媒体中では化学平衡が生成系に傾き、結果として酸化電位を低くするためである。
このため、本発明のバイポーラー型電池の構成では、電極における酸化・還元反応により生ずる起電力が、電池から得られる電圧主体的な源であり、電池内部の中和反応発生箇所が変動する性質を有する領域での起電力が主体的となるバイポーラー型の電池と比べて、安定に電力を発生させることができる。

0031

(第1の電極および第2の電極)
本発明において、第1の電極は正極であり、第2の電極は負極として機能する。これら第1の電極および第2の電極の材質としては、従来の電池における電極と同様のものを用いることができる。より具体的には、第1の電極(正極)として、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金等が挙げられる。また、表面を不動態化したチタン、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等が挙げられる。さらに、グラファイトカーボンナノチューブ等の炭素構造体、アモルファスカーボン、グラッシーカーボン等が挙げられる。ただし、耐久性の点から、白金、白金黒、酸化白金被覆白金がより好ましい。

0032

第2の電極(負極)としては、白金、白金黒、酸化白金被覆白金、銀、金等が挙げられる。また、表面を不動態化したチタン、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等が挙げられる。さらに、グラファイトやカーボンナノチューブ等の炭素構造体、アモルファスカーボン、グラッシーカーボン等が挙げられる。ただし、耐久性の点から、白金、白金黒、酸化白金被覆白金がより好ましい。

0033

本発明において、第1の電極および第2の電極のいずれもが、板状、薄膜状、網目状、または繊維状であることが好ましい。特に、本発明の実施形態の場合は、電池内で発生した気体の排出流路となるべく、網目状であることが好ましい。ここで、「網目状」とは、少なくとも、排出しようとする気体が通り抜けられる貫通路が存在する多孔質状態であることを指す。

0034

網目状の電極として、具体的には、金属製のメッシュパンチングメタル板発泡金属シートに、上記の電極用材料を、無電解メッキ法、蒸着法、またはスパッタ法によって付着させてもよいし、また、セルロース合成高分子製の紙類に、同様の方法或いはその組合せを用いて上記の電極用材質を付着させてもよい。
また、第1の電極および第2の電極が、イオン交換樹脂やイオン伝導性ゲルのような形状保持性の高い両媒体に配置される場合、かかるイオン交換樹脂やイオン伝導性ゲルの表面に、所望の電極用材料を、無電解メッキ法、蒸着法、またはスパッタ法を用いて配置することも好ましい態様である。

0035

(2)発電寄与物質貯蔵部を備えた電池本体から着脱可能な容器、および、生成物回収部
電池本体から着脱可能な容器には、発電寄与物質貯蔵部が具備されており、さらに生成物回収部が具備されていることが好ましい。上記発電寄与物質貯蔵部には、少なくとも1つの反応物質貯蔵部が具備され、さらに酸性媒体貯蔵部および/または塩基性媒体貯蔵部を設けることができる。
なお、それに対応して、電池本体には該容器との間に具備された発電寄与物質供給口には、少なくとも1つの反応物質供給口を備え、さらに酸性媒体供給口および/または塩基性媒体供給口を設けることができ、さらに生成物排出口を具備することができる。
上記反応物質貯蔵部は、反応物質供給口を通じて、後述する反応物質輸送手段によって発電部に供給する反応物質を貯蔵する部材であり、同様に、上記酸性媒体貯蔵部および塩基性媒体貯蔵部は、それぞれ酸性媒体供給口および塩基性媒体供給口を通じて、後述する酸性媒体輸送手段および塩基性輸送手段によって発電部に供給する酸性媒体および塩基性媒体を貯蔵する部材である。酸性媒体および塩基性媒体も反応物質とともに連続的に供給することにより、常にフレッシュな反応場が構築され、常時安定した発電が可能となる。
尚、酸性媒体に供給される反応物質を、始めから酸性媒体貯蔵部に貯蔵されている酸性媒体中に含有させることにより、反応物質貯蔵部を酸性媒体貯蔵部に組み込み、それに伴なって、反応物質供給口を酸性媒体供給口に組み込み、発電寄与物質貯蔵部および発電寄与物質供給口の構成を簡素化することができる。また、塩基性媒体に供給される反応物質に関しても同様である。

0036

生成物回収部は、生成物排出口を通じ、後述する生成物輸送手段によって回収した、発電反応によって発生した生成物を蓄積する部材である。回収された生成物は、反応物質、酸性媒体および塩基性媒体に再生することにより再度発電寄与物質貯蔵部に供給して再利用することができ、また、そのまま廃棄することもできる。

0037

上記反応物質貯蔵部に反応物質として過酸化水素を使用する場合を例に取ると、生成物回収部には水、酸素、および発電反応によって生じる塩が蓄積されることになる。

0038

反応物質貯蔵部および生成物回収部の材料としては、反応物質・生成物に対して化学的機械的耐性があればどのようなものでもかまわないが、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエステルポリエチレンポリスチレンエポキシ樹脂ポリイミドポリアミドポリメチルメタクリレートPMMA)、ポリビニルアルコールPVA)、ポリエーテルのようなポリマー樹脂が、電池全体の軽量化という点で好ましく、さらに、機械的、化学的耐性がより高いポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)といったエンジニアプラスチックが好ましい。

0039

また、酸性媒体および塩基性媒体(以下、単に「媒体」ということがある。)の貯蔵部の材料としては、酸・塩基に対して化学的・機械的耐性があればどのようなものでもかまわないが、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエステル、ポリエチレン、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエーテルのようなポリマー樹脂が、電池全体の軽量化という点で好ましく、さらに、機械的、化学的耐性がより高いポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)といったエンジニアプラスチックが好ましい。

0040

ここで、上記着脱可能な容器と電池本体との機構について説明する。
着脱可能な容器の発電寄与物質貯蔵部と、電池本体に具備された発電寄与物質供給口とが接続され、生成物回収部と生成物排出口とが接続されることにより、燃料電池として作動する。これらの接続には、電池本体または容器の少なくとも一方に、これらを互いに接続する機構、例えばコネクタージョイントが設けられており、着脱自在に構成されている。容器を電池本体に接続すると、後述する発電寄与物質輸送手段によって、発電寄与物質貯蔵部から発電寄与物質が発電寄与物質供給口を通じて発電部に供給されて発電が起こり、反応よって生じた生成物は、後述する生成物輸送手段によって生成物排出口を通じて生成物回収部に回収される。そして、発電寄与物質を使い尽くした後は、容器を取り外して生成物を回収する。必要であれば、発電寄与物質が充填された別の容器を装着し、発電を継続することもできる。
上記容器が着脱可能な機構となっていることにより、発電寄与物質や生成物を容器に封じた状態で簡便に貯蔵、運搬、取り扱いをすることができる。

0041

(3)発電寄与物質輸送手段、および、(4)生成物輸送手段
発電寄与物質輸送手段には、少なくとも1つの反応物質輸送手段が具備され、さらに前述の発電寄与物質貯蔵部において、酸性媒体貯蔵部および/または塩基性媒体貯蔵部が設けられている場合には、それぞれ酸性媒体輸送手段、塩基性媒体輸送手段が具備される。上記反応物質輸送手段は、反応物質貯蔵部から反応物質供給口を通じて発電部に反応物質を供給する部材であり、同様に、上記酸性媒体輸送手段および塩基性媒体輸送手段は、それぞれ酸性媒体貯蔵部および塩基性貯蔵部から酸性媒体供給口および塩基性媒体供給口を通じて発電部に酸性媒体および塩基性媒体を供給する部材である。
また、前述の容器に生成物回収部が具備されている場合には、生成物輸送手段が設けられる。生成物輸送手段は、発電反応によって生じた生成物を、生成物排出口を通じて前記生成物回収部に輸送する部材である。

0042

発電寄与物質輸送手段および生成物輸送手段としては、既存の方法を用いることができる。例えば、真空ポンプを用いた吸引による輸送や、毛細管現象を利用した輸送などがあげられる。さらに、予め発電寄与物質貯蔵部に具備された反応物質貯蔵部内加圧状態にしておくか、生成物回収部内を減圧状態にしておき、電池本体に容器を装着したときに反応物質貯蔵部−発電部−生成物回収部が一つのラインでつながるような構造をとれば、生じた圧力差によって反応物質輸送手段と生成物輸送手段を同一の動力源にて作動させることができ、反応物の供給・生成物の回収を行うことができ、ポンプの必要のない輸送手段が達成される。上記発電寄与物質貯蔵部が、さらに酸性媒体貯蔵部および/または塩基性媒体貯蔵部を具備する場合も、同様である。

0043

以下、本発明の燃料電池の好ましい実施形態について、図面を参照して説明するが、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。なお、説明の便宜上、反応物質に過酸化水素を用いた例により、本発明の燃料電池を説明する。

0044

図2に示す燃料電池は、電池本体700と、電池本体700から着脱可能な容器400とからなり、電池本体700には、発電部100、発電寄与物質供給口110および生成物排出口120が具備され、容器400には、発電寄与物質貯蔵部200および生成物回収部300が具備されている。また、容器400から発電寄与物質供給口110を通じ電池本体700にかけて発電寄与物質輸送手段500が設けられ、電池本体700から生成物排出口120を通じ容器400にかけて生成物輸送手段600が設けられている。
発電寄与物質貯蔵部200は、反応物質(過酸化水素)を貯蔵するための反応物質貯蔵部210と、酸性媒体および塩基性媒体を貯蔵するための媒体貯蔵部220を備える。さらに、媒体貯蔵部220は、酸性媒体貯蔵部221と、塩基性媒体貯蔵部222を備える。また、発電寄与物質供給口110は、反応物質供給口111と、酸性媒体供給口112と、塩基性媒体供給口113を備える。また、発電寄与物質輸送手段500は、反応物質貯蔵部210から反応物質供給口111を通じて発電部100へ反応物質を輸送する反応物質輸送手段510と、酸性媒体貯蔵部221から酸性媒体供給口112を通じて発電部100へ酸性媒体を輸送する酸性媒体輸送手段520と、塩基性媒体貯蔵部222から塩基性媒体供給口113を通じて発電部100へ塩基性媒体を輸送する塩基性媒体輸送手段530を備える。
この燃料電池の発電部100は、既述のように、酸性媒体として硫酸水溶液などの液体を、塩基性媒体として水酸化ナトリウム水溶液などの液体を用いた、酸−塩基バイポーラー反応場を有する。後述するように、発電に伴って、過酸化水素、硫酸水溶液および水酸化ナトリウムから、酸素および水と硫酸ナトリウムとが反応生成物として生成する。発電寄与物質貯蔵部200から連続的に過酸化水素、硫酸水溶液、水酸化ナトリウム水溶液を、発電寄与物質供給口110を通じ、発電寄与物質輸送手段500によって発電部100に供給することで発電し、発電反応によって生じた酸素および硫酸ナトリウム水溶液は、生成物排出口120を通じて生成物輸送手段600によって輸送され、生成物回収部300に回収される。

0045

発電部の具体的な構成に関して、図3を用いて説明する。
図3(a)は、発電部の概略上面透視図である。ここに示されるように、当該発電部は、スライドガラス11とカバーガラス10との間にスペーサ図3(b)における部材12)を介し、毛管流路1(深さ50μm、幅1000μm)が形成されている。この毛管流路1は、液体の酸性媒体と、液体の塩基性媒体と、を供給するための入口2および入口3と、排出するための出口4および出口5とを有する。例えば、入口2から酸性水溶液aを、入口3から塩基性水溶液bを、毛管流路1に流した時、両液体の粘度やその流速が適当である場合には毛管流路1の合流部分において層流(レイノルズ流)が形成される。

0046

この層流について、図3(b)を参照して説明する。図3(b)は、図3(a)の発電部をA−A’で切断した際に、両媒体の流れの方向からみた断面図である。これに示すように、酸性水溶液aおよび塩基性水溶液bは、毛管流路1の合流部分であっても、それぞれ、層流aおよび層流bを形成し、各々が互いに接しながらも、交じり合うことなく、毛管流路1内を流れることになる。そして、層流aおよび層流bを形成したまま、合流部分を通過して、分岐部分で再び分離し、出口4から酸性水溶液aが、出口5から塩基性水溶液bが排出され、それぞれが独立して回収される。
このような層流を形成している毛管流路1の合流部分の底部には、2つの電極6および8が設けられており、それぞれの接続端子7および9を通じて、外部へと電力を取り出すことができる。

0047

このように、層流を形成し、2つの液体が接触しているにも関らず、混合しない状態を形成するためには、毛細管流路における粘性流体の特性を応用することで実現できる。これは、液体の粘性、流速、また、流路形状管径或いは流路幅や深さ)に依存した定数レイノルズ数(Re)が約2000以下の場合に起きる現象(レイノルズ流現象)である。この現象を用いると、毛細管中で、適当な粘度と移動速度とを有する2液は、層流となって、非常に混合し難くなる特性が付与される。そのため、両層流に、第1の物質と第2の物質とをそれぞれ共存させた状態で、それぞれの層流中に電極を置くと、酸性媒体中における酸化反応と、塩基性媒体中における還元反応が生じ、起電力が発現して、電池となる。

0048

この発電部を1つの単位セルとすると、複数の単位セルを並列もしくは直列に配列することで、それぞれ電流量および電圧の増加が達成される。このような毛細管流路の複雑な構造は、ガラス石英シリコン高分子フィルムプラスチック樹脂セラミック、グラファイト、金属等の基板チップ)に対して、超音波研削半導体フォトリソグラィー、また、サンドブラスト射出形成シリコン樹脂モールディング等の既存加工技術を適用することで容易に作製できる。したがって、単位セルの集積化および複数のチップを重ねる積層化を行うことで、所望の性能(電流および電圧)を有する発電部が構築可能になる。

0049

発電寄与物質貯蔵部は、例えば、反応物質(過酸化水素)、酸性媒体(硫酸水溶液)、塩基性媒体(水酸化ナトリウム水溶液)が貯蔵されており、例えば、予め発電寄与物質貯蔵部内を加圧状態にしておくことにより圧力差が生じ、これらの反応物質等が発電部に供給される。なお、反応物質は、予め酸性媒体および/または塩基性媒体中に予め含有された状態で貯蔵されていても、それぞれ独立に貯蔵されていてもよい。
生成物回収部には、発電反応によって生じた生成物(硫酸ナトリウム水溶液と酸素)が、例えば、上記の圧力差によって発電部より排出され、回収される。
尚、上述のように、圧力差によって反応物の供給・生成物の回収を行うことにより、反応物質輸送手段と生成物輸送手段を同一の動力源にて作動させることができ、ポンプの必要のない輸送手段が達成され、発電寄与物質輸送手段と生成物輸送手段との機構を簡素化することができる。

0050

発電寄与物質の供給および生成物の回収手段の具体的な構成について図4を用いて説明する。発電寄与物質貯蔵部と生成物回収部からなる容器を電池本体に接続する際、発電寄与物質貯蔵部−発電部−生成物回収部が一つのラインに接続される。より詳しくは、過酸化水素と硫酸水溶液との混合用液が貯蔵された酸性媒体(反応物質)貯蔵部と、過酸化水素と水酸化ナトリウム水溶液との混合溶液が貯蔵された塩基性媒体(反応物質)貯蔵部とが、それぞれ発電部−生成物回収部と一つのラインに接続される。上記2種類の混合溶液は、それぞれ加圧された状態で貯蔵されており、接続と同時に圧力差によってこれらの溶液が発電部に供給される。発電によって生成した酸素と硫酸ナトリウム水溶液は上記の圧力差によって発電部から排出され、生成物回収部に回収される。
以上のように発電部に連続的に発電寄与物質を供給し、発電によって生じた生成物を排出することで、簡易な構成で常にフレッシュな反応場で発電反応を起こすことを可能とする。

0051

なお、反応物質を2種使用する場合は、それぞれについて反応物質貯蔵部および供給手段を設ければよい。

0052

発電機構
本発明の燃料電池は、第1の電極が配置された酸性媒体と、第2の電極が配置された塩基性媒体とを互いに隣接もしくは近設させた状態で、酸性媒体および塩基性媒体の少なくともいずれかに含有されてなる反応物質により、酸性媒体中での酸化反応および/または塩基性媒体中での還元反応を生じさせて、発電を行う。そして、前記反応物質を、着脱可能な容器に備えられた反応物質貯蔵部から連続的に前記酸性媒体および前記塩基性媒体の少なくともいずれかに供給され、発電反応によって生じた生成物を、上記容器に備えられた生成物回収部に回収するものである。

0053

本発明の燃料電池を用いれば、電極における酸化・還元反応により生ずる起電力が、電池から得られる電圧の主体的な源となり、その結果、安定に電力を発生させることができる。また、簡易な構成で常にフレッシュな反応場で発電反応を起こすことを可能とする。

0054

本発明の燃料電池を用いた場合の発電機構は、以下に説明する通りになると考えられる。
すなわち、酸性媒体に含有される第1の物質が水素イオンを伴って第1の電極から電子を奪う反応を生じさせ、かつ、塩基性媒体に含有される第2の物質が水酸化イオンを伴って第2の電極へと電子を供与する反応を生じさせて発電が起こると考えられる。
この反応により、第1の物質および第2の物質が内部エネルギーの低い複数の物質に化学変化することによって、その分のエネルギーを外部に電気エネルギーとして放出して電力を得ることができる。

0055

特に、酸性媒体が酸性水溶液、塩基性媒体が塩基性水溶液からなり、第1の物質および第2の物質が、いずれも過酸化水素である場合、過酸化水素は、分解反応によって水と酸素を生成する。この化学反応を、本発明の電池のように、別々の電極で酸化反応と還元反応に分離して行うと、起電力を生じる。即ち、過酸化水素は、酸性反応場では酸化作用を有し、一方で、塩基性反応場では還元作用を有するため、起電力が発生する。このような、酸−塩基バイポーラー反応場を利用することで、実現される。

0056

より具体的に、本発明における発電機構について、図1を参照して説明する。図1に示されるように、正極(第1の電極)が配置されている酸性反応場(酸性媒体)では、過酸化水素が酸化剤として働き、下記(式1)に示されるように、過酸化水素の酸素原子が電極から電子を受け取り、水を生成する。また、負極(第2の電極)が配置されている塩基性反応場(塩基性媒体)では、過酸化水素が還元剤として働き、下記(式2)に示されるように、過酸化水素の酸素原子が電極に電子を供与して、酸素と水を生成する。これら反応により、起電力が発生し、発電が行われる。

0057

H2O2(aq)+2H++2e- → 2H2O ・・・(式1)
H2O2(aq)+2OH- → O2+2H2O+2e- ・・・(式2)
上記式中、「(aq)」とは水和状態を示す(下記(式3)も同様)。

0058

なお、反応場内においては、酸性媒体中に存在する水素イオンの対アニオン図1中では、硫酸イオンSO42-に相当する)と、塩基性媒体中に存在する水酸化物イオンの対カチオン図1中では、ナトリウムイオンNa+)と、が両媒体の界面で塩を形成することで、電荷のバランスを取ることができる。このとき、形成される塩は、水溶液中では通常イオン化する方が安定であるため、塩の形成による起電力への効果は、電極における酸化或いは還元反応における起電力と比べるとはるかに小さい。この結果、電極反応が主体的となる本発明のバイポーラー型電池は、酸性・塩基性媒体界面における中和反応を主体としたバイポーラー型電池と比べ、安定した発電を行える性質を有することとなる。

0059

上記(式1)と(式2)の半反応式をまとめたイオン反応式(電荷のバランスが、酸性・塩基性媒体界面での水のイオン分解によって取られる場合)を下記(式3)に示す。

0060

H2O2(aq) → H2O+1/2O2 ・・・(式3)

0061

熱力学計算によると、この反応のエンタルピー変化(ΔH)、エントロピー変化(ΔS)、ギブス自由エネルギー変化(ΔG、温度T:単位はケルビン(K))は、それぞれ、ΔH=−94.7kJ/mol、ΔS=28J/Kmol、ΔG=ΔH−TΔS=−103.1kJ/molとなる。

0062

また、理論起電力(nは反応に関る電子数、Fはファラデー定数)と理論最大効率(η)は、それぞれ、E=−ΔG/nF=1.07V、η=ΔG/ΔH×100=109%と計算される。この反応の理論的特徴は、過酸化水素分解反応エントロピーが増加してΔSの符号が正になることである。そのため、ΔGの絶対値がΔHより大きくなり、理論最大効率が100%を超える。これとは異なり、水素−酸素系やダイレクトメタノール系等、他の燃料電池反応では、ΔSの符号は負である。

0063

これらのことから、本発明の燃料電池を用いた場合、第1の物質および第2の物質に過酸化水素を用いた場合の理論的特徴を以下に挙げる。
従来より知られている他の燃料電池では、原理的に、エントロピー変化量TΔSを発電に利用できず熱として放出する。一方、本機構では、外界から熱を吸収して得たエントロピーの増加分を発電に利用することができる。そして、反応温度Tが高い場合の方が、ΔGの絶対値が大きくなり起電力が高くなる。

0064

実用電池では、イオン反応式の理論起電力だけで出力電圧が決まるのではなく、過電圧等によって電圧が低下し同時に熱を発生する。例えば、単位電池スタックして集積化する場合、或いは、電池を製品内部に組み込む場合に、この熱が大きな問題になる。しかし、上述のように、本発明の電池を用いることにより、理論的にはその熱を発電に再利用することができ、全体的な熱発生が少なくなる可能性がある。また、発電に利用できるエネルギー総量に相当するΔGは水素・酸素燃料電池に比較して半分程度であるが、n=1(水素−酸素系の燃料電池の場合はn=2)であるために理論起電力は同程度となる。

0065

また、上記のことから、本発明の燃料電池において、第1の物質および第2の物質に過酸化水素を用いた場合には、既述のような効果の他に、下記のような効果が得られる。

0066

(1)過酸化水素は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する反応に伴って二酸化炭素を放出せず、その代わりに酸素を放出する。また、電池内の構造要素に、発火物・可燃物や有害な重金属類等を使用しないため、容易な外装で電池を構成できる。それ故、製造・使用・廃棄の製品サイクル全体に渡って環境安全性に優れる。
(2)過酸化水素は、常温常圧で液体であるため、貯蔵のために重い金属ボンベ等を必要としないし、水と自由に混合できるためゲル化が容易であり、貯蔵性・携帯性が優れている。
(3)酸化剤として酸素を使用する必要が無いため、空気量の限られた閉鎖環境下、また空気中に塵やゴミ等が多く含まれる過酷環境下でも、その使用に支障がない。
(4)過酸化水素は、その工業的製造方法として有機法(アントラキノン中間体(何度も再利用するので消費しない)として、触媒による水素の接触還元空気酸化とによって合成する方法)等がすでに確立されており、現状でも安定的に安価で供給されている。これに加え、周辺部品が少なくシンプルな構造で電池を構成し得るため、電池システム全体の重量および体積を小さくでき、かつ低コスト化高耐久性を図れる。

0067

以上、本発明の燃料電池について説明したが、本発明の構成は、既述のような構成に限定されるものではない。
例えば、上記構成の電池と、従来の水素燃料メタノール燃料による電池を組み合せて複合発電機として使用することも可能である。

0068

以下に本発明の効果を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

0069

[実施例1]
図3に示す発電部を備える、図2に示す燃料電池について、下記条件にて発電実験を行い、電流−電圧特性を求め、電池の評価を行った。
なお、発電部および発電寄与物質輸送手段、生成物輸送手段の詳細は、下記の通りである。

0070

まず、0.5mol/l過酸化水素水溶液5mlと、0.5mol/l硫酸水溶液5mlとを混合し試料液A10ml(過酸化水素0.25mol/l、硫酸0.25mol/l)を調製した。
また、0.5mol/l過酸化水素水溶液5mlと、1mol/l水酸化ナトリウム水溶液5mlとを混合し試料液B10ml(過酸化水素0.25mol/l、水酸化ナトリウム0.5mol/l)を調製した。

0071

そして、試料液A及びBをそれぞれ容器の一部がシリコンゴムからなるポリプロピレン製の容器に加圧した状態で密閉した。それぞれの容器に図3に示す入口2及び入口3からつながる輸送路を接続し、入口2から試料液Aを、入口3から試料液Bを注入した。その際、輸送路の接続部先端ステンレス製中空な針としておくことで、容器のシリコンゴム部に針を突き刺すことにより、液漏れや圧力の損失が無く試料液を供給できることを確認した。

0072

試料液Aと接触する流路底面の第1の電極(白金薄膜面積:0.03cm2)8表面ではガス発生が見られなかったのに対して、試料液Bと接触する流路底面の第2の電極(白金薄膜、面積:0.03cm2)6表面で酸素ガスの発生が観測された。これは、第1の電極8は、既述の(式1)の反応によって水が生成して正極の働きをし、第2の電極6は、既述の(式2)の反応によって酸素と水が生成して負極の働きをしたためである。

0073

試料液A及びBを連続的に供給した状態で、外部に1kΩの負荷をかけて放電実験を行った結果を図5に示す。本実施例の場合、10分間の放電の間、約1.9mW/cm2で一定の出力が得られた。

0074

反応によって生じた硫酸ナトリウム水溶液は、図3に示す出口4及び出口5から排出され、ポリプロピレン製の容器に回収した。

0075

以上、本実施例によれば、発電寄与物質貯蔵部と、発電部および生成物回収部と、の圧力差を用いて発電寄与物質を供給しつづけることにより図5に示すように一定の出力が得られる燃料電池として動作することが判明した。

図面の簡単な説明

0076

本発明の電池における発電機構を示す図である。
本発明の燃料電池の構成を示す説明図である。
(a)は、本発明の電池における発電部の1実施形態の概略上面透視図であり、(b)は、(a)に示す発電部をA−A’で切断した際に、両媒体の流れの方向からみた断面図である。
発電寄与物質供給・生成物回収の全体構成を概略的に示した説明図である。
実施例における放電特性を示す図である。

符号の説明

0077

1毛管流路
2、3 入口
4、5出口
6電極(第2の電極)
7接続端子
8 電極(第1の電極)
9 接続端子
10カバーガラス
11スライドガラス
12スペーサ
100発電部
110発電寄与物質供給口
111反応物質供給口
112酸性媒体供給口
113塩基性媒体供給口
120生成物排出口
200 発電寄与物質貯蔵部
210反応物質貯蔵部
220媒体貯蔵部
221 酸性媒体貯蔵部
222 塩基性媒体貯蔵部
300生成物回収部
400容器
500 発電寄与物質輸送手段
510 反応物質輸送手段
520 酸性媒体輸送手段
530 塩基性媒体輸送手段
600生成物輸送手段
700電池本体
a酸性水溶液
b 塩基性水溶液

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