(57)【要約】【課題】空気電池または燃料電池の電極として好ましい炭化された紙を、安価に提供すること。【解決手段】炭化された紙を含む正極と、金属からなる負極と、電解質層とを含む空気電池とする。前記電極は、２枚以上の炭化された紙からなっても良い。前記正極の第１の面が有する孔の径は、前記正極の第２の面が有する孔の径より小さいことを特徴としても良い。前記負極と、前記電解質層と、前記正極とは、この順で積層されていても良い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化された紙を含む正極と、金属からなる負極と、電解質層とを少なくとも備える空気電池
【請求項２】
前記正極は、２枚以上の炭化された紙を含むことを特徴とする、請求項１に記載の空気電池。
【請求項３】
前記正極の第１の面が有する孔の径は、前記正極の第２の面が有する孔の径より小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の空気電池。
【請求項４】
前記電解質層は、電解液を内包させている吸水性樹脂を含むことを特徴とする、請求項１から３に記載の空気電池。
【請求項５】
前記電解質層は、シート状であることを特徴とする、請求項１から４に記載の空気電池。
【請求項６】
前記負極と、前記電解質層と、前記正極とは、この順で積層されていることを特徴とする、請求項１から５に記載の空気電池。
【請求項７】
炭化された紙を含む正極と、金属からなる負極と、電解質層とを含み、
前記正極の第１の面が有する孔の径は、前記正極の第２の面が有する孔の径より小さいことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素を主とする電極、および空気電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、色々な分野で炭素材料が利用されている。
炭は、木材を炭化することにより作られるのが一般的であり、古くから燃料として利用されて来た。木炭の用途は、その特性を生かして、例えば、物理的利用、化学的利用、また趣味的利用と様々である。炭が注目される理由は、炭は自然素材であり、多孔質で吸着能力が高いことによる。例えば、新築の住居で発生するシックハウス症の原因物質と言われているホルムアルデヒドや、ＶＯＣ、水銀、鉛、またはカドミウムなどの有害物質を、炭は吸着するため、実用化され、大きな効果を上げている。その他にも、炭は、空気清浄効果、調湿作用、防塵効果、消臭効果、などを持つ。原材料にバラツキがある木材からなる木炭でも、優れた特性を発揮している。一般的には、木やヤシガラなどの原料を高温度で加熱することで、炭を作っている。炭の材料となる、原木やヤシガラは大きさが不揃いで、また年輪や節などがあり、均一な材料を集めることは困難である。原材料の形状や品質にバラツキがあるため、原材料の形状に制約を受けない燃料用、脱臭用の活性炭などの利用に限定されていた。
【０００３】
しかしながら、炭の優れた特性を利用するために、炭化された木材やヤシガラを、粉砕して作られた炭粉が、燃料電池や蓄電池の電極材として利用されるようになってきている。
電極材などでは、集電板に炭粉を担持するなどにより、炭をシート化している。そのことにより、多孔質構造体である炭の表面積の大きさを、電極材の集電性能向上に活用している。原材料を炭化することで、原材料の表面積は大きくなり、導電性を持ち、化学反応がし難い触媒機能を持った多機能材に変化する。しかし、炭をシート化するためには、粉末状にする必要がある。そのことにより、炭が本来持つ特性を十分活用出来ていない。
【０００４】
また、炭素繊維を用いた炭素紙や導電紙は、炭素繊維、天然繊維、やＰＶＡなどの合成繊維を混抄して造られる。炭素繊維と比べて、合成繊維は、繊維同士の接触抵抗が大きくなってしまう。そのため、混抄工程では、炭素紙や導電紙の抵抗値のバラツキを減らすことが重要である。炭素紙や導電紙の抵抗を下げるためには、炭素紙や導電紙中の炭素繊維の割合を大きくする必要がある。そのため、一旦炭化した炭素繊維に樹脂を含ませ、その後に、再度炭化処理を行うことで、炭素紙や導電紙を製造している。したがって、炭化するためのエネルギーが二重で必要になる。このことにより、炭素繊維を用いた炭素紙や導電紙は、コストが高くなる課題を持っている。そのため、安価な多孔質構造体の導電性シートの開発が望まれている。
【０００５】
従来技術として、導電率が温度上昇とともに増大する特性を有する木炭、すなわち半導体性木炭を使用しているものがある。金属よりなる負極と半導体性木炭よりなる正極とを電解物質を介して設けたことを特徴とする空気電池を提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−８５７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
空気電池や燃料電池は、環境を意識した材料からなる正極の提供が課題である。
本発明の課題は、空気電池の電極に好ましい炭化された紙を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、炭化された紙を含む正極と、金属からなる負極と、電解質層とを含む空気電池である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、空気電池の電極に好ましい炭化された紙を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の空気電池の一例の断面図である。
【図２】本発明の空気電池の一例の特性を評価する方法の模式図である。
【図３】本発明の空気電池の一例の断面図である。
【図４】本発明の空気電池の一例の特性を評価する方法の模式図である。
【図５】本発明の空気電池の一例の電圧特性を示すグラフである。
【図６】本発明の空気電池の一例の電流特性を示すグラフである。
【図７】本発明の空気電池における電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
紙は、複雑な繊維質の多孔質構造体である。そのため、紙は大きな表面積を有しており、他の物質との化学的反応を起こし難い。これらの特性は、電池、特に空気電池や燃料電池、の電極材として非常に都合がよいことが分かった。
炭の本来持つ特性を十分生かすためには、木からセルロースを抽出することが重要である。そのためには、原材料となる木の主成分であるセルロース、ヘミセルロース、リグニンなどからセルロースを抽出する。
木材から植物繊維を分離してパルプを作る工程で、リグニンなど不要な物質はセルロースから分離され、セルロースは精製されている。したがって、セルロースを抽出する設備を新たに導入する必要無い。
セルロースは、加熱しても溶融しないので、酸素のない条件で加熱すれば容易に炭化出来る。
紙は、抄紙工程において、細長い繊維状のパルプが絡みあった繊維層を形成することにより出来る。この繊維層からなる紙を、無酸素下で加熱することにより、高い炭素比率を持つ多孔質構造体にすることが出来る。紙を使えば、繊維層を新たに作る必要がない。
このように、紙を加熱する前の処理は、紙を抄紙する従来の工程を使用することが出来る。すなわち、紙を製造する既存装置を活用出来ることから、安価かつ品質の安定した素材を大量に生産出来ることが可能となる。
【００１２】
紙は多孔質構造体であるため、紙の表面には無数の孔がある。表面の孔の径が小さいほど、紙を構成する繊維の表面積が増える。そのことにより、空気電池の正極として、空気と接触する面積が増えるため、好ましい。
表面の孔は、電子顕微鏡で観察出来る。一定面積中に含まれる孔の数で、一定面積を割れば、平均的な孔の面積とすることが出来る。孔の面積と同じ面積を持つ円と見做すことで、孔の径を定義出来る。
木材の種類によって、孔の径は変わる。そのため、正極に好ましい孔の径を持つ紙を選ぶことが出来る。
【００１３】
（炭化された紙の製造工程）
炭の特性を十分に引き出すためには、加熱する工程における温度と時間の管理は重要である。水分除去の乾燥工程、不純物分離を実行する温度領域での初期加熱工程、そして、セルロースを炭化する温度領域での炭化工程を経て、紙は炭化される。不純物を分離する工程の温度と加熱時間は重要である。また、炭化工程においても、電気伝導度を向上させるための温度で加熱することが重要である。このことにより、炭化された紙、すなわち微細化された繊維層からなり、導電性を持つ多孔質構造体、を得ることが出来る。
【００１４】
炭化された紙の製造は、備長炭の製造に似ている。炭化された紙を製造するには、まず初期加熱工程として、２００℃前後の温度で、約１６時間程度加熱することにより、紙の内部にある水分や不純物を出来るだけゆっくり燃焼および蒸発させる。紙の種類により、適切な加熱温度はあるが、１５０℃から３００℃の範囲の温度で加熱することが好ましい。この工程は、純度の高い炭化された紙を製造するために重要である。紙を加熱する際に、紙が空気と触れると灰になってしまうため、空気の遮断が必要である。炭化工程では、１０００℃以上で加熱して、炭化された紙の導電性を高くする。その際、紙が燃焼して灰にならない環境であることが必要である。例えば、紙を加熱する容器内のガス雰囲気を調整することが挙げられる。
【００１５】
（炭化された紙の製造装置）
炭化された紙の製造装置は、内部で対象物が加熱される容器と、対象物を加熱するためのヒーターと、容器内のガス雰囲気を調整する装置を少なくとも備える。ヒーターは、加熱手段と、温度調節手段と、タイマー手段と、を少なくとも備えている。
加熱手段は、電気による発熱、赤外線を照射して加熱するなど、一般的な手段で構わない。対象物をすばやく加熱出来る手段が好ましい。
温度調節手段は、通常ヒーターが備えているもので良い。
タイマー手段は、加熱時間を正確にするためであり、紙から不純物を分離するために重要である。
ガス雰囲気を調整する装置は、一般的なもので構わない。容器内の空気を排出する手段、水素ガスや不活性ガスを導入する手段を備えていれば良い。
【００１６】
炭化された紙は、比表面積が１０００ｍ2／ｇ以上に増大する。そのため、優れた酸素吸引力と吸着力を持ち、高い電気導電特性を持つ。空気電池の正極、空気極とも言う、は、酸素還元能と導電性を兼ね備えている必要がある。炭化された紙は、これら両方の機能を持つ。たとえば、従来の電池では、集電機能、酸素吸引機能、触媒機能など、それぞれの機能に応じた材料から構成されていた。しかし、炭化された紙は、一素材だけでこれらの機能を持つため、構成及びコストの面から有利である。
【００１７】
（正極）
本発明の炭化された紙を正極として使用する。
正極の表面積を増やすために、炭化する紙を厚くしても良い。その場合、抄紙工程で、通常よりパルプを多めに沈殿させることにより、厚い紙を作れば良い。
また、炭化された紙を複数積層させて、正極として使っても良い。なぜなら、正極の表面積が増えるからである。空気電池の正極は、空気極とも言う。
空気電池の正極における第１の面とは、電解質層、セパレーター層とも言う、と接触する面の反対側である。すなわち、主に空気と接触する面である。
前記正極の第１の面が有する孔の径は、前記正極の第２の面が有する孔の径より小さいようにしても良い。正極の第１の面が有する孔の径を小さくすることで、電解質層との反応をさせ易くすることが出来る。正極が有する孔の径は、使用する材料や環境に合わせて、適宜設計すれば良い。
【００１８】
（電解質層）
本発明の空気電池における、電解質層は、電解液を内包させている吸水性樹脂を含むことが好ましい。空気電池の持ち運びに便利であるからである。
【００１９】
本発明の空気電池における、前記電解質層は、シート状であることが好ましい。正極や負極と積層させやすいからである。なお、負極は、燃料極、または金属極と言う場合もある。
【００２０】
（負極）
負極としての金属は、アルミニウム、亜鉛、リチウムなどが挙げられる。
【００２１】
本発明の空気電池では炭化された紙を含む正極と、金属からなる負極と、電解質層とを少なくとも備える。本発明の空気電池では、負極と、電解質層と、正極とは、この順で積層されていることを特徴とする。すなわち、負極の上に、電解質層が積層され、さらに電解質層の上に、正極が積層されている。正極は空気に触れる状態が好ましい。
【００２２】
本発明の炭化された紙は、燃料電池の正極にも使用出来る。すなわち、炭化された紙を含む正極と、金属からなる負極と、電解質層とを含み、前記正極の第１の面が有する孔の径は、前記正極の第２の面が有する孔の径より小さいことを特徴とすれば良い。
【実施例】
【００２３】
＜実施例１＞
図１に示したように、空気電池を作った。
正極（空気極）１０として、本発明である炭化された紙を使用した。負極（金属極）１４として、アルミニウム金属板を使用した。電解質層（セパレータ）１２として、電解液である２０ｗｔ％の食塩水を浸み込ませた吸水樹脂をシート状に固めたものを使用した。負極１４、電解質層１２、正極１０を、順に積層させた。電解室層１２に吸水樹脂を用いることで、多孔質構造体である正極１０の周りに水蒸気の発生を抑えた。そのことにより、正極１０と酸素の反応が起きやすいようにした。また、連続発電中に、電解質層に含まれる電解液を適宜補充した。
空気電池を、プロペラを装着したモーター２２と接続して回路を形成し、発生した電力を消費させた。発電時の電圧値と電流値を随時計測出来るように、この回路に電圧計と電流計を接続した。
図５、図６は、上記の回路に通電した直後から、適宜電圧値と電流値を測定した結果を示す。測定中、プロペラの回転状態も観察した。
図５、図６が示すように、通電直後は、空気電池は、電圧値で１．１ｖ、電流値で２８ｍＡを示した。時間経過と共に、空気電池が示す電圧値と電流値とも降下し続けた。約５００時間経過後から、発電量と消費量のバランスが取れた状態として、空気電池は、電圧値で０．７Ｖ、電流値で２０ｍＡを維持しながら、さらに約２０００時間発電した。これら測定値は、電極の接地面積、表面積、また厚み、並びに電解室層の表面積、厚みにより、異なることは、言うまでもない。
また、負極としての金属は、アルミニウムを使用したが、一般的に使用されている亜鉛、リチウムなどを用いても良い。
炭化された紙は、負極から分離した電子を正極に運ぶ導電機能と、その表面積は大きく、空気中から連続的に酸素を吸引出来ることが出来る多孔質構造体であることにより、金属イオンと酸素を反応させる機能とを備え、そのことにより、連続的に発電することが出来ることが、今回の実験結果から分かった。
【００２４】
＜実施例２＞
実施例２を、電解質層を変更した以外は、実施例１と同様に行った。電解質層を、電解液である食塩水のみにした。そのことにより、正極は電解液と直接接触している。したがって、正極に使用されている炭化された紙は、付近の水蒸気を吸収し、湿っている。
正極が電解液により浸食が、空気電池の発電にどの様な影響を与えるかを、図７に示した。電解質層にシート状の吸水樹脂を用い、電解液を電解質層に封入することにより、正極の炭化された紙が湿らない様にした状態で発電した場合、空気電池は、通電直後に０．７Ｖを示した。その後、空気電池の電圧値は、ゆっくりと下降しながら、約５０時間後に約０．５Ｖを示し、その後安定状態を維持した。
一方、電解質層に電解液を用い、正極の炭化された紙が湿った状態で発電した場合（実施例２）は、空気電池は、通電直後は０．７３Ｖを示し、電解質層に吸水樹脂を使用した場合の実施例１と同様の値を示した。しかし、空気電池の電圧値は降下し続け、約５０時間後に、発電しなくなった。多孔質構造体である正極の孔に電解液が浸透し、周辺の酸素と反応出来ないことにより、炭化された紙が酸化還元能を示さなくなったと考えられる。
図５と図７とにおいて、測定値が違いがある理由は、各実験において、正極の面積、及び電解質層の厚さが同一でないためである。今回の実験では、これらの要因は、測定値の挙動には、影響しないものとした。
電解質層からの電解液の正極への浸食を防止することで、炭化された紙を長期に安定した発電が出来る正極とすることが出来ることが、以上の実験から分かった。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、空気電池または燃料電池の正極、また炭化する紙の製造に用いることが出来る。
【符号の説明】
【００２６】
１  ・・・・・空気電池
１０・・・・・正極
１２、１３・・・・・電解質層
１４・・・・・負極
２０・・・・・受け皿
２２・・・・・モーター
２４・・・・・プロペラ
２６・・・・・電圧計
２８・・・・・電流計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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