(57)【要約】【課題】  燃料電池１０の起電圧を増加する。【解決手段】  燃料電池１０は、内側主面同士が互いに対向するように設けられた負極板１および正極板２と、前記負極板１および前記正極板２の前記内側主面に挟まれた電解液保持用の炭素繊維布３と、前記負極板１および前記正極板２の前記外側主面に設けられた、前記炭素繊維布３を前記負極板１および前記正極板２ごと押圧する固定部材４とを備えており、前記炭素繊維布３は、前記負極板１および前記正極板２の前記内側主面に挟まれた部分に、前記固定部材４に押圧されている押圧領域３１と、前記固定部材４に押圧されていない非押圧領域３２とを有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側主面同士が互いに対向するように設けられた負極板および正極板と、前記負極板および前記正極板の前記内側主面に挟まれた電解液保持用の炭素繊維布と、前記負極板および前記正極板の前記外側主面に設けられた、前記炭素繊維布を前記負極板および前記正極板ごと押圧する固定部材とを備えており、前記炭素繊維布は、前記負極板および前記正極板の前記内側主面に挟まれた部分に、前記固定部材に押圧されている押圧領域と、前記固定部材に押圧されていない非押圧領域とを有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記負極板の前記内側主面と前記正極板の前記内側主面との間隔が、前記押圧領域を挟む部分よりも前記非押圧領域を挟む部分の方が、大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
平面視したときに、前記炭素繊維布のうち前記負極板および前記正極板の前記内側主面に挟まれた領域の形状が長方形状であるとともに、前記押圧領域の両側に前記非押圧領域があることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記長方形状の短軸方向で見たときに、一方側から他方側に向かうにつれて前記負極板の前記内側主面と前記正極板の前記内側主面との間隔が狭まっていること特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記押圧領域と前記非押圧領域との界面が前記長方形状の長軸と並行していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、例えば、特許文献１に記載のマグネシウム燃料電池が知られている。特許文献１に記載のマグネシウム燃料電池は、正極集電体と、負極材と、正極集電体と負極材との間に設けられたセパレータと、を備えている。セパレータは、正極集電体と負極材との間の短絡を防止するとともに、電解液を保持する役割を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３４７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたマグネシウム燃料電池においては、空気中の酸素を正極活物質として用いるとともに、マグネシウムを負極活物質として用いている。正極においては、酸素と水とが電子を受け取って水酸化物イオンとなる。負極においては、マグネシウムが電子を放出してマグネシウムイオンとなる。マグネシウムイオンは電解液中に溶出する。電池全体としてみると、マグネシウム、酸素および水から水酸化マグネシウムを生成することになり、この生成の際に両極間に起電力が発生する。これらの反応は酸素と電解液との気液界面で生じるため、この界面をいかに保つかが重要となる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池においては、起電圧を増加させることが困難であった。具体的には、起電圧を増加させることを目的として、セパレータ中に蓄えられる電解液の量を増やすために、セパレータ中の空隙を細かく（小さく）した場合には、セパレータに入り込む酸素量が減ってしまうおそれがあった。反対に、同じ目的で、セパレータ中に入り込む酸素量を増やすために、セパレータ中の空隙を粗く（大きく）した場合には、蓄えられる電解液の量が減ってしまうおそれがあった。これらのことから、セパレータ中において酸素と電解液とをバランスよく確保し、酸素と電解液との気液界面を保つことが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の燃料電池は、内側主面同士が互いに対向するように設けられた負極板および正極板と、前記負極板および前記正極板の前記内側主面に挟まれた電解液保持用の炭素繊維布と、前記負極板および前記正極板の前記外側主面に設けられた、前記炭素繊維布を前記負極板および前記正極板ごと押圧する固定部材とを備えており、前記炭素繊維布は、前記負極板および前記正極板の前記内側主面に挟まれた部分に、前記固定部材に押圧されている押圧領域と、前記固定部材に押圧されていない非押圧領域とを有している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様の燃料電池においては、炭素繊維布が押圧領域と非押圧領域とを有している。このため、炭素繊維布のうち、押圧領域は密度が高くなり、非押圧領域は密度が低くなる。これにより、炭素繊維の密度が高い部分においては、繊維間の空隙（隙間）が相対的に細かくなることから、繊維間の空隙（隙間）に電解液を多く蓄えることができる。また、炭素繊維の密度が低い部分においては、繊維間の空隙が相対的に大きくなることから、繊維間の空隙に入り込む酸素量を増やすことができる。そして、押圧領域と非押圧領
域との境界を主として電解液と酸素との気液界面を良好に確保することができる。その結果、燃料電池の起電圧を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の燃料電池の実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池を示す側面図である。
【図３】燃料電池の変形例を示す側面図である。
【図４】図１に示す燃料電池を示す平面図である。
【図５】燃料電池の変形例を示す平面図である。
【図６】図５に示す燃料電池の側面図である。
【図７】燃料電池の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施形態の燃料電池について詳細に説明する。
【００１０】
図１、２に示すように、燃料電池１０は、内側主面同士が互いに対向するように設けられた負極板１および正極板２と、負極板１および正極板２の内側主面に挟まれた電解液保持用の炭素繊維布３と、負極板１および正極板２の外側主面に設けられた、炭素繊維布３を負極板１および正極板２ごと押圧する固定部材４とを備えている。燃料電池１０は、例えば、電解液が入った容器と共に用いられる。燃料電池１０は、炭素繊維布３の一部が電解液中に位置するようにして用いられる。電解液としては、例えば、食塩水または水酸化ナトリウム水溶液等のイオン溶液を用いることができる。なお、燃料電池１０の実際の使用にあたっては、負極板１および正極板２のそれぞれにリード端子等が取り付けられてもよい。
【００１１】
負極板１は、例えば、マグネシウム合金から成る。マグネシウム合金としては、例えば、マグネシウムを主成分とする合金が上げられる。より具体的には、アルミニウムおよびカルシウムを含有するマグネシウム合金が上げられる。燃料電池１０を使用する際には、負極板１を構成するマグネシウムが電子を放出する。この際、電子を放出したマグネシウムは、マグネシウムイオンとなって電解液中に溶出する。
【００１２】
負極板１は、板状の部材である。負極板１は、主面の形状が例えば長方形状である。負極板１の寸法は、例えば、幅を３０〜４０ｍｍ、長さを１２０〜１５０ｍｍ、厚みを０．１〜２ｍｍに設定できる。
【００１３】
正極板２は、酸素に電子を供給する役割を有している。酸素を含む気体としては、例えば、空気が挙げられる。正極板２は、例えば、メッシュ状のニッケルを用いることができる。正極板２がメッシュ状のであることによって、正極板２における酸素との接触面積を大きくすることができる。そのため、燃料電池１０の起電圧を大きくすることができる。
【００１４】
正極板２は、主面が負極板１の主面と対向するように設けられている。正極板２の寸法は、例えば、幅を３０〜４０ｍｍ、長さを１２０〜１５０ｍｍに、厚みを１〜４ｍｍ設定できる。メッシュの細かさは、例えば、１６〜４０メッシュに設定できる。
【００１５】
炭素繊維布３は、負極板１と正極板２との間に位置している。炭素繊維布３は、電解液を保持するための部材である。炭素繊維布３は、例えば、グラファイトから成る。グラファイトは、炭素原子が規則正しく並んだ網目構造を有している。炭素繊維布３は、繊維間の隙間を細かく形成することができることから、表面積を大きくすることが容易である。炭素繊維布３は、例えば、数千ｍ２／ｇの比表面積を有している。そのため、炭素繊維布３は、この表面積の大きさを活かして隙間に電解液を保持することができる。同様に、炭
素繊維布３は、隙間に酸素を入り込ませることができる。
【００１６】
負極板１と正極板２との間に位置している炭素繊維布３が電解液を保持することによって、負極板１においては電子を放出して、正極板２においては電子を受け取ることができる。言い換えると、負極板１と正極板２との間で電子の移動を行なうことができる。なお、ここでいう、「炭素繊維布３が電解液を保持する」とは、厳密な意味で炭素繊維布３が電解液を保持し続けることを求めているものではない。例えば、容器に入れられた電解液に炭素繊維布３を漬した状態を続けることによって燃料電池１０を使用することもできるし、また、炭素繊維布３を電解液で濡らすことによって燃料電池１０を使用してもよい。これらの場合も、炭素繊維布３が電解液を保持していると見なすことができる。
【００１７】
炭素繊維布３の寸法は、例えば、幅を３〜１２ｍｍ、長さを４〜１５ｍｍに、厚みを０．１〜２ｍｍ設定できる。
【００１８】
本実施形態においては、さらに、負極板１と炭素繊維布３との間にセパレータ５が設けられている。セパレータ５は、負極板１と正極板２との間の短絡を防止するために設けられている。セパレータ５としては、例えば、電解液は通しつつも負極板１と正極板２との間の短絡を防止できる部材からなる。このような部材としては、例えば、和紙が挙げられる。セパレータ５は、炭素繊維布３とともに負極板１および正極板２に挟まれることによって固定されている。
【００１９】
固定部材４は、負極板１と正極板２と炭素繊維布３とを固定するための部材である。固定部材４は、例えば、２枚の金属板４１、ボルト４２およびナット４３から成る。金属板４１、ボルト４２およびナット４３は、例えば、ステンレスから成る。図２に示すように、金属板４１は、負極板１、正極板２および炭素繊維布３を挟んで２枚設けられている。金属板４１は、金属板４１の長手方向が負極板１、正極板２および炭素繊維布３の長手方向に交わるように設けられている。言い換えると、金属板４１の長手方向は、負極板１、正極板２および炭素繊維布３の短手方向に対応している。金属板４１は、負極板１、正極板２および炭素繊維布３の長手方向の中心部を挟むように設けられている。
【００２０】
２枚の金属板４１は、２枚の金属板４１が互いに近づく方向に力が加えられることによって固定されている。具体的には、２枚の金属板４１はボルト４２およびナット４３によって互いに引き付けあうように固定されている。これにより、固定部材４に挟まれる負極板１、正極板２、炭素繊維布３およびセパレータ５を固定することができる。
【００２１】
金属板４１の寸法は、例えば、幅を３〜１２ｍｍ、長さを４〜１５ｍｍに、厚みを０．１〜２ｍｍに設定できる。
【００２２】
本実施形態の燃料電池１０は、内側主面同士が互いに対向するように設けられた負極板１および正極板２と、負極板１および正極板２の内側主面に挟まれた電解液保持用の炭素繊維布３と、負極板１および正極板２の外側主面に設けられた、炭素繊維布３を負極板１および正極板２ごと押圧する固定部材４とを備えている。そして、図２に示すように、炭素繊維布３は、負極板１および正極板２の内側主面に挟まれた部分に、固定部材４に押圧されている押圧領域３１と、固定部材４に押圧されていない非押圧領域３２とを有している。
【００２３】
このため、炭素繊維布３のうち、押圧領域３１は密度が高くなり、非押圧領域３２は密度が低くなる。これにより、炭素繊維の密度が高い部分においては、繊維間の空隙（隙間）が相対的に細かくなることから、繊維間の空隙に電解液を多く蓄えることができる。また、炭素繊維の密度が低い部分においては、繊維間の空隙が相対的に大きくなることから
、繊維間の空隙に入り込む酸素量を増やすことができる。つまり、押圧領域３１においては電解液を多く蓄えることができ、非押圧領域３２においては流れ込む酸素量を増やすことができる。そして、押圧領域３１と非押圧領域３２との境界を主とした電解液と酸素との気液界面を良好に確保することができる。その結果、燃料電池１０の起電圧を増加させることができる。
【００２４】
押圧領域３１における押圧の強さは、例えば固定部材４がボルト４２およびナット４３から成る場合には、これらのボルト４２およびナット４３を調整することによって変化させることができる。押圧領域３１と非押圧領域３２における密度を良好に変化させるためには、例えば、炭素繊維布３の厚みが１ｍｍの場合には、固定部材４による押圧の大きさを０．１４〜４Ｎ／ｍｍ２に設定できる。
【００２５】
また、図３に示すように、負極板１の内側主面と正極板２の内側主面との間隔が、押圧領域３１を挟む部分よりも非押圧領域３２を挟む部分の方が、大きくてもよい。これにより、炭素繊維布３に外部から酸素を流れ込みやすくすることができる。特に、正極板２の断面形状が固定部材４の方向に凹んだ湾曲形状であることによって、負極板１の内側主面と正極板２の内側主面との間隔が、押圧領域３１を挟む部分よりも非押圧領域３２を挟む部分の方が大きくなっていてもよい。この場合には、正極板２と炭素繊維布３の非押圧領域３２との間に隙間を形成しやすくなるので、炭素繊維布３の非押圧領域３２にさらに酸素を流れ込みやすくできる。
【００２６】
また、図４に示すように、平面視したときに、炭素繊維布３のうち負極板１および正極板２の内側主面に挟まれた領域の形状が長方形状であるとともに、押圧領域３１の両側に非押圧領域３２があってもよい。押圧領域３１の両側に非押圧領域３２があることによって、電解液と酸素との気液界面をさらに増やすことができる。その結果、燃料電池１０の起電圧を増加させることができる。なお、図４は平面図であるが、理解を助けることを目的として、押圧領域３１に対応する領域（負極板１のうち押圧領域３１に重なる領域）にドットパターンを施している（以下、図５および図７も同様）。また、図４における一点鎖線は気液界面のイメージを示している（以下、図５および図７も同様）。
【００２７】
また、図５、６に示す燃料電池１０のように、長方形状の炭素繊維布３における短軸方向で見たときに、一方側から他方側に向かうにつれて負極板１の内側主面と正極板２の内側主面との間隔が狭まっていてもよい。このように、負極板１の内側主面と正極板２の内側主面との間隔を変化させることによって、押圧領域３１における押圧の強さに変化（傾斜）をもたせることができる。押圧領域３１および非押圧領域３２を設けつつも、押圧領域３１のうちの一方側と他方側とにおいて押圧の強さを変えることによって、例えば、図５に示すように、電解液と酸素との気液界面を押圧領域３１と非押圧領域３２との境界に対して傾斜させることができる。これにより、押圧領域３１における押圧の強さが一定である場合と比較して、気液界面を長くすることができる。その結果、燃料電池１０の起電圧を増加させることができる。
【００２８】
一方側から他方側に向かうにつれて負極板１の内側主面と正極板２の内側主面との間隔が狭まっている構成にする方法としては、例えば、固定部材４としてボルト４２およびナット４３をい用いる場合であれば、一方のボルト４２（図５、６においては右側のボルト４２）およびナット４３を緩く固定するとともに、他方のボルト４２（図５、６においては左側のボルト４２）およびナット４３を強く固定すればよい。
【００２９】
また、図７に示すように、押圧領域３１と非押圧領域３２との界面が炭素繊維布３の長方形状の長軸と並行していてもよい。押圧領域３１と非押圧領域３２との界面を炭素繊維布３の長軸に並行させることによって、押圧領域３１と非押圧領域３２との界面を長くで
きる。そのため、電解液と酸素との気液界面を長くすることができる。その結果、燃料電池１０の起電圧を増加させることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１：負極板
２：正極板
３：炭素繊維布
３１：押圧領域
３２：非押圧領域
４：固定部材
５：セパレータ
１０：燃料電池
【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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