可逆燃料电池以及可逆燃料电池系统技术方案

可逆燃料电池包含：含有二氧化锰的正极；含有储氢材料的负极；存在于所述正极和所述负极之间的分隔件；分别独立地储存所述正极产生的氢和所述负极产生的氧的氧储存室和氢储存室；以及电解液。所述正极和所述负极均为用于发电的电极，并且是使用从外部供给的电流对所述电解液进行电解的电极，此外，所述氧储存室装满溶解有氧的所述电解液。该电池能够将过充电时供给的电能转化为气体而储存，并且还能够再转换为电能加以利用。因此，提供了一种具有优异的能量利用效率、能量密度和负载跟踪能力的可逆燃料电池和电池系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】可逆燃料电池包含：含有二氧化锰的正极；含有储氢材料的负极；存在于所述正极和所述负极之间的分隔件；分别独立地储存所述正极产生的氢和所述负极产生的氧的氧储存室和氢储存室；以及电解液。所述正极和所述负极均为用于发电的电极，并且是使用从外部供给的电流对所述电解液进行电解的电极，此外，所述氧储存室装满溶解有氧的所述电解液。该电池能够将过充电时供给的电能转化为气体而储存，并且还能够再转换为电能加以利用。因此，提供了一种具有优异的能量利用效率、能量密度和负载跟踪能力的可逆燃料电池和电池系统。【专利说明】可逆燃料电池以及可逆燃料电池系统
本专利技术涉及一种能够在充电时将电能储存为化学能，并通过再转换为电能来利用 所储存的化学能的可逆燃料电池。本专利技术还涉及包含该可逆燃料电池的可逆燃料电池系 统、可逆燃料电池模块以及可逆燃料电池库。
技术介绍
二次电池和燃料电池是高效、清洁的能源。近年来，在全球范围内一直在开发装配 有此类二次电池和燃料电池作为电源的电动车辆、燃料电池车辆和火车。 燃料电池作为具有高能量转换效率和环境负担小的电源已经引起了注意。燃料电 池不能进行蓄电。然而，有可能将燃料电池与诸如通过水的电解产生氢的氢制造装置相结 合来构建特定的储电系统。这样的储电系统被称为可逆燃料电池（参照专利文献1和专利 文献2)。燃料电池和水电解装置相结合所构成的可逆燃料电池在不发电时，利用自然能源 或夜间电力作为发电的逆反应进行水的电解。因此，该发电系统产生供自身使用的燃料。 另一方面，二次电池已被用作电动工具等要求大电流放电的电气和电子设备的电 源。特别是近年来，已经注意到作为由发动机和电池驱动的混合动力车辆的电池的镍氢二 次电池和锂离子二次电池。 通常的二次电池可接受电能供给进行充电，从而储存电力。专利文献3公开了一 种可使用气体进行再充电的二次电池。此外，专利文献4中公开了一种新型燃料电池，该燃 料电池是燃料电池和二次电池的组合，该电池使用氢氧化锰作为正极活性物质，使用储氢 合金作为负极活性物质。 引用文献 专利文献 专利文献1 :日本特开2002-348694号公报 专利文献2 :日本特开2005-65398号公报 专利文献3 :日本特开2010-15729号公报 专利文献4 :日本特开2010-15783号公报
技术实现思路
技术问题 二次电池可进行蓄电。然而，负极活性物质的量和正极活性物质的量取决于电池 的容积。因此，电池可蓄入的电容量是有限的。此外，也难以大幅度提高二次电池的能量密 度。 另一方面，燃料电池使用外部供给的氢气或氧气发电（放电）。因此，燃料电池不 会产生如二次电池中关于能量密度的限制的问题。通常，为了使用燃料电池，有必要在电极 部分提供供给氢气和氧气的装置或部件。此外，燃料电池在对于负载变化的跟踪性方面不 如二次电池。因此，燃料电池难以单独作为诸如车辆等需要大的负载变化的装置的电源使 用。 进一步地，由氢制造装置（参见例如专利文献1)产生的气体为氢与氧比率为2:1 的氢氧混合气（hydroxygen gas),因此，有必要注意确保安全性。 在专利文献4中公开的"燃料电池蓄电池"使用氢氧化锰作为正极活性物质，从而 在重复充放电期间产生对充放电反应没有贡献的四氧化三锰。因此，该燃料电池具有寿命 特性差的问题。 锌-锰一次电池作为使用二氧化锰制作正极的水溶液系电池已被广泛了解。 锌-锰电池专门作为一次电池使用，而不能用作二次电池。其理由如下所述：在锰电池的正 极，在放电过程中，二氧化锰Μη0 2转变为氢氧化氧锰MnOOH，然后转变为氢氧化锰Μη (0H) 2。 此时，当放电继续进行直至生成氢氧化锰时，生成抑制正极再充电的四氧化三锰Μη30 4。艮Ρ， 存在下列问题：在重复放电过程（氢氧化氧猛一氢氧化猛）和充电过程（氢氧化猛一氢氧 化氧锰）期间，正极中生成的不可逆物质四氧化三锰增加。 四氧化三锰具有导电性低的特征。导电性低将导致充电时间过长，使得难以满意 地对电池进行充电。此外，导电性低也将使得电池充电效率变差。因此，当四氧化三锰增加 时，燃料电池性能劣化，并最终变得不可用。因此，二氧化锰专门用于一次电池，但目前不作 为二次电池的正极活性物质使用。 鉴于上述各个方面，本专利技术的目的是提供一种可逆燃料电池，所述可逆燃料电池 具有高能量密度、优良的负载跟踪能力，并且寿命特性优异。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行锐意研究，完成了本专利技术的可逆燃料电池。 本专利技术的可逆燃料电池（以下，称为本燃料电池）包含：含有二氧化锰的正极；含 有储氢材料的负极；存在于所述正极和所述负极之间的分隔件（separator);分别独立地 储存所述正极产生的氢和所述负极产生的氧的氧储存室和氢储存室；以及电解液。在该燃 料电池中，所述氧储存室装满溶解有氧的所述电解液。 在本燃料电池中，所述负极和所述正极的放电反应可分别由式（1)和式（3)表示， 所述负极和所述正极的充电反应可分别由式（2)和（4)表示： MH - M+HX (1) M+1/2H2 - MH (2) Mn02+H++e- - MnOOH (3) Μη00Η+02 - Mn02+H20 (4) 在式（1)和⑵中，M表示储氢材料。 如表示该燃料电池的充电过程的式（2)和式（4)所示，负极和正极分别通过氢和 氧进行化学充电。 如反应式（3)和（4)所示，在充放电期间，正极活性物质反复进行返回到二氧化锰 以及转变为氢氧化氧锰。 当继续放电到二氧化锰变为氢氧化锰，会不利地产生四氧化三锰。因此，专利技术人考 虑到，如果未继续放电到二氧化锰转变为氢氧化锰，则不生成四氧化三锰，从而正极也不会 劣化。并且，专利技术人通过实验证明了这一考虑的正确性。下文对该实验进行说明。 专利技术人通过实验研究了二氧化锰充放电循环特性相对于放电反应深度的转变。图 13A和13B示出了实验结果。图13A和13B中，纵轴表示电极电势，而横轴表示放电量。图 13A示出单电子反应充放电重复30次得到的放电曲线。图13B示出双电子反应充放电重复 30次得到的放电曲线。如图13A所示，即使重复充放电，放电曲线也几乎不变。另一方面， 如图13B所示，由于重复充放电，导致放电量减少。此处，单电子反应是指在二氧化锰转变 为氢氧化氧锰的放电反应。双电子反应是指二氧化锰转变为氢氧化氧锰，然后转变为氢氧 化锰的放电反应。由图13A和13B所示的实验结果可见，只要是单电子反应的情况，放电特 性几乎保持均一。此外，发生双电子反应时，随着充放电的重复，放电特性逐渐恶化,从而可 知电极逐渐劣化。 为了探寻这一劣化的原因，专利技术人对充放电后的电极进行了 XRD测试。结果示于 图14中。如图14(a)所示。当单电子反应重复充放电时，除了对应于实验前电极的晶体结 构的峰以外，几乎不生成新的峰（作为比较，图14(s)中示出了实验前电极的测定结果）。然 而，图14(b)示出了在双电子反应重复充放电的情况下，来自二氧化锰的特征峰几乎消失， 但发现了来自四氧化三锰的峰。由这一结果可见，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可逆燃料电池，其中，所述可逆燃料电池包含：含有二氧化锰的正极；含有储氢材料的负极；存在于所述正极和所述负极之间的分隔件；氢储存室和氧储存室，分别独立地储存所述正极产生的氢和所述负极产生的氧；以及电解液；其中，所述氧储存室装满溶解有氧的所述电解液。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：堤敦司，堤香津雄，
申请(专利权)人：国立大学法人东京大学，能质力量系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP