电极、燃料电池及水处理装置制造方法及图纸

电极(10)具备具有疏水性的第一扩散层(1)、担载催化剂(4)的第二扩散层(2)、配置在第一扩散层与第二扩散层之间且具有透氧性的透氧层(3)。而且，第二扩散层具有片状的碳材料。此外，燃料电池(100)具备担载微生物的负极(20)、透过氢离子的离子移动层(30)、介由离子移动层与负极隔开的由电极(10)构成的正极(40)。

Electrode, fuel cell and water treatment device

The electrode (10) is provided with a first diffusion layer (1) having a hydrophobic, a diffusion layer (2) of the supported catalyst (4), and an oxygen permeable layer (3) disposed between the first diffusion layer and the second diffusion layer. Moreover, the second diffusion layer has a flaky carbon material. In addition, a fuel cell (100) is provided with a negative electrode (20) of a carrying microorganism, an ion transport layer (30) passing through a hydrogen ion, and a positive electrode (40) formed by an electrode (a) which is separated by an ion moving layer and a negative electrode.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电极、燃料电池及水处理装置。详细地讲，本专利技术涉及可净化废水、且可生成电能的电极、以及采用该电极的燃料电池及水处理装置。
技术介绍
近年来，作为可持续的能源，利用生物进行发电的微生物燃料电池引人注目。微生物燃料电池是利用微生物的代谢功能而将有机物等转换成电能的装置，是一边进行有机物的处理一边进行能量回收的优异的系统。但是，因微生物所发的电力非常小，输出的电流密度低，因而需要进一步改进。作为以往的微生物燃料电池(细菌燃料电池)，公开了具有多个阳极和多个阴极、且这些阳极和阴极与要净化的液体液相相接的微生物燃料电池(例如参照专利文献1)。而且，该阳极及阴极分别具有在电路中以经过负载而电连接的方式配置的金属制导电体。此外，在金属制导电体与要净化的液体之间设有导电性涂层，通过该导电性涂层将该液体和导电体彼此隔离。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特表2012-507828号公报
技术实现思路
在专利文献1的微生物燃料电池中，通过采用可防止金属制导电体腐蚀的导电性涂层而抑制了电池性能的下降。可是，该导电性涂层因与金属制导电体相比电阻高，而不能享受金属制导电体本来的低电阻性，有电池性能下降的问题。此外，例如即使在金属制导电体上设置导电性涂层，也有因长期间的使用而使金属制导电体腐蚀、使作为导电体的功能下降的顾虑。本专利技术是鉴于这样的现有技术所具有的问题而完成的。而且，本专利技术的目的在于，提供电阻低、可提高电池性能的电极、以及使用该电极的燃料电池及水处理装置。为了解决上述问题，本专利技术的第一方案涉及的电极具备：具有疏水性的第一扩散层、担载催化剂的第二扩散层、配置在第一扩散层与第二扩散层之间的具有透氧性的透氧层。而且，第二扩散层具有片状的碳材料。本专利技术的第二方案涉及的燃料电池具备：担载微生物的负极、透过氢离子的离子移动层、介由离子移动层与负极隔开且由上述电极构成的正极。本专利技术的第三方案涉及的水处理装置具备：担载对被处理液进行净化的微生物的负极、透过氢离子的离子移动层、介由离子移动层与负极隔开且由上述电极构成的正极。附图说明图1是表示本专利技术的实施方式涉及的电极的一个例子的简略剖视图。图2是表示本专利技术的实施方式涉及的电极的ISO透气性与使用该电极的燃料电池的最大输出之间的关系的曲线图。图3是表示本专利技术的实施方式涉及的电极的ISO透气性与该电极的密度之间的关系的曲线图。图4(a)是表示本专利技术的实施方式涉及的电极的其它例子的简略剖视图，图4(b)是图4(a)中的符号A的放大图。图5是表示本专利技术的实施方式涉及的燃料电池的简略图。图6是表示上述燃料电池中的燃料电池单元的分解立体图。具体实施方式以下，对本实施方式涉及的电极以及使用其的燃料电池及水处理装置详细地进行说明。再者，附图中的尺寸比率为方便说明而有些夸张，有时与实际比率不同。[电极]本实施方式的电极10如图1所示的那样，具备：具有疏水性的第一扩散层1、担载催化剂的第二扩散层2、配置在第一扩散层1与第二扩散层2之间且具有透氧性的透氧层3。具体地讲，电极10以第一扩散层1与透氧层3的一方的面3a接触的方式配置，以第二扩散层2与透氧层3的与面3a相反侧的面3b接触的方式配置。(第一扩散层)第一扩散层1与气相5接触，将气相5中的气体扩散，将气体大致均匀地供给透氧层3的面3a。因此，为了能使该气体扩散，优选第一扩散层1为多孔质体。此外，优选第一扩散层1具有疏水性。通过第一扩散层1具有疏水性，能够抑制因结露等而堵塞多孔质体的细孔、使气体的扩散性下降。此外，如后述，在将电极10用于燃料电池或水处理装置中时，液相难以渗入到第一扩散层1的内部，第一扩散层1容易与气相接触。作为构成第一扩散层1的材料，只要能够使气相5中的气体扩散就不特别限制。作为构成第一扩散层1的材料，例如可使用选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚四氟乙烯中的至少一种。这些材料容易形成多孔质体，而且疏水性也高，因而能够抑制细孔堵塞而提高气体扩散性。此外，第一扩散层1优选由选自由上述材料形成的织布、无纺布及薄膜中的至少一种构成。再者，在第一扩散层1由上述材料的薄膜构成时，优选在第一扩散层1、第二扩散层2及透氧层3的层叠方向X上具有多个贯通孔。此外，第一扩散层1为提高疏水性，也可以根据需要采用疏水剂实施疏水处理。具体地讲，通过在构成第一扩散层1的多孔质体中附着聚四氟乙烯(PTFE)等疏水剂，也可以提高疏水性。再者，为了向透氧层3的面3a有效地供给气体，如图1所示的那样，优选第一扩散层1与透氧层3接触。也就是说，优选第一扩散层1中的面1b与相对的透氧层3的面3a接触。由此，可直接向透氧层3的面3a供给扩散的气体，可提高透氧性。但是，只要向透氧层3的面3a供给气体，也可以在第一扩散层1的面1b与透氧层3的面3a之间存在间隙。(第二扩散层)本实施方式的电极10中，除第一扩散层1以外，还具备担载催化剂4的第二扩散层2。第二扩散层2具有使通过后述的局部电池反应而生成的电子在与外部电路之间导通的功能。因此，第二扩散层2具有片状的碳材料。碳材料即使与被处理液接触，被腐蚀的可能性也低，进而电阻率低，因而能够长期间确保高的导电性。这里，表1中示出金属材料及碳材料的代表材料的电阻率。如表1所示，碳材料中，石墨片的电阻率最低，但比厚度为1mm的不锈钢板高。但是，金属材料并不是以整体的状态、即金属板的状态使用，实际上大多以金属网或丝的形状使用。因此，得知碳材料的电阻率与金属材料同等。这样，碳材料即使与被处理液接触，被腐蚀劣化的可能性也低，进而如表1所示，具有与不锈钢金属网同等的电阻率，因而能够长期间得到高的导电性。表1作为构成第二扩散层2的片状的碳材料，例如可使用选自碳纸、碳布及石墨片中的至少一种。此外，第二扩散层2可以是由选自碳纸、碳布及石墨片中的一种构成的，也可以是将它们多层层叠而成的层叠体。碳纤维的无纺布即碳纸、碳纤维的织布即碳布、及由石墨形成的石墨片都具有高的耐蚀性，且如表1所示，电阻率与金属材料同等，因此可兼顾电极的耐久性和导电性。第二扩散层2优选含有石墨，进而优选石墨中的石墨烯层沿着与第一扩散层1、第二扩散层2及透氧层3的层叠方向X垂直的方向Y排列。通过使由碳的六元环结构形成的石墨烯层如此排列，与第一扩散层1、第二扩散层2及透氧层3的层叠方向X的导电率相比，与该层叠方向X垂直的方向Y的导电率提高。因此，如图5所示的那样，容易使因局部电池反应而生成的电子在与外部电路80之间导通，可进一步提高电池反应的效率。再者，第二扩散层2特别优选由石墨片形成。这里，在F.L.LaQue：MarineCorrosionCausesandPrevention，JohnWileyandSons，p.179(1975)中，记载了常温静止海水中的各种金属的腐蚀电位。在该文献中，记载了石墨相对于标准甘汞电极的电位为+0.3～+0.2(Vvs.SCE)，铂相对于标准甘汞电极的电位为+0.25～+0.18(Vvs.SCE)。也就是说，石墨与铂相比，耐腐蚀性高，因此作为第二扩散层2的材料特别优异。上述的石墨片可按下述方法得到。首先，通过用酸对天然石墨实施化学处理，可在石墨的石墨烯层的层间形成插入物。接着，通过在高温下对其进行急速加热，可得到通过由层间插入物的热分解而形成的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极，其具备：具有疏水性的第一扩散层，担载催化剂的第二扩散层，配置在所述第一扩散层与所述第二扩散层之间、且具有透氧性的透氧层；所述第二扩散层具有片状的碳材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.20 JP 2014-213930;2015.04.07 JP 2015-078171.一种电极，其具备：具有疏水性的第一扩散层，担载催化剂的第二扩散层，配置在所述第一扩散层与所述第二扩散层之间、且具有透氧性的透氧层；所述第二扩散层具有片状的碳材料。2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述第二扩散层含有石墨；所述石墨中的石墨烯层沿着与所述第一扩散层、所述第二扩散层及所述透氧层的层叠方向垂直的方向排列。3.根据权利要求2所述的电极，其中，所述第二扩散层的ISO透气性为2.0×10-5μm/Pa·s～0.38μm/Pa·s。4.根据权利要求2或3所述的电极，其中，所述第二扩散层的密度为0.10g/cm3～1.0g/cm3。5.根据权利要求1～4中任一项所述的电极，其中，所述第二扩散层中，与所述第一扩散层、所述第二扩散层及所述透氧层的层叠方向垂直的方向的电阻率为20μΩ·m以下，且所述第一扩散层、所述第二扩散层及所述透氧层的层叠方向的电阻率为与所述层叠方向垂直的方向的电阻率的100倍以上。6.根据权利要求1～5中任一项所述的电极，其中，所述第二扩散层含有石墨；在所述石墨中的石墨烯层的层间担载...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉川直毅，北出祐基，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP