JP2007123128A - Electrochemical reactor stack and electrochemical reaction system comprising it - Google Patents

Electrochemical reactor stack and electrochemical reaction system comprising it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical reactor stack capable of achieving miniaturization and increase of efficiency; and to provide an electrochemical reaction system using it. <P>SOLUTION: In an electrochemical reactor cell stack, each reactor cell has a raft-like structure wherein an ion conductor (ion conduction phase) is stacked on a compact comprising a plurality of hollow tube-bound bodies each formed of an anode (fuel electrode) material; and this electrochemical reactor stack is composed by stacking a cathode (air electrode) on the compact. This electrochemical reaction system comprises it. A cathode material can be stacked on an electrolyte layer on the tube by accurately controlling it, and thereby the electrochemical reaction system such as a solid oxide type fuel cell capable of lowering its operation temperature can be provided. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気化学リアクタースタック及び該リアクタースタックから構成される固体酸化物形燃料電池等の電気化学反応システムに関するものであり、更に詳しくは、容易に積層することが可能で、かつ空気流路を十分に確保でき、また、モジュール内においても直列、並列接続を自由に設計、形成できるセルスタックと、該セルスタックを利用した、作動温度の低温化と単位モジュール当たりの発電電圧を大幅に高めることを可能とした電気化学反応システムに関するものである。本発明は、クリーンエネルギー源や環境浄化装置等として好適に用いられる電気化学リアクタースタック及び該リアクタースタックを利用した電気化学反応システムに関する新技術・新製品を提供するものである。   The present invention relates to an electrochemical reactor stack and an electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell composed of the reactor stack. More specifically, the present invention can be easily stacked and an air flow path. A cell stack that can be freely designed and formed in series and in parallel within the module, and using this cell stack to lower the operating temperature and greatly increase the power generation voltage per unit module The present invention relates to an electrochemical reaction system that makes it possible. The present invention provides an electrochemical reactor stack suitably used as a clean energy source, an environmental purification device, and the like, and a new technology and a new product relating to an electrochemical reaction system using the reactor stack.

電気化学リアクターの代表的なものとして、固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」という。)がある。SOFCは、電解質としてイオン導電性を有する固体酸化物電解質を用いた燃料電池である。このSOFCの基本構造は、通常、カソード―固体酸化物電解質―アノードの3層により構成され、該SOFCは、通常は800〜1000℃の温度領域において使用される。   As a typical electrochemical reactor, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”). The SOFC is a fuel cell using a solid oxide electrolyte having ionic conductivity as an electrolyte. The basic structure of the SOFC is usually composed of three layers of cathode-solid oxide electrolyte-anode, and the SOFC is usually used in a temperature range of 800 to 1000 ° C.

SOFCのアノードに、燃料ガス(水素、一酸化炭素、炭化水素等)、カソードに、空気、酸素等が供給されると、カソード側の酸素分圧とアノード側の酸素分圧との間に差が生じることから、ネルンストの式に従う電圧が電極間に生じる。酸素は、カソードにおいてイオンとなり、固体電解質内を通ってアノード側に移動し、アノードに達した酸素イオンは、燃料ガスと反応して電子を放出する。そのため、例えば、このSOFCのアノード及びカソードに負荷を接続すれば、燃料電池として、これより直接、電気を取り出すことができる。   When fuel gas (hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbon, etc.) is supplied to the anode of the SOFC and air, oxygen, etc. are supplied to the cathode, there is a difference between the oxygen partial pressure on the cathode side and the oxygen partial pressure on the anode side. Therefore, a voltage according to the Nernst equation is generated between the electrodes. Oxygen becomes ions at the cathode and moves to the anode side through the solid electrolyte, and the oxygen ions reaching the anode react with the fuel gas and release electrons. Therefore, for example, if a load is connected to the anode and cathode of this SOFC, electricity can be directly taken out as a fuel cell.

今後、SOFCを実用化させていくためには、SOFCの作動温度の低温化が必須である。作動温度を800℃以下、特に500〜600℃に下げることで、安価な材料の使用と運転コストの低下が期待でき、作動温度の低温化によってSOFCの汎用性が高まることが期待される。また、作動温度の低温化により、低温作動域では、SOFC特性が電極構造に大きく依存するようになり、その構造制御には、SOFCの製造工程におけるプロセス温度の低温化も欠かせない重要な要因となる。   In the future, in order to put SOFC into practical use, it is essential to lower the operating temperature of SOFC. By reducing the operating temperature to 800 ° C. or lower, particularly 500 to 600 ° C., use of inexpensive materials and a reduction in operating cost can be expected, and the versatility of SOFC is expected to increase by lowering the operating temperature. In addition, due to the lowering of operating temperature, the SOFC characteristics become highly dependent on the electrode structure in the low temperature operating range, and it is important to lower the process temperature in the SOFC manufacturing process to control the structure. It becomes.

SOFCの運転温度の低温化のためには、電解質の薄膜化は必至であり、これまで、電極サポート型のセル、特に、アノードサポート形のセルが広く研究されている(非特許文献1)。また、SOFCの小型化を進めることで、自動車補助電源、ポータブル電源としての利用など、更に新たな市場の産出へ結びつくことが期待される。そのためには、単位体積当たりのセル表面積を向上させる必要があり、チューブ状のセルからなるSOFC構造体なども提案されている(特許文献1)。   In order to lower the operating temperature of SOFC, it is inevitable to make the electrolyte thin, and so far, electrode support type cells, particularly anode support type cells, have been widely studied (Non-patent Document 1). In addition, it is expected that further miniaturization of SOFC will lead to the production of new markets such as use as an auxiliary power source for automobiles and portable power sources. For this purpose, it is necessary to improve the cell surface area per unit volume, and an SOFC structure composed of tubular cells has also been proposed (Patent Document 1).

しかしながら、これまでに提案されているチューブ状セルモジュールは、カソード材料によってチューブセルを安定保持された構造を有しており、チューブ径が小さくなるにつれて、チューブ状セルのパッキングが困難になってくるという問題点があった。また、この構造体では、空気ガス流路の確保が困難であること、高価なカソード材料を大量に使用する必要があること、等の問題点があり、更に、チューブがすべて並列に接続されるため、1モジュール当たりの電圧が1V程度となってしまうという制限があった。   However, the tubular cell modules proposed so far have a structure in which the tube cell is stably held by the cathode material, and as the tube diameter becomes smaller, the packing of the tubular cell becomes difficult. There was a problem. Further, this structure has problems such as difficulty in securing an air gas flow path and the need to use a large amount of expensive cathode material, and all the tubes are connected in parallel. Therefore, there is a limitation that the voltage per module is about 1V.

特開2004−335277号公報JP 2004-335277 A 日経メカニカル別冊,燃料電池 開発最前線、日経BP社,2001年6月29日,p.71−80Nikkei Mechanical separate volume, fuel cell development forefront, Nikkei BP, June 29, 2001, p. 71-80

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上述の従来部材の問題点を確実に解決することが可能なチューブ状セル及びその新しい利用形態を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに平面的に結合した構造体を構築し、該構造体上に電解質層及びカソード(空気極)を形成した構造とすることにより、セルを容易に集積することが可能で、かつ空気通路を十分に確保できるセルスタックを提供できること、また、モジュール内においても直列、並列接続を自由に設計、形成できるセルスタックを提供でき、単位モジュールでの発電電圧を大幅に高めることが可能なセルスタックを提供できること、そして、該セルスタックを利用して、作動温度の低温化を実現できる電気化学反応システムを提供できること、等の新規知見を見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。   Under such circumstances, the present inventors have developed a tubular cell that can surely solve the problems of the above-described conventional members and a new usage form thereof in view of the above-described conventional technology. As a result of intensive research as a goal, a structure in which a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) are connected to each other in a plane is constructed, and an electrolyte layer and a cathode (air electrode) are formed on the structure. Therefore, it is possible to provide a cell stack in which cells can be easily integrated and a sufficient air passage can be provided, and a cell stack in which series and parallel connections can be freely designed and formed in a module can be provided. It is possible to provide a cell stack that can greatly increase the power generation voltage in the unit module, and to reduce the operating temperature by using the cell stack. Ability to provide an electrochemical reaction system, found a novel finding etc., further extensive research, and completed the present invention.

本発明は、容易に集積することが可能で、かつ空気通路を十分に確保できるセルスタックを提供すること、また、モジュール内において直列、並列接続を自由に設計、形成できるセルスタックを提供すること、単位モジュールでの発電電圧を大幅に高めることができるセルスタックを提供すること、及び該セルスタックを利用することにより、作動温度の低温化と単位モジュール当たりの発電電圧を大幅に高めることを可能とした電気化学反応システムを提供すること、を目的とするものである。また、本発明は、これまでのチューブ状セルで必要であった高価なカソード材料の使用量を大幅に減少させることを実現できるセルスタック及び該セルスタックを利用したリアクターシステムを提供することを目的とするものである。   The present invention provides a cell stack that can be easily integrated and has a sufficient air passage, and also provides a cell stack in which series and parallel connections can be freely designed and formed in a module. It is possible to provide a cell stack that can greatly increase the power generation voltage in the unit module, and to use the cell stack to lower the operating temperature and greatly increase the power generation voltage per unit module. It is an object of the present invention to provide an electrochemical reaction system. Another object of the present invention is to provide a cell stack capable of significantly reducing the amount of expensive cathode material used in the conventional tubular cell and a reactor system using the cell stack. It is what.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)電解質層(イオン伝導相)を表面に持った複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに結合した構造体を形成しており、かつ、その構造体の電解質層上にカソード(空気極)が積層されていることを特徴とする電気化学リアクタースタック。
(2)電解質層(イオン伝導相)を表面に形成可能な複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに結合した構造体を形成しており、かつ、その構造体上に電解質層(イオン伝導体相)及びカソード(空気極)が積層されていることを特徴とする電気化学リアクタースタック。
(3)複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに平面的に結合した構造体を形成している、前記(1)又は(2)記載の電気化学リアクタースタック。
(4)電解質材料が、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物である、前記(1)又は(2)記載の電気化学リアクタースタック。
(5)チューブ状アノード(燃料極)材料が、電解質材料と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiの元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)又は(2)記載の電気化学リアクタースタック。
(6)カソード(空気極)材料が、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)又は(2)記載の電気化学リアクタースタック。
(7)カソード材料が、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、又は遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物である、前記(6)記載の電気化学リアクタースタック。
(8)電解質層の厚さが1〜100ミクロンである、前記(1)又は(2)記載の電気化学リアクタースタック。
(9)電気化学反応によって電流を取り出すシステムであって、リアクターとして、前記(1)から(8)のいずれかに記載の電気化学リアクタースタックを構成要素として含むことを特徴とする電気化学反応システム。
(10)複数の上記電気化学リアクタースタックが集積されて、モジュール化している、前記(9)記載の電気化学反応システム。
(11)電気化学反応システムが、固形酸化物形燃料電池、排ガス浄化電気化学リアクター、又は水素製造電気化学リアクターである、前記(9)又は(10)記載の電気化学反応システム。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A structure in which a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) having an electrolyte layer (ion conduction phase) on the surface are coupled to each other is formed, and a cathode (air electrode) is formed on the electrolyte layer of the structure. ) Are stacked, an electrochemical reactor stack.
(2) A structure in which a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) capable of forming an electrolyte layer (ion conduction phase) on the surface is coupled to each other is formed, and the electrolyte layer (ion conductor) is formed on the structure. Electrochemical reactor stack characterized in that a phase) and a cathode (air electrode) are laminated.
(3) The electrochemical reactor stack according to the above (1) or (2), wherein a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) form a structure in which the anodes are joined in a plane.
(4) The electrolyte material is composed of two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W. The electrochemical reactor stack according to (1) or (2), wherein the electrochemical reactor stack is an oxide compound.
(5) An oxidation in which the tubular anode (fuel electrode) material contains an electrolyte material, Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti and / or one or more of these elements The electrochemical reactor stack according to (1) or (2), which is composed of a physical compound.
(6) The cathode (air electrode) material is composed of an Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg element and / or an oxide compound containing one or more of these elements. The electrochemical reactor stack according to (1) or (2).
(7) The electrochemical reactor stack according to (6) above, wherein the cathode material is a transition metal perovskite oxide or a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material.
(8) The electrochemical reactor stack according to (1) or (2), wherein the electrolyte layer has a thickness of 1 to 100 microns.
(9) An electrochemical reaction system for taking out an electric current by an electrochemical reaction, comprising the electrochemical reactor stack according to any one of (1) to (8) as a component as a reactor. .
(10) The electrochemical reaction system according to (9), wherein a plurality of the electrochemical reactor stacks are integrated and modularized.
(11) The electrochemical reaction system according to (9) or (10), wherein the electrochemical reaction system is a solid oxide fuel cell, an exhaust gas purification electrochemical reactor, or a hydrogen production electrochemical reactor.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の電気化学リアクタースタックは、電解質層(イオン伝導相)を表面に持った複数のセラミック中空チューブ状アノード(燃料極)が互いに平行的(一次元的)に集合、結合した、いわゆるいかだ状に形成された構造体を有し、電解質層によって並び合う中空チューブ状アノードが接着され、あるいはアノードチューブ同士が接合した上に電解質層が積層され、かつ、その電解質層の上にカソード(空気極)が積層されてなる構造を有することを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The electrochemical reactor stack according to the present invention is a so-called raft in which a plurality of ceramic hollow tubular anodes (fuel electrodes) having an electrolyte layer (ion conducting phase) on the surface are assembled and bonded in parallel (one-dimensional) with each other. A hollow tubular anode lined up by an electrolyte layer is bonded, or an electrolyte layer is laminated on the anode tube joined together, and a cathode (air electrode) is formed on the electrolyte layer. ) Are laminated.

従来、チューブタイプの電気化学セルを作製する場合、アノード材料をチューブとして作製し(通常、1400℃以上の焼結を含む)、電解質を積層、焼結する工程(通常、1400℃以上)を経て、カソード構造体にチューブを配置し、更に、焼結する(通常、1000℃以上)という複数のプロセスステップが必要であった。また、その場合、チューブ径が2mm以下のマイクロチューブになると、そのプロセスの構築は更に困難なものとなっていた。しかしながら、本発明の上記電気化学リアクタースタックの構成によれば、まず、焼成前にチューブ状アノードによって、該チューブ状アノードが平面的に集合、結合したいかだ状構造体が作製されるため、電解質、アノードチューブの同時焼成と電気化学セル構造の構築が可能となり、また、2mm以下のチューブ径のマイクロセルでも容易に取扱える構造体が得られる。   Conventionally, when producing a tube-type electrochemical cell, an anode material is produced as a tube (usually including sintering at 1400 ° C. or higher), and an electrolyte is laminated and sintered (usually at 1400 ° C. or higher). In addition, a plurality of process steps were required in which a tube was placed in the cathode structure and further sintered (usually 1000 ° C. or higher). In that case, when the tube diameter becomes a microtube having a diameter of 2 mm or less, the construction of the process becomes more difficult. However, according to the configuration of the electrochemical reactor stack of the present invention, a raft-like structure in which the tubular anodes are assembled and bonded in a plane is first produced by the tubular anodes before firing. Simultaneous firing of the anode tube and construction of an electrochemical cell structure are possible, and a structure that can be easily handled even with a microcell having a tube diameter of 2 mm or less is obtained.

また、上記電気化学リアクタースタックの構成によれば、カソード材料は、いかだ状構造物の電解質層に必要量だけを任意の厚さで高精度に制御して積層することが可能であり、それにより、コストパフォーマンスに優れた電気化学リアクタースタックを構築すること及び該電気化学リアクタースタックを利用した作動温度の低温化(400〜650℃程度)を実現可能とする電気化学反応システムを構築することが可能となる。また、本発明の電気化学反応システムとしては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、排ガス浄化電気化学リアクター、水素製造電気化学リアクターなどが挙げられ、上記電気化学リアクタースタックにおいて、アノード、電解質、カソードの材料を適宜選定することで、例えば、高効率なSOFC等の電気化学反応システムを構築することが可能となる。   In addition, according to the configuration of the electrochemical reactor stack, the cathode material can be laminated on the electrolyte layer of the raft-shaped structure with a required thickness controlled with an arbitrary thickness with high accuracy. It is possible to construct an electrochemical reactor stack that can realize an electrochemical reactor stack with excellent cost performance and a low operating temperature (about 400 to 650 ° C.) using the electrochemical reactor stack. It becomes. Examples of the electrochemical reaction system of the present invention include a solid oxide fuel cell (SOFC), an exhaust gas purification electrochemical reactor, a hydrogen production electrochemical reactor, and the like. In the electrochemical reactor stack, an anode, an electrolyte, a cathode By appropriately selecting the material, it is possible to construct an electrochemical reaction system such as a highly efficient SOFC, for example.

本発明では、電解質材料は、高イオン伝導を持つ材料が必須であるという観点から、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物であることが望ましい。   In the present invention, from the viewpoint that a material having high ionic conductivity is essential for the electrolyte material, Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, An oxide compound containing two or more elements selected from Bi, Nb, and W is desirable.

また、中空チューブ状アノード材料は、燃料ガスに対して高い活性を持つ材料を含むことが望ましく、電解質材料と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiの元素及び/又は酸化化合物を1種類以上含む構成からなることが、高効率な電化化学リアクターの実現には必要である。更に、カソード(空気極)材料は、酸素のイオン化に活性の高い材料が好ましく、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素及び/又は酸化化合物を1種類以上含む構成からなる材料が好適である。以下に、本発明の一実施形態に係る電気化学リアクタースタック及びそれから構成される電気化学反応システムについて詳細に説明する。   The hollow tube-shaped anode material preferably includes a material having high activity with respect to the fuel gas. The electrolyte material and the elements of Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti It is necessary to realize a highly efficient electric chemical reactor that has at least one type of oxide compound. Further, the cathode (air electrode) material is preferably a material having high activity for ionization of oxygen, and in particular, elements of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg and / or oxidation. A material composed of one or more compounds is preferred. Hereinafter, an electrochemical reactor stack and an electrochemical reaction system including the electrochemical reactor stack according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

初めに、本発明に係る電気化学リアクタースタックの構成について説明する。図1は、本発明に係る電気化学リアクタースタックの概略図であり、例えば、図1のaに示すタイプとbに示すタイプが好適なものとして例示される。図1のaのタイプでは、緻密な電解質層1を表面に持った複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに電解質層によって平面的に結合している。この場合、電解質層が、チューブ状アノードを結合する媒体として機能する。そして、電解質層の外側にカソード4が配置されることで、電気化学リアクタースタックが構成される。また、図1のbのタイプでは、複数のチューブ状アノードが互いに平面的に結合している。この場合、複数のチューブ状アノードのチューブ同士は、予め接着、結合されているが、その結合方法及び手段は、特に制限されるものではなく、適宜の方法及び手段を使用することができる。そして、その表面に、電解質層1、カソード4が積層されることで、電気化学リアクタースタックが構成されている。本発明において、上記アノードチューブを一次元的に配列し、結合する場合のアノードチューブのユニット当たりの個数は、任意であり、また、それらの結合方式も任意である。   First, the structure of the electrochemical reactor stack according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view of an electrochemical reactor stack according to the present invention. For example, the types shown in FIG. In the type of FIG. 1 a, a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) having a dense electrolyte layer 1 on the surface are connected to each other in a plane by the electrolyte layer. In this case, the electrolyte layer functions as a medium for binding the tubular anode. And an electrochemical reactor stack is comprised by arrange | positioning the cathode 4 outside the electrolyte layer. In the type of FIG. 1b, a plurality of tubular anodes are coupled to each other in a planar manner. In this case, the tubes of the plurality of tubular anodes are bonded and bonded in advance, but the bonding method and means are not particularly limited, and appropriate methods and means can be used. And the electrochemical reactor stack is comprised by laminating | stacking the electrolyte layer 1 and the cathode 4 on the surface. In the present invention, the number of anode tubes per unit when the above-mentioned anode tubes are one-dimensionally arranged and coupled is arbitrary, and their coupling method is also arbitrary.

先ず、電解質層1について説明する。電解質層1の厚みは、多孔質チューブの管径や、固体電解質層自体の比抵抗などを考慮して定める必要がある。電解質層1は、緻密であること、厚さが1〜100ミクロンの範囲であることが好ましく、更に、電解質材料の粒径は、電解質の電気抵抗を抑えるためにも50ミクロン以下であることが好ましい。この電解質層は、アノードチューブ表面に積層されているため、電解質層の厚さの低減化と厚さの高精度の制御が容易に可能である。通常、燃料電池としての使用条件では、チューブ空孔4に、水素、一酸化炭素、メタン等の燃料ガスが供給され、また、カソード側には、空気、酸素等の酸化剤ガスが供給されるが、それらの具体的な構成については任意に設計することができる。   First, the electrolyte layer 1 will be described. The thickness of the electrolyte layer 1 needs to be determined in consideration of the tube diameter of the porous tube, the specific resistance of the solid electrolyte layer itself, and the like. The electrolyte layer 1 is preferably dense and has a thickness in the range of 1 to 100 microns, and the particle size of the electrolyte material is preferably 50 microns or less in order to suppress the electric resistance of the electrolyte. preferable. Since this electrolyte layer is laminated on the surface of the anode tube, it is possible to easily reduce the thickness of the electrolyte layer and to control the thickness with high accuracy. Normally, under the conditions of use as a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen, carbon monoxide, or methane is supplied to the tube hole 4, and an oxidant gas such as air or oxygen is supplied to the cathode side. However, their specific configuration can be arbitrarily designed.

ここで、本発明に係る電気化学リアクタースタックでは、チューブ状アノードの管径、管長さ、管厚みは、特に限定されるものではなく、必要とされる電気化学リアクタースタックの全体の大きさを考慮し、かつアノードとしての必要特性が得られるよう任意に設定することができる。また、チューブ状アノードの空孔率については、好ましくは30〜60%であるが、これに制限されるものではなく、三相界面(反応場)が維持され、かつ、管強度が低下しないように、その好適な範囲で種々制御することができる。また、図1のa及びbは、製造プロセスの違いによって得られる構造体の具体的な事例であり、共に本発明の好適なものとして例示される。   Here, in the electrochemical reactor stack according to the present invention, the tube diameter, the tube length, and the tube thickness of the tubular anode are not particularly limited, and the entire size of the required electrochemical reactor stack is considered. In addition, it can be arbitrarily set so as to obtain necessary characteristics as an anode. The porosity of the tubular anode is preferably 30 to 60%, but is not limited to this, so that the three-phase interface (reaction field) is maintained and the tube strength does not decrease. In addition, various controls can be performed within the preferable range. Moreover, a and b of FIG. 1 are specific examples of the structure obtained by the difference in the manufacturing process, and both are exemplified as preferable examples of the present invention.

電解質材料としては、高いイオン伝導が実現される材料を使用することが必要であり、これらに用いられる材料としては、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物が望ましいものとして例示される。   As the electrolyte material, it is necessary to use a material that realizes high ion conduction. As materials used for these, Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, An oxide compound containing two or more kinds of elements selected from Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W is exemplified as desirable.

その中でも、イットリア(Y)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb)、エルビア(Er)等の安定化剤で安定化された安定化ジルコニアやイットリア(Y)やガドリニア(Gd)、サマリア(Sm)などをドープしたセリア(CeO)などが好適な例として挙げられる。なお、安定化ジルコニアは、1種又は2種以上の安定化剤により安定化されているものが好ましく、また、アルミナ(Al)との複合体であることが好ましい。 Among them, stabilizers such as yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 O 3 ), etc. Stabilized zirconia, yttria (Y 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ) doped with samaria (Sm 2 O 3 ), and the like are preferable examples. The stabilized zirconia is preferably stabilized with one or more stabilizers, and is preferably a composite with alumina (Al 2 O 3 ).

具体的には、安定化剤として5〜10mol%のイットリアを添加したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ドープ剤として5〜10mol%のガドリニアを添加したガドリニアドープセリア(GDC)等が好適な一例として挙げられる。そして、例えば、YSZの場合、イットリア含有量が5mol%未満であると、アノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。また、イットリア含有量が10mol%を超えると、同様にアノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。GDCの場合も同様である。   Specifically, yttria-stabilized zirconia (YSZ) added with 5 to 10 mol% yttria as a stabilizer, gadolinia doped ceria (GDC) added with 5 to 10 mol% gadolinia as a dopant, and the like are preferable examples. Can be mentioned. For example, in the case of YSZ, it is not preferable that the yttria content is less than 5 mol% because the oxygen ion conductivity of the anode is lowered. On the other hand, if the yttria content exceeds 10 mol%, the oxygen ion conductivity of the anode similarly decreases, which is not preferable. The same applies to GDC.

チューブ状アノードの材料は、アノード材料と電解質材料の混合体から構成される複合物である必要がある。このアノード材料は、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる金属及び/又はこれらの元素1種類以上から構成される酸化物であって、また、触媒として機能するもので、具体的には、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)等が好適な一例として挙げられる。このうち、ニッケル(Ni)は、他の金属に比べて安価であり、かつ、水素等の燃料ガスとの反応性が十分に大きいことから、好適に用いることができる。また、これらの元素や酸化物を混合した複合物を用いることも可能である。   The material of the tubular anode needs to be a composite composed of a mixture of anode material and electrolyte material. The anode material is a metal selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti and / or an oxide composed of one or more of these elements, and is also a catalyst. Specifically, nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), etc. are mentioned as a suitable example. Among these, nickel (Ni) can be suitably used because it is cheaper than other metals and has a sufficiently high reactivity with fuel gas such as hydrogen. It is also possible to use a composite in which these elements and oxides are mixed.

ここで、アノード材料と電解質材料との複合物において、前者と後者の混合比率は、90:10重量%〜40:60重量%の範囲が好ましく、電極活性や熱膨張係数の整合性等のバランスに優れるという観点から、より好ましくは、80:20重量%〜50:50重量%である。   Here, in the composite of the anode material and the electrolyte material, the mixing ratio of the former and the latter is preferably in the range of 90:10 wt% to 40:60 wt%, and the balance of electrode activity, consistency of thermal expansion coefficient, etc. More preferably, it is 80: 20% by weight to 50: 50% by weight.

一方、カソードの材料としては、酸素のイオン化に活性の高い材料が好ましく、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素及び/又はこれらの酸化物化合物、1種類以上から構成される材料が好適である。その中で、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と電解質材料との複合物を好適に用いることができる。上記複合物を用いた場合には、カソードに必要な特性である電子導電性及び酸素イオン導電性のうち、酸素イオン導電性が向上するため、カソードで生じた酸素イオンが電解質層へ移行し易くなり、カソードの電極活性が向上する利点がある。   On the other hand, the cathode material is preferably a material having high activity for ionization of oxygen, and in particular, Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg, and / or oxidation thereof. A material composed of one or more physical compounds is preferred. Among them, for example, transition metal perovskite oxides, and composites of transition metal perovskite oxides and electrolyte materials can be preferably used. In the case of using the above composite, oxygen ion conductivity is improved among the electron conductivity and oxygen ion conductivity, which are characteristics necessary for the cathode, so that oxygen ions generated at the cathode easily migrate to the electrolyte layer. Thus, there is an advantage that the electrode activity of the cathode is improved.

ここで、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物を用いる場合、前者と後者の混合比率は、95:5重量%〜60:40重量%の範囲が好ましく、電極活性や熱膨張係数の整合性等のバランスに優れるという観点から、より好ましくは、90:10重量%〜70:30重量%である。   Here, when a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material is used, the mixing ratio of the former and the latter is preferably in the range of 95: 5 wt% to 60:40 wt%. From the viewpoint of excellent balance such as coefficient consistency, it is more preferably 90:10 wt% to 70:30 wt%.

遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、LaSrMnO、LaCaMnO、LaMgMnO、LaSrCoO、LaCaCoO、LaSrFeO、LaSrCoFeO、LaSrNiO、SmSrCoO等の複合酸化物が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the transition metal perovskite oxide include LaSrMnO 3 , LaCaMnO 3 , LaMgMnO 3 , LaSrCoO 3 , LaCaCoO 3 , LaSrFeO 3 , LaSrCoFeO 3 , LaSrNiO 3 Co, and SmS 3 Can be mentioned.

ただし、図1に示すように、アノードチューブの両端には、電解質層1が積層されることなくアノードの一部がむき出し状態とされることにより、アノード露出部5が形成されている。このアノード露出部5は、アノードの外部引き出し電極として機能する。なお、このアノード露出部2の露出量は、特に限定されるものではなく、ガスのシール材、電極の集電方法、ガス出口の流路等を考慮して適宜調節することができる。   However, as shown in FIG. 1, anode exposed portions 5 are formed at both ends of the anode tube by exposing a part of the anode without the electrolyte layer 1 being laminated. The anode exposed portion 5 functions as an external lead electrode of the anode. The exposure amount of the anode exposed portion 2 is not particularly limited, and can be appropriately adjusted in consideration of a gas sealing material, an electrode current collecting method, a gas outlet channel, and the like.

次に、上記本発明に係る電気化学リアクタースタックをSOFC単体として作動させる場合の一作動方法について説明する。図2に示すように、燃料ガス導入管9にアノード露出部5を配置し、ガスのシール材8によりアノード露出部2を燃料ガス導入管9内に封止する。上記燃料ガス導入手段を構成する主な材料としては、具体的には、SOFCの運転条件によるが、耐熱性のステンレス鋼、セラミックス等が好適な一例として挙げられる。   Next, an operation method when the electrochemical reactor stack according to the present invention is operated as a single SOFC will be described. As shown in FIG. 2, the anode exposed portion 5 is disposed in the fuel gas introduction pipe 9, and the anode exposed portion 2 is sealed in the fuel gas introduction pipe 9 by a gas sealing material 8. Specific examples of the main material constituting the fuel gas introduction means include heat-resistant stainless steel and ceramics depending on the operating conditions of the SOFC.

すなわち、燃料ガス導入管9の内部に、電気化学リアクタースタックのアノード露出部5が装着されており、各電極接続部がガスのシール材8により封止される。上記ガスのシール材8の材料としては、ガスを透過させないものであれば良く、特に限定されるものではない。ただし、アノード部分の熱膨張係数に整合させる必要がある。具体的には、マイカガラス、スピネル(MgAl)などのセラミックス等が好適な一例として挙げられる。 That is, the anode exposed portion 5 of the electrochemical reactor stack is mounted inside the fuel gas introduction pipe 9, and each electrode connection portion is sealed with a gas sealing material 8. The material for the gas sealing material 8 is not particularly limited as long as it does not allow gas to pass therethrough. However, it is necessary to match the thermal expansion coefficient of the anode portion. Specifically, mica glass, ceramics such as spinel (MgAl 2 O 4 ), and the like are preferable examples.

また、電極面(アノード露出部5やカソード4)には、集電体10が取り付けられる。集電体10を構成する主な材料としては、具体的には、ランタンクロマイト(LaCrO)などの導電性セラミックス、金、銀や白金などの貴金属メッシュ、ステンレス、ニッケルメッシュ、ニッケルフェルト等が好適な一例として挙げられる。 A current collector 10 is attached to the electrode surface (the anode exposed portion 5 and the cathode 4). Specific examples of the main material constituting the current collector 10 include conductive ceramics such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ), noble metal meshes such as gold, silver and platinum, stainless steel, nickel mesh, nickel felt, and the like. An example.

また、酸化剤ガス又は燃料ガス導入手段(例えば、外部マニホルドなど)を用いて、アノード部に燃料ガスを、セルスタック外部から酸化剤ガスを導入し、管接続部と集電体10とに集電ワイヤー11を介して負荷12を接続することで、発電可能となる。   Further, using an oxidant gas or fuel gas introduction means (for example, an external manifold), the fuel gas is introduced into the anode part and the oxidant gas is introduced from the outside of the cell stack, and collected at the pipe connection part and the current collector 10. By connecting the load 12 via the electric wire 11, power generation is possible.

なお、上記においては、本発明に係る電気化学リアクタースタックをSOFC単体として作動させる場合の一作動方法について説明したが、上記作動方法は、上記SOFCの場合に限定されるものではなく、水素製造電気化学リアクター、排ガス浄化電気化学リアクターにも適用することができる。また、本発明に係る電気化学リアクタースタックを電気的に直列接合してモジュール化した発電装置を構築することもできる。その際、上記電気化学リアクタースタックを利用することで、省スペースな、高電圧を発生するモジュールの構成が容易となる。   In the above description, one operation method in the case where the electrochemical reactor stack according to the present invention is operated as a single SOFC has been described. However, the operation method is not limited to the SOFC, and the hydrogen production electric It can also be applied to chemical reactors and exhaust gas purification electrochemical reactors. It is also possible to construct a power generation apparatus in which the electrochemical reactor stack according to the present invention is electrically connected in series to form a module. At that time, the use of the electrochemical reactor stack facilitates the configuration of a space-saving module for generating a high voltage.

次に、上記本発明に係る電気化学リアクタースタックの作用について説明する。本発明に係る電気化学リアクタースタックは、例えば、中空チューブ状のアノード(燃料極)に緻密な電解質層が積層されており、そのチューブ状アノードが平面的に一次元的に形成され、いかだ状を形成し、そして、カソードが電解質層の外側に形成されている。   Next, the operation of the electrochemical reactor stack according to the present invention will be described. In the electrochemical reactor stack according to the present invention, for example, a dense electrolyte layer is laminated on a hollow tube-shaped anode (fuel electrode), and the tube-shaped anode is formed one-dimensionally in a plane to form a raft shape. And a cathode is formed outside the electrolyte layer.

従来、チューブ径が2mm以下のセルを用いたセルスタックの作製は、そのハンドリングの難しさも重なって、極めて困難なものであった。しかしながら、上記電気化学リアクタースタックの構成によれば、まず、チューブ状アノードによって、いかだ状構造体が作製されるため、2mm以下のチューブ径のマイクロチューブでも容易に取扱える構造体が得られる。また、作製されたいかだ状構造体は、構造上容易に積層が可能であり、それらを直列接続することで、体積当たりのモジュール電圧を高めることが可能となる。本発明において、上記アノードチューブの形状、構造及びチューブ径等は特に制限されるものではなく、任意に設計することができる。   Conventionally, the production of a cell stack using cells having a tube diameter of 2 mm or less has been extremely difficult due to the difficulty of handling. However, according to the structure of the electrochemical reactor stack, first, a raft-like structure is produced by the tube-like anode, so that a structure that can be easily handled even with a microtube having a tube diameter of 2 mm or less is obtained. In addition, the structure which is desired to be manufactured can be easily stacked due to the structure, and the module voltage per volume can be increased by connecting them in series. In the present invention, the shape, structure, tube diameter and the like of the anode tube are not particularly limited, and can be arbitrarily designed.

また、上記電気化学リアクタースタックの構成によれば、カソード材料は、チューブの上の電解質層に任意の厚さで必要量だけ積層することができるので、それにより、コストパフォーマンスに優れた電気化学リアクタースタックを構築することができる。次に、本発明の電気化学リアクタースタックの好適な製造方法について説明する。本発明に係る電気化学リアクタースタックの製造方法は、基本的には、次のような工程を含んでいる。   Moreover, according to the structure of the above electrochemical reactor stack, the cathode material can be laminated in the electrolyte layer on the tube in an arbitrary thickness in the required amount, thereby making the electrochemical reactor excellent in cost performance. You can build a stack. Next, the suitable manufacturing method of the electrochemical reactor stack of this invention is demonstrated. The method for producing an electrochemical reactor stack according to the present invention basically includes the following steps.

すなわち、本発明に係る電気化学リアクタースタックの製造方法は、アノードチューブを作製する工程と、アノードチューブの外側面に固体電解質層を接合する工程と、チューブを集合、結合し、いかだ構造体を作製する工程と、該いかだ構造体の上の固体電解質層の外側にカソード材料を塗布、焼結する工程、とを有している。以下、それらについて詳細に説明する。   That is, the method of manufacturing an electrochemical reactor stack according to the present invention includes a step of manufacturing an anode tube, a step of bonding a solid electrolyte layer to the outer surface of the anode tube, and assembling and bonding the tubes to manufacture a raft structure. And a step of applying and sintering a cathode material on the outside of the solid electrolyte layer on the raft structure. Hereinafter, these will be described in detail.

初めに、アノードチューブを、アノード材料と電解質材料の混合物を用いて作製する。具体的には、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物の粉末と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる金属元素あるいは酸化物の粉末に、セルロース系の結合剤、炭素粉末等の気孔生成剤を加えて、水で練り、得られた塑性混合物を押し出し成形法等を用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体を成形する。該管状成形体を作製するこれらの方法及び手段は、特に制限されるものではなく、適宜の方法及び手段を使用することができる。   First, an anode tube is made using a mixture of anode material and electrolyte material. Specifically, an oxidation containing two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W. A powder of a physical compound, a powder of a metal element or oxide selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, and Ti; And kneading with water, and the resulting plastic mixture is extruded to form a tubular formed body having a predetermined tube diameter, tube length, and tube thickness. These methods and means for producing the tubular molded body are not particularly limited, and appropriate methods and means can be used.

次いで、得られたチューブ状アノード成形体に電解質材料粉体を含むスラリーを付着させた後、いかだ状に配列し、乾燥させる。これにより、管の表面に、後の焼成によって固体電解質層となる電解質層形成層が付着し、電解質層によって互いのチューブが結合した、いかだ構造体となる(図1のa)。また、得られたチューブ状成形体を乾燥前に結合することでアノードチューブによる、いかだ状構造体を得ることも可能であり、その後、電解質材料粉体を含むスラリーを付着させ、乾燥させる(図1のb)。   Next, after the slurry containing the electrolyte material powder is attached to the obtained tubular anode molded body, it is arranged in a raft shape and dried. As a result, an electrolyte layer forming layer that becomes a solid electrolyte layer is attached to the surface of the tube by subsequent firing, and a raft structure is obtained in which the tubes are joined by the electrolyte layer (a in FIG. 1). Moreover, it is possible to obtain a raft-like structure by an anode tube by bonding the obtained tube-shaped molded body before drying, and thereafter, a slurry containing an electrolyte material powder is adhered and dried (see FIG. 1 b).

上記スラリーの付着方法としては、例えば、多孔質チューブの両端側の開口を樹脂系接着剤等により封止した後、この管を、固体電解質を含むスラリー中に浸漬してディップコーティングする方法等が好適な一例として挙げられるが、これに制限されるものではなく、ディプコーティング法以外にも、例えば、ハケ塗り法、スプレー法等の種々の付着方法を用いることができる。   Examples of the method for attaching the slurry include a method in which openings on both ends of a porous tube are sealed with a resin adhesive, and then the tube is immersed in a slurry containing a solid electrolyte and dip coated. Although it is mentioned as a suitable example, it is not limited to this, and various attachment methods such as a brush coating method and a spray method can be used in addition to the dip coating method.

このとき、得られた電解質層付きチューブ状アノードの外側面の一端に、固体電解質を含むスラリーが付着されることなく、アノード部分がむき出し状態とされた露出部が形成されることが必要である。これを、所定の温度で焼成して、電解質層付きチューブ構造体とする。該チューブ構造体の焼成温度としては、1200〜1600℃程度の温度で焼成することが好ましいが、特にこの範囲に限定されるものではなく、チューブの材質、多孔度等を考慮して、電解質層が密度90%以上程度に緻密化される温度が任意に設定される。   At this time, it is necessary that an exposed portion in which the anode portion is exposed is formed on one end of the outer surface of the obtained tubular anode with an electrolyte layer without adhering slurry containing a solid electrolyte. . This is fired at a predetermined temperature to obtain a tube structure with an electrolyte layer. The tube structure is preferably fired at a temperature of about 1200 to 1600 ° C., but is not particularly limited to this range. In consideration of the material of the tube, the porosity, etc., the electrolyte layer The temperature at which the density is densified to about 90% or more is arbitrarily set.

次いで、カソード材料を電解質層に塗布する。カソード材料としては、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgを一種類以上及び/又はこれらの酸化物化合物から構成される材料が好適である。これらの粉体よりスラリーを作製して、上記固体電解質の調製と同様の方法を用いて、カソードを電解質層上に形成することができる。   A cathode material is then applied to the electrolyte layer. As the cathode material, in particular, a material composed of one or more of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg and / or an oxide compound thereof is suitable. A slurry can be prepared from these powders, and the cathode can be formed on the electrolyte layer using the same method as that for the preparation of the solid electrolyte.

次いで、得られたチューブ構造体を、所定の温度で焼成して電気化学リアクタースタックとする。この場合、焼成温度としては、800〜1200℃程度の温度で焼成することが好ましいが、特に限定されるものではなく、カソード材料の種類等を考慮して種々調節することができる。以上により、アノードチューブ2の外側面に固体電解質層1が接合され、電解質層の外側にカソード3が積層された構造を有する電気化学リアクタースタックを得ることができる。   Next, the obtained tube structure is fired at a predetermined temperature to form an electrochemical reactor stack. In this case, the firing temperature is preferably about 800 to 1200 ° C., but is not particularly limited and can be variously adjusted in consideration of the type of the cathode material and the like. As described above, an electrochemical reactor stack having a structure in which the solid electrolyte layer 1 is bonded to the outer surface of the anode tube 2 and the cathode 3 is laminated on the outer side of the electrolyte layer can be obtained.

なお、必要に応じて、例えば、得られた電気化学リアクタースタックのカソード又はアノードの部分を機械加工して面出しや寸法調整を行うことも適宜可能である。また、上記製造方法においては、電解質材料のスラリーをコートしたチューブを焼成することにより、予め電解質付多孔質チューブ結合体を作製した後に、カソードを積層した場合について説明したが、これ以外にも、電解質付アノードチューブを先ず作製し、その後、カソード材料スラリーによって、チューブ同士を接合し、いかだ状構造体を成形することも適宜可能である。   If necessary, for example, the cathode or anode portion of the obtained electrochemical reactor stack can be machined to adjust the surface and adjust the dimensions accordingly. In the above manufacturing method, the case where the cathode is laminated after the porous tube assembly with the electrolyte is prepared in advance by firing the tube coated with the slurry of the electrolyte material. It is also possible to produce an anode tube with electrolyte first, and then join the tubes together with a cathode material slurry to form a raft-like structure.

これらの電気化学リアクタースタックをスタックとして積層させていく場合、例えば、図3に示すように、チューブを並列に配列し、それぞれのチューブ構造体に共通の燃料ガス導入及び集電用マニフォールド13を形成することができる。アノード側のマニフォールドは、一段上のカソード集電体にインターコネクト等を介して接続することで、マルチボルト発電可能な電気化学リアクターとして使用することができる。   When these electrochemical reactor stacks are stacked as a stack, for example, as shown in FIG. 3, tubes are arranged in parallel, and a common fuel gas introduction and current collecting manifold 13 is formed in each tube structure. can do. The manifold on the anode side can be used as an electrochemical reactor capable of multivolt power generation by being connected to a cathode current collector on the upper stage via an interconnect or the like.

また、上記電気化学リアクタースタックを利用して、スタックを構成した場合、電解質層が接合されたチューブ同士を、カソード材料により一体的に接合することもできるので、従来、接続が困難であった管の外側が酸化雰囲気下にある場合であっても、高価な貴金属製ワイヤー等を使用することなく、簡単に管の間を電気的に接続することができる。本発明の電気化学リアクターをスタックとして積層させる方法、手段及びその形態については、特に制限されるものではなく、その種類、使用目的に応じて任意に選択及び設計することができる。本発明では、上記電気化学リアクタースタックを、電気化学反応システムにおけるリアクターとして組み込むことで適宜の電気化学反応システムを構築することが可能であり、その作製方法及び手段については、特に制限されない。   In addition, when the stack is constructed using the electrochemical reactor stack, the tubes to which the electrolyte layers are joined can be integrally joined with the cathode material, so that it has been difficult to connect them conventionally. Even when the outside of the tube is in an oxidizing atmosphere, the tubes can be easily electrically connected without using an expensive precious metal wire or the like. The method, means and form of laminating the electrochemical reactor of the present invention as a stack are not particularly limited, and can be arbitrarily selected and designed according to the type and purpose of use. In the present invention, an appropriate electrochemical reaction system can be constructed by incorporating the electrochemical reactor stack as a reactor in the electrochemical reaction system, and the production method and means thereof are not particularly limited.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)本発明により、新規セル構造を有し、クリーンエネルギー源や環境浄化装置等として好適に用いられる電気化学リアクタースタックを提供できる。
(2)上記電気化学リアクタースタックを利用した固体酸化物形燃料電池等の電気化学反応システムを提供できる。
(3)チューブ径が2mm以下のマイクロチューブでも容易に取扱える電気化学リアクタスタックの構造体を構築できる。
(4)いかだ状構造体からなる一次元構造のスタックを利用することにより、容易に直列接合によるモジュール化が可能であり、それにより、1モジュール当たりの発電電圧を大幅に向上させることが可能となる。
(5)チューブ状アノードの製造工程におけるプロセス温度を低温化できるので、安価なカソード材料の使用が可能であり、高価なカソード材料を大量に使用するという従来材のような問題を解決することができる。
(6)電解質層の薄膜化及び単位表面当たりの表面積を大幅に増加させることができ、また、該電解質層の上にカソード材料を任意の厚さで、高精度に制御して積層できるので、コストパフォーマンスの向上と、運転温度を400〜650℃程度に低温化することを可能にした電気化学反応システムを提供できる。
The following effects are exhibited by the present invention.
(1) According to the present invention, an electrochemical reactor stack having a novel cell structure and suitably used as a clean energy source, an environmental purification device, or the like can be provided.
(2) An electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell using the electrochemical reactor stack can be provided.
(3) A structure of an electrochemical reactor stack that can be easily handled even with a microtube having a tube diameter of 2 mm or less can be constructed.
(4) By using a stack having a one-dimensional structure composed of a raft-like structure, it is possible to easily form a module by serial joining, thereby greatly improving the power generation voltage per module. Become.
(5) Since the process temperature in the manufacturing process of the tubular anode can be lowered, it is possible to use an inexpensive cathode material, and to solve the problem of the conventional material in which a large amount of an expensive cathode material is used. it can.
(6) The thickness of the electrolyte layer can be reduced and the surface area per unit surface can be greatly increased, and the cathode material can be laminated on the electrolyte layer at an arbitrary thickness with high precision, It is possible to provide an electrochemical reaction system capable of improving cost performance and reducing the operating temperature to about 400 to 650 ° C.

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

本実施例では、以下の手順に従い、電気化学リアクタースタックを作製した。先ず、ZrO−10mol%Y組成を有する粉末(東ソー株式会社製)に、結合剤としてニトロセルロース、気孔生成剤として炭素粉末を加えて、水で練り、粘土状にした後、押し出し成形法によりチューブ状成形体を成形した。得られたチューブ状成形体の管径、管厚みは、それぞれ、1.5mm、0.4mmであった(管外径1.5mm、管内径0.7mm)。 In this example, an electrochemical reactor stack was produced according to the following procedure. First, nitrocellulose as a binder and carbon powder as a pore-forming agent are added to a powder having a ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 composition (made by Tosoh Corporation), kneaded with water to form a clay, and then extruded. A tubular molded body was molded by a molding method. The tube diameter and tube thickness of the obtained tubular molded body were 1.5 mm and 0.4 mm, respectively (tube outer diameter 1.5 mm, tube inner diameter 0.7 mm).

次いで、得られたチューブ状成形体を2cm長さにし、一端の開口を酢酸ビニルにより封止した後、この管を、ZrO−10mol%Y組成の固体電解質を含むスラリー中に浸漬して電解質層をディップコーティングし、電解質付チューブ状成形体とした。この電解質付チューブを5本密着させて、いかだ状構造体を作製した。この後、アノードチューブの他端を5mmむき出し状態とし、露出部とした。 Next, the obtained tubular molded body was made 2 cm long, and the opening at one end was sealed with vinyl acetate, and then this tube was immersed in a slurry containing a solid electrolyte having a composition of ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3. Then, the electrolyte layer was dip coated to obtain a tubular molded body with an electrolyte. A raft-like structure was prepared by closely attaching five tubes with electrolyte. Thereafter, the other end of the anode tube was exposed by 5 mm to form an exposed portion.

次いで、このコイル状成形体を乾燥後、1450℃で2時間焼成し、電解質付きいかだ状構造体とした。図4に、その拡大断面写真を示した。電解質材料によってチューブが結合されているのが分かる。   Next, this coil-shaped molded body was dried and then fired at 1450 ° C. for 2 hours to obtain a raft-like structure with an electrolyte. FIG. 4 shows an enlarged cross-sectional photograph. It can be seen that the tubes are joined by the electrolyte material.

次いで、容器内にカソード材料としてLaSrCoFeO(日本セラミックス株式会社製)を含むペーストを電解質層面に塗布し、100℃で乾燥させた後、1000℃で1時間焼成した。これにより、電気化学リアクタースタックを得た。 Next, a paste containing LaSrCoFeO 3 (manufactured by Nippon Ceramics Co., Ltd.) as a cathode material in the container was applied to the electrolyte layer surface, dried at 100 ° C., and then fired at 1000 ° C. for 1 hour. Thereby, an electrochemical reactor stack was obtained.

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、単一のいかだ状構造体のみについて示したが、スタックを構築する場合にも、同様の手順で作製することができる。   The embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, only a single raft-like structure is shown. However, when a stack is constructed, it can be manufactured by the same procedure.

以上詳述したように、本発明は、電気化学リアクタースタック及びそれから構成される電気化学反応システムに係るものであり、本発明の電気化学リアクタースタックの構成によれば、まず、チューブによって、いかだ状構造体が作製されるため、2mm以下のチューブ径のマイクロチューブでも容易に取扱える構造体が得られる。上記いかだ状構造体は、一次元構造体スタックであるので、モジュール化の際、容易に直列接続が可能となる。したがって、1モジュール当たり、従来部材以上の高電圧を発電することが可能となる。また、上記構成によれば、カソード材料は、コイル上の電解質層に必要量だけ積層することが可能であり、それによって、コストパフォーマンスに優れた電気化学リアクタースタック及び作動温度の低温化を可能とした電気化学反応システムを構築することができる。   As described above in detail, the present invention relates to an electrochemical reactor stack and an electrochemical reaction system composed thereof. According to the configuration of the electrochemical reactor stack of the present invention, first, a raft-like shape is formed by a tube. Since the structure is produced, a structure that can be easily handled even with a microtube having a tube diameter of 2 mm or less is obtained. Since the raft-like structure is a one-dimensional structure stack, it can be easily connected in series when modularized. Therefore, it is possible to generate a higher voltage than a conventional member per module. In addition, according to the above configuration, the cathode material can be stacked in a required amount on the electrolyte layer on the coil, thereby enabling an electrochemical reactor stack with excellent cost performance and a lower operating temperature. An electrochemical reaction system can be constructed.

本発明に係る電気化学リアクタースタックの概略図である。1 is a schematic view of an electrochemical reactor stack according to the present invention. 本発明に係る電気化学リアクタースタックをSOFC単体として使用する場合の構成図である。It is a block diagram in the case of using the electrochemical reactor stack which concerns on this invention as SOFC single-piece | unit. 本発明に係る電気化学リアクタースタックを利用したモジュール化の一例である。It is an example of modularization using the electrochemical reactor stack which concerns on this invention. 本発明に係る電気化学リアクタースタックの拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the electrochemical reactor stack which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質層
2 アノードチューブ
3 チューブ空
4 カソード
5 アノード露出部
6 燃料ガス
7 空気
8 シール材
9 燃料ガス導入管
10集電体
11集電ワイヤー
12 負荷
13 マニフォールド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte layer 2 Anode tube 3 Tube empty 4 Cathode 5 Anode exposed part 6 Fuel gas 7 Air 8 Sealing material 9 Fuel gas introduction pipe 10 Current collector 11 Current collection wire 12 Load 13 Manifold

Claims (11)

電解質層(イオン伝導相)を表面に持った複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに結合した構造体を形成しており、かつ、その構造体の電解質層上にカソード(空気極)が積層されていることを特徴とする電気化学リアクタースタック。   A structure in which a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) having an electrolyte layer (ion conduction phase) on the surface is connected to each other is formed, and a cathode (air electrode) is laminated on the electrolyte layer of the structure. Electrochemical reactor stack characterized by being made. 電解質層(イオン伝導相)を表面に形成可能な複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに結合した構造体を形成しており、かつ、その構造体上に電解質層(イオン伝導体相)及びカソード(空気極)が積層されていることを特徴とする電気化学リアクタースタック。   A structure in which a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) capable of forming an electrolyte layer (ion conduction phase) on the surface is bonded to each other is formed, and the electrolyte layer (ion conductor phase) and the structure are formed on the structure. Electrochemical reactor stack, characterized in that a cathode (air electrode) is laminated. 複数のチューブ状アノード(燃料極)が互いに平面的に結合した構造体を形成している、請求項1又は2記載の電気化学リアクタースタック。   The electrochemical reactor stack according to claim 1 or 2, wherein a plurality of tubular anodes (fuel electrodes) form a structure in which the anodes are planarly coupled to each other. 電解質材料が、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物である、請求項1又は2記載の電気化学リアクタースタック。   An oxide containing two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W The electrochemical reactor stack according to claim 1, which is a compound. チューブ状アノード(燃料極)材料が、電解質材料と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiの元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、請求項1又は2記載の電気化学リアクタースタック。   The tubular anode (fuel electrode) material is composed of an electrolyte material and an oxide compound containing Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti and / or one or more of these elements. The electrochemical reactor stack according to claim 1 or 2, wherein the electrochemical reactor stack is configured. カソード(空気極)材料が、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、請求項1又は2記載の電気化学リアクタースタック。   The cathode (air electrode) material is composed of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg elements and / or oxide compounds containing one or more of these elements. The electrochemical reactor stack according to claim 1 or 2. カソード材料が、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、又は遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物である、請求項6記載の電気化学リアクタースタック。   The electrochemical reactor stack according to claim 6, wherein the cathode material is a transition metal perovskite oxide or a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material. 電解質層の厚さが1〜100ミクロンである、請求項1又は2記載の電気化学リアクタースタック。   The electrochemical reactor stack according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte layer has a thickness of 1 to 100 microns. 電気化学反応によって電流を取り出すシステムであって、リアクターとして、請求項1から8のいずれかに記載の電気化学リアクタースタックを構成要素として含むことを特徴とする電気化学反応システム。   A system for taking out an electric current by an electrochemical reaction, comprising the electrochemical reactor stack according to claim 1 as a constituent element as a reactor. 複数の上記電気化学リアクタースタックが集積されて、モジュール化している、請求項9記載の電気化学反応システム。   The electrochemical reaction system according to claim 9, wherein the plurality of electrochemical reactor stacks are integrated and modularized. 電気化学反応システムが、固形酸化物形燃料電池、排ガス浄化電気化学リアクター、又は水素製造電気化学リアクターである、請求項9又は10記載の電気化学反応システム。   The electrochemical reaction system according to claim 9 or 10, wherein the electrochemical reaction system is a solid oxide fuel cell, an exhaust gas purification electrochemical reactor, or a hydrogen production electrochemical reactor.
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