JP2018046017A - Solid alkali type fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体アルカリ形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid alkaline fuel cell.
比較的低温(例えば200℃以下)で作動する燃料電池として、アルカリ形燃料電池(AFC)が知られている。AFCでは多種多様な燃料を使用することができる。例えば、メタノールを燃料とした場合には以下のような反応となる。
・燃料極(アノード): CH3OH+6OH−→6e−+CO2+5H2O
・空気極(カソード): 3/2O2+3H2O+6e−→6OH−
・全体: CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
An alkaline fuel cell (AFC) is known as a fuel cell that operates at a relatively low temperature (for example, 200 ° C. or less). AFC can use a wide variety of fuels. For example, when methanol is used as a fuel, the reaction is as follows.
・ Fuel electrode (anode): CH 3 OH + 6OH − → 6e − + CO 2 + 5H 2 O
・ Air electrode (cathode): 3 / 2O 2 + 3H 2 O + 6e − → 6OH −
Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
このように、AFCでは電解質として水酸化物イオン伝導体が必要であり、近年、アニオン交換膜(AEM)や層状複水酸化物(LDH)圧粉体を用いたAFCが提案されている。例えば、特許文献1(特開2013−48066号公報)には、アニオン交換膜(AEM)からなる電解質層を備える燃料電池において、ヒドラジン等の少なくとも水素および窒素を含有する化合物を燃料として使用することが開示されている。また、特許文献2(国際公開第2010/109670号)には、M2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2Oなる一般式(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンである)で表わされる層状複水酸化物(LDH)からなるアルカリ電解質膜を直接アルコール燃料電池に用いることが開示されている。このアルカリ電解質膜は層状複水酸化物の微粒子をコールドプレスすることによってペレット状とされたLDH圧粉体である。 Thus, AFC requires a hydroxide ion conductor as an electrolyte, and recently, AFC using an anion exchange membrane (AEM) or a layered double hydroxide (LDH) compact has been proposed. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2013-48066), in a fuel cell including an electrolyte layer made of an anion exchange membrane (AEM), a compound containing at least hydrogen and nitrogen such as hydrazine is used as a fuel. Is disclosed. Patent Document 2 (International Publication No. 2010/109670) discloses a general formula (M 2+ 1− M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (where M 2+ is 2)). the valence of the cation, M 3+ is a trivalent cation, a n-layered double hydroxide (LDH) alkaline electrolyte membrane directly alcohol fuel consisting represented by a is) n-valent anion It is disclosed for use in batteries. This alkaline electrolyte membrane is an LDH green compact made into a pellet form by cold pressing fine particles of layered double hydroxide.
このように、AFCでは燃料として水素の他に、水素よりも貯蔵が容易な液体燃料(例えばアルコールやヒドラジン等)を使用することができる。しかしながら、引用文献1に開示されるようなAEM電解質層は有機系材料で構成されるため、耐熱性及び耐久性に問題があり、また、燃料が空気極側に透過することによる起電力低下の問題もある。一方、引用文献2に開示されるようなLDH圧粉体は、緻密性が不十分のため燃料が空気極側に透過することによる起電力低下の問題がある。 Thus, in AFC, in addition to hydrogen, liquid fuel (for example, alcohol, hydrazine, etc.) that can be stored more easily than hydrogen can be used as fuel. However, since the AEM electrolyte layer disclosed in the cited document 1 is composed of an organic material, there is a problem in heat resistance and durability, and the electromotive force is reduced due to the permeation of fuel to the air electrode side. There is also a problem. On the other hand, the LDH green compact as disclosed in the cited document 2 has a problem that the electromotive force is lowered due to the permeation of the fuel to the air electrode side due to insufficient denseness.
本発明者らは、今般、水熱処理によって緻密化された層状複水酸化物からなる無機固体電解質体を電解質として用いることにより、耐熱性及び耐久性に優れ、かつ、燃料透過による起電力低下をも抑制できる固体アルカリ形燃料電池を提供できるとの知見を得た。 Inventors of the present invention have excellent heat resistance and durability and reduced electromotive force due to fuel permeation by using an inorganic solid electrolyte body made of a layered double hydroxide densified by hydrothermal treatment as an electrolyte. The present inventors have obtained knowledge that a solid alkaline fuel cell capable of suppressing the above problem can be provided.
したがって、本発明の目的は、耐熱性及び耐久性に優れ、かつ、燃料透過による起電力低下をも抑制できる固体アルカリ形燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid alkaline fuel cell that is excellent in heat resistance and durability and that can suppress a decrease in electromotive force due to fuel permeation.
本発明の一態様によれば、酸素が供給される空気極と、
液体燃料及び/又は気体燃料が供給される燃料極と、
前記燃料極と前記空気極の間に介在され、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体と、
を備えた固体アルカリ形燃料電池であって、
前記無機固体電解質体が、好ましくはM2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4である)の基本組成を有する層状複水酸化物からなり、前記無機固体電解質体が水熱処理によって緻密化されたものである、固体アルカリ形燃料電池が提供される。
According to one aspect of the present invention, an air electrode supplied with oxygen;
An anode supplied with liquid fuel and / or gaseous fuel;
An inorganic solid electrolyte body interposed between the fuel electrode and the air electrode and having hydroxide ion conductivity;
A solid alkaline fuel cell comprising:
The inorganic solid electrolyte body, preferably M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is 3 the valence of the cation, a n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, the layered double hydroxide having a basic composition of x is 0.1-0.4) And a solid alkaline fuel cell in which the inorganic solid electrolyte body is densified by hydrothermal treatment.
図1に、本発明の固体アルカリ型燃料電池の一例を模式的に示す。図1に示される固体アルカリ形燃料電池10は、空気極12と、燃料極14と、無機固体電解質体16とを備えてなる。空気極12は、空気供給手段13を介して酸素が供給されてカソードとして機能しうる。燃料極14は、燃料供給手段15を介して液体燃料及び/又は気体燃料が供給されてアノードとして機能しうる。無機固体電解質体16は、燃料極14と空気極12の間に介在され、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックスである。無機固体電解質体16は、好ましくはM2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4である)の基本組成を有する層状複水酸化物からなる。また、無機固体電解質体16は水熱処理によって緻密化されたものである。このように、本発明の固体アルカリ形燃料電池10においては、緻密化された層状複水酸化物からなる無機固体電解質体16を電解質として用いることにより、耐熱性及び耐久性に優れ、かつ、燃料透過による起電力低下をも抑制できる固体アルカリ形燃料電池を提供できる。 FIG. 1 schematically shows an example of the solid alkaline fuel cell of the present invention. A solid alkaline fuel cell 10 shown in FIG. 1 includes an air electrode 12, a fuel electrode 14, and an inorganic solid electrolyte body 16. The air electrode 12 can function as a cathode when oxygen is supplied via the air supply means 13. The fuel electrode 14 is supplied with liquid fuel and / or gaseous fuel via the fuel supply means 15 and can function as an anode. The inorganic solid electrolyte body 16 is a ceramic that is interposed between the fuel electrode 14 and the air electrode 12 and has hydroxide ion conductivity. Inorganic solid electrolyte body 16 is preferably M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is 3 the valence of the cation, a n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, the layered double hydroxide having a basic composition of x is 0.1-0.4) Consists of. The inorganic solid electrolyte body 16 is densified by hydrothermal treatment. As described above, in the solid alkaline fuel cell 10 of the present invention, by using the inorganic solid electrolyte body 16 made of a densified layered double hydroxide as an electrolyte, it has excellent heat resistance and durability, and fuel. It is possible to provide a solid alkaline fuel cell capable of suppressing a decrease in electromotive force due to permeation.
すなわち、前述したとおり、アルカリ形燃料電池(AFC)では燃料として水素の他に、水素よりも貯蔵が容易な液体燃料(例えばアルコールやヒドラジン等)を使用することができるが、引用文献1に開示されるようなAEM電解質層は有機系材料で構成されるため、耐熱性及び耐久性に問題があり、また、燃料が空気極側に透過することによる起電力低下の問題もある。また、引用文献2に開示されるような層状複水酸化物(LDH)圧粉体にあっては、緻密性が不十分のため燃料が空気極側に透過することによる起電力低下の問題がある。この点、本発明の固体アルカリ形燃料電池10において用いられる無機固体電解質体16はセラミックス材料で構成されるため、引用文献1に記載されるAEM電解質層のような有機系材料よりも耐熱性及び耐久性に格段に優れる。また、無機固体電解質体16は水熱処理によって緻密化されてなるため、液透過性や通気性を有しておらず、それ故、燃料の空気極12側への透過を阻止して起電力低下の抑制することができる。その結果、本発明によれば、耐熱性及び耐久性に優れ、かつ、燃料透過による起電力低下をも抑制できる固体アルカリ形燃料電池を提供することができる。 That is, as described above, in the alkaline fuel cell (AFC), in addition to hydrogen, liquid fuel (for example, alcohol, hydrazine, etc.) that can be stored more easily than hydrogen can be used. Since such an AEM electrolyte layer is composed of an organic material, there is a problem in heat resistance and durability, and there is also a problem of a decrease in electromotive force due to the permeation of fuel to the air electrode side. Further, in the layered double hydroxide (LDH) green compact as disclosed in the cited document 2, there is a problem of a decrease in electromotive force due to permeation of fuel to the air electrode side due to insufficient denseness. is there. In this regard, since the inorganic solid electrolyte body 16 used in the solid alkaline fuel cell 10 of the present invention is made of a ceramic material, it has higher heat resistance and higher organic resistance than the organic material such as the AEM electrolyte layer described in the cited document 1. Excellent durability. In addition, since the inorganic solid electrolyte body 16 is densified by hydrothermal treatment, it does not have liquid permeability or air permeability, and therefore prevents permeation of fuel to the air electrode 12 side and lowers electromotive force. Can be suppressed. As a result, according to the present invention, it is possible to provide a solid alkaline fuel cell that is excellent in heat resistance and durability and that can suppress a decrease in electromotive force due to fuel permeation.
空気極12は、酸素が供給されてカソードとして機能する電極である。酸素は空気として供給されるのが好ましく、空気は加湿された空気であるのが好ましい。空気極12は、アルカリ形燃料電池に使用される公知各種の空気極触媒を含むものであればよく、特に限定されない。空気極触媒の例としては、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)等の第8〜10族元素(IUPAC形式での周期表において第8〜10族に属する元素)、Cu、Ag、Au等の第11族元素(IUPAC形式での周期表において第11族に属する元素)、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Coサレン、Niサレン(サレン=N,N’−ビス(サリチリデン)エチレンジアミン)、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。空気極12における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは0.1〜10mg/cm2、より好ましくは、0.1〜5mg/cm2である。空気極触媒はカーボンに担持させることが好ましい。空気極12ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン(Pt/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。空気極12の作製方法は特に限定されないが、例えば、空気極触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を無機固体電解質体16の一方の面に塗布することにより形成すればよい。 The air electrode 12 is an electrode that functions as a cathode when supplied with oxygen. The oxygen is preferably supplied as air and the air is preferably humidified air. The air electrode 12 is not particularly limited as long as it includes various known air electrode catalysts used in alkaline fuel cells. Examples of the air electrode catalyst include platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), group 8-10 elements (periodic table in IUPAC format) such as iron group elements (Fe, Co, Ni), etc. Element belonging to Group 8 to 10), Group 11 elements such as Cu, Ag, Au (elements belonging to Group 11 in the periodic table in IUPAC format), rhodium phthalocyanine, tetraphenylporphyrin, Co salen, Ni salen (Salen = N, N′-bis (salicylidene) ethylenediamine), silver nitrate, and any combination thereof. The amount of the catalyst supported on the air electrode 12 is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 10 mg / cm 2 , more preferably 0.1 to 5 mg / cm 2 . The air electrode catalyst is preferably supported on carbon. Preferred examples of the air electrode 12 or the catalyst constituting it include platinum-supported carbon (Pt / C), palladium-supported carbon (Pd / C), rhodium-supported carbon (Rh / C), nickel-supported carbon (Ni / C). , Copper-supported carbon (Cu / C), and silver-supported carbon (Ag / C). The method for producing the air electrode 12 is not particularly limited. For example, the air electrode catalyst and, if desired, a carrier are mixed with a binder to form a paste, and this paste mixture is applied to one surface of the inorganic solid electrolyte body 16. What is necessary is just to form.
燃料極14は、液体燃料及び/又は気体燃料が供給されてアノードとして機能する電極である。燃料極14は、アルカリ形燃料電池に使用される公知各種の燃料極触媒を含むものであればよく、特に限定されない。燃料極触媒の例としては、Pt、Ni、Co、Fe、Ru、Sn、及びPd等の金属触媒が挙げられる。金属触媒はカーボン等の担体に担持されるのが好ましい。また、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、さらにはこのような有機金属錯体を担体に担持させてもよい。また、触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。燃料極14ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン(Pt/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。燃料極14の作製方法は特に限定されないが、例えば、燃料極触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を無機固体電解質体16の空気極12と反対側の面に塗布することにより形成すればよい。 The fuel electrode 14 is an electrode that functions as an anode when supplied with liquid fuel and / or gaseous fuel. The fuel electrode 14 is not particularly limited as long as it includes various known fuel electrode catalysts used in alkaline fuel cells. Examples of the fuel electrode catalyst include metal catalysts such as Pt, Ni, Co, Fe, Ru, Sn, and Pd. The metal catalyst is preferably supported on a carrier such as carbon. Moreover, it is good also as a form of the organometallic complex which makes the metal atom of a metal catalyst a central metal, and also you may carry | support such an organometallic complex on a support | carrier. A diffusion layer made of a porous material or the like may be disposed on the surface of the catalyst. Preferred examples of the fuel electrode 14 or the catalyst constituting it include nickel, cobalt, silver, platinum-supported carbon (Pt / C), palladium-supported carbon (Pd / C), rhodium-supported carbon (Rh / C), nickel support Examples include carbon (Ni / C), copper-supported carbon (Cu / C), and silver-supported carbon (Ag / C). The method for producing the fuel electrode 14 is not particularly limited. For example, the fuel electrode catalyst and optionally a carrier are mixed with a binder to form a paste, and this paste-like mixture is the surface of the inorganic solid electrolyte body 16 opposite to the air electrode 12. What is necessary is just to form by apply | coating to.
燃料極14に供給される燃料は液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。液体燃料は燃料化合物そのものが液体であってもよいし、固体形態の燃料化合物を水やアルコール等の液体に溶解させて得たものであってもよい。燃料に使用可能な燃料化合物の例としては、(i)ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH2)2CO2)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2、CH3NHNHCH3)、カルボンヒドラジド((NHNH2)2CO)等のヒドラジン類、(ii)尿素(NH2CONH2)、(iii)アンモニア(NH3)、(iv)イミダゾール、1,3,5−トリアジン、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール等の複素環類化合物、(v)ヒドロキシルアミン(NH2OH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NH2OH・H2SO4)等のヒドロキシルアミン類、及び(vi)それらの任意の組合せが挙げられる。上記燃料化合物のうち炭素を含まない化合物(すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等)は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため耐久性の向上を図ることができ、その上、二酸化炭素の排出を無くすことができる。また、上記燃料化合物をそのまま燃料として用いてもよいが、燃料化合物を水及び/又はアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等)に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記列挙された燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であり、液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶であり、1,3,5−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。したがって、これらの固体形態の燃料化合物は水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び/又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば1〜90重量%であり、好ましくは1〜30重量%である。あるいは、メタノール、エタノール等のアルコール類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガスや純水素をそのまま燃料として用いてもよい。 The fuel supplied to the fuel electrode 14 may be either liquid fuel or gaseous fuel. The liquid fuel may be a liquid fuel compound itself, or may be obtained by dissolving a solid fuel compound in a liquid such as water or alcohol. Examples of fuel compounds that can be used for fuel include (i) hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 .H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ). , Hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 .H 2 SO 4 ), monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethyl hydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), carboxylic hydrazide ((NHNH 2 ) 2 CO ) Hydrazines such as (ii) urea (NH 2 CONH 2 ), (iii) ammonia (NH 3 ), (iv) imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-triazole heterocycles compounds such, (v) hydroxylamine (NH 2 OH), such as hydroxylamine sulfate (NH 2 OH · H 2 SO 4) Hydroxylamines, and (vi) any combination thereof. Among the above fuel compounds, compounds that do not contain carbon (that is, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate, ammonia, hydroxylamine, hydroxylamine sulfate, etc.) have no problem of catalyst poisoning due to carbon monoxide, thus improving durability. In addition, carbon dioxide emissions can be eliminated. The fuel compound may be used as a fuel as it is, but may be used as a solution in which the fuel compound is dissolved in water and / or alcohol (for example, lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, etc.). For example, among the fuel compounds listed above, hydrazine, hydrated hydrazine, monomethyl hydrazine, and dimethyl hydrazine are liquid and can be used as liquid fuel. In addition, hydrazine carbonate, hydrazine sulfate, carboxylic hydrazide, urea, imidazole, 3-amino-1,2,4-triazole, and hydroxylamine sulfate are solid but soluble in water. Triazine and hydroxylamine are solid but soluble in alcohol. Ammonia is a gas but is soluble in water. Therefore, these solid fuel compounds can be dissolved in water or alcohol and used as a liquid fuel. When the fuel compound is used after being dissolved in water and / or alcohol, the concentration of the fuel compound in the solution is, for example, 1 to 90% by weight, and preferably 1 to 30% by weight. Alternatively, a hydrocarbon liquid fuel containing alcohols such as methanol and ethanol, a hydrocarbon gas such as methane, and pure hydrogen may be used as fuel.
燃料極14には液体燃料が供給されるのがより好ましい。無機固体電解質体16が液不透過性に優れるため、液体燃料の空気極側への透過を確実に阻止して起電力低下を抑制することができる。液体燃料は、上述したように、水及び/又はアルコールを含む液体であるのが好ましい。また、液体燃料は、エタノール、メタノール、エチレングリコール、水化ヒドラジン、及びアンモニアからなる群から選択される少なくとも1種を含有するのが好ましい。 More preferably, liquid fuel is supplied to the fuel electrode 14. Since the inorganic solid electrolyte body 16 is excellent in liquid impermeability, the permeation of liquid fuel to the air electrode side can be reliably prevented to suppress a decrease in electromotive force. As described above, the liquid fuel is preferably a liquid containing water and / or alcohol. The liquid fuel preferably contains at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, ethylene glycol, hydrated hydrazine, and ammonia.
無機固体電解質体16は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックスである。無機固体電解質体16は、好ましくはM2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4である)の基本組成を有する層状複水酸化物(LDH)からなる。上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH−及びCO3 2−が挙げられる。したがって、上記一般式において、M2+がMg2+を含み、M3+がAl3+を含み、An−がOH−及び/又はCO3 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。mは任意の実数である。また、上記一般式においてM3+の一部または全部を4価またはそれ以上の価数の陽イオンで置き換えてもよく、その場合は、上記一般式における陰イオンAn−の係数x/nは適宜変更されてよい。 The inorganic solid electrolyte body 16 is a ceramic having hydroxide ion conductivity. Inorganic solid electrolyte body 16 is preferably M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is 3 the valence of the cation, a n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, the layered double hydroxide having a basic composition of x is 0.1-0.4) (LDH). In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Therefore, in the general formula, M 2+ comprises Mg 2+, M 3+ comprises Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. m is an arbitrary real number. It is also possible to replace the part or all of the M 3+ in the general formula tetravalent or higher valency cation, in which case, the anion A n- coefficients x / n of the above general formula It may be changed as appropriate.
無機固体電解質体16は水熱処理によって緻密化されたものである。水熱処理は、層状複水酸化物、とりわけMg−Al型層状複水酸化物の一体緻密化に極めて有効である。こうして水熱処理によって緻密化された無機固体電解質体16は、典型的には液透過性及び通気性を有しない。したがって、無機固体電解質体16は、耐熱性及び耐久性に優れるだけでなく、燃料透過による起電力低下をも抑制できる。このように無機固体電解質体16は液透過性及び通気性を有しない程にまで緻密化されていることが望まれる。例えば、無機固体電解質体16は、アルキメデス法又はこれに準ずる方法で算出して、90%以上の相対密度を有するのが好ましく、より好ましくは92%以上、さらに好ましくは95%以上である。このようなLDH緻密体ともいうべき無機固体電解質体16は水熱処理を経て製造可能になるのであり、水熱処理を経ていない単なるLDH圧粉体は、緻密性が不十分のため好ましくない。水熱処理を用いた無機固体電解質体16の好ましい製造方法については後述するものとする。 The inorganic solid electrolyte body 16 is densified by hydrothermal treatment. Hydrothermal treatment is extremely effective for the densification of layered double hydroxides, especially Mg—Al type layered double hydroxides. The inorganic solid electrolyte body 16 thus densified by hydrothermal treatment typically does not have liquid permeability and air permeability. Therefore, the inorganic solid electrolyte body 16 not only has excellent heat resistance and durability, but also can suppress a decrease in electromotive force due to fuel permeation. Thus, it is desirable that the inorganic solid electrolyte body 16 is so dense that it does not have liquid permeability and air permeability. For example, it is preferable that the inorganic solid electrolyte body 16 has a relative density of 90% or more, more preferably 92% or more, and still more preferably 95% or more, calculated by the Archimedes method or a similar method. Such an inorganic solid electrolyte body 16 that should be referred to as an LDH dense body can be manufactured through hydrothermal treatment, and a simple LDH green compact that has not undergone hydrothermal treatment is not preferable because the denseness is insufficient. A preferred method for producing the inorganic solid electrolyte body 16 using hydrothermal treatment will be described later.
無機固体電解質体16は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質を含んで構成される粒子群と、これら粒子群の緻密化や硬化を助ける補助成分との複合体であってもよい。あるいは、基材としての開気孔性の多孔質体と、この多孔質体の孔を埋めるように孔中に析出及び成長させた無機固体電解質(例えば層状複水酸化物)との複合体も使用可能である。この多孔質体を構成する物質の例としては、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスや、発泡樹脂又は繊維状物質からなる多孔性シート等の絶縁性の物質が挙げられる。 The inorganic solid electrolyte body 16 may be a composite of a particle group including an inorganic solid electrolyte having hydroxide ion conductivity and an auxiliary component that assists densification and hardening of the particle group. Alternatively, a composite of an open-pore porous material as a base material and an inorganic solid electrolyte (for example, layered double hydroxide) deposited and grown in the pores so as to fill the pores of the porous material is also used. Is possible. Examples of the substance constituting the porous body include ceramics such as alumina and zirconia, and insulating substances such as a porous sheet made of a foamed resin or a fibrous substance.
無機固体電解質体16は、板状、膜状又は層状のいずれの形態であってもよく、膜状又は層状の形態である場合、膜状又は層状の無機固体電解質体が多孔質基材上又はその中に形成されたものであるのが好ましい。板状の無機固体電解質体の好ましい厚さは、0.01〜0.5mmであり、より好ましくは0.02〜0.2mm、さらに好ましくは0.05〜0.1mmである。また、無機固体電解質体の水酸化物イオン伝導度は高ければ高い方が望ましいが、典型的には10−4〜10−1S/mの伝導度を有する。一方、膜状又は層状の形態の場合には、厚さが100μm以下であるのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことで無機固体電解質体の低抵抗化を実現できる。厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、無機固体電解質膜ないし層として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。 The inorganic solid electrolyte body 16 may be in the form of a plate, a film, or a layer. When the inorganic solid electrolyte body 16 is in the form of a film or a layer, the inorganic solid electrolyte body in the form of a film or layer is on a porous substrate or It is preferable that it is formed in it. The preferred thickness of the plate-like inorganic solid electrolyte body is 0.01 to 0.5 mm, more preferably 0.02 to 0.2 mm, and still more preferably 0.05 to 0.1 mm. Moreover, the higher the hydroxide ion conductivity of the inorganic solid electrolyte body, the better, but it typically has a conductivity of 10 −4 to 10 −1 S / m. On the other hand, in the case of a film-like or layered form, the thickness is preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. Such thinness can realize low resistance of the inorganic solid electrolyte body. The lower limit of the thickness is not particularly limited because it varies depending on the application, but it is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm, in order to ensure a certain degree of rigidity desired as the inorganic solid electrolyte membrane or layer. That's it.
無機固体電解質体16の片面又は両面(望ましくは片面)に多孔質基材を設けてもよい。多孔質基材により強度を付与できるため、無機固体電解質体16を薄くして低抵抗化を図ることもできる。また、多孔質基材上又はその中に無機固体電解質体(好ましくはLDH)の緻密膜ないし緻密層を形成することもできる。無機固体電解質体16の片面に多孔質基材を設ける場合には、多孔質基材を用意して、この多孔質基材に無機固体電解質を成膜する手法が考えられる(この手法については後述する)。一方、無機固体電解質体16の両面に多孔質基材を設ける場合には、2枚の多孔質基材の間に無機固体電解質の原料粉末を挟んで緻密化を行うことが考えられる。多孔質基材は無機固体電解質体16の片面の全面にわたって設けられてもよいし、無機固体電解質体16の片面の一部にのみ設ける構成としてもよい。例えば、多孔質基材上又はその中に無機固体電解質体16を膜状又は層状に形成した場合、その製法に由来して、無機固体電解質体の片面の全面にわたって多孔質基材が設けられた構成になるのが典型的である。一方、無機固体電解質体16を(基材を必要としない)自立した板状に形成した場合には、無機固体電解質体16の片面の一部(例えば充放電反応に関与する領域)にのみ多孔質基材を後付けしてもよいし、片面の全面にわたって多孔質基材を後付けしてもよい。 A porous substrate may be provided on one side or both sides (preferably one side) of the inorganic solid electrolyte body 16. Since the strength can be imparted by the porous substrate, the inorganic solid electrolyte body 16 can be made thin to reduce the resistance. Also, a dense film or a dense layer of an inorganic solid electrolyte (preferably LDH) can be formed on or in the porous substrate. In the case of providing a porous substrate on one side of the inorganic solid electrolyte body 16, a method of preparing a porous substrate and depositing an inorganic solid electrolyte on the porous substrate can be considered (this method will be described later). To do). On the other hand, when providing a porous base material on both surfaces of the inorganic solid electrolyte body 16, it can be considered that the inorganic solid electrolyte raw material powder is sandwiched between two porous base materials for densification. The porous substrate may be provided over the entire surface of one side of the inorganic solid electrolyte body 16, or may be provided only on a part of one side of the inorganic solid electrolyte body 16. For example, when the inorganic solid electrolyte body 16 is formed in the form of a film or a layer on or in the porous base material, the porous base material is provided over the entire surface of one side of the inorganic solid electrolyte body derived from the manufacturing method. It is typically a configuration. On the other hand, when the inorganic solid electrolyte body 16 is formed in a self-supporting plate shape (which does not require a base material), it is porous only on a part of one side of the inorganic solid electrolyte body 16 (for example, a region involved in the charge / discharge reaction). A porous substrate may be retrofitted, or a porous substrate may be retrofitted over the entire surface of one side.
本発明の好ましい態様によれば、多孔質基材は水酸化物イオン伝導性を有する材料で構成されうる。この水酸化物イオン伝導性を有する多孔質基材は、無機固体電解質体16のいずれの面に設けてもよく、両側に設けてもよい。例えば、図2に示されるように多孔質基材18を空気極12側に設けてもよいし、図3に示されるように多孔質基材18を燃料極14側に設けてもよい。というのも、本態様においては、多孔質基材自体を水酸化物イオンが通過可能であるため、空気極12及び/又は燃料極14と無機固体電解質体16との間で水酸化物イオンの伝導性を十分に確保することができるためである。したがって、本態様においては液体燃料及び気体燃料のいずれも使用可能である。水酸化物イオン伝導性を有する多孔質基材は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料で構成されたものであるのが好ましく、例えば上述したような組成の層状複水酸化物(LDH)で構成されたものであってよい。 According to a preferred embodiment of the present invention, the porous substrate can be composed of a material having hydroxide ion conductivity. The porous base material having hydroxide ion conductivity may be provided on any surface of the inorganic solid electrolyte body 16 or on both sides. For example, the porous base material 18 may be provided on the air electrode 12 side as shown in FIG. 2, or the porous base material 18 may be provided on the fuel electrode 14 side as shown in FIG. This is because, in this embodiment, hydroxide ions can pass through the porous substrate itself, so that hydroxide ions can be exchanged between the air electrode 12 and / or the fuel electrode 14 and the inorganic solid electrolyte body 16. This is because sufficient conductivity can be secured. Therefore, in this aspect, both liquid fuel and gaseous fuel can be used. The porous substrate having hydroxide ion conductivity is preferably composed of a ceramic material having hydroxide ion conductivity. For example, a layered double hydroxide (LDH) having the above-described composition is used. It may be comprised of.
本発明の別の好ましい態様によれば、多孔質基材は水酸化物イオン伝導性を有しない材料で構成されてもよい。この場合、図3に示されるように、多孔質基材18は、無機固体電解質体16の燃料極14側に設けられ、燃料極14に液体燃料とアルカリ金属水酸化物水溶液との混合溶液が供給されることが望まれる。すなわち、本態様においては、多孔質基材18が水酸化物イオン伝導性を有しないため、液体燃料にアルカリ金属水酸化物水溶液を混合させることで、多孔質基材18を通過可能な混合溶液を介して、燃料極14と無機固体電解質体16との間における水酸化物イオンの伝導性を確保可能とする。この場合には、多孔質基材をアルミナやジルコニア等のセラミックス材料を始めとする様々な材料で構成することができる。アルカリ金属水酸化物水溶液の例としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化アンモニウム水溶液等が挙げられるが、水酸化カリウム水溶液がより好ましい。 According to another preferred embodiment of the present invention, the porous substrate may be made of a material that does not have hydroxide ion conductivity. In this case, as shown in FIG. 3, the porous substrate 18 is provided on the fuel electrode 14 side of the inorganic solid electrolyte body 16, and a mixed solution of the liquid fuel and the alkali metal hydroxide aqueous solution is formed on the fuel electrode 14. It is desired to be supplied. That is, in this embodiment, since the porous substrate 18 does not have hydroxide ion conductivity, a mixed solution that can pass through the porous substrate 18 by mixing the alkali metal hydroxide aqueous solution with the liquid fuel. Thus, it is possible to ensure the conductivity of hydroxide ions between the fuel electrode 14 and the inorganic solid electrolyte body 16. In this case, the porous substrate can be composed of various materials including ceramic materials such as alumina and zirconia. Examples of the alkali metal hydroxide aqueous solution include a potassium hydroxide aqueous solution, a sodium hydroxide aqueous solution, a lithium hydroxide aqueous solution, and an ammonium hydroxide aqueous solution, and a potassium hydroxide aqueous solution is more preferable.
LDH緻密板の製造方法
板状の無機固体電解質の好ましい形態として、層状複水酸化物(LDH)緻密体が挙げられる。LDH緻密体はあらゆる方法によって作製されたものであってもよいが、以下に好ましい製造方法の一態様を説明する。この製造方法は、ハイドロタルサイトに代表されるLDHの原料粉末を成形及び焼成して酸化物焼成体とし、これを層状複水酸化物へ再生した後、余剰の水分を除去することにより行われる。この方法によれば、88%以上の相対密度を有する高品位な層状複水酸化物緻密体を簡便に且つ安定的に提供及び製造することができる。
Method for Producing LDH Dense Plate A preferred form of the plate-like inorganic solid electrolyte is a layered double hydroxide (LDH) dense body. Although the LDH dense body may be produced by any method, an embodiment of a preferable production method will be described below. This production method is carried out by forming and firing LDH raw material powder typified by hydrotalcite to form an oxide fired body, regenerating it into a layered double hydroxide, and then removing excess water. . According to this method, a high-quality layered double hydroxide dense body having a relative density of 88% or more can be provided and produced easily and stably.
(1)原料粉末の用意
原料粉末として、好ましくは一般式:M2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4である)で表される層状複水酸化物の粉末を用意する。上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH−及びCO3 2−が挙げられる。したがって、上記一般式は、少なくともM2+がMg2+を、M3+がAl3+を含み、An−がOH−及び/又はCO3 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。このような原料粉末は市販の層状複水酸化物製品であってもよいし、硝酸塩や塩化物を用いた液相合成法等の公知の方法にて作製した原料であってもよい。原料粉末の粒径は、所望の層状複水酸化物緻密体が得られる限り限定されないが、体積基準D50平均粒径が0.1〜1.0μmであるのが好ましく、より好ましくは0.3〜0.8μmである。原料粉末の粒径が細かすぎると粉末が凝集しやすく、成形時に気孔が残留する可能性が高く、大きすぎると成形性が悪くなるためである。
(1) as prepared raw material powder of the raw material powder, preferably the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation , M 3+ is a trivalent cation, a n-n-valent anion, n is an integer of 1 or more, layered double hydroxide represented by x is 0.1-0.4) Prepare a powder. In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Accordingly, the general formula is at least M 2+ is Mg 2+, include M 3+ is Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. Such a raw material powder may be a commercially available layered double hydroxide product, or may be a raw material produced by a known method such as a liquid phase synthesis method using nitrate or chloride. The particle size of the raw material powder is not limited as long as a desired layered double hydroxide dense body is obtained, but the volume-based D50 average particle size is preferably 0.1 to 1.0 μm, more preferably 0.3. ~ 0.8 μm. This is because if the particle size of the raw material powder is too fine, the powder tends to aggregate, and there is a high possibility that pores will remain during molding, and if it is too large, the moldability will deteriorate.
所望により、原料粉末を仮焼して酸化物粉末としてもよい。この際の仮焼温度は、構成するM2+及びM3+によって多少の差があるが、500℃以下が好ましく、より好ましくは380〜460℃とし、原料粒径が大きく変化しない領域で行う。 If desired, the raw material powder may be calcined to obtain an oxide powder. The calcining temperature at this time is somewhat different depending on the constituent M 2+ and M 3+ , but is preferably 500 ° C. or lower, more preferably 380 to 460 ° C., in a region where the raw material particle size does not change significantly.
(2)成形体の作製
原料粉末を成形して成形体を得る。この成形は、成形後且つ焼成前の成形体(以下、成形体という)が、43〜65%、より好ましくは45〜60%であり、さらに好ましくは47%〜58%の相対密度を有するように、例えば加圧成形により行われるのが好ましい。成形体の相対密度は、成形体の寸法及び重量から密度を算出し、理論密度で除して求められるが、成形体の重量は吸着水分の影響を受けるため、一義的な値を得るために、室温、相対湿度20%以下のデシケータ内で24時間以上保管した原料粉末を用いた成形体か、もしくは成形体を前記条件下で保管した後に相対密度を測定するのが好ましい。ただし、原料粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、成形体の相対密度が26〜40%であるのが好ましく、より好ましくは29〜36%である。なお、酸化物粉末を用いる場合の相対密度は、層状複水酸化物を構成する各金属元素が仮焼により各々酸化物に変化したと仮定し、各酸化物の混合物として求めた換算密度を分母として求めた。一例に挙げた加圧成形は、金型一軸プレスにより行ってもよいし、冷間等方圧加圧(CIP)により行ってもよい。冷間等方圧加圧(CIP)を用いる場合は原料粉末をゴム製容器中に入れて真空封じするか、あるいは予備成形したものを用いるのが好ましい。その他、スリップキャストや押出成形など、公知の方法で成形してもよく、成形方法については特に限定されない。ただし、原料粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、乾式成形法に限られる。これらの成形体の相対密度は、得られる緻密体の強度だけではなく、通常板状形状を有する層状複水酸化物の配向度への影響もあることから、その用途等を考慮して成形時の相対密度を上記の範囲で適宜設定するのが好ましい。
(2) Production of molded body A raw material powder is molded to obtain a molded body. In this molding, a molded body after molding and before firing (hereinafter referred to as a molded body) is 43 to 65%, more preferably 45 to 60%, and even more preferably 47% to 58%. For example, it is preferably performed by pressure molding. The relative density of the molded body is calculated by calculating the density from the size and weight of the molded body and dividing by the theoretical density, but the weight of the molded body is affected by the adsorbed moisture. It is preferable to measure the relative density after the molded body using the raw material powder stored for 24 hours or more in a desiccator having a room temperature and a relative humidity of 20% or less, or after storing the molded body under the above conditions. However, when the raw material powder is calcined to form an oxide powder, the relative density of the compact is preferably 26 to 40%, more preferably 29 to 36%. The relative density in the case of using oxide powder is based on the assumption that each metal element constituting the layered double hydroxide has changed to oxide by calcining, and the converted density obtained as a mixture of each oxide is the denominator. As sought. The pressure forming described as an example may be performed by a uniaxial press of a mold, or may be performed by cold isostatic pressing (CIP). In the case of using cold isostatic pressing (CIP), it is preferable to put the raw material powder in a rubber container and vacuum-seal it or use a preformed one. In addition, you may shape | mold by well-known methods, such as slip casting and extrusion molding, and it does not specifically limit about a shaping | molding method. However, when the raw material powder is calcined to obtain an oxide powder, it is limited to the dry molding method. The relative density of these compacts not only affects the strength of the resulting compact, but also affects the degree of orientation of the layered double hydroxides that usually have a plate shape. The relative density is preferably set within the above range.
(3)焼成工程
上記工程で得られた成形体を焼成して酸化物焼成体を得る。この焼成は、酸化物焼成体が、成形体の重量の57〜65%の重量となり、且つ/又は、成形体の体積の70〜76%以下の体積となるように行われるのが好ましい。成形体の重量の57%以上であると、後工程の層状複水酸化物への再生時に再生できない異相が生成しにくくなり、65%以下であると焼成が十分に行われて後工程で十分に緻密化する。また、成形体の体積の70%以上であると、後工程の層状複水酸化物への再生時に異相が生成にくくなるとともに、クラックも生じにくくなり、76%以下であると、焼成が十分に行われて後工程で十分に緻密化する。原料粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、成形体の重量の85〜95%、及び/又は成形体の体積の90%以上の酸化物焼成体を得るのが好ましい。原料粉末が仮焼されるか否かに関わらず、焼成は、酸化物焼成体が、酸化物換算で20〜40%の相対密度を有するように行われるのが好ましく、より好ましくは20〜35%であり、さらに好ましくは20〜30%である。ここで、酸化物換算での相対密度とは、層状複水酸化物を構成する各金属元素が焼成により各々酸化物に変化したと仮定し、各酸化物の混合物として求めた換算密度を分母として求めた相対密度である。酸化物焼成体を得るための好ましい焼成温度は400〜850℃であり、より好ましくは700〜800℃である。この範囲内の焼成温度で1時間以上保持されるのが好ましく、より好ましい保持時間は3〜10時間である。また、急激な昇温により水分や二酸化炭素が放出して成形体が割れるのを防ぐため、上記焼成温度に到達させるための昇温は100℃/h以下の速度で行われるのが好ましく、より好ましくは5〜75℃/hであり、さらに好ましくは10〜50℃/hである。したがって、昇温から降温(100℃以下)に至るまでの全焼成時間は20時間以上確保するのが好ましく、より好ましくは30〜70時間、さらに好ましくは35〜65時間である。
(3) Firing step The molded body obtained in the above step is fired to obtain an oxide fired body. This firing is preferably performed so that the oxide fired body has a weight of 57 to 65% of the weight of the compact and / or a volume of 70 to 76% or less of the volume of the compact. When it is 57% or more of the weight of the molded product, it is difficult to generate a heterogeneous phase that cannot be regenerated during regeneration to a layered double hydroxide in the subsequent step, and when it is 65% or less, sufficient firing is performed in the subsequent step. Densify. Further, when it is 70% or more of the volume of the molded body, it is difficult to generate a heterogeneous phase when regenerating into a layered double hydroxide in a subsequent process, and cracks are hardly generated. Done and fully densified in later steps. When the raw material powder is calcined to obtain an oxide powder, it is preferable to obtain an oxide fired body of 85 to 95% of the weight of the compact and / or 90% or more of the volume of the compact. Regardless of whether or not the raw material powder is calcined, the firing is preferably performed so that the oxide fired body has a relative density of 20 to 40% in terms of oxide, more preferably 20 to 35. %, More preferably 20-30%. Here, the relative density in terms of oxide means that each metal element constituting the layered double hydroxide is changed to an oxide by firing, and the converted density obtained as a mixture of each oxide is used as the denominator. It is the obtained relative density. A preferable baking temperature for obtaining the oxide fired body is 400 to 850 ° C, more preferably 700 to 800 ° C. It is preferable to hold | maintain for 1 hour or more with the calcination temperature in this range, and a more preferable holding time is 3 to 10 hours. Further, in order to prevent moisture and carbon dioxide from being released due to rapid temperature rise and cracking the molded body, the temperature rise for reaching the firing temperature is preferably performed at a rate of 100 ° C./h or less. Preferably it is 5-75 degreeC / h, More preferably, it is 10-50 degreeC / h. Therefore, it is preferable to secure a total firing time from temperature increase to temperature decrease (100 ° C. or lower) of 20 hours or more, more preferably 30 to 70 hours, and further preferably 35 to 65 hours.
(4)層状複水酸化物への再生工程
上記工程で得られた酸化物焼成体を上述したn価の陰イオン(An−)を含む水溶液中又はその直上に保持して層状複水酸化物へと再生し、それにより水分に富む層状複水酸化物固化体を得る。すなわち、この製法により得られる層状複水酸化物固化体は必然的に余分な水分を含んでいる。なお、水溶液中に含まれる陰イオンは原料粉末中に含まれる陰イオンと同種の陰イオンとしてよいし、異なる種類の陰イオンとしてもよい。酸化物焼成体の水溶液中又は水溶液直上での保持は密閉容器内で水熱合成の手法により行われるのが好ましく、そのような密閉容器の例としてはテフロン(登録商標)製の密閉容器が挙げられ、より好ましくはその外側にステンレス製等のジャケットを備えた密閉容器である。層状複水酸化物化は、酸化物焼成体を20℃以上200℃未満で、少なくとも酸化物焼成体の一面が水溶液に接する状態に保持することにより行われるのが好ましく、より好ましい温度は50〜180℃であり、さらに好ましい温度は100〜150℃である。このような層状複水酸化物化温度で酸化物焼結体が1時間以上保持されるのが好ましく、より好ましくは2〜50時間であり、さらに好ましくは5〜20時間である。このような保持時間であると十分に層状複水酸化物への再生を進行させて異相が残るのを回避又は低減できる。なお、この保持時間は、長すぎても特に問題はないが、効率性を重視して適時設定すればよい。
(4) Regeneration step to layered double hydroxide The oxide fired body obtained in the above step is held in or directly above the aqueous solution containing the n-valent anion (A n− ) and layered double hydroxide. It regenerates into a product, thereby obtaining a layered double hydroxide solidified body rich in moisture. That is, the layered double hydroxide solidified body obtained by this production method inevitably contains excess moisture. The anion contained in the aqueous solution may be the same kind of anion as that contained in the raw material powder, or may be a different kind of anion. It is preferable that the oxide fired body is held in an aqueous solution or immediately above the aqueous solution by a hydrothermal synthesis method in a sealed container, and an example of such a sealed container is a sealed container made of Teflon (registered trademark). More preferably, it is a closed container provided with a jacket made of stainless steel or the like on the outside thereof. The layered double hydroxide is preferably formed by maintaining the oxide fired body at 20 ° C. or more and less than 200 ° C. so that at least one surface of the oxide fired body is in contact with the aqueous solution, and a more preferable temperature is 50 to 180. And a more preferable temperature is 100 to 150 ° C. It is preferable that the oxide sintered body is maintained at such a layered double hydroxide formation temperature for 1 hour or more, more preferably 2 to 50 hours, and further preferably 5 to 20 hours. With such a holding time, it is possible to avoid or reduce the occurrence of a heterogeneous phase by sufficiently regenerating the layered double hydroxide. The holding time is not particularly problematic if it is too long, but it may be set in a timely manner with emphasis on efficiency.
層状複水酸化物への再生に使用するn価の陰イオンを含む水溶液の陰イオン種として空気中の二酸化炭素(炭酸イオン)を想定する場合は、イオン交換水を用いることが可能である。なお、密閉容器内の水熱処理の際には、酸化物焼成体を水溶液中に水没させてもよいし、治具を用いて少なくとも一面が水溶液に接する状態で処理を行ってもよい。少なくとも一面が水溶液に接する状態で処理した場合、完全水没と比較して余分な水分量が少ないので、その後の工程が短時間で済むことがある。ただし、水溶液が少なすぎるとクラックが発生しやすくなるため、焼成体重量と同等以上の水分を用いるのが好ましい。 When carbon dioxide (carbonate ion) in the air is assumed as an anion species of an aqueous solution containing an n-valent anion used for regeneration into a layered double hydroxide, ion-exchanged water can be used. In the hydrothermal treatment in the sealed container, the fired oxide body may be submerged in the aqueous solution, or the treatment may be performed in a state where at least one surface is in contact with the aqueous solution using a jig. When the treatment is carried out in a state where at least one surface is in contact with the aqueous solution, the amount of excess water is small compared to complete submersion, and the subsequent steps may be completed in a short time. However, if the amount of the aqueous solution is too small, cracks are likely to occur. Therefore, it is preferable to use moisture equal to or greater than the weight of the fired body.
(5)脱水工程
上記工程で得られた水分に富む層状複水酸化物固化体から余剰の水分を除去する。こうして本発明の層状複水酸化物緻密体が得られる。この余剰の水分を除去する工程は、300℃以下、除去工程の最高温度での推定相対湿度25%以上の環境下で行われるのが好ましい。層状複水酸化物固化体からの急激な水分の蒸発を防ぐため、室温より高い温度で脱水する場合は層状複水酸化物への再生工程で使用した密閉容器中に再び封入して行うことが好ましい。その場合の好ましい温度は50〜250℃であり、さらに好ましくは100〜200℃である。また、脱水時のより好ましい相対湿度は25〜70%であり、さらに好ましくは40〜60%である。脱水を室温で行ってもよく、その場合の相対湿度は通常の室内環境における40〜70%の範囲内であれば問題はない。
(5) Dehydration process Excess water is removed from the water-rich layered double hydroxide solidified product obtained in the above process. Thus, the layered double hydroxide dense body of the present invention is obtained. The step of removing excess water is preferably performed in an environment of 300 ° C. or lower and an estimated relative humidity of 25% or higher at the maximum temperature of the removal step. In order to prevent rapid evaporation of moisture from the layered double hydroxide solidified body, when dehydrating at a temperature higher than room temperature, it should be re-enclosed in the sealed container used in the regeneration process to the layered double hydroxide. preferable. The preferable temperature in that case is 50-250 degreeC, More preferably, it is 100-200 degreeC. Moreover, the more preferable relative humidity at the time of spin-drying | dehydration is 25 to 70%, More preferably, it is 40 to 60%. Dehydration may be performed at room temperature, and there is no problem as long as the relative humidity is within a range of 40 to 70% in a normal indoor environment.
多孔質基材付きLDH緻密層
前述のとおり、無機固体電解質体は膜状又は層状の形態であることができる。この場合、膜状又は層状の無機固体電解質体が多孔質基材上又はその中に形成されてなる、多孔質基材付き無機固体電解質体とするのが好ましい。特に好ましい多孔質基材付き無機固体電解質体は、多孔質基材と、この多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成される無機固体電解質層とを備えてなり、無機固体電解質層が前述したような層状複水酸化物(LDH)を含んでなるものである。このLDHを含んでなる無機固体電解質層(以下、LDH層という)は液透過性及び通気性を有しないのが好ましい。すなわち、多孔質材料は孔の存在により液透過性及び通気性を有しうるが、LDH層は液透過性及び通気性を有しない程にまでLDHで緻密化されているのが好ましい。LDH層は多孔質基材上に形成されるのが好ましい。例えば、図4に示されるように、多孔質基材28上にLDH層20がLDH緻密膜として形成されるのが好ましい。この場合、多孔質基材28の性質上、図4に示されるように多孔質基材28の表面及びその近傍の孔内にもLDHが形成されてよいのはいうまでもない。あるいは、図5に示されるように、多孔質基材28中(例えば多孔質基材28の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成され、それにより多孔質基材28の少なくとも一部がLDH層20’を構成するものであってもよい。この点、図5に示される態様は図4に示される態様のLDH層20における膜相当部分を除去した構成となっているが、これに限定されず、多孔質基材28の表面と平行にLDH層が存在していればよい。いずれにしても、LDH層は液透過性及び通気性を有しない程にまでLDHで緻密化されているため、水酸化物イオン伝導性を有するが液透過性及び通気性を有しない(すなわち基本的に水酸化物イオンのみを通す)という特有の機能を有することができる。
LDH dense layer with porous substrate As described above, the inorganic solid electrolyte body may be in the form of a film or a layer. In this case, it is preferable to use an inorganic solid electrolyte body with a porous substrate, in which a film-like or layered inorganic solid electrolyte body is formed on or in the porous substrate. A particularly preferable inorganic solid electrolyte body with a porous substrate comprises a porous substrate and an inorganic solid electrolyte layer formed on and / or in the porous substrate. The layer comprises layered double hydroxide (LDH) as described above. The inorganic solid electrolyte layer containing LDH (hereinafter referred to as LDH layer) preferably has no liquid permeability and air permeability. That is, the porous material may have liquid permeability and air permeability due to the presence of pores, but the LDH layer is preferably densified with LDH to such an extent that it does not have liquid permeability and air permeability. The LDH layer is preferably formed on a porous substrate. For example, as shown in FIG. 4, the LDH layer 20 is preferably formed as an LDH dense film on the porous substrate 28. In this case, needless to say, LDH may also be formed on the surface of the porous substrate 28 and in the pores in the vicinity thereof as shown in FIG. 4 due to the nature of the porous substrate 28. Alternatively, as shown in FIG. 5, LDH is densely formed in the porous substrate 28 (for example, the surface of the porous substrate 28 and the pores in the vicinity thereof), whereby at least one of the porous substrates 28 is formed. The portion may constitute the LDH layer 20 ′. In this regard, the embodiment shown in FIG. 5 has a configuration in which the film-corresponding portion in the LDH layer 20 of the embodiment shown in FIG. 4 is removed, but is not limited to this, and is parallel to the surface of the porous substrate 28. The LDH layer should just exist. In any case, since the LDH layer is densified with LDH to such an extent that it does not have liquid permeability and air permeability, it has hydroxide ion conductivity but does not have liquid permeability and air permeability (that is, basic). Thus, it has a unique function of passing only hydroxide ions.
多孔質基材は、その上及び/又は中にLDH層を形成できるものが好ましく、その材質や多孔構造は特に限定されない。多孔質基材上及び/又は中にLDH層を形成するのが典型的ではあるが、無孔質基材上にLDH層を成膜し、その後公知の種々の手法により無孔質基材を多孔化してもよい。いずれにしても、多孔質基材は液透過性や通気性を有する多孔構造を有するのが好ましい。 The porous substrate is preferably capable of forming an LDH layer on and / or in the porous substrate, and the material and the porous structure are not particularly limited. Typically, an LDH layer is formed on and / or in a porous substrate, but the LDH layer is formed on the nonporous substrate, and then the nonporous substrate is formed by various known methods. It may be made porous. In any case, the porous substrate preferably has a porous structure having liquid permeability and air permeability.
多孔質基材は、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましい。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ及びジルコニアであり、最も好ましくはアルミナである。これらの多孔質セラミックスを用いると緻密性に優れたLDH層を形成しやすい。金属材料の好ましい例としては、アルミニウム及び亜鉛が挙げられる。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。上述した各種の好ましい材料から電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性に優れたものを適宜選択するのが更に好ましい。 The porous substrate is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. In this case, preferable examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, silicon nitride, and any combination thereof. More preferred are alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, particularly preferred are alumina and zirconia, and most preferred is alumina. When these porous ceramics are used, it is easy to form an LDH layer having excellent denseness. Preferable examples of the metal material include aluminum and zinc. Preferred examples of the polymer material include polystyrene, polyethersulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, and any combination thereof. It is more preferable to appropriately select a material excellent in alkali resistance as the resistance to the battery electrolyte from the various preferable materials described above.
多孔質基材は0.001〜1.5μmの平均気孔径を有するのが好ましく、より好ましくは0.001〜1.25μm、さらに好ましくは0.001〜1.0μm、特に好ましくは0.001〜0.75μm、最も好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の液透過性を確保しながら、液透過性を有しない程に緻密なLDH層を形成することができる。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行うことができる。この測定に用いる電子顕微鏡(SEM)画像の倍率は20000倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得ることができる。測長には、SEMのソフトウェアの測長機能や画像解析ソフト(例えば、Photoshop、Adobe社製)等を用いることができる。 The porous substrate preferably has an average pore diameter of 0.001 to 1.5 μm, more preferably 0.001 to 1.25 μm, still more preferably 0.001 to 1.0 μm, and particularly preferably 0.001. It is -0.75 micrometer, Most preferably, it is 0.001-0.5 micrometer. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH layer that is so dense that the porous substrate does not have liquid permeability while ensuring desired liquid permeability. In the present invention, the average pore diameter can be measured by measuring the longest distance of the pores based on an electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope (SEM) image used for this measurement is 20000 times, and all obtained pore diameters are arranged in order of size, and the top 15 points and the bottom 15 points from the average value, with 30 points per field of view in total. The average pore diameter can be obtained by calculating an average value for two visual fields. For the length measurement, a length measurement function of SEM software, image analysis software (for example, Photoshop, manufactured by Adobe) or the like can be used.
多孔質基材の表面は、10〜60%の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは15〜55%、さらに好ましくは20〜50%である。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の液透過性を確保しながら、液透過性を有しない程に緻密なLDH層を形成することができる。ここで、多孔質基材の表面の気孔率を採用しているのは、以下に述べる画像処理を用いた気孔率の測定がしやすいことによるものであり、多孔質基材の表面の気孔率は多孔質基材内部の気孔率を概ね表しているといえるからである。すなわち、多孔質基材の表面が緻密であれば多孔質基材の内部もまた同様に緻密であるといえる。本発明において、多孔質基材の表面の気孔率は画像処理を用いた手法により以下のようにして測定することができる。すなわち、1)多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順でヒストグラムのしきい値を調整して白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とする。なお、この画像処理による気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われるのが好ましく、より客観的な指標とするためには、任意に選択された3箇所の領域について得られた気孔率の平均値を採用するのがより好ましい。 The surface of the porous substrate preferably has a porosity of 10 to 60%, more preferably 15 to 55%, and still more preferably 20 to 50%. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH layer that is so dense that the porous substrate does not have liquid permeability while ensuring desired liquid permeability. Here, the porosity of the surface of the porous substrate is adopted because it is easy to measure the porosity using the image processing described below, and the porosity of the surface of the porous substrate. This is because it can be said that it generally represents the porosity inside the porous substrate. That is, if the surface of the porous substrate is dense, the inside of the porous substrate can be said to be dense as well. In the present invention, the porosity of the surface of the porous substrate can be measured as follows by a technique using image processing. That is, 1) An electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate (acquisition of 10,000 times or more) is obtained, and 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). 3) Create a monochrome binary image by adjusting the threshold value of the histogram by the procedure of [Image] → [Tone Correction] → [Turn Tone], and 4) The number of pixels occupied by the black part of the image The value divided by the total number of pixels is the porosity (%). The porosity measurement by this image processing is preferably performed for a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate. In order to obtain a more objective index, three arbitrarily selected regions are used. It is more preferable to employ the average value of the obtained porosity.
LDH層は、多孔質基材上及び/又は多孔質基材中、好ましくは多孔質基材上に形成される。例えば、図4に示されるようにLDH層20が多孔質基材28上に形成される場合には、LDH層20はLDH緻密膜の形態であり、このLDH緻密膜は典型的にはLDHからなる。また、図5に示されるようにLDH層20’が多孔質基材28中に形成される場合には、多孔質基材28中(典型的には多孔質基材28の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成されることから、LDH層20’は典型的には多孔質基材28の少なくとも一部及びLDHからなる。図5に示されるLDH層20’は、図4に示されるLDH層20における膜相当部分を研磨、切削等の公知の手法により除去することにより得ることができる。 The LDH layer is formed on the porous substrate and / or in the porous substrate, preferably on the porous substrate. For example, as shown in FIG. 4, when the LDH layer 20 is formed on the porous substrate 28, the LDH layer 20 is in the form of an LDH dense film, which is typically made of LDH. Become. Further, when the LDH layer 20 ′ is formed in the porous substrate 28 as shown in FIG. 5, the surface of the porous substrate 28 (typically the surface of the porous substrate 28 and the vicinity thereof). Since LDH is densely formed in the pores), the LDH layer 20 ′ is typically composed of at least a part of the porous substrate 28 and LDH. The LDH layer 20 ′ shown in FIG. 5 can be obtained by removing a portion corresponding to the film in the LDH layer 20 shown in FIG. 4 by a known method such as polishing or cutting.
LDH層は液透過性及び通気性を有しないのが好ましい。例えば、LDH層はその片面を25℃で1週間水と接触させても水を透過させず、また、その片面に0.5atmの内外差圧で水素ガスを加圧しても水素ガスを透過させない。すなわち、LDH層は液透過性及び通気性を有しない程にまでLDHで緻密化されているのが好ましい。もっとも、局所的且つ/又は偶発的に液透過性を有する欠陥が機能膜に存在する場合には、当該欠陥を適当な補修剤(例えばエポキシ樹脂等)で埋めて補修することで水不透性及び気体不透過性を確保してもよく、そのような補修剤は必ずしも水酸化物イオン伝導性を有する必要はない。いずれにしても、LDH層(典型的にはLDH緻密膜)の表面が20%以下の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは15%以下、さらに好ましくは10%以下、特に好ましくは7%以下である。LDH層の表面の気孔率が低ければ低いほど、LDH層(典型的にはLDH緻密膜)の緻密性が高いことを意味し、好ましいといえる。ここで、LDH層の表面の気孔率を採用しているのは、以下に述べる画像処理を用いた気孔率の測定がしやすいことによるものであり、LDH層の表面の気孔率はLDH層内部の気孔率を概ね表しているといえるからである。すなわち、LDH層の表面が緻密であればLDH層の内部もまた同様に緻密であるといえる。本発明において、LDH層の表面の気孔率は画像処理を用いた手法により以下のようにして測定することができる。すなわち、1)LDH層の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順でヒストグラムのしきい値を調整して白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とする。なお、この画像処理による気孔率の測定はLDH層表面の6μm×6μmの領域について行われるのが好ましく、より客観的な指標とするためには、任意に選択された3箇所の領域について得られた気孔率の平均値を採用するのがより好ましい。 The LDH layer preferably does not have liquid permeability and air permeability. For example, the LDH layer does not allow water to permeate even if one side of the LDH layer is brought into contact with water at 25 ° C. for 1 week, and does not allow hydrogen gas to permeate even if hydrogen gas is pressurized on the one side with an internal / external differential pressure of 0.5 atm. . That is, the LDH layer is preferably densified with LDH to such an extent that it does not have liquid permeability and air permeability. However, when a defect that has liquid permeability locally and / or accidentally exists in the functional membrane, it is water-impermeable by filling the defect with an appropriate repair agent (for example, epoxy resin) and repairing it. And gas impermeability may be ensured, and such repair agents need not necessarily have hydroxide ion conductivity. In any case, the surface of the LDH layer (typically the LDH dense film) preferably has a porosity of 20% or less, more preferably 15% or less, still more preferably 10% or less, particularly preferably 7%. It is as follows. The lower the porosity of the surface of the LDH layer, the higher the density of the LDH layer (typically the LDH dense film), which is preferable. Here, the reason why the porosity of the surface of the LDH layer is adopted is that the porosity of the surface of the LDH layer is easily measured by using the image processing described below. It is because it can be said that the porosity of is generally expressed. That is, if the surface of the LDH layer is dense, the inside of the LDH layer can be said to be dense as well. In the present invention, the porosity of the surface of the LDH layer can be measured as follows by a technique using image processing. That is, 1) An electron microscope (SEM) image (10,000 times or more magnification) of the surface of the LDH layer is acquired, and 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). ) Adjust the histogram threshold value by the procedure of [Image] → [Tone Correction] → [Turn Tone] to create a black and white binary image, 4) The number of pixels occupied by the black part is the total number of pixels in the image The value divided by the number is the porosity (%). Note that the porosity measurement by this image processing is preferably performed for a 6 μm × 6 μm region on the surface of the LDH layer. In order to obtain a more objective index, it is obtained for three arbitrarily selected regions. It is more preferable to adopt the average value of the porosity.
層状複水酸化物は複数の板状粒子(すなわちLDH板状粒子)の集合体で構成され、当該複数の板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなるのが好ましい。この態様は、図4に示されるように、多孔質基材28上にLDH層20がLDH緻密膜として形成される場合に特に好ましく実現可能な態様であるが、図5に示されるように、多孔質基材28中(典型的には多孔質基材28の表面及びその近傍の孔内)にLDHが緻密に形成され、それにより多孔質基材28の少なくとも一部がLDH層20’を構成する場合においても実現可能である。 The layered double hydroxide is composed of an aggregate of a plurality of plate-like particles (that is, LDH plate-like particles), and the plurality of plate-like particles are substantially the same as the surface of the porous substrate (substrate surface). It is preferably oriented in a direction that intersects perpendicularly or diagonally. As shown in FIG. 4, this embodiment is a particularly preferable and feasible embodiment when the LDH layer 20 is formed as an LDH dense film on the porous substrate 28. As shown in FIG. LDH is densely formed in the porous substrate 28 (typically in the surface of the porous substrate 28 and in the vicinity thereof), whereby at least a part of the porous substrate 28 forms the LDH layer 20 ′. This can be realized even in the case of configuration.
すなわち、LDH結晶は図6に示されるような層状構造を持った板状粒子の形態を有することが知られているが、上記略垂直又は斜めの配向は、LDH層(例えばLDH緻密膜)にとって極めて有利な特性である。というのも、配向されたLDH層(例えば配向LDH緻密膜)には、LDH板状粒子が配向する方向(即ちLDHの層と平行方向)の水酸化物イオン伝導度が、これと垂直方向の伝導度よりも格段に高いという伝導度異方性があるためである。実際、本出願人は、LDHの配向バルク体において、配向方向における伝導度(S/cm)が配向方向と垂直な方向の伝導度(S/cm)と比べて1桁高いとの知見を得ている。すなわち、本態様のLDH層における上記略垂直又は斜めの配向は、LDH配向体が持ちうる伝導度異方性を層厚方向(すなわちLDH層又は多孔質基材の表面に対して垂直方向)に最大限または有意に引き出すものであり、その結果、層厚方向への伝導度を最大限又は有意に高めることができる。その上、LDH層は層形態を有するため、バルク形態のLDHよりも低抵抗を実現することができる。このような配向性を備えたLDH層は、層厚方向に水酸化物イオンを伝導させやすくなる。その上、緻密化されているため、液透過性や通気性を有しておらず、それ故、燃料の空気極側への透過を阻止して起電力低下の抑制することができる。 That is, the LDH crystal is known to have the form of a plate-like particle having a layered structure as shown in FIG. 6, but the above-mentioned substantially vertical or oblique orientation is used for an LDH layer (for example, an LDH dense film). This is a very advantageous property. This is because, in an oriented LDH layer (for example, an oriented LDH dense film), hydroxide ion conductivity in the direction in which the LDH plate-like particles are oriented (ie, in a direction parallel to the LDH layer) is perpendicular to this. This is because there is a conductivity anisotropy that is much higher than the conductivity. In fact, the present applicant has obtained knowledge that the conductivity (S / cm) in the alignment direction is one order of magnitude higher than the conductivity (S / cm) in the direction perpendicular to the alignment direction in the LDH oriented bulk body. ing. That is, the substantially vertical or oblique alignment in the LDH layer of the present embodiment causes the conductivity anisotropy that the LDH alignment body can have in the layer thickness direction (that is, the direction perpendicular to the surface of the LDH layer or the porous substrate). As a result, the conductivity in the layer thickness direction can be maximized or significantly increased. In addition, since the LDH layer has a layer form, lower resistance than the bulk form LDH can be realized. An LDH layer having such an orientation easily conducts hydroxide ions in the layer thickness direction. In addition, since it is densified, it does not have liquid permeability or air permeability, and therefore, it is possible to prevent permeation of fuel to the air electrode side and suppress a decrease in electromotive force.
特に好ましくは、LDH層(典型的にはLDH緻密膜)においてLDH板状粒子が略垂直方向に高度に配向してなる。この高度な配向は、LDH層の表面をX線回折法により測定した場合に、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出されることで確認可能なものである(但し、(012)面に起因するピークと同位置に回折ピークが観察される多孔質基材を用いた場合には、LDH板状粒子に起因する(012)面のピークを特定できないことから、この限りでない)。この特徴的なピーク特性は、LDH層を構成するLDH板状粒子がLDH層に対して略垂直方向(すなわち垂直方向又はそれに類する斜め方向、好ましくは垂直方向)に配向していることを示す。すなわち、(003)面のピークは無配向のLDH粉末をX線回折した場合に観察される最も強いピークとして知られているが、配向LDH層にあっては、LDH板状粒子がLDH層に対して略垂直方向に配向していることで(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出される。これは、(003)面が属するc軸方向(00l)面(lは3及び6である)がLDH板状粒子の層状構造と平行な面であるため、このLDH板状粒子がLDH層に対して略垂直方向に配向しているとLDH層状構造も略垂直方向を向くこととなる結果、LDH層表面をX線回折法により測定した場合に(00l)面(lは3及び6である)のピークが現れないか又は現れにくくなるからである。特に(003)面のピークは、それが存在する場合、(006)面のピークよりも強く出る傾向があるから、(006)面のピークよりも略垂直方向の配向の有無を評価しやすいといえる。したがって、配向LDH層は、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出されるのが、垂直方向への高度な配向を示唆することから好ましいといえる。 Particularly preferably, the LDH plate-like particles are highly oriented in a substantially vertical direction in the LDH layer (typically an LDH dense film). This high degree of orientation is confirmed by the fact that when the surface of the LDH layer is measured by X-ray diffraction, the peak of the (003) plane is not substantially detected or smaller than the peak of the (012) plane. (However, when a porous substrate in which a diffraction peak is observed at the same position as the peak due to the (012) plane is used, the peak of the (012) plane due to the LDH plate-like particle is used. This is not the case). This characteristic peak characteristic indicates that the LDH plate-like particles constituting the LDH layer are oriented in a substantially vertical direction (that is, a vertical direction or an oblique direction similar thereto, preferably a vertical direction) with respect to the LDH layer. That is, the peak of the (003) plane is known as the strongest peak observed when X-ray diffraction is performed on non-oriented LDH powder. In the oriented LDH layer, the LDH plate-like particles are formed in the LDH layer. On the other hand, the (003) plane peak is not substantially detected or is smaller than the (012) plane peak because of being oriented in a substantially vertical direction. This is because the c-axis direction (00l) plane (l is 3 and 6) to which the (003) plane belongs is a plane parallel to the layered structure of the LDH plate-like particle. On the other hand, when oriented in the substantially vertical direction, the LDH layered structure also faces in the substantially vertical direction. As a result, when the surface of the LDH layer is measured by the X-ray diffraction method, the (00l) plane (l is 3 and 6). This is because the peak of) does not appear or becomes difficult to appear. In particular, the peak of the (003) plane tends to be stronger than the peak of the (006) plane when it exists, so it is easier to evaluate the presence / absence of orientation in the substantially vertical direction than the peak of the (006) plane. I can say that. Therefore, it is preferable that the oriented LDH layer is detected so that the peak of the (003) plane is substantially not detected or smaller than the peak of the (012) plane because it suggests a high degree of orientation in the vertical direction. I can say that.
LDH層は100μm以下の厚さを有するのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことで無機固体電解質体の低抵抗化を実現できる。LDH層が多孔質基材上にLDH緻密膜として形成されるのが好ましく、この場合、LDH層の厚さはLDH緻密膜の厚さに相当する。また、LDH層が多孔質基材中に形成される場合には、LDH層の厚さは多孔質基材の少なくとも一部及びLDHからなる複合層の厚さに相当し、LDH層が多孔質基材上及び中にまたがって形成される場合にはLDH緻密膜と上記複合層の合計厚さに相当する。いずれにしても、上記のような厚さであると、電池用途等への実用化に適した所望の低抵抗を実現することができる。LDH配向膜の厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、無機固体電解質体として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。 The LDH layer preferably has a thickness of 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. Such thinness can realize low resistance of the inorganic solid electrolyte body. The LDH layer is preferably formed as an LDH dense film on the porous substrate. In this case, the thickness of the LDH layer corresponds to the thickness of the LDH dense film. When the LDH layer is formed in the porous substrate, the thickness of the LDH layer corresponds to the thickness of the composite layer composed of at least a part of the porous substrate and LDH, and the LDH layer is porous. When formed over and in the substrate, this corresponds to the total thickness of the LDH dense film and the composite layer. In any case, when the thickness is as described above, a desired low resistance suitable for practical use in battery applications and the like can be realized. The lower limit of the thickness of the LDH alignment film is not particularly limited because it varies depending on the application, but in order to ensure a certain degree of rigidity desired as an inorganic solid electrolyte body, the thickness is preferably 1 μm or more, more preferably Is 2 μm or more.
上述した多孔質基材付き無機固体電解質体は、(1)多孔質基材を用意し、(2)マグネシウムイオン(Mg2+)及びアルミニウムイオン(Al3+)を0.20〜0.40mol/Lの合計濃度で含み、かつ、尿素を含んでなる原料水溶液に、多孔質基材を浸漬させ、(3)原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理して、層状複水酸化物を含んでなるLDH層を多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成させることにより製造することができる。 The inorganic solid electrolyte body with a porous base material described above includes (1) a porous base material, and (2) 0.20 to 0.40 mol / L of magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ). The porous base material is immersed in a raw material aqueous solution containing urea at a total concentration of (3), and (3) the porous base material is hydrothermally treated in the raw material aqueous solution to contain the layered double hydroxide. The LDH layer can be produced by forming it on and / or in the porous substrate.
(1)多孔質基材の用意
多孔質基材は、前述したとおりであり、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましい。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ及びジルコニアであり、最も好ましくはアルミナである。これらの多孔質セラミックスを用いるとLDH層の緻密性を向上しやすい傾向がある。セラミックス材料製の多孔質基材を用いる場合、超音波洗浄、イオン交換水での洗浄等を多孔質基材に施すのが好ましい。
(1) Preparation of porous substrate The porous substrate is as described above, and is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. In this case, preferable examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, silicon nitride, and any combination thereof. More preferred are alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, particularly preferred are alumina and zirconia, and most preferred is alumina. When these porous ceramics are used, the density of the LDH layer tends to be improved. When using a porous substrate made of a ceramic material, it is preferable to subject the porous substrate to ultrasonic cleaning, cleaning with ion exchange water, and the like.
(2)原料水溶液への浸漬
次に、多孔質基材を原料水溶液に所望の向きで(例えば水平又は垂直に)浸漬させる。多孔質基材を水平に保持する場合は、吊るす、浮かせる、容器の底に接するように多孔質基材を配置すればよく、例えば、容器の底から原料水溶液中に浮かせた状態で多孔質基材を固定としてもよい。多孔質基材を垂直に保持する場合は、容器の底に多孔質基材を垂直に設置できるような冶具を置けばよい。いずれにしても、多孔質基材にLDHを略垂直方向又はそれに近い方向(すなわちLDH板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに)に成長させる構成ないし配置とするのが好ましい。原料水溶液は、マグネシウムイオン(Mg2+)及びアルミニウムイオン(Al3+)を所定の合計濃度で含み、かつ、尿素を含んでなる。尿素が存在することで尿素の加水分解を利用してアンモニアが溶液中に発生することによりpH値が上昇し、共存する金属イオンが水酸化物を形成することによりLDHを得ることができる。また、加水分解に二酸化炭素の発生を伴うため、陰イオンが炭酸イオン型のLDHを得ることができる。原料水溶液に含まれるマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度(Mg2++Al3+)は0.20〜0.40mol/Lが好ましく、より好ましくは0.22〜0.38mol/Lであり、さらに好ましくは0.24〜0.36mol/L、特に好ましくは0.26〜0.34mol/Lである。このような範囲内の濃度であると核生成と結晶成長をバランスよく進行させることができ、配向性のみならず緻密性にも優れたLDH層を得ることが可能となる。すなわち、マグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度が低いと核生成に比べて結晶成長が支配的となり、粒子数が減少して粒子サイズが増大する一方、この合計濃度が高いと結晶成長に比べて核生成が支配的となり、粒子数が増大して粒子サイズが減少するものと考えられる。
(2) Immersion in raw material aqueous solution Next, the porous substrate is immersed in the raw material aqueous solution in a desired direction (for example, horizontally or vertically). When the porous substrate is held horizontally, the porous substrate may be suspended, floated, or disposed so as to be in contact with the bottom of the container. For example, the porous substrate is suspended from the bottom of the container in the raw material aqueous solution. The material may be fixed. When the porous substrate is held vertically, a jig that can set the porous substrate vertically on the bottom of the container may be placed. In any case, LDH is substantially perpendicular to or close to the porous substrate (that is, the LDH plate-like particles have their plate surfaces intersecting the surface (substrate surface) of the porous substrate substantially perpendicularly or obliquely. It is preferable to adopt a configuration or arrangement in which growth is performed in such a direction. The raw material aqueous solution contains magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ) at a predetermined total concentration, and contains urea. By the presence of urea, ammonia is generated in the solution by utilizing hydrolysis of urea, so that the pH value increases, and the coexisting metal ions form hydroxides to obtain LDH. Further, since carbon dioxide is generated in the hydrolysis, LDH in which the anion is carbonate ion type can be obtained. The total concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) of magnesium ions and aluminum ions contained in the raw material aqueous solution is preferably 0.20 to 0.40 mol / L, more preferably 0.22 to 0.38 mol / L, still more preferably 0.24 to 0.36 mol / L, particularly preferably 0.26 to 0.34 mol / L. When the concentration is within such a range, nucleation and crystal growth can proceed in a well-balanced manner, and an LDH layer excellent not only in orientation but also in denseness can be obtained. That is, when the total concentration of magnesium ions and aluminum ions is low, crystal growth becomes dominant compared to nucleation, and the number of particles decreases and particle size increases. It is considered that the generation becomes dominant, the number of particles increases, and the particle size decreases.
好ましくは、原料水溶液に硝酸マグネシウム及び硝酸アルミニウムが溶解されており、それにより原料水溶液がマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンに加えて硝酸イオンを含んでなる。そして、この場合、原料水溶液における、尿素の硝酸イオン(NO3 −)に対するモル比(尿素/NO3 −)が、2〜6が好ましく、より好ましくは4〜5である。 Preferably, magnesium nitrate and aluminum nitrate are dissolved in the raw material aqueous solution, so that the raw material aqueous solution contains nitrate ions in addition to magnesium ions and aluminum ions. In this case, the molar ratio (urea / NO 3 − ) of urea to nitrate ions (NO 3 − ) in the raw material aqueous solution is preferably 2 to 6, and more preferably 4 to 5.
(3)水熱処理によるLDH層の形成
そして、原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理して、LDHを含んでなるLDH層を多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成させる。この水熱処理は密閉容器中、60〜150℃で行われるのが好ましく、より好ましくは65〜120℃であり、さらに好ましくは65〜100℃であり、特に好ましくは70〜90℃である。水熱処理の上限温度は多孔質基材(例えば高分子基材)が熱で変形しない程度の温度を選択すればよい。水熱処理時の昇温速度は特に限定されず、例えば10〜200℃/hであってよいが、好ましくは100〜200℃/hである、より好ましくは100〜150℃/hである。水熱処理の時間はLDH層の目的とする密度と厚さに応じて適宜決定すればよい。
(3) Formation of LDH layer by hydrothermal treatment Then, the porous substrate is hydrothermally treated in the raw material aqueous solution to form an LDH layer containing LDH on and / or in the porous substrate. . This hydrothermal treatment is preferably performed at 60 to 150 ° C. in a closed container, more preferably 65 to 120 ° C., still more preferably 65 to 100 ° C., and particularly preferably 70 to 90 ° C. The upper limit temperature of the hydrothermal treatment may be selected so that the porous substrate (for example, the polymer substrate) is not deformed by heat. The rate of temperature increase during the hydrothermal treatment is not particularly limited and may be, for example, 10 to 200 ° C./h, preferably 100 to 200 ° C./h, more preferably 100 to 150 ° C./h. The hydrothermal treatment time may be appropriately determined according to the target density and thickness of the LDH layer.
水熱処理後、密閉容器から多孔質基材を取り出し、イオン交換水で洗浄するのが好ましい。 After the hydrothermal treatment, the porous substrate is preferably taken out from the sealed container and washed with ion exchange water.
上記のようにして製造されたLDH含有複合材料におけるLDH層は、LDH板状粒子が高度に緻密化したものであり、しかも伝導に有利な略垂直方向に配向したものである。 The LDH layer in the LDH-containing composite material produced as described above is one in which LDH plate-like particles are highly densified and oriented in a substantially vertical direction advantageous for conduction.
ところで、上記製造方法により得られるLDH層は多孔質基材の両面に形成されうる。このため、LDH含有複合材料を燃料電池用無機固体電解質体として好適に使用可能な形態とするためには、成膜後に多孔質基材の片面のLDH層を機械的に削るか、あるいは成膜時に片面にはLDH層が成膜できないような措置を講ずるのが望ましい。 By the way, the LDH layer obtained by the said manufacturing method can be formed in both surfaces of a porous base material. For this reason, in order to make the LDH-containing composite material suitable for use as an inorganic solid electrolyte body for fuel cells, the LDH layer on one side of the porous substrate is mechanically scraped after film formation, or the film is formed. Sometimes it is desirable to take measures to prevent the formation of an LDH layer on one side.
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。 The present invention is more specifically described by the following examples.
例1:無機固体電解質体(LDH緻密体)の作製及び評価
(1)LDH緻密体の作製
まず、原料粉末として、市販の層状複水酸化物であるハイドロタルサイト粉末(DHT−4H、協和化学工業株式会社製)粉末を用意した。この原料粉末の組成はMg2+ 0.68Al3+ 0.32(OH)2CO3 2− 0.16・mH2Oであった。原料粉末を直径16mmの金型に充填して500kgf・cm2の成形圧で一軸プレス成形して、相対密度53%、厚さ約2mmの成形体を得た。なお、この相対密度の測定は、室温、相対湿度20%以下で24時間保管した成形体について行った。得られた成形体をアルミナ鞘中で焼成した。この焼成は、急激な昇温により水分や二酸化炭素が放出して成形体が割れるのを防ぐため、100℃/h以下の速度で昇温を行い、750℃の最高温度に達した時点で5時間保持した後、冷却することにより行った。この昇温から降温(100℃以下)に至るまでの全焼成時間は62時間であり、得られた焼結体の重量、体積及び相対密度はそれぞれ59重量%、72体積%、23%であった。なお、上記「重量」及び「体積」は焼成前の成形体を100%とした算出された相対値(%)であり、「相対密度」はハイドロタルサイトの構成金属元素であるMg及びAlを酸化物として算出した理論密度を用いて得た、酸化物換算での相対密度である。こうして得られた焼成体を、外側にステンレス製ジャケットを備えたテフロン(登録商標)製の密閉容器に大気中でイオン交換水と共に封入し、100℃で5時間保持する再生条件(温度及びその温度での保持時間)で水熱処理を施して、試料を得た。室温まで冷めた試料は余分な水分を含んでいるため、ろ紙等で軽く表面の水分を拭き取った。こうして得られた試料を25℃、相対湿度が50%程度の室内で自然脱水(乾燥)してLDH緻密体試料を得た。
Example 1 : Preparation and evaluation of inorganic solid electrolyte body (LDH dense body) (1) Preparation of LDH dense body First, as a raw material powder, a hydrotalcite powder (DHT-4H, Kyowa Chemical) which is a commercially available layered double hydroxide. Industrial Co., Ltd.) powder was prepared. The composition of this raw material powder was Mg 2+ 0.68 Al 3+ 0.32 (OH) 2 CO 3 2 − 0.16 · mH 2 O. The raw material powder was filled into a 16 mm diameter mold and uniaxial press molding was performed at a molding pressure of 500 kgf · cm 2 to obtain a molded body having a relative density of 53% and a thickness of about 2 mm. The relative density was measured on a molded article stored at room temperature and a relative humidity of 20% or less for 24 hours. The obtained molded body was fired in an alumina sheath. This firing is performed at a rate of 100 ° C./h or less to prevent moisture and carbon dioxide from being released due to a sudden rise in temperature, and when the temperature reaches a maximum temperature of 750 ° C., 5 After holding for a period of time, cooling was performed. The total firing time from the temperature increase to the temperature decrease (100 ° C. or less) was 62 hours, and the weight, volume and relative density of the obtained sintered body were 59% by weight, 72% by volume and 23%, respectively. It was. The “weight” and “volume” are relative values (%) calculated with the compact before firing as 100%, and the “relative density” is the constituent metal elements of hydrotalcite, Mg and Al. It is a relative density in terms of oxide obtained using the theoretical density calculated as an oxide. The fired body thus obtained was sealed in a sealed container made of Teflon (registered trademark) with a stainless steel jacket on the outside together with ion-exchanged water in the atmosphere, and kept at 100 ° C. for 5 hours (regeneration conditions (temperature and its temperature). The sample was obtained by performing a hydrothermal treatment with the retention time at (5). Since the sample cooled to room temperature contained excess moisture, the moisture on the surface was gently wiped off with a filter paper or the like. The sample thus obtained was naturally dehydrated (dried) in a room at 25 ° C. and a relative humidity of about 50% to obtain an LDH dense sample.
(2)相対密度の測定
LDH緻密体試料の寸法及び重量から密度を算出し、この密度を理論密度で除することにより決定したところ、91%であった。なお、理論密度の算出にあたり、Mg/Al=2のハイドロタルサイトの理論密度としてJCPDSカードNo.70−2151に記載される2.09g/cm3とを用いた。
(2) Measurement of relative density The density was calculated by calculating the density from the size and weight of the LDH dense body sample, and dividing this density by the theoretical density, and it was 91%. In calculating the theoretical density, JCPDS card No. 1 was used as the theoretical density of Mg / Al = 2 hydrotalcite. 2.09 g / cm 3 described in 70-2151 was used.
(3)クラックの判定
LDH緻密体試料を目視にて観察したところ、クラックは観察されなかった。
(3) Determination of cracks When the LDH dense body sample was observed with the naked eye, no cracks were observed.
(4)結晶相の同定
X線回折装置(D8 ADVANCE、Bulker AXS社製)により、電圧:40kV、電流値:40mA、測定範囲:5〜70°の測定条件で、LDH緻密体試料の結晶相を測定し、JCPDSカードNO.35−0965に記載されるハイドロタルサイトの回折ピークを用いて同定した。その結果、ハイドロタルサイトに起因するピークのみが観察された。
(4) Identification of crystal phase The crystal phase of the LDH dense body sample was measured with an X-ray diffractometer (D8 ADVANCE, manufactured by Bulker AXS) under the measurement conditions of voltage: 40 kV, current value: 40 mA, measurement range: 5-70 °. JCPDS card NO. It was identified using the hydrotalcite diffraction peak described in 35-0965. As a result, only peaks due to hydrotalcite were observed.
(5d)緻密性判定試験I
LDH緻密体試料が液透過性を有しない程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図7Aに示されるように、上記(1)において得られた試料120(1cm×1cm平方に切り出されたもの)に、中央に0.5cm×0.5cm平方の開口部122aを備えたシリコンゴム122を接着し、得られた積層物を2つのアクリル製容器124,126で挟んで接着した。シリコンゴム122側に配置されるアクリル製容器124は底が抜けており、それによりシリコンゴム122はその開口部122aが開放された状態でアクリル製容器124と接着される。一方、試料120に配置されるアクリル製容器126は底を有しており、その容器126内には純水とエタノールを重量比100:20で混合した液体燃料128が入っている。すなわち、組み立て後に上下逆さにすることで、試料120の一面側に液体燃料128が接するように各構成部材が配置されてなる。これらの構成部材等を組み立て後、総重量を測定した。なお、容器126には閉栓された通気穴(図示せず)が形成されており、上下逆さにした後に開栓されることはいうまでもない。図7Bに示されるように組み立て体を上下逆さに配置して25℃で1週間保持した後、総重量を再度測定した。このとき、アクリル製容器124の内側側面に液滴が付着している場合には、その液滴を拭き取った。そして、試験前後の総重量の差を算出することにより緻密度を判定した。その結果、25℃で1週間保持した後においても、液体燃料の重量に変化は見られなかった。このことから、LDH緻密体試料は液透過性を有しない程に高い緻密性を有することが確認された。
(5d) Denseness determination test I
In order to confirm that the LDH dense body sample has a denseness that does not have liquid permeability, a denseness determination test was conducted as follows. First, as shown in FIG. 7A, the sample 120 obtained in (1) above (cut out to 1 cm × 1 cm square) was provided with an opening 122a of 0.5 cm × 0.5 cm square in the center. Silicon rubber 122 was bonded, and the resulting laminate was bonded between two acrylic containers 124 and 126. The bottom of the acrylic container 124 disposed on the silicon rubber 122 side is pulled out, whereby the silicon rubber 122 is bonded to the acrylic container 124 with the opening 122a open. On the other hand, the acrylic container 126 disposed in the sample 120 has a bottom, and the container 126 contains liquid fuel 128 in which pure water and ethanol are mixed at a weight ratio of 100: 20. In other words, the components are arranged so that the liquid fuel 128 is in contact with one surface of the sample 120 by turning upside down after assembly. After assembling these components, the total weight was measured. Needless to say, the container 126 has a closed vent hole (not shown) and is opened after being turned upside down. The assembly was placed upside down as shown in FIG. 7B and held at 25 ° C. for 1 week, and then the total weight was measured again. At this time, when a droplet adhered to the inner side surface of the acrylic container 124, the droplet was wiped off. Then, the density was determined by calculating the difference in the total weight before and after the test. As a result, no change was observed in the weight of the liquid fuel even after holding at 25 ° C. for 1 week. From this, it was confirmed that the LDH dense body sample has high density so as not to have liquid permeability.
(5e)緻密性判定試験II
LDH緻密体試料が通気性を有しない程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図8A及び8Bに示されるように、蓋の無いアクリル容器130と、このアクリル容器130の蓋として機能しうる形状及びサイズのアルミナ治具132とを用意した。アクリル容器130にはその中にガスを供給するためのガス供給口130aが形成されている。また、アルミナ治具132には直径5mmの開口部132aが形成されており、この開口部132aの外周に沿って試料載置用の窪み132bが形成されてなる。アルミナ治具132の窪み132bにエポキシ接着剤134を塗布し、この窪み132bに試料136を載置してアルミナ治具132に気密かつ液密に接着させた(なお、図8Aでは後述する例2の複合材料試料に相当する2層構成136a及び136bからなる試料136を描いているが例1では1層構成のLDH緻密体試料136を意味するものとする)。そして、試料136が接合されたアルミナ治具132を、アクリル容器130の開放部を完全に塞ぐようにシリコーン接着剤138を用いて気密かつ液密にアクリル容器130の上端に接着させて、測定用密閉容器140を得た。この測定用密閉容器140を水槽142に入れ、アクリル容器130のガス供給口130aを圧力計144及び流量計146に接続して、水素ガスをアクリル容器130内に供給可能に構成した。水槽142に水143を入れて測定用密閉容器140を完全に水没させた。このとき、測定用密閉容器140の内部は気密性及び液密性が十分に確保されており、試料136の一面側が測定用密閉容器140の内部空間に露出する一方、複合材料試料136の他面側が水槽142内の水に接触している。この状態で、アクリル容器130内にガス供給口130aを介して水素ガスを測定用密閉容器140内に導入した。圧力計144及び流量計146を制御して試料136内外の差圧が0.5atmとなる(すなわち水素ガスに接する側に加わる圧力が反対側に加わる水圧よりも0.5atm高くなる)ようにして、試料136から水中に水素ガスの泡が発生するか否かを観察した。その結果、水素ガスに起因する泡の発生は観察されなかった。よって、試料136は通気性を有しない程に高い緻密性を有することが確認された。
(5e) Denseness determination test II
In order to confirm that the LDH dense body sample does not have air permeability, a denseness determination test was performed as follows. First, as shown in FIGS. 8A and 8B, an acrylic container 130 without a lid and an alumina jig 132 having a shape and size that can function as a lid for the acrylic container 130 were prepared. The acrylic container 130 is formed with a gas supply port 130a for supplying gas therein. The alumina jig 132 is formed with an opening 132a having a diameter of 5 mm, and a sample placement recess 132b is formed along the outer periphery of the opening 132a. An epoxy adhesive 134 was applied to the depression 132b of the alumina jig 132, and a sample 136 was placed on the depression 132b and adhered to the alumina jig 132 in an airtight and liquid-tight manner (Example 2 described later in FIG. 8A). A sample 136 composed of a two-layer structure 136a and 136b corresponding to the composite material sample is drawn, but in Example 1, it means an LDH dense body sample 136 having a one-layer structure). Then, the alumina jig 132 to which the sample 136 is bonded is adhered to the upper end of the acrylic container 130 in a gas-tight and liquid-tight manner using a silicone adhesive 138 so as to completely close the open portion of the acrylic container 130 for measurement. A sealed container 140 was obtained. The measurement sealed container 140 was placed in a water tank 142, and the gas supply port 130 a of the acrylic container 130 was connected to a pressure gauge 144 and a flow meter 146 so that hydrogen gas could be supplied into the acrylic container 130. Water 143 was put into the water tank 142 and the measurement sealed container 140 was completely submerged. At this time, the inside of the measurement sealed container 140 is sufficiently airtight and liquid-tight, and one side of the sample 136 is exposed to the internal space of the measurement sealed container 140, while the other side of the composite material sample 136 is exposed. The side is in contact with the water in the aquarium 142. In this state, hydrogen gas was introduced into the measurement sealed container 140 into the acrylic container 130 through the gas supply port 130a. The pressure gauge 144 and the flow meter 146 are controlled so that the differential pressure inside and outside the sample 136 is 0.5 atm (that is, the pressure applied to the side in contact with hydrogen gas is 0.5 atm higher than the water pressure applied to the opposite side). Whether or not bubbles of hydrogen gas were generated in the water from the sample 136 was observed. As a result, generation of bubbles due to hydrogen gas was not observed. Therefore, it was confirmed that the sample 136 has high density so as not to have air permeability.
例2:多孔質基材付き無機固体電解質体(LDH緻密膜)の作製及び評価
(1)多孔質基材の作製
ベーマイト(サソール社製、DISPAL 18N4−80)、メチルセルロース、及びイオン交換水を、(ベーマイト):(メチルセルロース):(イオン交換水)の質量比が10:1:5となるように秤量した後、混練した。得られた混練物を、ハンドプレスを用いた押出成形に付し、5cm×8cmを十分に超える大きさで且つ厚さ0.5cmの板状に成形した。得られた成形体を80℃で12時間乾燥した後、1150℃で3時間焼成して、アルミナ製多孔質基材を得た。こうして得られた多孔質基材を5cm×8cmの大きさに切断加工した。
Example 2 : Production and evaluation of inorganic solid electrolyte body (LDH dense membrane) with porous substrate (1) Production of porous substrate Boehmite (manufactured by Sasol, DISPAL 18N4-80), methylcellulose, and ion-exchanged water, After weighing so that the weight ratio of (boehmite) :( methylcellulose) :( ion exchanged water) was 10: 1: 5, the mixture was kneaded. The obtained kneaded product was subjected to extrusion molding using a hand press and molded into a plate shape having a size sufficiently exceeding 5 cm × 8 cm and a thickness of 0.5 cm. The obtained molded body was dried at 80 ° C. for 12 hours and then calcined at 1150 ° C. for 3 hours to obtain an alumina porous substrate. The porous substrate thus obtained was cut into a size of 5 cm × 8 cm.
得られた多孔質基材について、画像処理を用いた手法により、多孔質基材表面の気孔率を測定したところ、24.6%であった。この気孔率の測定は、1)表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察して多孔質基材表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順でヒストグラムのしきい値を調整して白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われた。なお、図9に多孔質基材表面のSEM画像を示す。 With respect to the obtained porous substrate, the porosity on the surface of the porous substrate was measured by a technique using image processing, and it was 24.6%. The porosity is measured by 1) observing the surface microstructure using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV, and an electron microscope on the surface of the porous substrate ( SEM) image (magnification of 10,000 times or more) is obtained, 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), etc. 3) [Image] → [Tone Correction] → [2 The threshold value of the histogram is adjusted in the procedure of [gradation] to create a black and white binary image, and 4) the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels of the image is the porosity (%) It was done by doing. This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate. FIG. 9 shows an SEM image of the porous substrate surface.
また、多孔質基材の平均気孔径を測定したところ約0.1μmであった。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いた電子顕微鏡(SEM)画像の倍率は20000倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得た。測長には、SEMのソフトウェアの測長機能を用いた。 Moreover, it was about 0.1 micrometer when the average hole diameter of the porous base material was measured. In the present invention, the average pore diameter was measured by measuring the longest distance of the pores based on an electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope (SEM) image used for this measurement is 20000 times, and all the obtained pore diameters are arranged in order of size, and the top 15 points and the bottom 15 points from the average value, and 30 points per visual field in total. The average value for two visual fields was calculated to obtain the average pore diameter. For length measurement, the length measurement function of SEM software was used.
(2)多孔質基材の洗浄
得られた多孔質基材をアセトン中で5分間超音波洗浄し、エタノール中で2分間超音波洗浄、その後、イオン交換水中で1分間超音波洗浄した。
(2) Cleaning of porous substrate The obtained porous substrate was ultrasonically cleaned in acetone for 5 minutes, ultrasonically cleaned in ethanol for 2 minutes, and then ultrasonically cleaned in ion-exchanged water for 1 minute.
(3)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO3)2・6H2O、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO3)3・9H2O、関東化学株式会社製)、及び尿素((NH2)2CO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を600mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO3 −=4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(3) As the manufacturing raw material of the raw aqueous solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) is 2 and the total metal ion molar concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) is 0.320 mol / L. In a beaker, ion exchange water was added to make a total volume of 600 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed at a ratio of urea / NO 3 − = 4 was added to the solution, and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.
(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量800ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(3)で作製した原料水溶液と上記(2)で洗浄した多孔質基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度70℃で168時間(7日間)水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜(固体電解質体)の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、層状複水酸化物(以下、LDHという)の緻密膜(以下、膜試料という)を基材上に得た。得られた膜試料の厚さは約1.5μmであった。こうして、層状複水酸化物含有複合材料試料(以下、複合材料試料という)を得た。なお、LDH膜は多孔質基材の両面に形成されていたが、多孔質基材の片面のLDH膜を機械的に削り取った。
(4) Film formation by hydrothermal treatment The Teflon (registered trademark) sealed container (with an internal volume of 800 ml, the outside is a stainless steel jacket), the raw material aqueous solution prepared in (3) above and the porous substrate washed in (2) above Both were enclosed. At this time, the base material was fixed by being floated from the bottom of a Teflon (registered trademark) sealed container, and placed horizontally so that the solution was in contact with both surfaces of the base material. Thereafter, a hydrothermal treatment was performed at a hydrothermal temperature of 70 ° C. for 168 hours (7 days) to form a layered double hydroxide alignment film (solid electrolyte body) on the substrate surface. After the elapse of a predetermined time, the substrate is taken out from the sealed container, washed with ion-exchanged water, dried at 70 ° C. for 10 hours, and a dense layer of layered double hydroxide (hereinafter referred to as LDH) (hereinafter referred to as a membrane sample). ) Was obtained on a substrate. The thickness of the obtained film sample was about 1.5 μm. Thus, a layered double hydroxide-containing composite material sample (hereinafter referred to as a composite material sample) was obtained. Although the LDH film was formed on both surfaces of the porous substrate, the LDH film on one surface of the porous substrate was mechanically scraped.
(5)各種評価
(5a)膜試料の同定
X線回折装置(リガク社製 RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で、膜試料の結晶相を測定したところ、図10に示されるXRDプロファイルが得られた。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35−0964に記載される層状複水酸化物(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定した。その結果、膜試料は層状複水酸化物(LDH、ハイドロタルサイト類化合物)であることが確認された。なお、図10に示されるXRDプロファイルにおいては、膜試料が形成されている多孔質基材を構成するアルミナに起因するピーク(図中で○印が付されたピーク)も併せて観察されている。
(5) Various evaluations (5a) Identification of membrane sample Membrane sample was measured with X-ray diffractometer (RINT TTR III manufactured by Rigaku Corporation) under the measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, measurement range: 10-70 °. As a result, the XRD profile shown in FIG. 10 was obtained. About the obtained XRD profile, JCPDS card NO. It identified using the diffraction peak of the layered double hydroxide (hydrotalcite compound) described in 35-0964. As a result, it was confirmed that the film sample was a layered double hydroxide (LDH, hydrotalcite compound). In addition, in the XRD profile shown in FIG. 10, a peak (a peak marked with a circle in the figure) due to alumina constituting the porous substrate on which the film sample is formed is also observed. .
(5b)微構造の観察
膜試料の表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。得られた膜試料の表面微構造のSEM画像(二次電子像)を図11に示す。
(5b) Observation of microstructure The surface microstructure of the film sample was observed at an acceleration voltage of 10 to 20 kV using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL). FIG. 11 shows an SEM image (secondary electron image) of the surface microstructure of the obtained film sample.
また、複合材料試料の断面をCP研磨によって研磨して研磨断面を形成し、この研磨断面の微構造を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。こうして得られた複合材料試料の研磨断面微構造のSEM画像を図12に示す。 Further, the cross section of the composite material sample was polished by CP polishing to form a polished cross section, and the microstructure of the polished cross section was observed at an acceleration voltage of 10 to 20 kV using a scanning electron microscope (SEM). An SEM image of the polished cross-sectional microstructure of the composite material sample thus obtained is shown in FIG.
(5c)気孔率の測定
膜試料について、画像処理を用いた手法により、膜の表面の気孔率を測定した。この気孔率の測定は、1)表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察して膜の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順でヒストグラムのしきい値を調整して白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は配向膜表面の6μm×6μmの領域について行われた。その結果、膜の表面の気孔率は19.0%であった。また、この膜表面の気孔率を用いて、膜表面から見たときの密度D(以下、表面膜密度という)をD=100%−(膜表面の気孔率)により算出したところ、81.0%であった。
(5c) Measurement of porosity The porosity of the surface of the membrane was measured for the membrane sample by a technique using image processing. The porosity is measured by 1) observing the surface microstructure using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV, and an electron microscope (SEM) on the surface of the film. An image (magnification of 10,000 times or more) is acquired, 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), and 3) [image] → [tone correction] → [2 gradations] The threshold value of the histogram is adjusted to create a monochrome binary image, and 4) the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels in the image is the porosity (%). It went by. This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region of the alignment film surface. As a result, the porosity of the film surface was 19.0%. Further, using the porosity of the film surface, the density D when viewed from the film surface (hereinafter referred to as the surface film density) was calculated by D = 100% − (porosity of the film surface). %Met.
また、膜試料について、研磨断面の気孔率についても測定した。この研磨断面の気孔率についても測定は、上記(5b)に示される手順に従い膜の厚み方向における断面研磨面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得したこと以外は、上述の膜表面の気孔率と同様にして行った。この気孔率の測定は配向膜断面の膜部分について行われた。こうして膜試料の断面研磨面から算出した気孔率は平均で3.5%(3箇所の断面研磨面の平均値)であり、多孔質基材上でありながら非常に高密度な膜が形成されていることが確認された。 Further, the porosity of the polished cross section of the film sample was also measured. The measurement of the porosity of the polished cross section is the same as that described above except that an electron microscope (SEM) image (magnification of 10,000 times or more) of the cross-section polished surface in the thickness direction of the film was obtained according to the procedure shown in (5b) above. It carried out similarly to the porosity of the film | membrane surface. The measurement of the porosity was performed on the film portion of the alignment film cross section. Thus, the porosity calculated from the cross-sectional polished surface of the film sample is 3.5% on average (average value of the three cross-sectional polished surfaces), and a very high-density film is formed on the porous substrate. It was confirmed that
(5d)緻密性判定試験I
膜試料が液透過性を有しない程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図7Aに示されるように、上記(1)において得られた複合材料試料120(1cm×1cm平方に切り出されたもの)の膜試料側に、中央に0.5cm×0.5cm平方の開口部122aを備えたシリコンゴム122を接着し、得られた積層物を2つのアクリル製容器124,126で挟んで接着した。シリコンゴム122側に配置されるアクリル製容器124は底が抜けており、それによりシリコンゴム122はその開口部122aが開放された状態でアクリル製容器124と接着される。一方、複合材料試料120の多孔質基材側に配置されるアクリル製容器126は底を有しており、その容器126内には純水とエタノールを重量比100:20で混合した液体燃料128が入っている。すなわち、組み立て後に上下逆さにすることで、複合材料試料120の多孔質基材側に液体燃料128が接するように各構成部材が配置されてなる。これらの構成部材等を組み立て後、総重量を測定した。なお、容器126には閉栓された通気穴(図示せず)が形成されており、上下逆さにした後に開栓されることはいうまでもない。図7Bに示されるように組み立て体を上下逆さに配置して25℃で1週間保持した後、総重量を再度測定した。このとき、アクリル製容器124の内側側面に液滴が付着している場合には、その液滴を拭き取った。そして、試験前後の総重量の差を算出することにより緻密度を判定した。その結果、25℃で1週間保持した後においても、液体燃料の重量に変化は見られなかった。このことから、膜試料(すなわち固体電解質体)は液透過性を有しない程に高い緻密性を有することが確認された。
(5d) Denseness determination test I
In order to confirm that the membrane sample was dense enough not to have liquid permeability, a denseness determination test was performed as follows. First, as shown in FIG. 7A, the composite material sample 120 obtained in (1) above (cut to 1 cm × 1 cm square) is 0.5 cm × 0.5 cm square in the center on the film sample side. The silicon rubber 122 provided with the opening 122a was adhered, and the obtained laminate was adhered between two acrylic containers 124 and 126. The bottom of the acrylic container 124 disposed on the silicon rubber 122 side is pulled out, whereby the silicon rubber 122 is bonded to the acrylic container 124 with the opening 122a open. On the other hand, the acrylic container 126 disposed on the porous substrate side of the composite material sample 120 has a bottom, and the liquid fuel 128 in which pure water and ethanol are mixed at a weight ratio of 100: 20 is contained in the container 126. Is included. In other words, the constituent members are arranged so that the liquid fuel 128 is in contact with the porous base material side of the composite material sample 120 by turning upside down after assembly. After assembling these components, the total weight was measured. Needless to say, the container 126 has a closed vent hole (not shown) and is opened after being turned upside down. The assembly was placed upside down as shown in FIG. 7B and held at 25 ° C. for 1 week, and then the total weight was measured again. At this time, when a droplet adhered to the inner side surface of the acrylic container 124, the droplet was wiped off. Then, the density was determined by calculating the difference in the total weight before and after the test. As a result, no change was observed in the weight of the liquid fuel even after holding at 25 ° C. for 1 week. From this, it was confirmed that the membrane sample (that is, the solid electrolyte body) has a high density so as not to have liquid permeability.
(5e)緻密性判定試験II
膜試料が通気性を有しない程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図8A及び8Bに示されるように、蓋の無いアクリル容器130と、このアクリル容器130の蓋として機能しうる形状及びサイズのアルミナ治具132とを用意した。アクリル容器130にはその中にガスを供給するためのガス供給口130aが形成されている。また、アルミナ治具132には直径5mmの開口部132aが形成されており、この開口部132aの外周に沿って膜試料載置用の窪み132bが形成されてなる。アルミナ治具132の窪み132bにエポキシ接着剤134を塗布し、この窪み132bに複合材料試料136の膜試料136b側を載置してアルミナ治具132に気密かつ液密に接着させた。そして、複合材料試料136が接合されたアルミナ治具132を、アクリル容器130の開放部を完全に塞ぐようにシリコーン接着剤138を用いて気密かつ液密にアクリル容器130の上端に接着させて、測定用密閉容器140を得た。この測定用密閉容器140を水槽142に入れ、アクリル容器130のガス供給口130aを圧力計144及び流量計146に接続して、水素ガスをアクリル容器130内に供給可能に構成した。水槽142に水143を入れて測定用密閉容器140を完全に水没させた。このとき、測定用密閉容器140の内部は気密性及び液密性が十分に確保されており、複合材料試料136の膜試料136b側が測定用密閉容器140の内部空間に露出する一方、複合材料試料136の多孔質基材136a側が水槽142内の水に接触している。この状態で、アクリル容器130内にガス供給口130aを介して水素ガスを測定用密閉容器140内に導入した。圧力計144及び流量計146を制御して膜試料136b内外の差圧が0.5atmとなる(すなわち水素ガスに接する側に加わる圧力が反対側に加わる水圧よりも0.5atm高くなる)ようにして、複合材料試料136から水中に水素ガスの泡が発生するか否かを観察した。その結果、水素ガスに起因する泡の発生は観察されなかった。よって、膜試料136bは通気性を有しない程に高い緻密性を有することが確認された。
(5e) Denseness determination test II
In order to confirm that the film sample has a denseness that does not have air permeability, a denseness determination test was performed as follows. First, as shown in FIGS. 8A and 8B, an acrylic container 130 without a lid and an alumina jig 132 having a shape and size that can function as a lid for the acrylic container 130 were prepared. The acrylic container 130 is formed with a gas supply port 130a for supplying gas therein. The alumina jig 132 is formed with an opening 132a having a diameter of 5 mm, and a depression 132b for placing a film sample is formed along the outer periphery of the opening 132a. An epoxy adhesive 134 was applied to the depression 132 b of the alumina jig 132, and the film sample 136 b side of the composite material sample 136 was placed in the depression 132 b and adhered to the alumina jig 132 in an air-tight and liquid-tight manner. Then, the alumina jig 132 to which the composite material sample 136 is bonded is adhered to the upper end of the acrylic container 130 in a gas-tight and liquid-tight manner using a silicone adhesive 138 so as to completely close the open portion of the acrylic container 130. A measurement sealed container 140 was obtained. The measurement sealed container 140 was placed in a water tank 142, and the gas supply port 130 a of the acrylic container 130 was connected to a pressure gauge 144 and a flow meter 146 so that hydrogen gas could be supplied into the acrylic container 130. Water 143 was put into the water tank 142 and the measurement sealed container 140 was completely submerged. At this time, the inside of the measurement sealed container 140 is sufficiently airtight and liquid tight, and the membrane sample 136b side of the composite material sample 136 is exposed to the internal space of the measurement sealed container 140, while the composite material sample The porous substrate 136 a side of 136 is in contact with the water in the water tank 142. In this state, hydrogen gas was introduced into the measurement sealed container 140 into the acrylic container 130 through the gas supply port 130a. The pressure gauge 144 and the flow meter 146 are controlled so that the differential pressure inside and outside the membrane sample 136b is 0.5 atm (that is, the pressure applied to the side in contact with hydrogen gas is 0.5 atm higher than the water pressure applied to the opposite side). Then, it was observed whether or not hydrogen gas bubbles were generated in the water from the composite material sample 136. As a result, generation of bubbles due to hydrogen gas was not observed. Therefore, it was confirmed that the membrane sample 136b has high density so as not to have air permeability.
例3:固体アルカリ形燃料電池の作製
(1)固体電解質体の作製
金型のサイズ及びそれを用いて作製される成形体の厚さを変更したこと以外は、例1と同様にして、直径20mm、厚さ0.3mmの円板状のLDH緻密体を固体電解質体として得る。図14に示されるように、得られた固体電解質体216を、電解質固定用治具218の円形の開口部218a(直径20mm)に嵌め、中央に直径19mmの円形の開口部220aが形成されたPTFEテープ220を用いて固定する。こうして固体電解質体16を電解質固定用治具218の開口部218a内に確実に固定する。
Example 3 Production of Solid Alkaline Fuel Cell (1) Production of Solid Electrolyte Body Diameter was changed in the same manner as in Example 1 except that the size of the mold and the thickness of the molded article produced using the mold were changed. A disk-shaped LDH dense body having a thickness of 20 mm and a thickness of 0.3 mm is obtained as a solid electrolyte body. As shown in FIG. 14, the obtained solid electrolyte body 216 was fitted into a circular opening 218a (diameter 20 mm) of the electrolyte fixing jig 218, and a circular opening 220a having a diameter of 19 mm was formed at the center. Fix using PTFE tape 220. Thus, the solid electrolyte body 16 is securely fixed in the opening 218a of the electrolyte fixing jig 218.
(2)空気極及び燃料極の作製
市販の白金担持カーボン(Pt担持量20wt%)を用意する。この白金担持カーボン(以下、Pt/C)を、バインダーであるカルボキシメチルセルロース(以下、CMCバインダー)及び水と、(Pt/C):(CMCバインダー):(水)の重量比が9wt%:0.9wt%:90wt%の比率となるように混合してペースト化する。得られたペーストを無機固体電解質体216の一方の面に印刷して空気極212とし、他方の面に印刷して燃料極214とする。
(2) Production of air electrode and fuel electrode Commercially available platinum-supported carbon (Pt support amount 20 wt%) is prepared. The platinum-supporting carbon (hereinafter referred to as Pt / C) is mixed with carboxymethyl cellulose (hereinafter referred to as CMC binder) and water as binders, and the weight ratio of (Pt / C) :( CMC binder) :( water) is 9 wt%: 0. .9 wt%: Mix to a ratio of 90 wt% to make a paste. The obtained paste is printed on one surface of the inorganic solid electrolyte body 216 to form the air electrode 212, and printed on the other surface to form the fuel electrode 214.
(3)電池の組み立て
こうして得られた無機固体電解質体216、空気極212、燃料極214等を用いて固体アルカリ形燃料電池を以下のようにして作製する。図13に本例で作製される固体アルカリ形燃料電池の分解斜視図が示される。空気極212及び燃料極214は無機固体電解質体16に印刷されているが、図13では構成部材を明示すべく、空気極212及び燃料極214を固体電解質体216と分離して表示している。そして、図13に示されるように、燃料極214/無機固体電解質体216/空気極212の積層物の空気極212側に、開口部222aが形成されたガスケット222(PTFE製)、加湿空気を供給するための空気供給部材213(カーボン製)及び集電板226(金メッキした銅製)を積層する一方、積層物の燃料極214側に、開口部224aが形成されたガスケット224(PTFE製)、燃料を供給するための燃料供給部材215(カーボン製)及び集電板228(金メッキした銅製)を積層する。空気供給部材213は加湿空気を通すための流路213aと加湿空気を空気極212に供給するためのスリット(図示せず)とを備える一方、燃料供給部材215は燃料を通すための流路215aと燃料を燃料極に供給するためのスリット215bとを備える。こうして各構成部材が積層された積層物を2枚の集電板226,228の四隅に形成されたネジ穴226a,228aを介してネジ230で締めて固定する。こうして本発明による固体アルカリ形燃料電池を得る。
(3) Battery assembly Using the thus obtained inorganic solid electrolyte body 216, air electrode 212, fuel electrode 214, etc., a solid alkaline fuel cell is produced as follows. FIG. 13 is an exploded perspective view of the solid alkaline fuel cell manufactured in this example. The air electrode 212 and the fuel electrode 214 are printed on the inorganic solid electrolyte body 16, but in FIG. 13, the air electrode 212 and the fuel electrode 214 are separated from the solid electrolyte body 216 for the purpose of clarifying the constituent members. . Then, as shown in FIG. 13, a gasket 222 (made of PTFE) having an opening 222a formed on the air electrode 212 side of the laminate of the fuel electrode 214 / inorganic solid electrolyte body 216 / air electrode 212, and humidified air. An air supply member 213 (made of carbon) and a current collector plate 226 (made of gold-plated copper) for supply are laminated, while a gasket 224 (made of PTFE) having an opening 224a formed on the fuel electrode 214 side of the laminate, A fuel supply member 215 (made of carbon) and a current collector plate 228 (made of gold-plated copper) for supplying fuel are stacked. The air supply member 213 includes a channel 213a for passing humidified air and a slit (not shown) for supplying the humidified air to the air electrode 212, while the fuel supply member 215 has a channel 215a for passing fuel. And a slit 215b for supplying fuel to the fuel electrode. In this way, the laminate in which the respective constituent members are laminated is fastened and fixed with screws 230 through screw holes 226a and 228a formed at the four corners of the two current collector plates 226 and 228. Thus, a solid alkaline fuel cell according to the present invention is obtained.
本発明は、以下の態様を包含するものである。
[項1]
酸素が供給される空気極と、
液体燃料及び/又は気体燃料が供給される燃料極と、
前記燃料極と前記空気極の間に介在され、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体と、
を備えた固体アルカリ形燃料電池であって、
前記無機固体電解質体が、M2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4である)の基本組成を有する層状複水酸化物からなり、前記無機固体電解質体が水熱処理によって緻密化されたものである、固体アルカリ形燃料電池。
[項2]
前記無機固体電解質体が液透過性及び通気性を有しない、項1に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項3]
前記無機固体電解質体が90%以上の相対密度を有する、項1又は2に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項4]
前記一般式のうち、M2+がMg2+を、M3+がAl3+を含み、An−がOH−及び/又はCO3 2−を含む、項1〜3のいずれか一項に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項5]
前記無機固体電解質体が、板状、膜状又は層状の形態を有する、項1〜4のいずれか一項に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項6]
前記無機固体電解質体の片面又は両面に多孔質基材をさらに備えた、項1〜5のいずれか一項に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項7]
前記無機固体電解質体が膜状又は層状の形態であり、該膜状又は層状の無機固体電解質体が前記多孔質基材上又はその中に形成されたものである、項6に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項8]
前記多孔質基材が水酸化物イオン伝導性を有する材料で構成される、項6又は7に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項9]
前記多孔質基材が、水酸化物イオン伝導性を有しない材料で構成され、かつ、前記無機固体電解質体の前記燃料極側の面に設けられ、前記燃料極に前記液体燃料とアルカリ金属水酸化物水溶液との混合溶液が供給される、項6又は7に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項10]
前記燃料極に液体燃料が供給される、項1〜9のいずれか一項に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項11]
前記液体燃料が、水及び/又はアルコールを含む液体である、項1〜10のいずれか一項に記載の固体アルカリ形燃料電池。
[項12]
前記液体燃料が、エタノール、メタノール、エチレングリコール、水化ヒドラジン、及びアンモニアからなる群から選択される少なくとも1種を含有する、項1〜11のいずれか一項に記載の固体アルカリ形燃料電池。
The present invention includes the following aspects.
[Claim 1]
An air electrode supplied with oxygen;
An anode supplied with liquid fuel and / or gaseous fuel;
An inorganic solid electrolyte body interposed between the fuel electrode and the air electrode and having hydroxide ion conductivity;
A solid alkaline fuel cell comprising:
The inorganic solid electrolyte is M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation and M 3+ is a trivalent cation). it is a cation, a n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is made of a layered double hydroxide having a basic composition of 0.1 to 0.4) A solid alkaline fuel cell in which the inorganic solid electrolyte body is densified by hydrothermal treatment.
[Section 2]
Item 2. The solid alkaline fuel cell according to Item 1, wherein the inorganic solid electrolyte body does not have liquid permeability and air permeability.
[Section 3]
Item 3. The solid alkaline fuel cell according to Item 1 or 2, wherein the inorganic solid electrolyte body has a relative density of 90% or more.
[Claim 4]
Among the general formula, the M 2+ is Mg 2+, include M 3+ is Al 3+, A n-is OH - and / or CO 3 includes 2-, according to any one of claims 1 to 3 Solid Alkaline fuel cell.
[Section 5]
Item 5. The solid alkaline fuel cell according to any one of Items 1 to 4, wherein the inorganic solid electrolyte body has a plate shape, a film shape, or a layer shape.
[Claim 6]
Item 6. The solid alkaline fuel cell according to any one of Items 1 to 5, further comprising a porous substrate on one surface or both surfaces of the inorganic solid electrolyte body.
[Claim 7]
Item 7. The solid alkali according to Item 6, wherein the inorganic solid electrolyte is in the form of a film or layer, and the film or layer of inorganic solid electrolyte is formed on or in the porous substrate. Fuel cell.
[Section 8]
Item 8. The solid alkaline fuel cell according to Item 6 or 7, wherein the porous substrate is composed of a material having hydroxide ion conductivity.
[Claim 9]
The porous substrate is made of a material having no hydroxide ion conductivity, and is provided on the surface of the inorganic solid electrolyte body on the fuel electrode side, and the liquid fuel and alkali metal water are provided on the fuel electrode. Item 8. The solid alkaline fuel cell according to Item 6 or 7, wherein a mixed solution with an aqueous oxide solution is supplied.
[Section 10]
Item 10. The solid alkaline fuel cell according to any one of Items 1 to 9, wherein liquid fuel is supplied to the fuel electrode.
[Section 11]
Item 11. The solid alkaline fuel cell according to any one of Items 1 to 10, wherein the liquid fuel is a liquid containing water and / or alcohol.
[Claim 12]
Item 12. The solid alkaline fuel cell according to any one of Items 1 to 11, wherein the liquid fuel contains at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, ethylene glycol, hydrazine hydrate, and ammonia.
10 固体アルカリ形燃料電池
12 空気極
13 空気供給手段
14 燃料極
15 燃料供給手段
16 無機固体電解質体
20 LDH層
28 多孔質基材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solid alkaline fuel cell 12 Air electrode 13 Air supply means 14 Fuel electrode 15 Fuel supply means 16 Inorganic solid electrolyte body 20 LDH layer 28 Porous base material
Claims (14)
液体燃料及び/又は気体燃料が供給される燃料極と、
前記燃料極と前記空気極の間に介在され、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体と、
を備えた固体アルカリ形燃料電池であって、
前記無機固体電解質体が層状複水酸化物からなり、前記無機固体電解質体が水熱処理によって緻密化されたものである、固体アルカリ形燃料電池。 An air electrode supplied with oxygen;
An anode supplied with liquid fuel and / or gaseous fuel;
An inorganic solid electrolyte body interposed between the fuel electrode and the air electrode and having hydroxide ion conductivity;
A solid alkaline fuel cell comprising:
A solid alkaline fuel cell, wherein the inorganic solid electrolyte body is composed of a layered double hydroxide, and the inorganic solid electrolyte body is densified by hydrothermal treatment.
The solid alkaline fuel cell according to any one of claims 1 to 13, wherein the liquid fuel contains at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, ethylene glycol, hydrazine hydrate, and ammonia. .
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