JP2019220461A - Electrolyte for electrochemical cell, and electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学セル用電解質、及び電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrolyte for an electrochemical cell and an electrochemical cell.
従来、アルカリ形燃料電池、アルカリ形二次電池、及び電解セルなどの電気化学セルでは、イオン伝導性を有するイオン伝導体が電解質として用いられている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, in electrochemical cells such as an alkaline fuel cell, an alkaline secondary battery, and an electrolytic cell, an ion conductor having ionic conductivity is used as an electrolyte (for example, see Patent Document 1).
上述したような電気化学セル用電解質のイオン伝導性を向上させることによって、電気化学セルの発電効率を向上させることができる。このため、電気化学セル用電解質のイオン伝導性を向上させることが要望されている。そこで、本発明は、イオン伝導性を向上させることのできる電気化学セル用電解質を提供することを目的とする。 By improving the ionic conductivity of the electrolyte for an electrochemical cell as described above, the power generation efficiency of the electrochemical cell can be improved. Therefore, there is a demand for improving the ionic conductivity of the electrolyte for an electrochemical cell. Therefore, an object of the present invention is to provide an electrolyte for an electrochemical cell capable of improving ionic conductivity.
本発明の第1側面に係る電気化学セル用電解質は、多孔質基材と、イオン伝導体と、を備える。多孔質基材は、第1主面、第2主面、及び側面を有する。イオン伝導体は、多孔質基材に充填される。イオン伝導体は、多孔質基材の側面を覆う。イオン伝導体は、イオン伝導性を有する。 An electrolyte for an electrochemical cell according to a first aspect of the present invention includes a porous substrate and an ionic conductor. The porous substrate has a first main surface, a second main surface, and side surfaces. The ion conductor is filled in the porous substrate. The ion conductor covers the side surface of the porous substrate. The ion conductor has ion conductivity.
この構成によれば、イオン伝導体が多孔質基材の側面を覆っているため、イオン伝導性を向上させることができる。 According to this configuration, since the ion conductor covers the side surface of the porous substrate, the ion conductivity can be improved.
好ましくは、電気化学セル用電解質の側面は、イオン伝導体によって構成される。 Preferably, the side surface of the electrolyte for an electrochemical cell is constituted by an ionic conductor.
好ましくは、多孔質基材の側面を覆うイオン伝導体の厚さは、0.1〜30μmである。 Preferably, the thickness of the ion conductor covering the side surface of the porous substrate is 0.1 to 30 μm.
好ましくは、電気化学セル用電解質は、第1膜状部をさらに備える。第1膜状部は、イオン伝導性を有する。第1膜状部は、多孔質基材の第1主面を覆う。 Preferably, the electrolyte for an electrochemical cell further includes a first film-like portion. The first film portion has ion conductivity. The first film portion covers the first main surface of the porous substrate.
好ましくは、電気化学セル用電解質は、第2膜状部をさらに備える。第2膜状部は、イオン伝導性を有する。第2膜状部は、多孔質基材の第2主面を覆う。 Preferably, the electrolyte for an electrochemical cell further includes a second film-shaped portion. The second film portion has ion conductivity. The second film portion covers the second main surface of the porous substrate.
好ましくは、多孔質基材の側面を覆うイオン伝導体の厚さは、第1膜状部の厚さよりも薄い。 Preferably, the thickness of the ion conductor covering the side surface of the porous substrate is smaller than the thickness of the first film-shaped portion.
好ましくは、多孔質基材の側面を覆うイオン伝導体を構成する粒子の平均粒径は、第1膜状部を構成する粒子の平均粒径よりも小さい。この構成によれば、多孔質基材の側面を覆うイオン導電体の剥離を抑制することができる。 Preferably, the average particle diameter of the particles constituting the ion conductor covering the side surface of the porous substrate is smaller than the average particle diameter of the particles constituting the first film-like portion. According to this configuration, peeling of the ionic conductor covering the side surface of the porous substrate can be suppressed.
好ましくは、多孔質基材は、セラミックス材料及び高分子材料から選択される少なくとも一種によって構成される。 Preferably, the porous substrate is composed of at least one selected from a ceramic material and a polymer material.
好ましくは、多孔質基材は、三次元網目構造を有する。また、多孔質構造は連続孔を有する。そして、イオン伝導体は、連続孔内に配置される。また、イオン伝導体は、内部に閉気孔を有する。この構成によれば、電気化学セル用電解質の剥離を抑制することができる。 Preferably, the porous substrate has a three-dimensional network structure. Also, the porous structure has continuous pores. Then, the ion conductor is disposed in the continuous hole. Further, the ion conductor has closed pores inside. According to this configuration, separation of the electrolyte for an electrochemical cell can be suppressed.
好ましくは、閉気孔は、多孔質基材から離れている。 Preferably, the closed pores are remote from the porous substrate.
好ましくは、閉気孔は、多孔質基材に接している。 Preferably, the closed pore is in contact with the porous substrate.
好ましくは、イオン伝導体は、閉気孔を含む複数の閉気孔を有する。 Preferably, the ion conductor has a plurality of closed pores including closed pores.
好ましくは、多孔質基材は、内部に細孔を有する。この細孔には、イオン伝導体が含浸されている。 Preferably, the porous substrate has pores inside. These pores are impregnated with an ion conductor.
好ましくは、電気化学セル用電解質は、環状の突出部をさらに備える。突出部は、電気化学セル用電解質の主面の外周縁部に配置され、主面から突出する。 Preferably, the electrolyte for an electrochemical cell further includes an annular protrusion. The protruding portion is disposed on an outer peripheral portion of the main surface of the electrolyte for an electrochemical cell and protrudes from the main surface.
本発明の第2側面に係る電気化学セルは、カソード、アノード、及び上記いずれかの電気化学セル用電解質を備えている。カソードは、酸化剤が供給される。アノードは、燃料が供給される。電気化学セル用電解質は、カソードとアノードとの間に配置される。 An electrochemical cell according to a second aspect of the present invention includes a cathode, an anode, and any one of the above electrolytes for an electrochemical cell. The cathode is supplied with an oxidant. The anode is supplied with fuel. The electrolyte for the electrochemical cell is disposed between the cathode and the anode.
本発明によれば、イオン伝導性を向上させることができる。 According to the present invention, ionic conductivity can be improved.
以下、本発明に係る電気化学セル用電解質を適用した電気化学セルの一例として、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池(AFC)の一種である固体アルカリ形燃料電池10の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
Hereinafter, as an example of an electrochemical cell to which the electrolyte for an electrochemical cell according to the present invention is applied, an embodiment of a solid
(固体アルカリ形燃料電池10)
図1は、実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池10の構成を示す断面図である。固体アルカリ形燃料電池10は、カソード12、アノード14、及び電解質16(電気化学セル用電解質の一例)を備える。固体アルカリ形燃料電池10は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温(例えば、50℃〜250℃)で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。
(Solid alkaline fuel cell 10)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a solid
・カソード12: 3/2O2+3H2O+6e−→6OH−
・アノード14: CH3OH+6OH−→6e−+CO2+5H2O
・全体 : CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
・ Cathode 12: 3 / 2O 2 + 3H 2 O + 6e − → 6OH −
Anode 14: CH 3 OH + 6OH − → 6e − + CO 2 + 5H 2 O
・ Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
(カソード12)
カソード12は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。固体アルカリ形燃料電池10の発電中、カソード12には、酸化剤供給手段13を介して、酸素(O2)を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード12は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード12の気孔率は特に制限されない。カソード12の厚みは特に制限されないが、例えば10〜200μmとすることができる。
(Cathode 12)
The
カソード12は、AFCに使用される公知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。カソード触媒の例としては、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。カソード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。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード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。
The
カソード12の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード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電解質16のカソード側主面16Sに塗布することにより形成することができる。
The method for producing the
(アノード14)
アノード14は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。固体アルカリ形燃料電池10の発電中、アノード14には、燃料供給手段15を介して、水素原子(H)を含む燃料が供給される。アノード14は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード14の気孔率は特に制限されない。アノード14の厚みは特に制限されないが、例えば10〜500μmとすることができる。
(Anode 14)
The
アノード14は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。固体アルカリ形燃料電池10の発電中、アノード14には、燃料供給手段15を介して、水素原子(H)を含む燃料が供給される。
The
燃料は、アノード14において水酸化物イオン(OH−)と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。
The fuel only needs to contain a fuel compound capable of reacting with hydroxide ions (OH − ) at the
燃料化合物としては、例えば、(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)、及び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、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの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特に好適である。 Examples of the fuel compound 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 ), and hydrazine sulfate (NH) 2 NH 2 · H 2 SO 4 ), hydrazine, such as monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2), dimethylhydrazine ((CH 3) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3), and a carboxylic hydrazide ((NHNH 2) 2 CO) (Ii) Heterocycle such as urea (NH 2 CONH 2 ), (iii) ammonia (NH 3 ), (iv) imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-triazole class compounds, (v) hydroxylamine (NH 2 OH), hydro such as sulfuric hydroxylamine (NH 2 OH · H 2 SO 4) Shiruamin acids, and combinations thereof. Among these fuel compounds, compounds containing no carbon (that is, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate, ammonia, hydroxylamine, hydroxylamine sulfate, etc.) are particularly suitable because they do not have the problem of catalyst poisoning by carbon monoxide. is there.
燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、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るので、そのまま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る。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。このように、固体の燃料化合物は、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。 The fuel compound may be used as it is as a fuel, or may be used as a solution dissolved in water and / or an alcohol (eg, a lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol, or isopropanol). For example, among the above fuel compounds, hydrazine, hydrated hydrazine, monomethylhydrazine, and dimethylhydrazine are liquids and can be used as liquid fuels as they are. Also, hydrazine carbonate, hydrazine sulfate, carboxylic hydrazide, urea, imidazole, 3-amino-1,2,4-triazole, and hydroxylamine sulfate are solid but soluble in water. 1,3,5-Triazine and hydroxylamine are solid but soluble in alcohol. Ammonia is a gas but soluble in water. As described above, the solid fuel compound can be used as a liquid fuel by dissolving it in water or alcohol. When the fuel compound is used by dissolving it 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.
また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテ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、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池10に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。
In addition, hydrocarbon-based liquid fuels containing alcohols and ethers such as methanol and ethanol, hydrocarbon-based gases such as methane, and pure hydrogen can be used as fuels as they are. In particular, methanol is suitable as the fuel used for the solid
アノード14は、AFCに使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、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が、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、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード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。アノード14及び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。
The
アノード14の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード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電解質16のアノード側主面16Tに塗布することにより形成することができる。
The method of producing the
(電解質16)
電解質16は、カソード12とアノード14との間に配置される。電解質16は、カソード12及びアノード14のそれぞれに接続される。電解質16は、主面及び側面を有する膜状に形成される。電解質16のカソード側主面16Sにはカソード12が配置されており、アノード側主面16Tにはアノード14が配置されている。
(Electrolyte 16)
The
図2は、電解質16の断面を拡大して示す模式図である。電解質16は、多孔質基材20と、無機固体電解質体22とを有する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an enlarged cross section of the
多孔質基材20は、三次元網目構造を有する。「三次元網目構造」とは、基材の構成物質が立体的かつ網目状に繋がった構造である。多孔質基材20は、連続孔20aを形成する。連続孔20aは、立体的かつ網目状に孔が繋がることによって構成されており、多孔質基材20の外表面に露出している。連続孔20aには、無機固体電解質体22が含浸されている。
The
多孔質基材20は、セラミックス材料及び高分子材料から選択される少なくとも1種によって構成することができる。セラミックス材料としては、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、コージェライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。高分子材料としては、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、親水化したフッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等)、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びこれらの任意の組合せが挙げられる。多孔質基材20をフレキシブル性の高分子材料で構成する場合には、気孔率を高めながら厚さを薄くしやすいため、水酸化物イオン伝導性を向上させることができる。高分子材料によって構成される多孔質基材20としては、リチウム電池用セパレータとして市販されているような微多孔膜を用いることができる。
The
多孔質基材20は、膜状である。多孔質基材20は、第1主面20S、第2主面20T、及び側面20Uを有する。多孔質基材20の厚さは特に制限されないが、例えば、200μm以下とすることができ、好ましくは100μm以下、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以下であり、5μm以下が最も好ましい。多孔質基材20の厚さの下限値は、用途に応じて適宜設定すればよいが、ある程度の堅さを確保するには1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましい。
The
多孔質基材20の断面における連続孔20aの平均内径は特に制限されないが、例えば、0.001〜1.5μmとすることができ、好ましくは0.001〜1.25μm、より好ましくは0.001〜1.0μm、さらに好ましくは0.001〜0.75μm、特に好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材20に支持体としての強度を付与しつつ、無機固体電解質体22の緻密度を向上させることができる。連続孔20aの平均内径とは、多孔質基材20の断面を電子顕微鏡で観察した場合に、観察画像上で無作為に選出した20箇所における連続孔20aの円相当径を算術平均することによって得られる。連続孔20aの円相当径とは、観察画像において、連続孔20aの断面積と同じ面積を有する円の直径である。なお、電子顕微鏡の倍率は、連続孔20aの断面サイズに応じて適宜設定すればよい。
The average inner diameter of the
連続孔20aの体積率は特に制限されないが、例えば、10〜60%とすることができ、好ましくは15〜55%、より好ましくは20〜50%である。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材20に支持体としての強度を確保しつつ、無機固体電解質体22の緻密度を向上させることができる。連続孔20aの体積率は、アルキメデス法により測定することができる。
The volume ratio of the
また、図2では図示されていないが、多孔質基材20は、それ自体の内部に複数の細孔を有することが好ましい。複数の細孔は、多孔質基材20の内部において、互いに繋がっていてもよい。そして、各細孔は多孔質基材20の表面に開口する開気孔であって、各細孔には無機固体電解質体22が含浸していることがより好ましい。これによって、連続孔20a→多孔質基材20内の細孔→連続孔20aという短距離イオン伝導パスや、連続孔20a→多孔質基材20内の細孔→第2膜状部22c、或いは、第1膜状部22b→多孔質基材20内の細孔→第2膜状部22cという長距離イオン伝導パスを形成することができる。その結果、複合部22a内のイオン伝導可能領域が広がるため、電解質16全体としてのイオン伝導性を向上させることができる。
Although not shown in FIG. 2, the
無機固体電解質体22は、水酸化物イオン伝導性を有する。固体アルカリ形燃料電池10の発電中、無機固体電解質体22は、カソード12側からアノード14側に水酸化物イオン(OH−)を伝導させる。無機固体電解質体22の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、0.1mS/cm以上が好ましく、より好ましくは0.5mS/cm以上、さらに好ましくは1.0mS/cm以上である。無機固体電解質体22の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば10mS/cmである。
The inorganic
無機固体電解質体22は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)が好適である。
The inorganic
LDHは、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、mは水のモル数を意味する任意の整数である)の一般式で示される基本組成を有する。M2+の例としてはMg2+、Ca2+、Sr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、及びZn2+が挙げられ、M3+の例としては、Al3+、Fe3+、Ti3+、Y3+、Ce3+、Mo3+、及びCr3+が挙げられ、An−の例としてはCO3 2−及びOH−が挙げられる。M2+及びM3+としては、それぞれ1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。 LDH is, 2 O (wherein M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, A n- is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is any integer meaning the number of moles of water.) Have. Examples of M 2+ include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , and Zn 2+ . Examples of M 3+ include Al 3+ , Fe 3+ , Ti 3+ , Y 3+, Ce 3+, Mo 3+ , and Cr 3+, and examples of a n- is CO 3 2- and OH - are exemplified. Each of M 2+ and M 3+ may be used alone or in combination of two or more.
LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属MがNi、Al、Tiの場合には、Ni、Al、Ti及びOH基を含む。以下、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含む場合について説明する。 The LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. Intermediate layer is composed of an anion and H 2 O. For example, when the metal M is Ni, Al, or Ti, the hydroxide basic layer includes Ni, Al, Ti, and OH groups. Hereinafter, the case where the hydroxide basic layer of LDH contains Ni, Al, Ti and OH groups will be described.
LDH中のNiはニッケルイオンの形態を採りうる。LDH中のニッケルイオンは典型的にはNi2+であると考えられるが、Ni3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のAlはアルミニウムイオンの形態を採りうる。LDH中のアルミニウムイオンは典型的にはAl3+であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のTiはチタンイオンの形態を採りうる。LDH中のチタンイオンは典型的にはTi4+であると考えられるが、Ti3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ni、Al、Ti及びOH基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してLDH中に混入しうる。 Ni in the LDH can take the form of nickel ions. The nickel ions in the LDH are typically considered to be Ni 2+ , but are not particularly limited since there may be other valences such as Ni 3+ . Al in the LDH can take the form of aluminum ions. The aluminum ion in the LDH is typically considered to be Al 3+ , but is not particularly limited because there may be other valences. Ti in LDH can take the form of titanium ions. The titanium ion in the LDH is typically considered to be Ti 4+ , but is not particularly limited because there may be other valences such as Ti 3+ . The hydroxide basic layer preferably contains Ni, Al, Ti and OH groups as main constituents, but may contain other elements or ions or may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurities are optional elements that can be unavoidably mixed in the manufacturing method, and can be mixed into the LDH from, for example, a raw material or a base material.
LDHの中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH−及び/又はCO3 2−を含む。 Intermediate layer of LDH is composed of anionic and H 2 O. The anion is a monovalent or higher valent anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, anions in the LDH is OH - containing and / or CO 3 2- and.
上記のとおり、Ni、Al及びTiの価数は必ずしも定かではないため、LDHを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてNi2+、Al3+、Ti4+及びOH基で構成されるものと想定した場合、LDHは、一般式:Ni2+ 1−x−yAl3+ xTi4+ y(OH)2An− (x+2y)/n・mH2O(式中、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、好ましくは1又は2であり、0<x<1、好ましくは0.01≦x≦0.5、0<y<1、好ましくは0.01≦y≦0.5、0<x+y<1、mは0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数である)なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ni2+、Al3+、Ti4+等の元素がLDHの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン(同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む)で置き換え可能なものとして解されるべきである。 As described above, since the valences of Ni, Al, and Ti are not always known, it is impractical or impossible to strictly specify LDH by a general formula. Assuming that the hydroxide basic layer is mainly composed of Ni 2+ , Al 3+ , Ti 4+ and OH groups, the LDH is represented by the general formula: Ni 2 + 1 -xy Al 3+ x Ti 4+ y (OH ) 2 a n- (x + 2y ) / n · mH 2 O ( wherein, a n-n-valent anion, n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2, 0 <x <1, preferably Is 0.01 ≦ x ≦ 0.5, 0 <y <1, preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.5, 0 <x + y <1, and m is 0 or more, typically more than 0 or 1 or more Is a real number). However, the above general formula should be interpreted as a “basic composition” to the last, and other elements or ions (of the same element) to the extent that elements such as Ni 2+ , Al 3+ , Ti 4+ do not impair the basic properties of LDH. (Including elements or ions of other valences or elements or ions which can be inevitably mixed in the production process).
無機固体電解質体22は、複合部22a(イオン伝導体の一例)、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cを有する。
The inorganic
複合部22aは、第1膜状部22bと第2膜状部22cとの間に配置される。複合部22aは、多孔質基材20に充填されている。詳細には、複合部22aは、多孔質基材20が有する複数の孔内に配置される。複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20a内に含浸されており、多孔質基材20と一体化している。このように、無機固体電解質体22を多孔質基材20で支持することによって、無機固体電解質体22の強度を向上できるため、無機固体電解質体22を薄くすることができる。その結果、電解質16の低抵抗化を図ることができる。
The
また、複合部22aは、多孔質基材20の側面20Uを覆っている。すなわち、多孔質基材20の側面20Uは、電解質16の側面において露出していない。このため、電解質16の側面は、複合部22aを含む向き固体電解質体22のみによって構成されている。
Further, the
多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aの厚さt3は、例えば、0.1〜30μm程度とすることができる。この複合部22aの厚さt3は、任意の箇所の断面において、厚さ方向に間隔をあけて3点測定した厚さの平均値とすることができる。
The thickness t3 of the
本実施形態において、複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20a内の略全域に広がる。ただし、無機固体電解質体22が第1膜状部22b及び第2膜状部22cの少なくとも一方を有さない場合、複合部22aは、多孔質基材20の一部にのみ含浸されていてもよい。
In the present embodiment, the
ここで、複合部22aは、その内部に形成された複数の閉気孔24を有する。このような閉気孔24が複合部22aの内部に形成されるため、固体アルカリ形燃料電池10の作動中に複合部22aの含水状況の変動に起因する電解質16の体積変化を緩和させることができる。これにより、電解質16とカソード12との界面、又は/及び電解質16とアノード14との界面に応力が発生することを抑制できる。その結果、カソード12又は/及びアノード14から電解質16が剥離したり、電解質16自体が変形したりすることを抑制できる。
Here, the
さらに、閉気孔24が複合部22aの内部に形成されることで、複合部22aに柔軟性を付与することができるため、固体アルカリ形燃料電池10内の温度分布に起因して、カソード12と電解質16との界面、又は/及び、アノード14と電解質16との界面に熱応力が発生することを抑制できる。そのため、カソード12又は/及びアノード14から電解質16が剥離したり、或いは、電解質16自体が変形したりすることを抑制できる。
Further, since the
図2に示すように、閉気孔24は、多孔質基材20から離れている。すなわち、閉気孔24は、複合部22aの内部に閉じこめられており、連続孔20aの内表面と直接的に接触しない。これによって、閉気孔24が多孔質基材20に直接接触する場合に比べて、電解質16に体積変化や変形が生じた場合に、多孔質基材20、複合部22a及び閉気孔24の三者で作られる角部を起点として、複合部22aが多孔質基材20から剥離することを抑制できる。
As shown in FIG. 2, the
各閉気孔24の平均円相当径は特に制限されないが、例えば、0.001〜1.0μmとすることがきる。各閉気孔24の平均円相当径は、0.001μm以上が好ましく、0.002μm以上がより好ましい。これによって、複合部22aの柔軟性をより向上させることができる。また、各閉気孔24の平均円相当径は、1.0μm以下が好ましく、0.8μm以下がより好ましい。これによって、カソード12に供給される酸化剤がアノード14側に透過したり、或いは、アノード14に供給される燃料がカソード12側に透過したりすることを抑制できる。
The average equivalent circle diameter of each
各閉気孔24の平均円相当径は、電解質16の断面を20,000〜1,500,000倍の電子顕微鏡で観察し、無作為に選出した20個の閉気孔24の円相当径を算術平均することによって得られる。閉気孔24の円相当径とは、電解質16の断面において、閉気孔24と同じ面積を有する円の直径である。ただし、0.001μm以下の円相当径を有する閉気孔24は、複合部22aの柔軟性向上への寄与が極めて小さいため、各閉気孔24の平均円相当径を求める際には除外するものとする。
The average equivalent circle diameter of each
第1膜状部22bは、多孔質基材20の第1主面20S上に配置されており、多孔質基材20の第1主面20Sを覆っている。第1膜状部22bは、複合部22aのカソード12側に連なる。第1膜状部22bは、膜状に形成される。第1膜状部22bは、複合部22aと一体的に形成される。
The first film-shaped
第2膜状部22cは、多孔質基材20の第2主面20T上に配置されており、多孔質基材20の第2主面20Tを覆っている。第2膜状部22cは、複合部22aのアノード14側に連なる。第2膜状部22cは、膜状に形成される。第2膜状部22cは、複合部22aと一体的に形成される。
The second film-
第1膜状部22b及び第2膜状部22cそれぞれは、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。第1膜状部22b及び第2膜状部22cそれぞれは、一様な平面状に形成されていてもよいし、縞状など所望の平面形状にパターン化されていてもよい。第1膜状部22b及び第2膜状部22cそれぞれの厚さt1、t2は特に制限されないが、例えば、10μm以下とすることができ、好ましくは7μm以下、より好ましくは5μm以下である。
Each of the first film-
なお、第1膜状部22bの厚さt1は、複合部22aの厚さt3を測定した断面と同じ断面において、面内方向(x軸方向)に間隔をあけて3点測定した厚さの平均値とすることができる。第2膜状部22cの厚さt2は、第1膜状部22bの厚さt1と同様の方法で測定することができる。
Note that the thickness t1 of the first film-shaped
(無機固体電解質体22の製造方法)
無機固体電解質体22の作製方法は特に限定されないが、無機固体電解質体22をLDHで構成する場合であって、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含むとき、以下の工程(1)〜(4)で作製することができる。
(Method of Manufacturing Inorganic Solid Electrolyte Body 22)
The method for producing the inorganic
(1)多孔質基材20を用意する。
(1) A
(2)多孔質基材20の全体にアルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することでアルミナ・チタニア層を形成させる。後述するように、多孔質基材20の表面全体からLDHを成長させるには、多孔質基材20の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させることが重要となるため、アルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することを複数回実施する。これにより、多孔質基材20の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成することができる。
(2) The entire
(3)ニッケルイオン(Ni2+)及び尿素を含む原料水溶液に多孔質基材20を浸漬させる。
(3) The
(4)原料水溶液中で多孔質基材20を水熱処理して、LDHを多孔質基材20上及び多孔質基材20中に形成させることによって、複合部22a、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cを有する無機固体電解質体22を形成する。この際、水熱処理時間および溶液濃度を適宜調整することによって、気孔が閉塞する前に反応を停止することで複合部22a内に閉気孔24を形成させることができる。LDHは多孔質基材20の表面に形成されたアルミナ・チタニア層を核として成長するため、多孔質基材20の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させた場合においては、多孔質基材20の表面全体からLDHが成長することになる。その結果として、閉気孔24を多孔質基材20から離すことができる。
(4) By performing a hydrothermal treatment on the
(実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modification of Embodiment)
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
変形例1
上記実施形態では、閉気孔24は、多孔質基材20から離れていたが、図3に示すように、閉気孔24は、多孔質基材20に接していてもよい。すなわち、閉気孔24は、連続孔20aの内表面と直接的に接触していてもよい。これによって、閉気孔24が多孔質基材20から離れている場合に比べて、閉気孔24の存在による多孔質基材20の拘束面積を低減できるため、多孔質基材20自体の柔軟性を向上させることができる。そのため、電解質16に体積変化や変形が生じた場合に、カソード12と電解質16との界面、又は/及び、アノード14と電解質16との界面に応力が発生することをより抑制できる。
Modification 1
In the above-described embodiment, the
変形例2
上記実施形態では、電解質16は、複数の閉気孔24を有することとしたが、閉気孔24を少なくとも1つ有していれば、閉気孔24を全く有していない場合に比べて、複合部22aに柔軟性を付与することができるため、電解質16の剥離を抑制できる。
Modification 2
In the above embodiment, the
変形例3
上記実施形態では、閉気孔24の形状は断面が円形状に構成されていたが、閉気孔24の形状はこれに限定されない。例えば、閉気孔24は、断面が楕円形状となっていてもよいし、その他の形状であってもよい。
Modification 3
In the above embodiment, the shape of the
変形例4
上記実施形態では、多孔質基材20は、セラミックス材料及び高分子材料から選択される少なくとも一種によって構成されていたが、多孔質基材20の材質はこれに限定されない。例えば、多孔質基材20は、金属材料によっても構成することができる。多孔質基材20を構成する金属材料としては、ステンレス(Fe−Cr系合金、Fe−Ni−Cr系合金など)、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、又は、チタンなどを用いることができる。このような金属材料は、セラミックス材料や高分子材料に比べて熱伝導性が高いため、多孔質基材20の放熱効率を向上させることができるとともに、多孔質基材20内の温度分布を低減させることができる。
Modification 4
In the above embodiment, the
多孔質基材20は、例えば、多孔質金属材料(例えば、発砲金属材料)によって構成されるセル状又はモノリス状の構造物であってもよいし、細線金属材料によって構成されるメッシュ状の塊であってもよい。
The
また、多孔質基材20は、三次元網目構造を有していなくてもよい。三次元網目構造を有さない多孔質基材20としては、金属材料によって構成される複数の線材を織り込むことによって形成されたメッシュ部材のほか、微細な複数のストレート孔が形成された金属薄板などが挙げられる。メッシュ部材は、全体としてシート状に形成されていてもよい。線材の織り方は、平織り、綾織り、平畳織り、綾畳織り、或いは他の織り方であってもよい。多孔質基材20としてメッシュ部材を用いる場合、各線材の隙間(すなわち、目開き)が連続孔20aとなる。金属薄板のストレート孔は、例えばレーザー加工によって形成することができる。多孔質基材20として金属薄板を用いる場合、ストレート孔が連続孔20aとなる。
Further, the
多孔質基材20の表面(連続孔20aの内表面を含む)には、絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、Cr2O3、Al2O3、ZrO2、MgO、MgAl2O4などによって構成することができる。多孔質基材20をステンレスによって構成する場合、ステンレスを酸化処理することにより、絶縁膜としてのCr2O3膜を簡便に形成することができる。なお、第1及び第2膜状部22b,22cが、カソード12とアノード14との間に絶縁膜として機能するため、多孔質基材20の表面には、絶縁膜が形成されていなくてもよい。
An insulating film may be formed on the surface of the porous substrate 20 (including the inner surface of the
変形例5
上記実施形態では、無機固体電解質体22は、複合部22a、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cを有することとしたが、少なくとも複合部22aを有していればよい。すなわち、無機固体電解質体22は、第1膜状部22b及び第2膜状部22cの少なくとも一方を備えていなくてよい。
Modification 5
In the above embodiment, the inorganic
無機固体電解質体22が第1膜状部22bを備えていない場合、複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20aの全体に含浸されていてもよいし、多孔質基材20の連続孔20aのうちカソード12側の領域にのみ含浸されていてもよい。多孔質基材20の連続孔20aのうちカソード12側の領域にのみ複合部22aが含浸される場合、連続孔20aの空隙領域にはアノード14の少なくとも一部を配置すればよい。連続孔20aの空隙領域に配置されるアノード14は、連続孔20aに充填されていてもよいし、連続孔20aの内表面を覆うように膜状に形成されていてもよい。
When the inorganic
無機固体電解質体22が第2膜状部22cを備えていない場合、複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20aの全体に含浸されていてもよいし、多孔質基材20の連続孔20aのうちアノード14側の領域にのみ含浸されていてもよい。多孔質基材20の連続孔20aのうちアノード14側の領域にのみ複合部22aが含浸される場合、連続孔20aの空隙領域にはカソード12の少なくとも一部を配置すればよい。連続孔20aの空隙領域に配置されるカソード12は、連続孔20aに充填されていてもよいし、連続孔20aの内表面を覆うように膜状に形成されていてもよい。
When the inorganic
変形例6
図4に示すように、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aの厚さt3は、第1膜状部22bの厚さt1よりも薄くすることができる。また、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aの厚さt3は、第2膜状部22cの厚さt2よりも薄くすることができる。特に限定されるものではないが、例えば、複合部22aの厚さt3は、第1膜状部22bの厚さt1の5〜50%程度とすることができる。
Modification 6
As shown in FIG. 4, the thickness t3 of the
変形例7
多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aを構成する粒子の第1平均粒径は、第1膜状部22bを構成する粒子の第2平均粒径よりも小さい。例えば、第1平均粒径は、第2平均粒径の5〜50%程度とすることができる。また、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aを構成する粒子の平均粒径は、第2膜状部22cを構成する粒子の平均粒径よりも小さい。なお、各平均粒径は、電子顕微鏡(走査電子顕微鏡(SEM)又は透過電子顕微鏡(TEM))による断面画像から求めることができる。詳細には、第1平均粒径は、複合部22aの断面画像において無作為に選出された50個の粒子のそれぞれと同じ面積を有する円の直径を算術平均した値である。同様に、第2平均粒径とは、第1膜状部22bの断面画像において無作為に選出された50個の粒子それぞれと同じ面積を有する円の直径を算術平均した値である。なお、第1平均粒子は、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aにおいて、面内方向(xy面方向)及び厚さ方向(z軸方向)の中央部で測定する。また、第2平均粒子は、第1膜状部22cにおいて、面内方向(xy面方向)及び厚さ方向(z軸方向)の中央部で測定する。
Modification 7
The first average particle size of the particles constituting the
変形例8
図5に示すように、電解質16は、第1及び第2突出部25a、25bを有していてもよい。第1及び第2突出部25a、25bは、環状である。第1突出部25aは、カソード側主面16Sの外周縁部に配置されている。第1突出部25aは、カソード側主面16Sから突出する。第1突出部25aは、カソード12を囲むように配置されている。
Modification 8
As shown in FIG. 5, the
第2突出部25bは、アノード側主面16Tの外周縁部に配置されている。第2突出部25bは、アノード側主面16Tから突出する。第2突出部25bは、アノード14を囲むように配置されている。
The
変形例9
上記実施形態では、カソード12が第1膜状部22b上に形成され、アノード14が第2膜状部22c上に形成されているが、これに限定されない。例えば、アノード14が第1膜状部22b上に形成され、カソード12が第2膜状部22c上に形成されてもよい。
Modification 9
In the above embodiment, the
変形例10
上記実施形態では、本発明に係る電気化学セル用電解質を適用した電気化学セルの一例として、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池について説明したが、本発明に係る電気化学セル用電解質は、種々の電気化学セルに適用可能である。電気化学セルとしては、例えば、プロトンをキャリアとする燃料電池、二次電池(ニッケル亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池など)、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セル(SOEC)などに適用することができる。電気化学セルがプロトンをキャリアとする場合、複合部22a、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cは、水酸化物イオン伝導性セラミックス成分に代えて、プロトン伝導性セラミックス成分を含有していればよい。なお、電気化学セルとは、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための装置と、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるための装置であって、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置されたものの総称である。
In the above embodiment, the alkaline fuel cell using hydroxide ions as a carrier has been described as an example of the electrochemical cell to which the electrochemical cell electrolyte according to the present invention is applied, but the electrochemical cell electrolyte according to the present invention is described. Is applicable to various electrochemical cells. Examples of electrochemical cells include fuel cells using protons as carriers, secondary batteries (nickel zinc secondary batteries, zinc air secondary batteries, etc.), and electrolytic cells (SOEC) that generate hydrogen and oxygen from water vapor. can do. When the electrochemical cell uses protons as carriers, the
10 固体アルカリ形燃料電池
12 カソード
14 アノード
16 機能層
20 多孔質基材
20S 第1主面
20T 第2主面
20U 側面
22 無機固体電解質体
22a 複合部
Claims (15)
前記多孔質基材に充填されるとともに前記多孔質基材の側面を覆い、イオン伝導性を有するイオン伝導体と、
を備える、電気化学セル用電解質。
A first main surface, a second main surface, and a porous substrate having side surfaces;
An ion conductor filled with the porous substrate and covering the side surface of the porous substrate, and having ion conductivity,
An electrolyte for an electrochemical cell, comprising:
請求項1に記載の電気化学セル用電解質。
The side surface of the electrolyte for an electrochemical cell is constituted by the ion conductor,
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 1.
請求項1又は2に記載の電気化学セル用電解質。
The thickness of the ion conductor covering the side surface of the porous substrate is 0.1 to 30 μm,
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 1.
をさらに備える、請求項1から3のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
A first film-shaped portion covering the first main surface of the porous base material and having ion conductivity;
The electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
をさらに備える、請求項4に記載の電気化学セル用電解質。
A second film-shaped portion covering the second main surface of the porous substrate and having ion conductivity;
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 4, further comprising:
請求項4又は5に記載の電気化学セル用電解質。
The thickness of the ionic conductor covering the side surface of the porous substrate is smaller than the thickness of the first film-shaped portion,
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 4.
請求項4から6のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
The average particle diameter of the particles constituting the ion conductor covering the side surface of the porous substrate is smaller than the average particle diameter of the particles constituting the first film-like portion,
An electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 4 to 6.
請求項1から7のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
The porous substrate is constituted by at least one selected from a ceramic material and a polymer material,
An electrolyte for an electrochemical cell according to claim 1.
前記イオン伝導体は、前記連続孔内に配置され、
前記イオン伝導体は、内部に閉気孔を有する、
請求項1から8のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
The porous substrate has a three-dimensional network structure and forms continuous pores,
The ionic conductor is disposed in the continuous hole,
The ionic conductor has a closed pore inside,
An electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 8.
請求項9に記載の電気化学セル用電解質。
The closed pores are separated from the porous substrate,
An electrolyte for an electrochemical cell according to claim 9.
請求項9に記載の電気化学セル用電解質。
The closed pores are in contact with the porous substrate,
An electrolyte for an electrochemical cell according to claim 9.
請求項9から11のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
The ion conductor has a plurality of closed pores including the closed pores,
An electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 9 to 11.
前記細孔には、前記イオン伝導体が含浸されている、
請求項1から12のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
The porous substrate has pores inside,
The pores are impregnated with the ion conductor,
An electrolyte for an electrochemical cell according to claim 1.
請求項1から13のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
It is arranged on the outer peripheral edge of the main surface of the electrochemical cell electrolyte, and further comprises an annular protrusion protruding from the main surface,
An electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 13.
燃料が供給されるアノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に配置される請求項1から14のいずれかに記載の電気化学セル用電解質と、
を備える、電気化学セル。 A cathode to which an oxidant is supplied;
An anode to which fuel is supplied;
An electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 14, which is disposed between the cathode and the anode;
An electrochemical cell comprising:
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