JP2020098781A - Solid alkaline fuel cell system and method for operating solid alkaline fuel cell - Google Patents

Solid alkaline fuel cell system and method for operating solid alkaline fuel cell Download PDF

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Abstract

To provide a solid alkaline fuel cell system capable of improving output and a method for operating the solid alkaline fuel cell.SOLUTION: A solid alkaline fuel cell system 100 includes a solid alkaline fuel cell 10, and an operating temperature control unit 11. The solid alkaline fuel cell 10 includes a cathode 12, an anode 14, and an electrolyte 16 arranged between the cathode 12 and the anode 14. The operating temperature control unit 11 has an operating temperature of 100°C or higher, and controls a desorption amount of 1/100 of the maximum desorption amount of HO when the desorption amount of HO is measured by a temperature programmed desorption method for the solid alkaline fuel cell 10 to be equal to or higher than a desorption characteristic index temperature T0 detected first.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体アルカリ形燃料電池システム及び固体アルカリ形燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a solid alkaline fuel cell system and a method for operating a solid alkaline fuel cell.

比較的低温(例えば、250℃以下)で作動する燃料電池として、固体アルカリ形燃料電池が知られている。アルカリ形燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード及びカソードの間に配置された水酸化物イオン伝導性の電解質とを備える(例えば、特許文献1参照)。 A solid alkaline fuel cell is known as a fuel cell that operates at a relatively low temperature (for example, 250° C. or lower). The alkaline fuel cell includes an anode, a cathode, and a hydroxide ion-conducting electrolyte disposed between the anode and the cathode (see, for example, Patent Document 1).

アルカリ形燃料電池では、様々な液体燃料又は気体燃料を使用することができ、例えばメタノールを燃料とした場合には、以下の電気化学反応が生じる。 In the alkaline fuel cell, various liquid fuels or gas fuels can be used. For example, when methanol is used as a fuel, the following electrochemical reaction occurs.

・アノード: CHOH+6OH→6e+CO+5H
・カソード: 3/2O+3HO+6e→6OH
・全体 : CHOH+3/2O→CO+2H
Anode: CH 3 OH+6OH →6e +CO 2 +5H 2 O
・Cathode: 3/2O 2 +3H 2 O+6e →6OH
・Overall: CH 3 OH+3/2O 2 →CO 2 +2H 2 O

特開2016−071948号公報JP, 2016-071948, A

このような固体アルカリ形燃料電池では、カソードにHOを効率的に供給して水酸化物イオンの生成効率を向上させることによって、出力向上を図りたいという要請がある。 In such a solid alkaline fuel cell, there is a demand to improve the output by efficiently supplying H 2 O to the cathode to improve the generation efficiency of hydroxide ions.

本発明は、出力向上可能な固体アルカリ形燃料電池システム及び固体アルカリ形燃料電池の運転方法の提供を目的とする。 An object of the present invention is to provide a solid alkaline fuel cell system capable of improving output and a method of operating a solid alkaline fuel cell.

本発明に係る固体アルカリ形燃料電池システムは、固体アルカリ形燃料電池と、作動温度制御部とを備える。固体アルカリ形燃料電池は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを備える。作動温度制御部は、固体アルカリ形燃料電池の作動温度を制御する。作動温度制御部は、作動温度を、100℃以上、かつ、固体アルカリ形燃料電池について昇温脱離法によってHOの脱離量を測定した場合におけるHOの最大脱離量の1/100の脱離量が最初に検出される温度以上に制御する。 A solid alkaline fuel cell system according to the present invention includes a solid alkaline fuel cell and an operating temperature control unit. The solid alkaline fuel cell includes a cathode, an anode, and an electrolyte that is disposed between the cathode and the anode and has hydroxide ion conductivity. The operating temperature control unit controls the operating temperature of the solid alkaline fuel cell. Operating temperature control unit, the operating temperature, 100 ° C. or higher, and the first maximum amount of desorbed H 2 O in the case of measuring the amount of desorbed H 2 O by Atsushi Nobori spectroscopy for the solid alkaline fuel cell The desorption amount of /100 is controlled to be equal to or higher than the temperature at which it is initially detected.

本発明によれば、出力向上可能な固体アルカリ形燃料電池システム及び固体アルカリ形燃料電池の運転方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid alkaline fuel cell system capable of improving output and a method of operating a solid alkaline fuel cell.

固体アルカリ形燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows the structure of a solid alkaline fuel cell system typically. 固体アルカリ形燃料電池の構成を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows the structure of a solid alkaline fuel cell typically.

(固体アルカリ形燃料電池システム100)
実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池システム100について図面を参照しながら説明する。図1は、固体アルカリ形燃料電池システム100の構成を示す模式図である。
(Solid alkaline fuel cell system 100)
A solid alkaline fuel cell system 100 according to an embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a solid alkaline fuel cell system 100.

固体アルカリ形燃料電池システム100は、固体アルカリ形燃料電池10と、作動温度制御部11とを備える。 The solid alkaline fuel cell system 100 includes a solid alkaline fuel cell 10 and an operating temperature control unit 11.

固体アルカリ形燃料電池10は、水酸化物イオンをキャリアとする固体アルカリ形燃料電池の一例である。 The solid alkaline fuel cell 10 is an example of a solid alkaline fuel cell using hydroxide ions as a carrier.

図1に示すように、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を備える。カソード12、アノード14、及び電解質16は、本発明に係る「発電部」を構成する。 As shown in FIG. 1, the solid alkaline fuel cell 10 includes a cathode 12, an anode 14, and an electrolyte 16. The cathode 12, the anode 14, and the electrolyte 16 form the “power generation unit” according to the present invention.

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、100℃以上250℃以下)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。 The solid alkaline fuel cell 10 generates power at a relatively low temperature (for example, 100° C. or higher and 250° C. or lower) based on the following electrochemical reaction formula. However, in the following electrochemical reaction formula, methanol is used as an example of fuel.

・カソード12: 3/2O+3HO+6e→6OH
・アノード14: CHOH+6OH→6e+CO+5H
・全体 : CHOH+3/2O→CO+2H
And the 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

固体アルカリ形燃料電池10の構成については後述する。ただし、本発明に係る固体アルカリ形燃料電池システムには、周知の固体アルカリ形燃料電池を適用することができる。 The configuration of the solid alkaline fuel cell 10 will be described later. However, a well-known solid alkaline fuel cell can be applied to the solid alkaline fuel cell system according to the present invention.

作動温度制御部11は、固体アルカリ形燃料電池10の運転中、固体アルカリ形燃料電池10の作動温度を制御する。具体的には、作動温度制御部11は、固体アルカリ形燃料電池10の作動温度を、100℃以上、かつ、固体アルカリ形燃料電池10について昇温脱離法によってHOの脱離量を測定した場合におけるHOの最大脱離量の1/100の脱離量が最初に検出される温度(以下、「脱離特性指標温度T0」という。)以上に制御する。 The operating temperature control unit 11 controls the operating temperature of the solid alkaline fuel cell 10 during operation of the solid alkaline fuel cell 10. Specifically, the operating temperature control unit 11 sets the operating temperature of the solid alkaline fuel cell 10 to 100° C. or higher, and determines the desorption amount of H 2 O for the solid alkaline fuel cell 10 by the thermal desorption method. The desorption amount of 1/100 of the maximum desorption amount of H 2 O in the measurement is controlled to be equal to or higher than the temperature (hereinafter, referred to as “desorption characteristic index temperature T0”) that is first detected.

このように、作動温度を100℃以上、かつ、脱離特性指標温度T0以上に制御することによって、カソード12に供給されるHOの総量を増大させることができるとともに、HOをカソード12の電気化学反応に効率的に利用することができる。その結果、カソード12にHOを効率的に供給できるため、固体アルカリ形燃料電池10の出力を向上させることができる。このことについては、実験的に確認済みである。 As described above, by controlling the operating temperature to 100° C. or higher and the desorption characteristic index temperature T0 or higher, the total amount of H 2 O supplied to the cathode 12 can be increased and H 2 O can be added to the cathode. It can be efficiently used for 12 electrochemical reactions. As a result, H 2 O can be efficiently supplied to the cathode 12, so that the output of the solid alkaline fuel cell 10 can be improved. This has been confirmed experimentally.

脱離特性指標温度T0は、固体アルカリ形燃料電池10からのHOの脱離のし易さを示す指標である。脱離特性指標温度T0は、HOの最大脱離量が検出される温度よりも低い温度である。脱離特性指標温度T0は、後述する手法により、固体アルカリ形燃料電池10の作動前に予め測定しておけばよい。 The desorption characteristic index temperature T0 is an index indicating the ease of desorption of H 2 O from the solid alkaline fuel cell 10. The desorption characteristic index temperature T0 is lower than the temperature at which the maximum desorption amount of H 2 O is detected. The desorption characteristic index temperature T0 may be previously measured before the operation of the solid alkaline fuel cell 10 by a method described later.

固体アルカリ形燃料電池10の作動温度は、固体アルカリ形燃料電池10の温度制御のために管理される温度である。作動温度としては、定常的に作動する固体アルカリ形燃料電池10に近接又は当接する所定位置における温度を用いることができる。定常的に作動するとは、1時間内における温度変化が±5度以内に収まる状態で作動することを意味する。本実施形態において、作動温度は、100℃以上に設定される。本実施形態において、作動温度の上限値は特に制限されないが、例えば250℃以下に設定することができる。 The operating temperature of the solid alkaline fuel cell 10 is a temperature controlled for temperature control of the solid alkaline fuel cell 10. As the operating temperature, the temperature at a predetermined position in proximity to or in contact with the constantly operating solid alkaline fuel cell 10 can be used. Steadily operating means operating in a state in which the temperature change within 1 hour is within ±5 degrees. In this embodiment, the operating temperature is set to 100° C. or higher. In the present embodiment, the upper limit of the operating temperature is not particularly limited, but can be set to 250° C. or lower, for example.

なお、作動温度制御部11は、例えば、ヒーターによる外部加熱量、発電量による内部加熱量、空冷または水冷等による冷却量などを調整することによって、固体アルカリ形燃料電池10の作動温度を制御することができる。図1において、作動温度制御部11は、カソード12に近接する位置の温度を測定するように構成されているが、固体アルカリ形燃料電池10に近接又は当接する所定位置における温度を測定できるように構成されていればよい。 The operating temperature control unit 11 controls the operating temperature of the solid alkaline fuel cell 10 by adjusting, for example, the amount of external heating by the heater, the amount of internal heating by the amount of power generation, the cooling amount by air cooling, water cooling, or the like. be able to. In FIG. 1, the operating temperature control unit 11 is configured to measure the temperature at a position close to the cathode 12, but it is possible to measure the temperature at a predetermined position close to or in contact with the solid alkaline fuel cell 10. It only has to be configured.

ここで、脱離特性指標温度T0は、以下に説明するようにHOを用いた昇温脱離法(いわゆる、HO−TPD)により検出される。 Here, the desorption characteristic index temperature T0 is detected by a thermal desorption method using H 2 O (so-called H 2 O-TPD) as described below.

(1)固体アルカリ形燃料電池10のうち発電部の一部を切り出して試験片とし、TPD装置(Micromeritics社製 AutoChemII 2920)のサンプルホルダーに試験片を保持する。 (1) A part of the power generation part of the solid alkaline fuel cell 10 is cut out to form a test piece, and the test piece is held in a sample holder of a TPD device (AutoChemII 2920 manufactured by Micromeritics).

(2)試験片をArガス中で250℃まで昇温し、3時間保持する。 (2) The test piece is heated to 250° C. in Ar gas and held for 3 hours.

(3)試験片を室温(50℃以下)まで冷却する。 (3) Cool the test piece to room temperature (50° C. or lower).

(4)室温で試験片に水加湿Arガスを供給し、試験片にHOを物理的に吸着させる。 (4) Water humidified Ar gas is supplied to the test piece at room temperature to physically adsorb H 2 O on the test piece.

(5)ドライArガス中に試験片を30分間パージする。 (5) Purge the test piece in dry Ar gas for 30 minutes.

(6)試験片を室温から250℃まで10℃/minの昇温速度で昇温する。 (6) The test piece is heated from room temperature to 250° C. at a heating rate of 10° C./min.

(7)ガス検出器で検出されるHOの脱離量の経時変化を示す脱離曲線において、HOの最大脱離量(ピーク値)を特定する。この際、脱離曲線において2つのピークが重なり合って存在する場合には、2つのピークを多変量解析で分離して、低温側のピーク値を最大脱離量として採用する。HOの脱離量は特に制限されないが、0.1μmol-HO/m以上が好ましく、1μmol-HO/m以上がより好ましい。このHOの脱離量(μmol-HO/m)は、BET比表面積(m/g)に対してHO−TPDにてHO脱離量を規格化することで算出される。HO脱離量の全量は、四重極質量分析器(Quadrupole Mass Spectrometer:QMS、Pfeiffer Vacuum製 ThermoStar GSD320)で測定することができる。 (7) The maximum desorption amount (peak value) of H 2 O is specified in the desorption curve showing the change over time of the desorption amount of H 2 O detected by the gas detector. At this time, if two peaks overlap each other in the desorption curve, the two peaks are separated by multivariate analysis, and the peak value on the low temperature side is adopted as the maximum desorption amount. The desorption amount of H 2 O is not particularly limited, but is preferably 0.1 μmol-H 2 O/m 2 or more, more preferably 1 μmol-H 2 O/m 2 or more. Desorption of the H 2 O (μmol-H 2 O / m 2) is to normalizing of H 2 O desorption amount at H 2 O-TPD against a BET specific surface area (m 2 / g) It is calculated by. The total amount of desorbed H 2 O can be measured by a quadrupole mass spectrometer (Quadrupole Mass Spectrometer: QMS, ThermoStar GSD320 manufactured by Pfeiffer Vacuum).

(8)脱離曲線において、HOの最大脱離量の1/100の脱離量を最初に示した温度(すなわち、HOの脱離量が最大脱離量に向かって徐々に増加する曲線上において、HOの最大脱離量の1/100の脱離量を示す温度)を、脱離特性指標温度T0として特定する。HOの最大脱離量の1/100の脱離量は特に制限されないが、脱離特性指標温度T0までに脱離するHO量は0.3μmol-HO/m以上が好ましく、0.8μmol-HO/m以上がより好ましい。 (8) In the desorption curve, the temperature at which the desorption amount of 1/100 of the maximum desorption amount of H 2 O is first shown (that is, the desorption amount of H 2 O gradually increases toward the maximum desorption amount). On the increasing curve, the temperature indicating the desorption amount of 1/100 of the maximum desorption amount of H 2 O) is specified as the desorption characteristic index temperature T0. The desorption amount of 1/100 of the maximum desorption amount of H 2 O is not particularly limited, but the H 2 O amount desorbed by the desorption characteristic index temperature T0 is 0.3 μmol-H 2 O/m 2 or more. It is preferably 0.8 μmol-H 2 O/m 2 or more.

なお、昇温脱離法による脱離特性指標温度の検出方法については、住化分析センター Technical News TN136「固体触媒の酸・塩基性測定 (昇温脱離法(TPD))」、[平成30年11月22日検索]、インターネット〈URL:https://www.scas.co.jp/technical-informations/technical-news/pdf/tn136.pdf〉に詳細が記載されている。 Regarding the method for detecting the desorption characteristic index temperature by the thermal desorption method, see Sumika Chemical Analysis Service Technical News TN136 “Acid/basic measurement of solid catalyst (thermal desorption method (TPD))”, [2018 Search on November 22, 2014], and the details are described on the Internet <URL: https://www.scas.co.jp/technical-informations/technical-news/pdf/tn136.pdf>.

また、作動温度制御部11は、固体アルカリ形燃料電池10の運転中、固体アルカリ形燃料電池10の作動温度を、100℃以上、かつ、上述したHOの最大脱離量の1/10の脱離量が最初に検出される温度(以下、「脱離特性指標温度T1」という。)以上に制御することが好ましい。 Further, the operating temperature control unit 11 sets the operating temperature of the solid alkaline fuel cell 10 to 100° C. or higher during operation of the solid alkaline fuel cell 10 and 1/10 of the maximum desorption amount of H 2 O described above. It is preferable to control the desorption amount of the above to be equal to or higher than the temperature at which it is first detected (hereinafter, referred to as “desorption characteristic index temperature T1”).

このように、作動温度を100℃以上、かつ、脱離特性指標温度T1以上に制御することによって、カソード12に供給されるHOの総量を更に増大させることができるとともに、HOをカソード12の電気化学反応に更に効率的に利用することができる。その結果、カソード12にHOを更に効率的に供給できるため、固体アルカリ形燃料電池10の出力を更に向上させることができる。このことについても、実験的に確認済みである。 As described above, by controlling the operating temperature to 100° C. or higher and the desorption characteristic index temperature T1 or higher, the total amount of H 2 O supplied to the cathode 12 can be further increased and H 2 O It can be used more efficiently for the electrochemical reaction of the cathode 12. As a result, H 2 O can be supplied to the cathode 12 more efficiently, so that the output of the solid alkaline fuel cell 10 can be further improved. This has also been confirmed experimentally.

脱離特性指標温度T1は、上述した脱離特性指標温度T0と同様、固体アルカリ形燃料電池10からのHOの脱離のし易さを示す指標である。脱離特性指標温度T1は、脱離特性指標温度T0よりも高い温度であり、かつ、HOの最大脱離量が検出される温度よりも低い温度である。 The desorption characteristic index temperature T1 is an index indicating the ease of desorption of H 2 O from the solid alkaline fuel cell 10, like the desorption characteristic index temperature T0 described above. The desorption characteristic index temperature T1 is higher than the desorption characteristic index temperature T0 and lower than the temperature at which the maximum desorption amount of H 2 O is detected.

固体アルカリ形燃料電池10の脱離特性指標温度T1は、上述した脱離特性指標温度T0の検出手法において、HOの最大脱離量の1/10の脱離量を最初に示した温度を特定することによって検出される。脱離特性指標温度T1は、固体アルカリ形燃料電池10の作動前に予め測定しておけばよい。 The desorption characteristic index temperature T1 of the solid alkaline fuel cell 10 is a temperature at which a desorption amount of 1/10 of the maximum desorption amount of H 2 O is first shown in the detection method of the desorption characteristic index temperature T0 described above. Is detected by specifying The desorption characteristic index temperature T1 may be measured in advance before the operation of the solid alkaline fuel cell 10.

(固体アルカリ形燃料電池10の構成)
図1に示すように、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を備える。
(Structure of solid alkaline fuel cell 10)
As shown in FIG. 1, the solid alkaline fuel cell 10 includes a cathode 12, an anode 14, and an electrolyte 16.

(カソード12)
カソード12は、電解質16に接続される。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(O)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 cathode 12 is connected to the electrolyte 16. The cathode 12 is an anode generally called an air electrode. During the power generation of the solid alkaline fuel cell 10, the oxidant containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 12 via the oxidant supply means 13. Air is preferably used as the oxidant, and the air is more preferably humidified. The cathode 12 is a porous body capable of diffusing an oxidant inside. The porosity of the cathode 12 is not particularly limited. The thickness of the cathode 12 is not particularly limited, but may be 10 to 200 μm, for example.

カソード12は、AFCに使用される公知のカソード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、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。 The cathode 12 is not particularly limited as long as it contains a known cathode catalyst used for AFC. Examples of the cathode catalyst include platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Ir, Pt), iron group elements (Fe, Co, Ni), and other group 8-10 elements (8th group in the IUPAC format). Group 10 elements), Group 11 elements such as Cu, Ag, Au (elements belonging to Group 11 in the IUPAC format of the periodic table), rhodium phthalocyanine, tetraphenylporphyrin, Co salen, Ni salen (salen= N,N′-bis(salicylidene)ethylenediamine), silver nitrate, and any combination thereof.

カソード触媒は、担体に担持されていてもよい。担体としては、カーボン粒子が好ましい。カソード12の構成材料の好ましい例としては、白金担持カーボン(Pt/C)、白金コバルト担持カーボン(PtCo/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)などが挙げられる。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0.05〜10mg/cm、より好ましくは、0.05〜5mg/cmである。 The cathode catalyst may be supported on a carrier. Carbon particles are preferred as the carrier. Preferable examples of the constituent material of the cathode 12 include platinum-supporting carbon (Pt/C), platinum-cobalt-supporting carbon (PtCo/C), palladium-supporting carbon (Pd/C), rhodium-supporting carbon (Rh/C), nickel-support. Examples thereof include carbon (Ni/C), copper-supported carbon (Cu/C), and silver-supported carbon (Ag/C). The amount of catalyst supported on the cathode 12 is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 10 mg/cm 2 , and more preferably 0.05 to 5 mg/cm 2 .

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のカソード側表面16Sに塗布することによって形成することができる。 The method for producing the cathode 12 is not particularly limited. For example, the cathode 12 may be formed by mixing the cathode catalyst and, if desired, a carrier with a binder to form a paste, and applying this paste mixture to the cathode side surface 16S of the electrolyte 16. it can.

(アノード14)
アノード14は、電解質16に接続される。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 anode 14 is connected to the electrolyte 16. The anode 14 is a cathode generally called a fuel electrode. During the power generation of the solid alkaline fuel cell 10, the fuel containing hydrogen atoms (H) is supplied to the anode 14 via the fuel supply means 15. The anode 14 is a porous body capable of diffusing fuel inside. The porosity of the anode 14 is not particularly limited. The thickness of the anode 14 is not particularly limited, but may be 10 to 500 μm, for example.

水素原子を含む燃料は、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 hydrogen atom-containing fuel only needs to contain a fuel compound capable of reacting with hydroxide ions (OH ) in the anode 14, and may be in the form of either a liquid fuel or a gas fuel.

燃料化合物としては、例えば、(i)ヒドラジン(NHNH)、水加ヒドラジン(NHNH・HO)、炭酸ヒドラジン((NHNHCO)、硫酸ヒドラジン(NHNH・HSO)、モノメチルヒドラジン(CHNHNH)、ジメチルヒドラジン((CHNNH、CHNHNHCH)、及びカルボンヒドラジド((NHNHCO)等のヒドラジン類、(ii)尿素(NHCONH)、(iii)アンモニア(NH)、(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(NHOH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NHOH・HSO)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 monomethylhydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethylhydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), and carvone hydrazide ((NHNH 2 ) 2 CO). , (Ii) Urea (NH 2 CONH 2 ), (iii) Ammonia (NH 3 ), (iv) Imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-triazole and other heterocycles Compounds, (v) hydroxylamines (NH 2 OH), hydroxylamine sulfates (NH 2 OH.H 2 SO 4 ), and other hydroxylamines, and combinations thereof. Of these fuel compounds, carbon-free compounds (that is, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate, ammonia, hydroxylamine, hydroxylamine sulfate, and the like) are particularly preferable because they do not cause 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30〜99.9重量%であり、好ましくは66〜99.9重量%である。 The fuel compound may be used as a fuel as it is, or may be used as a solution dissolved in water and/or alcohol (for example, lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, etc.). For example, among the above fuel compounds, hydrazine, hydrated hydrazine, monomethylhydrazine and dimethylhydrazine are liquids, and thus can be used as they are as liquid fuels. Further, 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. Thus, the solid fuel compound can be dissolved in water or alcohol and used as a liquid fuel. 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, 30 to 99.9% by weight, preferably 66 to 99.9% 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。 Further, hydrocarbon-based liquid fuel containing alcohols such as methanol and ethanol or ethers, hydrocarbon-based gas such as methane, or pure hydrogen can be directly used as fuel. In particular, methanol is suitable as the fuel used in the solid alkaline fuel cell 10 according to the present embodiment. Methanol may be in a gas state, a liquid state, or a gas-liquid mixed state.

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。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)、白金ルテニウム担持カーボン(PtRu/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 anode 14 is not particularly limited as long as it includes a known anode catalyst used for AFC. Examples of the anode 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, but may be in the form of an organic metal complex having a metal atom of the metal catalyst as a central metal, or the organic metal complex may be supported as a carrier. Preferred examples of the anode 14 and the catalyst constituting the anode 14 are nickel, cobalt, silver, platinum-supporting carbon (Pt/C), platinum-ruthenium-supporting carbon (PtRu/C), palladium-supporting carbon (Pd/C), and rhodium-support. Examples thereof include carbon (Rh/C), nickel-supporting carbon (Ni/C), copper-supporting carbon (Cu/C), and silver-supporting carbon (Ag/C).

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のアノード側表面16T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 anode 14 is not particularly limited. For example, the anode 14 may be formed by mixing the anode catalyst and, if desired, a carrier with a binder to form a paste, and applying the paste mixture to the anode-side surface 16T of the electrolyte 16. it can.

(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、カソード12と接触するカソード側表面16Sと、アノード14と接触するアノード側表面16Tとを有する。電解質16は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。
(Electrolyte 16)
The electrolyte 16 is disposed between the cathode 12 and the anode 14. The electrolyte 16 is connected to each of the cathode 12 and the anode 14. The electrolyte 16 has a cathode-side surface 16S that contacts the cathode 12 and an anode-side surface 16T that contacts the anode 14. The electrolyte 16 is formed in a film shape, a layer shape, or a sheet shape.

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 view showing an enlarged cross section of the electrolyte 16. The electrolyte 16 has a porous base material 20 and an inorganic solid electrolyte body 22.

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、後述する無機固体電解質体22が含浸されている。 The porous substrate 20 has a three-dimensional network structure. The “three-dimensional mesh structure” is a structure in which the constituent materials of the base material are three-dimensionally and meshed. The porous substrate 20 forms continuous holes 20a. The continuous holes 20 a are formed by connecting the holes in a three-dimensional and mesh shape, and are exposed on the outer surface of the porous substrate 20. The continuous hole 20a is impregnated with an inorganic solid electrolyte body 22 described later.

多孔質基材20は、金属材料、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。 The porous substrate 20 can be made of at least one selected from metal materials, ceramic materials, and polymer materials.

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。三次元網目構造を有する限り、多孔質基材20の形態は特に制限されず、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。 As the metal material forming the porous substrate 20, stainless steel (Fe-Cr alloy, Fe-Ni-Cr alloy, etc.), aluminum, zinc, nickel, titanium, or the like can be used. Since such a metal material has higher thermal conductivity than a ceramic material or a polymer material, it is possible to improve the heat dissipation efficiency of the porous base material 20 and reduce the temperature distribution in the porous base material 20. Can be made. The form of the porous substrate 20 is not particularly limited as long as it has a three-dimensional network structure, and may be, for example, a cell-like or monolith-like structure made of a porous metal material (for example, a foam metal material). It may be a mesh-shaped mass made of a thin wire metal material.

また、多孔質基材20が金属材料によって構成される場合、多孔質基材20の表面には絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、Cr、Al、ZrO、MgO、MgAl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Cr膜を簡便に形成することができる。ただし、本実施形態では、後述する第1及び第2膜状部22b,22cが、カソード12及びアノード14それぞれとの間で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。 When the porous substrate 20 is made of a metal material, an insulating film may be formed on the surface of the porous substrate 20. The insulating film can be made of Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, MgAl 2 O 4, or the like. When the porous substrate 20 is made of stainless steel, the Cr 2 O 3 film as an insulating film can be easily formed by oxidizing the stainless steel. However, in the present embodiment, the first and second film-shaped portions 22b and 22c, which will be described later, function as insulating films between the cathode 12 and the anode 14, respectively. The film may not be formed.

多孔質基材20を構成す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、カルシア、コージェライト、ゼオライト、ムライト、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。 Examples of the ceramic material forming the porous substrate 20 include alumina, zirconia, titania, magnesia, calcia, cordierite, zeolite, mullite, zinc oxide, silicon carbide, and any combination thereof.

多孔質基材20を構成す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、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、ポリイミド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、連続孔20aの体積を大きくし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、市販の微多孔膜を用いることができる。 As the polymer material forming the porous substrate 20, polystyrene, polyether sulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, fluororesin (tetrafluorinated resin: PTFE, etc.), cellulose, nylon, polyethylene, polyimide and the like. Any combination of When the porous base material 20 is made of a flexible polymer material, since it is easy to reduce the thickness of the continuous pores 20a while increasing the volume thereof, the hydroxide ion conductivity can be improved. A commercially available microporous membrane can be used as the porous substrate 20 made of a polymer material.

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 thickness of the porous substrate 20 is not particularly limited, but can be, for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, further preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and 5 μm. The following are the most preferable. The lower limit of the thickness of the porous base material 20 may be appropriately set according to the application, but is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more in order to secure a certain degree of hardness.

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 continuous holes 20a in the cross section of the porous substrate 20 is not particularly limited, but can be, for example, 0.001 to 1.5 μm, preferably 0.001 to 1.25 μm, and more preferably 0. 001 to 1.0 μm, more preferably 0.001 to 0.75 μm, and particularly preferably 0.001 to 0.5 μm. By setting it as these ranges, the density of the inorganic solid electrolyte body 22 can be improved, giving the strength as a support body to the porous base material 20. The average inner diameter of the continuous holes 20a is obtained by arithmetically averaging the circle-equivalent diameters of the 20 continuous holes 20a randomly selected on the observed image when the cross section of the porous substrate 20 is observed with an electron microscope. can get. The equivalent circle diameter of the continuous hole 20a is the diameter of a circle having the same area as the cross-sectional area of the continuous hole 20a in the observed image. The magnification of the electron microscope may be set appropriately according to the cross-sectional size of the continuous hole 20a.

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 continuous holes 20a is not particularly limited, but may be, for example, 10 to 60%, preferably 15 to 55%, more preferably 20 to 50%. By setting it as these ranges, the density of the inorganic solid electrolyte body 22 can be improved, ensuring the strength as a support body in the porous base material 20. The volume ratio of the continuous holes 20a can be measured by the Archimedes method.

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 porous substrate 20 preferably has a plurality of pores inside itself. The plurality of pores may be connected to each other inside the porous substrate 20. It is more preferable that each pore is an open pore that opens on the surface of the porous base material 20, and that each pore is impregnated with the inorganic solid electrolyte body 22. As a result, a short-distance ion conduction path of continuous pore 20a→pore in porous substrate 20→continuous pore 20a, continuous pore 20a→pore in porous substrate 20→second membrane portion 22c, or It is possible to form a long-distance ion conduction path of the first membrane portion 22b→the pores in the porous substrate 20→the second membrane portion 22c. As a result, the ion-conductive region in the composite portion 22a is expanded, so that the ion conductivity of the electrolyte 16 as a whole can be improved.

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 solid electrolyte body 22 has hydroxide ion conductivity. During power generation of the solid alkaline fuel cell 10, the inorganic solid electrolyte body 22 conducts hydroxide ions (OH ) from the cathode 12 side to the anode 14 side. The hydroxide ion conductivity of the inorganic solid electrolyte body 22 is not particularly limited, but is preferably 0.1 mS/cm or more, more preferably 0.5 mS/cm or more, and further preferably 1.0 mS/cm or more. The higher the hydroxide ion conductivity of the inorganic solid electrolyte body 22, the more preferable, and the upper limit value thereof is not particularly limited, but is, for example, 10 mS/cm.

無機固体電解質体22は、緻密であることが好ましい。アルキメデス法で算出される無機固体電解質体22の相対密度は特に制限されないが、90%以上が好ましく、より好ましくは92%以上、さらに好ましくは95%以上である。無機固体電解質体22は、例えば水熱処理によって緻密化することができる。 The inorganic solid electrolyte body 22 is preferably dense. The relative density of the inorganic solid electrolyte body 22 calculated by the Archimedes method is not particularly limited, but is preferably 90% or more, more preferably 92% or more, further preferably 95% or more. The inorganic solid electrolyte body 22 can be densified by, for example, hydrothermal treatment.

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、水酸化物イオン伝導性を有する周知のセラミックスを用いることができるが、以下に説明する層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)が特に好適である。 The inorganic solid electrolyte body 22 can be made of a ceramic material having hydroxide ion conductivity. As such a ceramic material, a well-known ceramic having hydroxide ion conductivity can be used, but a layered double hydroxide (LDH: Layered Double Hydroxide) described below is particularly preferable.

LDHは、M2+ 1−x3+ (OH)n−x/n・mHO(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CO 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 M 2+ 1−x M 3+ x (OH) 2 A n− x/n·mH 2 O (in the formula, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, and A n- is an anion of valence, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is an arbitrary integer which means 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+ , and examples of M 3+ include Al 3+ , Fe 3+ , Ti 3+ , Y 3+, Ce 3+, Mo 3+ , and Cr 3+ can be mentioned, An - and the like - CO 3 2-and OH examples of. As M 2+ and M 3+ , one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.

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HO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. The intermediate layer is composed of anions and H 2 O. The hydroxide basic layer contains Ni, Al, Ti and OH groups when the metal M is Ni, Al or Ti, for example. Hereinafter, a 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 LDH can take the form of nickel ions. The nickel ion in LDH is considered to be typically Ni 2+ , but is not particularly limited because it may have other valences such as Ni 3+ . Al in LDH can take the form of aluminum ions. The aluminum ion in LDH is considered to be typically Al 3+ , but is not particularly limited because it may have other valences. Ti in LDH can take the form of titanium ions. The titanium ion in LDH is considered to be typically Ti 4+ , but it is not particularly limited because it may have other valences such as Ti 3+ . The hydroxide basic layer preferably contains Ni, Al, Ti and OH groups as main constituent elements, but may contain other elements or ions, or may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurities are arbitrary elements that can be inevitably mixed in the manufacturing method, and can be mixed in LDH, for example, originating from the raw material or the base material.

LDHの中間層は、陰イオン及びHO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CO 2−を含む。 The intermediate layer of LDH is composed of anions and H 2 O. The anion is a monovalent or higher valent anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anions in LDH include OH and/or CO 3 2− .

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+ Ti4+ (OH)n− (x+2y)/n・mHO(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 clear, it is impractical or impossible to specify LDH exactly by using a general formula. If it is assumed that the hydroxide basic layer is mainly composed of Ni 2+ , Al 3+ , Ti 4+ and OH groups, LDH has the general formula: Ni 2+ 1−x−y 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 understood as “basic composition” to the extent that elements such as Ni 2+ , Al 3+ and Ti 4+ do not impair the basic characteristics of LDH and other elements or ions (of the same element). (Including elements or ions having other valences or elements or ions which may be unavoidably mixed in the manufacturing process).

本実施形態において、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。 In the present embodiment, the inorganic solid electrolyte body 22 has a composite part 22a, a first film-shaped part 22b, and a second film-shaped part 22c.

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の連続孔20a内に配置される。複合部22aは、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 composite part 22a is arranged between the first film-shaped part 22b and the second film-shaped part 22c. The composite part 22a is arranged in the continuous hole 20a of the porous substrate 20. The composite portion 22a is impregnated in the continuous hole 20a and is integrated with the porous substrate 20. Since the strength of the inorganic solid electrolyte body 22 can be improved by supporting the inorganic solid electrolyte body 22 with the porous base material 20 in this manner, the inorganic solid electrolyte body 22 can be thinned. As a result, the resistance of the electrolyte 16 can be reduced.

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内の略全域に広がっているが、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 composite portion 22a is spread over substantially the entire area of the continuous pores 20a of the porous base material 20, but the inorganic solid electrolyte body 22 has at least the first membrane portion 22b and the second membrane portion 22c. When not having one, the composite part 22a may be impregnated only in a part of the porous substrate 20.

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。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。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セラミックス成分によって構成される。第1膜状部22b及び第2膜状部22cそれぞれの厚さ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。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。 The first film-shaped portion 22b is continuous with the cathode 12 side of the composite portion 22a. The first film-shaped portion 22b is formed in a film shape. The first film-shaped portion 22b is formed integrally with the composite portion 22a. The second film-shaped portion 22c is continuous with the anode 14 side of the composite portion 22a. The second film-shaped portion 22c is formed in a film shape. The second film-shaped portion 22c is integrally formed with the composite portion 22a. Each of the first film-shaped portion 22b and the second film-shaped portion 22c is composed of a hydroxide ion conductive ceramics component. The thickness of each of the first film-shaped portion 22b and the second film-shaped portion 22c is not particularly limited, but can be, for example, 10 μm or less, preferably 7 μm or less, and more preferably 5 μm or less. Each of the first film-shaped portion 22b and the second film-shaped portion 22c may be formed in a uniform planar shape, or may be patterned into a desired planar shape such as a stripe shape.

電解質16の作製方法は特に限定されないが、例えば、以下の手法を採用することができる。まず、アルミナ及びチタニアの混合ゾルを調製し、この混合ゾルを多孔質基材20内部の全体又は大部分に浸透させる。次に、混合ゾルが浸透した多孔質基材20を熱処理(大気雰囲気、50〜150度、1〜30分)することによって、多孔質基材20の各孔内にアルミナ・チタニア層を形成する。次に、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。次に、原料水溶液中で多孔質基材20を水熱処理する。この際、水熱処理条件(100〜150度、10〜100時間)を適宜調整することによって、多孔質基材20内に複合部22aが形成されるとともに、多孔質基材20の両主面に第1膜状部22b及び第2膜状部22cが形成されて電解質16となる。 The method for producing the electrolyte 16 is not particularly limited, but for example, the following method can be adopted. First, a mixed sol of alumina and titania is prepared, and this mixed sol is permeated into the whole or most of the inside of the porous substrate 20. Next, the porous base material 20 in which the mixed sol has permeated is heat-treated (atmosphere atmosphere, 50 to 150 degrees, 1 to 30 minutes) to form an alumina/titania layer in each hole of the porous base material 20. .. Next, the porous base material 20 is immersed in a raw material aqueous solution containing nickel ions (Ni2+) and urea. Next, the porous substrate 20 is hydrothermally treated in the raw material aqueous solution. At this time, by appropriately adjusting the hydrothermal treatment conditions (100 to 150 degrees, 10 to 100 hours), the composite portion 22a is formed in the porous base material 20 and both main surfaces of the porous base material 20 are formed. The first film-shaped portion 22b and the second film-shaped portion 22c are formed to serve as the electrolyte 16.

(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 the embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

上記実施形態において、電解質16は、図2に示す構成を有することとしたが、これに限られない。例えば、電解質16は、無機固体電解質体22を支持する多孔質基材20を有することとしたが、多孔質基材20を有していなくてもよい。この場合、電解質16は、板状に形成された無機固体電解質体によって構成することができる。また、電解質16は、第1膜状部22b及び第2膜状部22cの少なくとも一方を有していなくてもよい。 In the above embodiment, the electrolyte 16 has the configuration shown in FIG. 2, but the configuration is not limited to this. For example, although the electrolyte 16 has the porous base material 20 that supports the inorganic solid electrolyte body 22, the electrolyte 16 may not have the porous base material 20. In this case, the electrolyte 16 can be composed of a plate-shaped inorganic solid electrolyte body. The electrolyte 16 may not have at least one of the first film-shaped portion 22b and the second film-shaped portion 22c.

また、電解質16は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体22を膜状に形成することによって形成してもよい。さらに、電解質16は、水酸化物イオン伝導性材料粉末とバインダー材料粉末との混合粉末を圧粉成形することによって形成してもよい。 Further, the electrolyte 16 may be formed by forming an inorganic solid electrolyte body 22 having hydroxide ion conductivity into a film shape. Further, the electrolyte 16 may be formed by compacting a mixed powder of the hydroxide ion conductive material powder and the binder material powder.

10 固体アルカリ形燃料電池
11 作動温度制御部
12 カソード
14 アノード
16 電解質
16S カソード側表面
16T アノード側表面
20 多孔質基材
22 無機固体電解質体
22a 複合部
22b 第1膜状部
22c 第2膜状部
10 Solid Alkaline Fuel Cell 11 Operating Temperature Control Part 12 Cathode 14 Anode 16 Electrolyte 16S Cathode Side Surface 16T Anode Side Surface 20 Porous Base Material 22 Inorganic Solid Electrolyte Body 22a Composite Part 22b First Membrane Part 22c Second Membrane Part

Claims (2)

カソードと、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、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを備える固体アルカリ形燃料電池と、
前記固体アルカリ形燃料電池の作動温度を制御する作動温度制御部と、
を備え、
前記作動温度制御部は、前記作動温度を、100℃以上、かつ、前記固体アルカリ形燃料電池について昇温脱離法によってHOの脱離量を測定した場合におけるHOの最大脱離量の1/100の脱離量が最初に検出される温度以上に制御する、
固体アルカリ形燃料電池システム。
A solid alkaline fuel cell comprising a cathode, an anode, and an electrolyte having hydroxide ion conductivity, the electrolyte being disposed between the cathode and the anode;
An operating temperature control unit for controlling the operating temperature of the solid alkaline fuel cell;
Equipped with
The operating temperature control unit, the operating temperature, 100 ° C. or higher, and the maximum desorption of H 2 O in the case of measuring the amount of desorbed H 2 O by Atsushi Nobori spectroscopy for the solid alkaline fuel cell The desorption amount of 1/100 of the amount is controlled to be equal to or higher than the temperature at which it is initially detected,
Solid alkaline fuel cell system.
カソードと、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、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを備える固体アルカリ形燃料電池の運転方法であって、
前記固体アルカリ形燃料電池の作動温度を、100℃以上、かつ、前記固体アルカリ形燃料電池について昇温脱離法によってHOの脱離量を測定した場合におけるHOの最大脱離量の1/100の脱離量が最初に検出される温度以上に制御する、
固体アルカリ形燃料電池の運転方法。
A method of operating a solid alkaline fuel cell, comprising: a cathode, an anode, and an electrolyte having hydroxide ion conductivity, the electrolyte being disposed between the cathode and the anode,
The operating temperature of the solid alkaline fuel cell, 100 ° C. or higher, and the maximum amount of released H 2 O in the case of measuring the amount of desorbed H 2 O by Atsushi Nobori spectroscopy for the solid alkaline fuel cell The desorption amount of 1/100 of the
Operating method of solid alkaline fuel cell.
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