JP2021150070A - Electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

To provide an electrochemical cell which can increase the initial conductivity of an electrolyte and suppress the degradation resulting from being dried.SOLUTION: An alkali type fuel cell 10 comprises an electrolyte 16 containing a layered composite hydroxide containing Ni ions and Al ions, and a hydroxide of at least one transition metal selected from Fe, Co and Mn. To Ni ions that the layered composite hydroxide contains, the ion total concentration of transition metal included in the hydroxide is 50 ppm or more and 20000 ppm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrochemical cell.

従来、比較的低温(例えば、250℃以下)で作動する燃料電池として、水酸化物イオン(OH)をキャリアとするアルカリ形燃料電池(AFC)が知られている。AFC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起こる。 Conventionally, as a fuel cell that operates at a relatively low temperature (for example, 250 ° C. or lower), an alkaline fuel cell (AFC) having a hydroxide ion (OH −) as a carrier is known. In AFC, various liquid fuels or gaseous fuels can be used. For example, when methanol is used as a fuel, the following electrochemical reactions occur.

・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

ここで、特許文献1では、AFCにおいて、水酸化物イオン伝導性を有する層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)を電解質として用いることが提案されている。 Here, Patent Document 1 proposes to use a layered double hydroxide (LDH: Layered Double Hydroxide) having hydroxide ion conductivity as an electrolyte in AFC.

特開2016−071948号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-071948

ところで、LDHを含有する電解質の初期導電率をより向上させたいという要請がある。 By the way, there is a demand for further improving the initial conductivity of the electrolyte containing LDH.

また、LDHを含有する電解質をAFCの作動温度で使用すると、LDH内の水分が不足することによって電解質が劣化して導電率が低下するおそれがある。 Further, when an electrolyte containing LDH is used at the operating temperature of AFC, the electrolyte may be deteriorated and the conductivity may be lowered due to the lack of water in the LDH.

よって、初期導電率の向上と乾燥による劣化の抑制とを両立可能な電解質の開発が望まれている。 Therefore, it is desired to develop an electrolyte that can achieve both improvement of initial conductivity and suppression of deterioration due to drying.

このような電解質は、アルカリ形燃料電池に限らず、水酸化物イオンをキャリアとする二次電池(亜鉛空気二次電池など)や水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどの電気化学セルに有用である。 Such electrolytes are not limited to alkaline fuel cells, but are also used in electrochemical cells such as secondary batteries using hydroxide ions as carriers (zinc air secondary batteries, etc.) and electrolytic cells that generate hydrogen and oxygen from water vapor. It is useful.

本発明は、電解質の初期導電率の向上と乾燥による劣化の抑制とを両立可能な電気化学セルを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electrochemical cell capable of both improving the initial conductivity of an electrolyte and suppressing deterioration due to drying.

本発明に係る電気化学セルは、酸化剤が供給されるカソードと、燃料が供給されるアノードと、カソードとアノードとの間に配置される電解質とを備える。電解質は、Niイオン及びAlイオンを含有する層状複水酸化物と、Fe、Co及びMnから選択される少なくとも1種の遷移金属の水酸化物とを含む。層状複水酸化物が含有するNiイオンに対する前記水酸化物に含まれる前記遷移金属のイオン総濃度は、50ppm以上20000ppm以下である。 The electrochemical cell according to the present invention includes a cathode to which an oxidant is supplied, an anode to which fuel is supplied, and an electrolyte arranged between the cathode and the anode. The electrolyte contains a layered double hydroxide containing Ni and Al ions and a hydroxide of at least one transition metal selected from Fe, Co and Mn. The total ion concentration of the transition metal contained in the hydroxide with respect to Ni ions contained in the layered double hydroxide is 50 ppm or more and 20000 ppm or less.

本発明によれば、電解質の初期導電率の向上と乾燥による劣化の抑制とを両立可能な電気化学セルを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrochemical cell capable of both improving the initial conductivity of the electrolyte and suppressing deterioration due to drying.

アルカリ形燃料電池の構成を模式的に示す断面図Cross-sectional view schematically showing the configuration of an alkaline fuel cell

(電解質材料)
本発明に係る電解質材料は、水酸化物イオンをキャリアとする二次電池(亜鉛空気二次電池など)や水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどの電気化学セルに用いられる電解質の構成材料として好適である。
(Electrolyte material)
The electrolyte material according to the present invention is a constituent material of an electrolyte used in an electrochemical cell such as a secondary battery using hydroxide ions as a carrier (zinc air secondary battery or the like) or an electrolytic cell that generates hydrogen and oxygen from water vapor. Is suitable as.

本発明に係る電解質材料は、Niイオン及びAlイオンを含有する層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)と、Fe、Co及びMnから選択される少なくとも1種の遷移金属の水酸化物(以下、「遷移金属水酸化物」という。)とを含む。 The electrolyte material according to the present invention is a layered double hydroxide (LDH) containing Ni ions and Al ions, and a hydroxide of at least one transition metal selected from Fe, Co and Mn (LDH: Layered Double Hydroxide). Hereinafter, it is referred to as “transition metal hydroxide”).

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。LDHの基本組成は、例えば下記の一般式(1)によって表すことができる。 LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. The basic composition of LDH can be expressed by, for example, the following general formula (1).

[Ni2+ 1−p―r―sAl3+ 2+ 3+ (OH)][An− p+s/n・mHO]・・・式(1)
一般式(1)において、Ni2+/Al3+比は2以上4以下である。Ni2+/Al3+比を2以上4以下とすることによって安定な層状構造を形成することができる。Ni2+及びAl3+は、各水酸化物基本層に含まれる。Ni2+/Al3+比は、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP−AES)の手法によって測定することができる。
[Ni 2+ 1-pr-s Al 3+ p M 2+ r M 3+ s (OH) 2 ] [An - p + s / n · mH 2 O] ... Equation (1)
In the general formula (1), the Ni 2+ / Al 3+ ratio is 2 or more and 4 or less. A stable layered structure can be formed by setting the Ni 2+ / Al 3+ ratio to 2 or more and 4 or less. Ni 2+ and Al 3+ are contained in each hydroxide basic layer. The Ni 2+ / Al 3+ ratio can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES) techniques.

式(1)において、M2+は、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Fe2+、Co2+、Mn2+及びZn2+から選択される少なくとも1種であり、M3+はTi3+、Y3+、Ce3+、Mo3+及びCr3+から選択される少なくとも1種である。M2+及びM3+は、各水酸化物基本層に含まれる。 In the formula (1), M 2+ is at least one selected from Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Mn 2+ and Zn 2+ , and M 3+ is Ti 3+ , Y 3+ , Ce. At least one selected from 3+, Mo 3+ and Cr 3+. M 2+ and M 3+ are contained in each hydroxide base layer.

式(1)において、Ni2+の添え字1−p―r―sは、0.67以上0.80以下であり、Al3+の添え字pは0.2以上0.33以下であり、M2+の添え字rは0以上0.10以下であり、M3+の添え字sは0以上0.10以下である。 In the formula (1), the subscript 1-pr-s of Ni 2+ is 0.67 or more and 0.80 or less, the subscript p of Al 3+ is 0.2 or more and 0.33 or less, and M. The subscript r of 2+ is 0 or more and 0.10 or less, and the subscript s of M 3+ is 0 or more and 0.10 or less.

式(1)において、An−はn価の陰イオンである。nは、1価以上の整数である。An−は、1価又は2価の陰イオンであることが好ましい。An−は、OH及び/又はCO 2−を含むことが好ましい。An−の添え字に含まれるp+sは、0.2以上0.43以下であり、An−の添え字に含まれるnは1以上の整数であり、HOの係数mは任意の整数である。An−及びHOは、水酸化物基本層間の中間層に含まれる。 In formula (1), An− is an n-valent anion. n is an integer having a valence of 1 or more. A n- is preferably a monovalent or divalent anion. A n- is, OH - and / or CO preferably comprises 3 2-. P + s contained in A n- subscript is from 0.2 to 0.43 or less, n included in the A n- subscript is an integer of 1 or more, the H 2 O factor m is any It is an integer. A n- and H 2 O is contained in the intermediate layer of hydroxide base layers.

ただし、一般式(1)に示したNiイオン、Alイオン及びMそれぞれの価数は、必ずしも定かではない。例えば、Niイオンの価数は3+でもありえるし、Alイオンの価数は3+以外でもありえる。そのため、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り、上記一般式(1)はあくまで「基本組成」を示す一例として解されるべきである。 However, the valences of Ni ion, Al ion and M shown in the general formula (1) are not always fixed. For example, the valence of Ni ions can be 3+, and the valence of Al ions can be other than 3+. Therefore, it is impractical or impossible to strictly specify LDH by a general formula, and the above general formula (1) should be understood as an example showing a "basic composition".

なお、LDHの粒径は特に限定されないが、例えば、体積基準D50平均粒径を0.01μm以上10μm以下とすることができる。D50平均粒径を0.01μm以上とすると、LDH粉末同士が凝集して成形時に気孔が残留することを抑制できるため好ましい。D50平均粒径を10μm以下とすると、LDH粉末の成形性を向上させることができるため好ましい。 The particle size of LDH is not particularly limited, but for example, the volume-based D50 average particle size can be 0.01 μm or more and 10 μm or less. When the average particle size of D50 is 0.01 μm or more, LDH powders can be prevented from agglomerating with each other and leaving pores during molding, which is preferable. When the average particle size of D50 is 10 μm or less, the moldability of the LDH powder can be improved, which is preferable.

電解質材料は、上述した遷移金属水酸化物を更に含む。Fe水酸化物としては、FeO(OH)、Fe(OH)、Fe(OH)などが挙げられる。Coの水酸化物としては、CoO(OH)、Co(OH)、Fe(OH)などが挙げられる。Mnの水酸化物としては、MnO(OH)、Mn(OH)などが挙げられる。 The electrolyte material further comprises the transition metal hydroxides described above. Examples of Fe hydroxide include FeO (OH), Fe (OH) 2 , Fe (OH) 3, and the like. Examples of the hydroxide of Co include CoO (OH), Co (OH) 2 , Fe (OH) 3 and the like. Examples of the hydroxide of Mn include MnO (OH) and Mn (OH) 2 .

本発明に係る電解質材料は、LDHが含有するNiイオンに対する遷移金属水酸化物に含まれる遷移金属のイオン総濃度(以下、「遷移金属イオン総濃度」と略称する。)が、50ppm以上20000ppm以下であることを特徴とする。 In the electrolyte material according to the present invention, the total ion concentration of the transition metal contained in the transition metal hydroxide with respect to the Ni ion contained in LDH (hereinafter, abbreviated as "transition metal ion total concentration") is 50 ppm or more and 20000 ppm or less. It is characterized by being.

遷移金属イオン総濃度を50ppm以上とすることによって、当該電解質材料を用いて電解質を構成した場合、アルカリ形燃料電池の作動温度において、遷移金属水酸化物からLDHに水分を補うことができる。その結果、電解質の劣化を抑制できるため、電解質の導電率が低下することを抑制できる。Niイオンに対する遷移金属水酸化物の金属イオン総濃度は、100ppm以上が好ましく、500ppm以上がより好ましい。 By setting the total concentration of transition metal ions to 50 ppm or more, when an electrolyte is constructed using the electrolyte material, water can be supplemented from the transition metal hydroxide to LDH at the operating temperature of the alkaline fuel cell. As a result, the deterioration of the electrolyte can be suppressed, so that the decrease in the conductivity of the electrolyte can be suppressed. The total metal ion concentration of the transition metal hydroxide with respect to Ni ions is preferably 100 ppm or more, more preferably 500 ppm or more.

また、遷移金属イオン総濃度を20000ppm以下とすることによって、遷移金属酸化物/水酸化物が粗大に凝集してLDH同士の粒界を塞ぐことを抑制できるため、当該電解質材料を用いて電解質を構成した場合、電解質の水酸化物イオン伝導性を十分確保できるため、電解質の初期導電率を十分確保できる。遷移金属イオン総濃度は、10000ppm以下が好ましく、5000ppm以下がより好ましい。 Further, by setting the total concentration of transition metal ions to 20000 ppm or less, it is possible to prevent the transition metal oxide / hydroxide from coarsely agglomerating and blocking the grain boundaries between LDHs. When configured, the hydroxide ion conductivity of the electrolyte can be sufficiently secured, so that the initial conductivity of the electrolyte can be sufficiently secured. The total transition metal ion concentration is preferably 10,000 ppm or less, more preferably 5000 ppm or less.

電解質材料がFe、Co及びMnから選択される2種以上の遷移金属水酸化物を含有する場合、遷移金属イオン総濃度は、Niイオンに対する各遷移金属水酸化物のイオン濃度の合計値である。遷移金属イオン総濃度は、誘導結合プラズマ発光分光分析によって測定することができる。また、水酸化物種は、放射光を用いたXRD測定により同定することができる。 When the electrolyte material contains two or more transition metal hydroxides selected from Fe, Co and Mn, the total transition metal ion concentration is the sum of the ion concentrations of each transition metal hydroxide with respect to Ni ions. .. The total transition metal ion concentration can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy. In addition, hydroxide species can be identified by XRD measurement using synchrotron radiation.

なお、遷移金属水酸化物の粒径は特に限定されないが、例えば、体積基準D50平均粒径を0.01μm以上2μm以下とすることができる。D50平均粒径を0.01μm以上とすると、遷移金属水酸化物の粉末同士が凝集することを抑制できるため、遷移金属水酸化物の粉末をLDHの粉末中に一様に分散させることができる。D50平均粒径を2μm以下とすると、電解質材料の成形性を向上させることができるため好ましい。 The particle size of the transition metal hydroxide is not particularly limited, but for example, the volume-based D50 average particle size can be 0.01 μm or more and 2 μm or less. When the average particle size of D50 is 0.01 μm or more, it is possible to suppress the agglomeration of the transition metal hydroxide powders, so that the transition metal hydroxide powder can be uniformly dispersed in the LDH powder. .. When the average particle size of D50 is 2 μm or less, the moldability of the electrolyte material can be improved, which is preferable.

(電解質材料の製造方法)
まず、上記一般式(1)によって表されるLDH粉末を準備する。このようなLDH粉末は市販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ものであってもよい。
(Manufacturing method of electrolyte material)
First, the LDH powder represented by the above general formula (1) is prepared. Such LDH powder may be a commercially available product, or may be produced by a known method such as a liquid phase synthesis method using nitrate or chloride.

次に、遷移金属水酸化物粉末を準備する。遷移金属水酸化物粉末は市販品であってもよいし、共沈法等の公知の方法にて作製したものであってもよい。 Next, a transition metal hydroxide powder is prepared. The transition metal hydroxide powder may be a commercially available product or may be produced by a known method such as a coprecipitation method.

次に、LDH粉末と遷移金属水酸化物粉末とを混合する。これによって、電解質材料が完成する。 Next, the LDH powder and the transition metal hydroxide powder are mixed. This completes the electrolyte material.

(アルカリ形燃料電池10)
以下、本発明に係るアルカリ形燃料電池(AFC)の一例として、水酸化物イオン(OH)をキャリアとするアルカリ形燃料電池10について図面を参照しながら説明する。図1は、アルカリ形燃料電池10の構成を示す断面図である。
(Alkaline fuel cell 10)
Hereinafter, as an example of the alkaline fuel cell (AFC) according to the present invention, the alkaline fuel cell 10 having a hydroxide ion (OH − ) as a carrier will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the alkaline fuel cell 10.

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。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。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を用いた場合が例示されている。 The alkaline fuel cell 10 includes a cathode 12, an anode 14, and an electrolyte 16. The alkaline fuel cell 10 generates electricity at a relatively low temperature (for example, 50 ° C. to 250 ° C.) based on the following electrochemical reaction formula. In the electrochemical reaction formula below, the case where methanol is used as an example of fuel is exemplified.

・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
・ 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

1.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。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。
1. 1. Cathode 12
The cathode 12 is an anode generally called an air electrode. During power generation of the alkaline fuel cell 10, an oxidizing agent containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 12 via the oxidizing agent supplying means 13. As the oxidizing agent, it is preferable to use air, and it is more preferable that the air is humidified. The cathode 12 is a porous body capable of diffusing an oxidizing agent inside. The porosity of the cathode 12 is not particularly limited.

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、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0.05〜10mg/cm、より好ましくは、0.05〜5mg/cm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)、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)が挙げられる。 The cathode 12 is not particularly limited as long as it contains a known air electrode catalyst used for AFC. Examples of cathode catalysts include group 8-10 elements (IUPAC format periodic table) such as group 11 elements (Ru, Rh, Pd, Ir, Pt) and group 11 elements (Fe, Co, Ni). Group 10 elements), Group 11 elements such as Cu, Ag, and Au (elements belonging to Group 11 in the periodic table in the 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 cathode 12 is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 10 mg / cm 2 , more preferably 0.05 to 5 mg / cm 2 . The cathode catalyst is preferably supported on carbon. Preferred examples of the cathode 12 or the catalyst constituting the cathode 12 are platinum-supported carbon (Pt / C), platinum-cobalt-supported carbon (PtCo / C), palladium-supported carbon (Pd / C), and rhodium-supported carbon (Rh / C). , Nickel-supported carbon (Ni / C), copper-supported carbon (Cu / C), and silver-supported carbon (Ag / C).

2.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。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。
2. Anode 14
The anode 14 is a cathode generally called a fuel electrode. During power generation of the alkaline fuel cell 10, fuel containing a hydrogen atom (H) is supplied to the anode 14 via the fuel supply means 15.

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、気体燃料、気液混合燃料のいずれの形態であってもよい。 The fuel may contain a fuel compound capable of reacting with hydroxide ions (OH ) at the anode 14, and may be in any form of liquid fuel, gaseous fuel, or gas-liquid mixed 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 ), hydrated hydrazine (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 ), monomethylhydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethylhydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), and hydrazines such as carboxylic hydrazine ((NHNH 2 ) 2 CO). Classes, (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. Examples thereof include compounds such as (v) hydroxylamines such as hydroxylamine (NH 2 OH) and hydroxylamine sulfate (NH 2 OH · H 2 SO 4 ), and combinations thereof. Of these fuel compounds, carbon-free compounds (ie, hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, ammonia, hydroxylamine, hydroxylamine sulfate, etc.) are particularly suitable because they do not have the problem of catalyst poisoning by carbon monoxide. be.

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 it is as a fuel, or may be used as a solution dissolved in water and / or an alcohol (for example, 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 they are as liquid fuels. In addition, hydrazine carbonate, hydrazine sulfate, carboxylic hydrazine, urea, imidazole, and 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 is soluble in water. As described above, the solid fuel compound can be dissolved in water or alcohol and used as a liquid fuel. When the fuel compound is dissolved in water and / or alcohol and used, 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.

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。 Hydrocarbon-based liquid fuels containing alcohols such as methanol and ethanol and ethers, hydrocarbon-based gases such as methane, and pure hydrogen can be used as they are as fuels. In particular, methanol is preferable as the fuel used in the alkaline fuel cell 10 according to the present embodiment. Methanol may be in a gaseous 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。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)、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 contains a known anode catalyst used for AFC. Examples of anode catalysts 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. Further, a diffusion layer made of a porous material or the like may be arranged on the surface of the anode catalyst. Preferred examples of the anode 14 and the catalysts constituting the anode 14 are nickel, cobalt, silver, platinum-supported carbon (Pt / C), platinum-luthenium-supported carbon (PtRu / C), palladium-supported carbon (Pd / C), and rhodium-supported. Examples thereof include carbon (Rh / C), nickel-supported carbon (Ni / C), copper-supported carbon (Cu / C), and silver-supported 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, but for example, the anode catalyst and, if desired, the carrier may be mixed with a binder to form a paste, and the paste-like mixture may be applied to the anode-side surface 16T of the electrolyte 16. can.

3.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、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。電解質16の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上200μm以下とすることができる。
3. 3. Electrolyte 16
The electrolyte 16 is arranged 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 is formed in the form of a film, a layer, or a sheet. The thickness of the electrolyte 16 is not particularly limited, but can be, for example, 1 μm or more and 200 μm or less.

電解質16は、上述した電解質材料を含有する。電解質16において、遷移金属イオン総濃度は50ppm以上20000ppm以下である。従って、電解質の初期導電率を十分確保できるためセルの初期出力を向上できるとともに、アルカリ形燃料電池の作動温度において遷移金属水酸化物からLDHに水分を補うことによって電解質の導電率が低下することを抑制できためセルの出力低下を抑制できる。 The electrolyte 16 contains the above-mentioned electrolyte material. In the electrolyte 16, the total concentration of transition metal ions is 50 ppm or more and 20000 ppm or less. Therefore, since the initial conductivity of the electrolyte can be sufficiently secured, the initial output of the cell can be improved, and the conductivity of the electrolyte is lowered by supplementing the LDH with water from the transition metal hydroxide at the operating temperature of the alkaline fuel cell. Can be suppressed, so that the decrease in cell output can be suppressed.

電解質16が上述した遷移金属水酸化物を2種以上含有する場合、遷移金属イオン総濃度は、Niイオンに対する各遷移金属水酸化物のイオン濃度の合計値である。遷移金属イオン総濃度は、電解質16の表面を粉末としてサンプリングした後に、誘導結合プラズマ発光分光分析することによって測定できる。また、水酸化物種は、XRD測定により同定分析することができる。 When the electrolyte 16 contains two or more of the above-mentioned transition metal hydroxides, the total transition metal ion concentration is the total ion concentration of each transition metal hydroxide with respect to Ni ions. The total transition metal ion concentration can be measured by sampling the surface of the electrolyte 16 as a powder and then performing inductively coupled plasma emission spectroscopy. In addition, hydroxide species can be identified and analyzed by XRD measurement.

電解質16において、遷移金属水酸化物は、LDHによって構成される二次粒子同士の間隙に位置することが好ましい。これによって、LDHの二次粒子同士が凝集することを抑制できるため、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。 In the electrolyte 16, the transition metal hydroxide is preferably located in the gap between the secondary particles composed of LDH. As a result, it is possible to suppress the aggregation of the secondary particles of LDH, so that the output of the alkaline fuel cell 10 can be improved.

電解質16の作製方法は特に限定されないが、例えば、金型一軸プレスや冷間等方圧加圧(CIP)などの公知の手法で電解質材料を圧粉成形することによって電解質16を形成することができる。或いは、電解質材料と分散媒を混合したスラリーに多孔質基材を含浸し、乾燥処理(80〜150℃)を施した後、電解質材料を多孔質基材に充填することによっても電解質16を形成することができる。 The method for producing the electrolyte 16 is not particularly limited, but the electrolyte 16 can be formed by compacting the electrolyte material by a known method such as a die uniaxial press or cold isotropic pressurization (CIP). can. Alternatively, the electrolyte 16 is also formed by impregnating a slurry in which an electrolyte material and a dispersion medium are mixed with a porous base material, subjecting it to a drying treatment (80 to 150 ° C.), and then filling the porous base material with the electrolyte material. can do.

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

上記実施形態では、本発明に係る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、これに限られない。電気化学セルとしては、例えば、水酸化物イオンをキャリアとする二次電池(亜鉛空気二次電池など)や、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどが挙げられる。 In the above embodiment, an alkaline fuel cell having a hydroxide ion as a carrier has been described as an example of the electrochemical cell according to the present invention, but the present invention is not limited to this. Examples of the electrochemical cell include a secondary battery using hydroxide ions as a carrier (such as a zinc-air secondary battery) and an electrolytic cell that generates hydrogen and oxygen from water vapor.

以下において、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the examples described below.

まず、Ni2+/Al3+比(Alイオンに対するNiイオンの比率)が2以上4以下のLDH粉末と、遷移金属水酸化物粉末とを準備した。遷移金属水酸化物粉末としては、FeOOH粉末(株式会社高純度化学研究所、α-オキシ水酸化第二鉄)と、Co(OH)粉末(富士フィルム和光純薬製、水酸化コバルト)と、特開2011−105538号公報に記載の手法に従って作製したMnOOH粉末とを準備した。 First, LDH powder having a Ni 2+ / Al 3+ ratio (ratio of Ni ions to Al ions) of 2 or more and 4 or less, and a transition metal hydroxide powder were prepared. The transition metal hydroxide powder includes FeOOH powder (High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., α-ferrous hydroxide hydroxide) and Co (OH) 2 powder (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd., cobalt hydroxide). , MnOOH powder prepared according to the method described in JP-A-2011-105538.

次に、LDHが含有するNiイオンに対する各遷移金属(Fe、Co及びMn)のイオン濃度及び遷移金属イオン総濃度が表1に示す値になるようにLDH粉末と遷移金属水酸化物粉末とを混合して電解質材料粉末を調製した。遷移金属のイオン総濃度は、後述する電解質の表面をXRD測定することによって水酸化物種を同定したうえで、電解質の表面を粉末として誘導結合プラズマ発光分光分析することによって計測した。 Next, the LDH powder and the transition metal hydroxide powder are mixed so that the ion concentration of each transition metal (Fe, Co and Mn) and the total transition metal ion concentration with respect to the Ni ions contained in the LDH are the values shown in Table 1. It was mixed to prepare an electrolyte material powder. The total ion concentration of the transition metal was measured by identifying the hydroxide species by XRD measurement on the surface of the electrolyte, which will be described later, and then performing inductively coupled plasma emission spectroscopic analysis on the surface of the electrolyte as a powder.

なお、表1に示すように、比較例1〜4及び実施例1〜6では、遷移金属水酸化物粉末としてFeOOH粉末を用い、比較例5〜8及び実施例7〜12では、遷移金属水酸化物粉末としてCo(OH)粉末を用い、比較例9〜12及び実施例13〜18では、遷移金属水酸化物粉末としてMnOOH粉末を用いた。また、表1に示すように、比較例13〜18及び実施例19〜27では、遷移金属水酸化物粉末として、FeOOH粉末、Co(OH)粉末及びMnOOH粉末を用いた。 As shown in Table 1, FeOOH powder was used as the transition metal hydroxide powder in Comparative Examples 1 to 4 and Examples 1 to 6, and transition metal water was used in Comparative Examples 5 to 8 and Examples 7 to 12. Co (OH) 2 powder was used as the oxide powder, and MnOOH powder was used as the transition metal hydroxide powder in Comparative Examples 9 to 12 and Examples 13 to 18. Further, as shown in Table 1, in Comparative Examples 13 to 18 and Examples 19 to 27, FeOOH powder, Co (OH) 2 powder and MnOOH powder were used as the transition metal hydroxide powder.

次に、電解質材料粉末を、冷間等方圧プレス(CIP)により3000kgf/cmの圧力で圧粉体を形成することによって、比較例1〜18及び実施例1〜27の電解質を作製した。 Next, the electrolytes of Comparative Examples 1 to 18 and Examples 1 to 27 were prepared by forming the electrolyte material powder with a cold isotropic press (CIP) at a pressure of 3000 kgf / cm 2. ..

次に、JISR1661(ファインセラミックスイオン伝導体の導電率測定方法)に従って、作製した電解質の初期導電率を測定した。測定は、大気中80℃、相対湿度80%の環境下で実施した。導電率とは、電解質の水酸化物イオン伝導性を示す指標である。比較例1〜18及び実施例1〜27それぞれの電解質の初期導電率と、その判定とを表1にまとめて示す。初期導電率について、5×10−3S/cm以上である場合を〇と評価し、5×10−3S/cm未満である場合を×と評価した。 Next, the initial conductivity of the produced electrolyte was measured according to JISR1661 (method for measuring the conductivity of fine ceramic ion conductors). The measurement was carried out in an environment of 80 ° C. in the air and 80% relative humidity. The conductivity is an index showing the hydroxide ion conductivity of the electrolyte. Table 1 summarizes the initial conductivity of each of the electrolytes of Comparative Examples 1 to 18 and Examples 1 to 27 and their determination. The initial conductivity was evaluated as ◯ when it was 5 × 10 -3 S / cm or more, and evaluated as × when it was less than 5 × 10 -3 S / cm.

次に、初期導電率を測定した電解質を、大気中80℃、相対湿度20%の環境下に10分間暴露して乾燥させた後、上記手法により電解質の導電率を再度測定した。そして、乾燥後の導電率を初期導電率で割ることによって、乾燥による劣化率を測定した。比較例1〜18及び実施例1〜27それぞれの乾燥による劣化率と、その判定とを表1にまとめて示す。劣化率の判定は、3%未満である場合を〇と評価し、3%以上である場合を×と評価した。 Next, the electrolyte whose initial conductivity was measured was exposed to air at 80 ° C. and a relative humidity of 20% for 10 minutes to dry, and then the conductivity of the electrolyte was measured again by the above method. Then, the deterioration rate due to drying was measured by dividing the conductivity after drying by the initial conductivity. Table 1 summarizes the deterioration rates of Comparative Examples 1 to 18 and Examples 1 to 27 due to drying and their determination. The deterioration rate was evaluated as ◯ when it was less than 3% and as x when it was 3% or more.

Figure 2021150070
Figure 2021150070

LDHが含有するNiイオンに対する遷移金属(Fe、Co及びMn)のイオン総濃度を50ppm未満とした比較例1〜2,5〜6,9〜10,13〜15では、電解質の乾燥による劣化率が大きかった。また、LDHが含有するNiイオンに対する遷移金属のイオン総濃度を20000ppm超とした比較例3〜4,7〜8,11〜12,16〜18では、電解質の初期導電率が低かった。 In Comparative Examples 1 to 2, 5 to 6, 9 to 10, 13 to 15 in which the total ion concentration of the transition metal (Fe, Co and Mn) with respect to the Ni ion contained in LDH was less than 50 ppm, the deterioration rate due to drying of the electrolyte was obtained. Was big. Further, in Comparative Examples 3 to 4, 7 to 8, 11 to 12, 16 to 18 in which the total ion concentration of the transition metal with respect to Ni ions contained in LDH was more than 20000 ppm, the initial conductivity of the electrolyte was low.

一方、LDHが含有するNiイオンに対する遷移金属のイオン総濃度を50ppm以上20000ppm以下とした実施例1〜27では、電解質の乾燥による劣化率の低減と高い初期導電率とを両立させることができた。このような結果が得られたのは、遷移金属のイオン総濃度を50ppm以上とすることによって遷移金属水酸化物からLDHに水分を補うことができ、かつ、遷移金属のイオン総濃度を20000ppm以下とすることによってLDHの水酸化物イオン伝導性を十分確保できたためである。 On the other hand, in Examples 1 to 27 in which the total ion concentration of the transition metal with respect to Ni ions contained in LDH was 50 ppm or more and 20000 ppm or less, it was possible to achieve both a reduction in the deterioration rate due to drying of the electrolyte and a high initial conductivity. .. Such a result was obtained because the total ion concentration of the transition metal was 50 ppm or more to supplement the water content from the transition metal hydroxide to the LDH, and the total ion concentration of the transition metal was 20000 ppm or less. This is because the hydroxide ion conductivity of LDH could be sufficiently ensured.

また、遷移金属のイオン総濃度を100ppm以上とすることによって、さらに500ppm以上とすることによって、電解質の乾燥による劣化率をより低減できることが確認された。 Further, it was confirmed that the deterioration rate due to drying of the electrolyte can be further reduced by setting the total ion concentration of the transition metal to 100 ppm or more and further increasing it to 500 ppm or more.

また、遷移金属のイオン総濃度を5000ppm以下とすることによって、初期導電率をより向上できることが確認された。 It was also confirmed that the initial conductivity can be further improved by setting the total ion concentration of the transition metal to 5000 ppm or less.

なお、実施例1〜24の電解質の断面を電界放出型走査型電子顕微鏡(FE−SEM)で観察したところ、遷移金属水酸化物はLDHによって構成される二次粒子同士の間隙に位置していた。 When the cross section of the electrolyte of Examples 1 to 24 was observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), the transition metal hydroxide was located in the gap between the secondary particles composed of LDH. rice field.

10 アルカリ形燃料電池
12 カソード
14 アノード
16 電解質
10 Alkaline fuel cell 12 Cathode 14 Anode 16 Electrolyte

Claims (2)

酸化剤が供給されるカソードと、
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電解質と、
を備え、
前記電解質は、
Niイオン及びAlイオンを含有する層状複水酸化物と、
Fe、Co及びMnから選択される少なくとも1種の遷移金属の水酸化物と、
を含み、
前記層状複水酸化物が含有するNiイオンに対する前記水酸化物に含まれる前記遷移金属のイオン総濃度は、50ppm以上20000ppm以下である、
電気化学セル。
The cathode to which the oxidant is supplied and
With the anode where the fuel is supplied,
An electrolyte disposed between the cathode and the anode,
With
The electrolyte is
Layered double hydroxides containing Ni and Al ions,
Hydroxides of at least one transition metal selected from Fe, Co and Mn, and
Including
The total ion concentration of the transition metal contained in the hydroxide with respect to Ni ions contained in the layered double hydroxide is 50 ppm or more and 20000 ppm or less.
Electrochemical cell.
前記電解質において、前記水酸化物は、前記層状複水酸化物によって構成される二次粒子同士の間隙に位置する、
請求項1に記載の電気化学セル。
In the electrolyte, the hydroxide is located in the gap between the secondary particles composed of the layered double hydroxide.
The electrochemical cell according to claim 1.
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