JP4318887B2 - Molten carbonate fuel cell cathode and method for producing the same - Google Patents

Molten carbonate fuel cell cathode and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(以下、MCFCと略す。)の製造技術に関し、特に、カソードの製造技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
MCFCは、2つの多孔質電極(燃料極とカソード)とそれらの間に挟まれた電解質及びこれを保持している電解質板によって構成されている。従来、MCFCのカソード(カソード)には、ニッケル酸化物(NiO)が用いられている。カソード材料として使用されているNiOにおいては、電池運転中に、電解質の溶融炭酸塩中に微量溶出し、さらに、この溶出したNiOは、溶融炭酸塩中において、式(1)の反応によって、ニッケルイオンとして拡散する。
NiO+CO2→Ni2++CO3 2-(1)
拡散したニッケルイオンは、溶融炭酸塩中に溶解している水素によって還元され金属ニッケルとして析出される。金属ニッケルは、作動時間に伴い溶融炭酸塩中で成長し、やがて、セルの内部短絡が発生し、電池としての作動が不可能となる。MCFCにおける長時間作動を考えた場合には、カソードのNiOの溶出抑制は最重要課題である。
【0003】
NiOの溶出を抑制する技術として、特開平11−233121号公報、特開平6−349499号公報がある。特開平11−233121号公報には、Ni粒子表面をCoあるいはCo酸化物で被覆した被覆粒子からなる粉末をカソード材料とすることが記載されている。このカソード材料によれば、電池内酸化により、NiOの表面にLiCo2、Mg−LiCo2、Li(Co、Ni)O2等となることが記載され、これらにより耐溶融塩性が発揮され、NiOの溶出を抑制できることが記載されている。
また、特開平6−349499号公報には、Ni粉に酸化鉄又はコバルト酸化物にアルカリ土類の酸化物を添加して混合し、焼成して複合酸化物とし、この複合酸化物粉末をNi粉に添加混合したものを、カソード材料とすることが記載されている。このカソード材料によれば、NiO表面に、耐溶解性に優れたNi−Fe(又はCo)酸化物被膜が形成されること、Ni表面の酸化鉄の被膜周囲にアルカリ土類が存在することになり、炭酸塩がNiOに付着しにくくなりNiOの溶出が抑制されることが記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平11−233121号公報に記載の技術によれば、耐溶融塩性は向上するが電池作動時における溶出抑制を達成するには至っていなかった。また、特開平6−349499号公報に記載の技術によれば、NiO表面の当該複合酸化物は、NiOの溶出をある程度抑制できる範囲においてはカソードの導電性を損なっていた。
以上のことから、現在までにおいて、電極特性とNiOの溶出抑制とを両立できるカソード材料は見出されておらず、これらを実現できるカソード材料が要望されていた。
【0005】
そこで、本発明では、電極特性とNiOの溶出抑制とを両立させうるカソード材料ならびにMCFCを提供することをその目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、カソード中のNiOに対して耐溶融塩性を付与できる酸化物と、Niとの複合形態について種々検討したところ、MgFe24粒子によって被覆した所定形状のNi粒子粉末をカソード材料として用いることにより、NiO溶出抑制と電極性能とを両立できることを見出し、上記した課題を解決できることを見出したのである。
【0007】
すなわち、本発明者らは、耐溶融塩性は高いものの導電性が低いために、電極性能を阻害するものとして、現実にはその使用可能性が低いと考えられていたMgFe24の粒子を用いて、NiO粒子表面に対する複合化形態について検討し、予想されるよりも少ないMgFe24使用量でNiO溶出抑制効果を実現することができること、同時に少ないMgFe24使用量のために十分な電極性能を確保できることを見出して本発明を完成した。
【0008】
本発明者らの研究によれば、従来法、特開平6−349449号公報に開示されるカソード用粉末のように、単に、Ni粒子含有粉体とMgFe24粒子含有粉体とを機械的に混合して得られる粉末では、電極内酸化時において、MgFe24粒子はNi粒子の表面を被覆するように存在しているとはいえず、Ni表面に対して部分的に接触する状態であることが殆どであり、焼成により、MgFe24のFeやMgが粒子内部にまで固溶拡散されていた。このため、NiO表層に選択的にMgFe24層を形成されていないことがわかった。
本発明は、このような検討に基づいて、本発明者らが、MgFe24粒子含有粉体をあえて使用して、当該複合形態のNi粒子含有粉体を調製し、その溶出特性(特に高圧下での)と電極性能とに基づいて探索した結果,初めて到達したものである。
すなわち、本発明によれば、以下の手段が提供される。
【0009】
(1)表面隆起部を有する平均粒径が1〜5μmのNi粒子と、粒径が0.5μm以下で球状のMgFe 2 4 粒子とを流動させた状態で、摩擦力、剪断力及び圧縮力のいずれか1種以上を断続的に作用させながら混合して得られ、
Niに対して、MgFe 2 4 の添加量が1mass%以上10mass%以下であり、
Niに対して、Feが0.6モル%以上6.5モル%以下、Mgが0.3モル%以上3.3モル%以下である複合粉体に、バインダー、分散剤、及び空孔形成剤を加えて混合し、スラリーを調製する工程と、当該スラリーをシート化する工程と、当該シートを還元焼成する工程と、還元焼成後のシートを酸化処理する工程、とを備える、溶融炭酸塩形燃料電池用カソードの製造方法。
(2)(1)に記載の製造方法によって得られる溶融炭酸塩形燃料電池用のカソードであって、
NiO粒子が連鎖状に連なった連鎖状体が多数分岐した3次元網状の多孔質骨格の表面のみに、Fe-Mg-Ni-Oを含有する固溶体層が選択的に被覆されており、
前記固溶体層において、Mgに対するFeのモル比が0.5以上2以下である、溶融炭酸塩形燃料電池用のカソード。
【0010】
これらの発明によれば、従来のカソードに比較して飛躍的にNiOの溶出が抑制されるとともに、十分に高い電極性能を維持できる。
【0011】
本発明者らによれば、本カソード材料は、電極内酸化時に、前記固溶体層がNiO表面にのみ選択的に被覆状に形成されることにより、少量で有効にNiOの溶出抑制が可能であり、また、当該固溶体層がMgに対してFeリッチであることから、Feが溶融炭酸塩中のLiとの反応により溶融炭酸塩中で極めて安定なLi−Fe酸化物層を生成し、このため電極の表面微細構造を安定的に維持し、当該作用も少量のMgFe24による効果的なNiO抑制に寄与しているものと考えている。なお、当該推論は、本発明を拘束するものではない。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明のMCFCのカソードは、NiOを主体とする多孔質状であり、NiO表面がFe-Mg-Ni-Oを含有する固溶体層で被覆された構造を有するカソードであり、また、当該カソード構造は、表面隆起部を有するNi粒子表面に球状のMgFe24粒子群を備える、溶融炭酸塩形燃料電池のカソード用複合粉体によって得ることができる。さらに、本粉末は、表面隆起部を有するNi粒子含有粉体と、MgFe24粒子含有粉体とを流動させた状態で、摩擦力、剪断力及び圧縮力のいずれか1種以上を断続的に作用させながら混合する、溶融炭酸塩形燃料電池のカソード用複合粉体を製造する方法によって得ることができる。
また、本発明の電極は、前記粉体を、テープ成形し、還元焼成し、電池内酸化することにより製造することができる。
【0013】
(カソード用複合粉体)
本粉体は、Ni粒子と、MgFe24粒子とを含有している。また、これらの一次粒子の少なくとも一部は、Ni粒子表面にMgFe24粒子が存在する二次粒子を形成している。好ましくは、本粉体中、このような二次粒子が主体をなしている。
【0014】
Ni粒子は、好ましくは、表面隆起部を有している。表面隆起部とは、例えば、粒子表面のシワ、ヒダ、及び棒状、針状あるいはスパイク状の突起部の1種あるいは2種以上の組み合わせにより構成されていることが一般的である。表面隆起を有するNi粒子としては、好ましくは、表面に多数のスパイク状突起を有する球状粒子を用いる。さらに好ましくは、かかるスパイク状突起を多数有する球状粒子が複数個(好ましくは5個以上30個以下程度)が鎖状に連なった連鎖状の粒子(以下、当該粒子をフィラメント状粒子という。)を用いる。フィラメント状粒子であると、フィラメント状粒子同士が確実に接触状態を維持できるとともに、多孔質構造を形成しやすく、大きな表面積を容易に確保することができるというメリットがある。フィラメント状のNi粒子は、例えば、INCO社製のNi粉体Type255等として商業的に入手可能となっている。
Ni粒子の粒径は特に限定しないが、好ましくは、平均粒径が1〜5μmである。平均粒径が1μm未満であると電極における被覆構造が形成され難く、平均粒径が5μmを超えると電極の比表面積が低下し、電極性能が低下するからである。より好ましくは2〜3μmである。特に、Ni粒子がフィラメント状粒子の場合、フィラメントを構成する単粒子の粒径が1μm以上5μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以上3μm以下である。また、フィラメント状粒子の長さは、好ましくは、30μm以下が主体となっており、より好ましくは、20μm以上25μm以下が主体となっている。なお、本明細書においては、Niの粒子サイズは、Fisher Subsieve Sizeで示す。
【0015】
MgFe24粒子の形態は特に限定しないが、好ましくは球状粒子である。MgFe24粒子においては、Ni粒子の表面を被覆状に存在される点から、粒径が0.5μm以下であることが好ましい。当該粒径以下のMgFe24粒子であると、前記した平均粒径範囲のNi粒子の表面隆起部あるいは表面隆起部間に形成される凹部に対して少量で被覆状に存在させることができる。より好ましくは、0.1μm以下である。
【0016】
Ni粒子とMgFe24粒子との複合形態は、Ni粒子の表面にMgFe24粒子が付着された形態である。好ましくは、表面隆起部分によって形成される表面の凸部や当該表面隆起部分が形成されていない部分あるいは表面隆起部分の間として形成される凹部に、MgFe24粒子が付着されている。好ましくは、表面隆起部分に対して相対的に凹状となる部分にMgFe24粒子が埋め込み状に付着されている。
MgFe24粒子の付着状態は、好ましくは、Ni粒子表面のおおよそ全体に分散状に付着されていることが好ましい。このような付着状態を本明細書において被覆状というものとする。
【0017】
本粉末においては、Niに対してFeが約0.6モル%以上約6.5モル%以下、Mgが約0.3モル%以上約3.3モル%以下であることが好ましい。当該モル%範囲内であると、十分なNi溶出抑制効果を発現する固溶体層が形成されるからである。Feが0.6モル%未満で、かつMgが0.3モル%未満であると、十分なNi溶出抑制効果が得られにくくなり、Feが6.5モル%を超え、かつMgが3.3モル%を超えると導電性が大きく低下すること及び電極の焼結性が低下するからである。より好ましくは、Feが1.8モル%以上3.1モル%以下であり、Mgが0.9モル%以上1.5モル%以下である。
同時に、本粉末におけるNi対するMgFe24の複合比率は、Niに対してMgFe24が約1mass%以上10mass%以下であることが好ましい。当該範囲内であると、MgFe24が添加されても、カソードとしての電極特性を維持できるとともに、カソードの耐溶融塩性を十分に向上させることができる。1mass%未満であると、耐溶融塩性を十分に発揮させることが困難であり、また、10mass%を超えると、得られるカソードの導電性及び焼結性が低くなりすぎるからである。より好ましくは、約3mass%以上約5mass%以下である。当該範囲において、高い耐溶融塩性(Ni溶出抑制効果)が得られるからである。
【0018】
次に、本粉体の製造方法について説明する。
本粉体の製造方法は特に限定しないで、従来公知の各種の複合化手段を採用することができるが、表面隆起部を有するNi粒子表面にMgFe24粒子を被覆状に複合化するには、これらの一次粒子含有粉体の混合物を機械的処理により複合化する。
機械的処理法としては、例えば、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所)、コスモス(川崎重工業)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン)、メカノミル(岡田精工)、シータ・コンポーザー(徳寿製作所)などの粒子複合化装置を用いた混合方法を採用することができる。被覆型複合化粒子の作成技術を含む機械的粒子複合化技術については、内藤牧男、機械的粒子複合化技術の現状と展望(粉体と工業(VOL.25,No.5(1994)、第31頁〜42頁)に詳細に記載されている。
【0019】
なかでも、本発明においては、これらの一次粒子粉体の混合を、第1の粒子の表面構造を維持しつつ機械的処理によって行うことが好ましい。ここで、機械的な混合処理とは、摩擦力、圧縮力、及び剪断力のうちいずれか一種以上の機械的力を一次粒子粉体の混合物に作用させる処理をいう。
また、かかる機械的処理は、Ni粒子粉末とMgFe24粒子粉末とが流動する状態で行うことが好ましい。また、上記機械的力は、断続的に、間欠的に作用させることが好ましい。さらに、上記機械的力のうち、剪断力と圧縮力とを同時に付与するように行うことが好ましく、さらに好ましくは、これらの力を断続的に作用させることが好ましい。
【0020】
このような機械的処理によれば、一次粒子の混合と複合化とを、Ni粒子の表面構造を維持しつつ達成することができる。この結果、複合化された二次粒子において、Ni粒子の表面構造が維持される。
具体的には、これらの一次粒子粉末が実質的に流動している状態で、瞬間的に剪断力と圧縮力とを作用させることを繰り返すように混合することが好ましい。
特に、粉末の流動状態において、剪断力と圧縮力とが瞬間的に作用することにより、表面隆起を有するNi粒子の表面構造を破壊することなく、MgFe24粒子がNi粒子の表面凹部等に埋め込まれる複合化が効率よく達成される。
【0021】
かかる混合を実施する機械的処理について、模式図を図1に示す。図1には、回転槽2と、この回転槽2のキャビティ4内に設けられる回転翼6とを備える混合装置が記載されている。回転槽2と回転翼6とは、それぞれ同方向あるいは逆方向に回転可能に形成されており、また、回転速度も制御できるようになっている。また、回転槽2と回転翼6を、同じ方向でかつ同じ速度で回転しないようにそれぞれ回転させる(以下、当該回転状態を相対回転という。)ことにより、キャビティ4の内壁と回転翼6との間隙の間隔が変化するように形成されている。このような混合状態を得るには、キャビティ4と回転翼6との断面形状を異形にしたり、回転翼6を凹凸形状としたり、回転翼6の回転軸をキャビティ4内で変位させるようにすることにして達成できる。図1に示す形態では、キャビティ4内形状と回転翼6の形状は、異なる大きさの楕円形状となっている。
【0022】
本発明のセラミックス粉末の製造方法においては、このような混合装置を用い、前記相対回転時に、第1の粒子粉末と第2の粒子粉末とを含む原料粉末10がキャビティ4の内壁にはりつかない程度に回転槽2を回転させると、回転するキャビティ4内の粉末10は、内壁に対して流動しつつ、自由落下され、結果として、常時流動している状態が得られる。このような流動状態により、原料粉末10は、良好に混合される。(図1参照)
回転翼6を回転槽2に対して相対回転していると、キャビティ4の内壁と回転翼6との間隙が狭くなる状態が生じる。このタイミングに、内壁に沿って流動あるいは落下する原料粉末10が、この狭い間隙に圧入されることになる(図1の最下段の図参照)。これにより、流動状態の原料粉末10に、圧縮力と剪断力が同時に作用することになる。なお、この時点において、粒子間にメカノケミカル的反応が生じるものとされている。
このような圧入状態は、一時的、すなわち、ほぼ瞬間的に維持されるのみで、相対回転により、ふたたび、原料粉末10は、圧が負荷されない自由な流動状態に復帰される。すなわち、圧縮力と剪断力は緩和される。そして、一定時間後には、再び、原料粉末10の圧入状態が形成され、圧縮力と剪断力とが同時に作用され、以後、このような混合状態が繰り返される。
この装置によれば、充分な混合と本発明において好ましい複合化状態が容易に得られる。
【0023】
さらに、図2に示す装置によれば、容易に大量の一次粉体を処理して複合化することができる。この装置は、回転槽12は、回転翼16を備える混合用キャビティ14を備えるとともに、回転槽12の回転時に当該キャビティ14内の混合粉体を一時的に収納し排出することが可能なキャビティを備える粉体収容部18を備えている。混合粉体は、回転槽12の回転に伴ない、粉体収容部18内に落下したり、あるいは粉体収容部18からキャビティ14に落下したりすることで、大量の粉体であっても、回転槽12の内壁と回転翼16との相互作用により、複合化処理することが可能となっている。
【0024】
なお、Ni粒子に対するMgFe24粒子の付着量や付着状態は、原料粉末10の配合や回転槽2、12と回転翼6、16の速度や混合時間等によって調整することができる。
【0025】
このような機械的処理による一次粒子粉末の混合により、Ni粒子の表面にMgFe24粒子が付着された複合化粒子粉体を得ることができる。すなわち、この処理によって得られた粉体においては、Ni粒子の表面隆起部分によって形成される表面の凸部や凹部に、MgFe24粒子が付着されている。好ましくは、表面隆起部分の凹部にMgFe24粒子が埋め込み状に付着されている。
特に、本処理法によれば、Ni粒子に対して、相対的に少ない量のMgFe24粒子を均一に被覆させることができる。
【0026】
(カソードの作製)
次に、本複合粉体を用いてMCFCのカソードの作製について説明する。
本複合粉体を用いて、MCFCのカソードを作製するには、各種公知の方法を採用することができるが、ドクターブレード成形法はNi粉体の形状を損なうことが少ないという観点から、ドクターブレード技術を用いることが好ましい。
例えば、本粉体に、バインダー、分散剤、空孔形成剤などを加えて、混合し、スラリーを調製する。このスラリーを、ドクターブレード成形装置にて成形し、乾燥を経てシート化する。このシート体を、還元雰囲気下焼成し、その後酸化処理(あるいはin−situ又は電池内酸化)することにより、電極を作製することができる。
【0027】
本粉体を用いてカソードを作製すると、本粉体に含まれる複合化粒子がそれぞれ、Niに由来する電極性能を備えるとともに、MgFe24に由来する耐溶融塩性を備えている。また、複合化粒子においては、Ni粒子表面にMgFe24粒子が存在されるが、その多くは、表面隆起部間の凹部に存在され、複合化粒子の表面隆起部は部分的に露出されている。このため、複合化粒子は、凝集することが予防されているとともに、部分的に露出される表面隆起部同士による焼結により容易にネットワーク状の多孔質骨格を形成することができる。同時に、主として表面隆起部間の凹部に存在されるMgFe24粒子によれば、得られたNiのネットワーク状の多孔質骨格表面を覆うように焼成される。なお、ここでネットワーク状の多孔質骨格とは、骨格が、Ni(酸化処理後あるいは電極作動時においてはNiO)粒子が連鎖状に連なり、かつかかる連鎖状体が多数分岐した3次元網状骨格を意味している。
すなわち、本粉体においては、Ni粒子表面にMgFe24粒子が部分的に存在されることにより、焼成時に容易にNiネットワークを被覆することができる。特に、フィラメント状Ni粒子表面にMgFe24粒子を複合化した粉体によれば、より一層好ましいネットワーク構造を形成し、かつ、そのNiO表面を効率よくMg−Fe−Ni−O固溶体層で被覆することができる。このため、Niに対して少量の添加量でもカソードにおけるMgFe24による被覆形態を得ることができるものと思われる。
【0028】
本カソードにおいては、Niに対して、Feが約0.6モル%以上約6.5モル%以下であることが好ましく、Mgが約0.3モル%以上約3.3モル%以下であることが好ましい。当該モル%範囲内であると、十分なNi溶出抑制効果を発現する固溶体層が形成されるからである。Feが0.6モル%未満で、かつMgが0.3モル%未満であると、十分なNi溶出抑制効果が得られにくくなり、Feが6.5モル%を超え、かつMgが3.3モル%を超えると導電性が大きく低下すること及び電極の焼結性が低下するからである。より好ましくは、Feが1.8モル%以上3.1モル%以下であり、Mgが0.9モル%以上1.5モル%以下である。
【0029】
また、本カソードにおいては、酸化処理時において、NiO粒子とMgFe24粒子とが固溶し、NiO粒子表面において、Fe−Mg−Ni−O固溶体層が形成される。この固溶体層においては、MgFe24の層に由来するために、Feリッチとなっている。このため、特に表面において、溶融炭酸塩中のLiとの反応によりLi−Fe酸化物を生成し、安定した耐食層を形成することができる。同時に、MgOは、溶融炭酸塩中へ溶出することにより、NiOの溶出を抑制できる。このような固溶体層が、MgFe24に由来して生成していることにより、本カソードは安定した耐溶融塩性を発揮することができる。また、NiO骨格の表面NiOがFe−Mg−Oと固溶していることから、表面NiOのの溶出が抑制されている。
特に、本カソードによれば、高圧下、例えば、1MPaあるいは1.2MPa以上の圧力下で電池作動時において、有効にNiOの溶出を抑制できることがわかっている。例えば、1.2MPa、650℃、CO2/O2/N2=10/7/83%、(Li0.52Na0.48)CO3での溶出試験結果において、従来の電極材料(NiO)に比較すると、約4分の1程度にNiOの溶出が抑制されたことを本発明者らは確認している。
【0030】
以上説明したことから、本発明は以下の態様を採ることができる。
(1)フィラメント状のNi粒子と、このNi粒子より小さい粒径の球状のMgFe24粒子とを流動させた状態で、摩擦力、剪断力及び圧縮力のいずれか1種以上を断続的に作用させながら、混合して得られる複合粒子含有粉体を、シート化する工程と、
当該シートを還元焼成する工程と、
還元焼成後のシートを酸化処理する工程、
とを備える、MCFC用カソードの製造方法。
(2)前記(1)の製法によって得られるMCFC用カソード。
(3)NiO粒子がネットワーク状に連なる三次元骨格を備える多孔体であって、MgFeO4由来の固溶体層により表面被覆されている、MCFC用カソード。
【0031】
以上のように、本技術を適用することで溶融炭酸塩形燃料電池の寿命を飛躍的に延ばすことが可能となり、長期の電池運転においても耐食効果が維持され電池寿命の大幅な向上が期待できる。
【0032】
【実施例】
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)フィラメント状Ni粒子に対するMgFe24粒子の複合化処理
複合粉体合成装置を用いてMgFe24被覆Ni粉体を作製した。図1に被覆複合化の原理を示し、図2に使用した装置の概要を示す。本装置は、低速で回転する粉体収容部(上、下)と粉体とは反対方向に高速回転するローターから構成される。粉体容器に被覆粒子(ここではMgFe24粒子)、核粒子(ここではNi粒子)となる粉体を入れ混合することで、高速で回転するローターと容器壁面のクリアランス部で粉体に圧密、せん断力等の機械的が作用し、粒子間でメカノケミカル的反応が生じる。これを断続的に粉体に作用させることで被覆複合化が可能となる。なお、ローター内のキャビティは200mlであり、上下の粉体収容部の容積は1000mlであった。
【0033】
表1に被覆処理条件を示す。核粒子として、平均粒径2〜3μmのフィラメント状Ni(Type255、INCO社製)を、被覆粒子として平均粒径0.5μmのMgFe24を用いた。Ni粒体1000gに対しMgFe24粉体を3mass%加えて粉体収容部に入れ、ローター回転数2000rpm、粉体容器回転数5rpmの条件で複合化処理を行った。処理時間はおおよそ50分であった。
図3(a)に得られたMgFe24複合化Ni粉体のSEM観察結果を示し、図3(b)に当該粉体のEDSによる元素分析結果(Fe)を示し、図3(c)に、同じくEDSによる元素分析結果(Ni)を図3(c)に示す。
図3に示すように、混合粉体に圧縮・剪断力を断続的に作用させることにより、Ni粒子表面に対してMgFe24微粒子が均一に存在する複合粒子が得られることが明らかであった。
【0034】
【表1】

Figure 0004318887
【0035】
(実施例2)溶出特性評価
実施例1で得られたMgFe24複合化Ni粉体を用いて、ドクターブレード法によりシート成形し、還元雰囲気下での焼成によりMgFe24被覆Niカソードを作製した。このカソード(試験片サイズ3×10×0.7thick mm)について、Li/Na系溶融炭酸塩中でのNi溶出量を測定した。なお、当該カソードにおいては、溶融炭酸塩内においてその場酸化されて、NiからNiOが生成されている。
表2に測定条件を示す。圧力1.2MPa、温度650℃、10%CO2/7%O2/83%N2カソード雰囲気下で(Li0.52Na0.482CO3溶融炭酸塩中に浸漬して約750時間の溶融試験を実施した。Ni溶出量は、溶融塩を定期的にサンプリングし、測定用試料調製後、ICP発光分光分析法により測定した。比較例として従来カソードNiOについて、同条件での溶出試験を実施しNi溶出量を測定した。
【表2】
Figure 0004318887
【0036】
なお、評価装置は、オートクレーブ、加熱ヒータ、試料サンプリング部、昇降式サンプリング管、温度及び圧力制御部から構成される。オートクレーブは、ステンレス製で内径104mm、容積約2500cm3を有している。オートクレーブ内には、アルミナ坩堝が設置されており、この坩堝内に溶融炭酸塩を保持できるようになっているとともに、被験試料を完全に溶融炭酸塩に浸漬できるようになっている。また、坩堝内の溶融炭酸塩には、カソードガスを供給するガスバブリング管の先端が侵入された状態となっているとともに、熱電対が浸漬されて溶融炭酸塩の温度が測定可能となっている。
加熱方式は、オートクレーブ内部及び外部に備えたヒータにより加熱する方式であり、加圧方式はガスボンベから供給したガス圧により昇圧させ、圧力制御部により制御する方式である。溶融塩のサンプリングは、サンプリング室を加圧して、オートクレーブの内部圧力と同圧に調節した後、シャッターを開け、サンプリング(アルミナ)管をアルミナ坩堝中の溶融塩に浸漬して行う。また、サンプリング管の先端側部に開口するサンプリング口から連続的あるいは定期的にサンプリングできるようになっている。
【0037】
図4にMgFe24被覆NiOカソード及びNiOのNi溶出量の経時変化を示す。Ni溶出量はいずれのカソードも約550時間で平衡に達し、このときの値をNi溶解度とした。MgFe24被覆NiカソードのNi溶解度は約5×10-6(モル分率)となり、従来カソード(NiO)の約1/4と大きく低減した。
また、図5に溶出試験後のMgFe24被覆NiOカソードのSEM写真とEDS分析結果のグラフ図とを示す。溶出試験後においてもNiOの表面には、Fe元素が確認されており、溶融炭酸塩中で固溶体層による被覆構造が保持されていることがわかった。これらのことから、当該被覆構造の保持によりNiの溶出が抑制されたことと考えられる。
以上の結果からMgFe24被覆NiOカソードは1MPa以上の高圧下においても高い耐溶融塩耐食性を有することが確認され、本カソードの有効性が実証された。
【0038】
(実施例3)電池性能評価
実施例2で作製したカソードを用いてMCFCを作製した。なお、アノードは、Ni−Al,Crとし、電解質としてはLiAlO2、保持材にLi/Na系炭酸塩を含浸したものを用いた。燃料電池の性能は、温度650℃、圧力0.1MPa、カソードガス:CO2/air=30/70%(酸素利用率50%)、アノードガスH2/CO2/H2O=64/16/20%(燃料利用率75%)の条件下で負荷電流を0〜150mA/cm2通電したときの初期性能(電流−電圧特性)は、図6に示すとおりであった。図6に示すように、実施例のカソードについて、従来のカソード(NiO)を用いた場合と同等の性能が得られた。
【0039】
また、この電池を長期運転(10000時間相当)後における電解質中のNi量を分析した結果を図7に示す。
図7からは、実施例2で作製したカソードは、従来カソード(NiO)に比べNiの溶出が約30%減少することを確認した。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、電極特性とNiOの溶出抑制とを両立させうるカソード材料ならびにMCFCを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の粉体を得るのに適した機械的処理の模式図である。
【図2】本発明の粉体を大量に得るのに適した機械的処理装置の概略を示す図である。
【図3】実施例で作製した粉体のSEM写真を示す図(a)と、この粉体のEDSの元素分析結果(Fe)を示す図(b)と、この粉体のEDS分析結果(Ni)を示す図(c)とを組み合わせた図である。
【図4】MgFe24被覆NiOカソード及びNiOのNi溶出量の経時変化を示すグラフ図である。
【図5】溶出試験後のMgFe24被覆NiOカソードのSEM写真とEDS分析結果のグラフ図とを組み合わせた図である。
【図6】実施例2で作製したカソードを用いて作製したMCFCの電池性能の評価結果を示す図である。
【図7】実施例3で作製したMCFCを長期運転(10000時間相当)した後における電解質中のNi量を分析した結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
2、12 回転槽
4、14 キャビティ
6、16 回転翼
10 原料粉末
18 粉体収容部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing technique of a molten carbonate fuel cell (hereinafter abbreviated as MCFC), and more particularly to a manufacturing technique of a cathode.
[0002]
[Prior art]
The MCFC is composed of two porous electrodes (fuel electrode and cathode), an electrolyte sandwiched between them, and an electrolyte plate holding the electrolyte. Conventionally, nickel oxide (NiO) has been used for the cathode (cathode) of MCFC. NiO used as a cathode material elutes in a small amount in an electrolyte molten carbonate during battery operation. Further, the eluted NiO is dissolved in nickel by the reaction of formula (1) in the molten carbonate. Diffuses as ions.
NiO + CO2→ Ni2++ COThree 2-(1)
The diffused nickel ions are reduced by hydrogen dissolved in the molten carbonate and deposited as metallic nickel. The metallic nickel grows in the molten carbonate with the operation time, and eventually an internal short circuit of the cell occurs, and the operation as a battery becomes impossible. When considering long-term operation in MCFC, the suppression of NiO elution from the cathode is the most important issue.
[0003]
As techniques for suppressing the elution of NiO, there are JP-A-11-233121 and JP-A-6-349499. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-233121 describes that a cathode material is a powder composed of coated particles obtained by coating the surface of Ni particles with Co or Co oxide. According to this cathode material, LiCo is formed on the surface of NiO by oxidation in the battery.2Mg-LiCo2, Li (Co, Ni) O2It is described that the molten salt resistance is exhibited by these, and the elution of NiO can be suppressed.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-349499 discloses that Ni powder is mixed with iron oxide or cobalt oxide by adding an alkaline earth oxide and calcined to form a composite oxide. It is described that a cathode material is added to and mixed with powder. According to this cathode material, a Ni—Fe (or Co) oxide film having excellent dissolution resistance is formed on the NiO surface, and alkaline earth exists around the iron oxide film on the Ni surface. Thus, it is described that the carbonate is less likely to adhere to NiO and the elution of NiO is suppressed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the technique described in JP-A-11-233121, although the molten salt resistance is improved, elution suppression during battery operation has not been achieved. Further, according to the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-349499, the composite oxide on the NiO surface has impaired the conductivity of the cathode within a range in which the elution of NiO can be suppressed to some extent.
From the above, to date, no cathode material that can achieve both electrode characteristics and suppression of elution of NiO has been found, and a cathode material capable of realizing these has been desired.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a cathode material and an MCFC that can achieve both electrode characteristics and suppression of NiO elution.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention conducted various studies on a composite form of Ni and an oxide capable of imparting molten salt resistance to NiO in the cathode.2OFourThe inventors have found that by using Ni particle powder of a predetermined shape coated with particles as a cathode material, both NiO elution suppression and electrode performance can be achieved, and the above-described problems can be solved.
[0007]
That is, the inventors of the present invention considered that MgFe, which is considered to have a low possibility of being used as an impediment to electrode performance because it has high molten salt resistance but low electrical conductivity.2OFourThe composite form on the surface of the NiO particles was examined using less particles of MgFe than expected.2OFourNiO elution suppression effect can be realized with the amount used, and at the same time less MgFe2OFourThe present invention was completed by finding that sufficient electrode performance could be secured for the amount used.
[0008]
According to the studies by the present inventors, Ni powder containing Mg particles and MgFe are simply used, as in the conventional method, as the cathode powder disclosed in JP-A-6-349449.20FourIn the powder obtained by mechanically mixing the particle-containing powder, during the oxidation in the electrode, MgFe20FourIt cannot be said that the particles are present so as to cover the surface of the Ni particles, but are almost in a state of being in partial contact with the Ni surface.20FourFe and Mg were diffused into the particles. For this reason, MgFe is selectively applied to the NiO surface layer.20FourIt was found that no layer was formed.
The present invention is based on such studies, and the present inventors20FourThis was achieved for the first time as a result of searching based on its elution characteristics (especially under high pressure) and electrode performance by preparing the composite-form Ni-particle-containing powder by using the particle-containing powder. .
That is, according to the present invention, the following means are provided.
[0009]
(1)Ni particles having an average particle diameter of 1 to 5 μm having surface ridges, and spherical MgFe having a particle diameter of 0.5 μm or less 2 O Four In a state where particles are made to flow, it is obtained by mixing while intermittently acting any one or more of frictional force, shearing force and compressive force,
  For Ni, MgFe 2 O Four Is added in an amount of 1 mass% to 10 mass%,
  Forming binders, dispersants, and pores in composite powders with Fe of 0.6 mol% to 6.5 mol% and Mg of 0.3 mol% to 3.3 mol% with respect to Ni A molten carbonate comprising: a step of adding and mixing an agent to prepare a slurry; a step of forming the slurry into a sheet; a step of reducing and baking the sheet; and a step of oxidizing the sheet after reduction and baking. Of manufacturing a cathode for a fuel cell.
(2)A cathode for a molten carbonate fuel cell obtained by the production method according to (1),
  A solid solution layer containing Fe-Mg-Ni-O is selectively coated only on the surface of a three-dimensional network-like porous skeleton in which a large number of chained bodies in which NiO particles are linked in a chain are branched,
  A cathode for a molten carbonate fuel cell, wherein the solid solution layer has a molar ratio of Fe to Mg of 0.5 to 2.
[0010]
According to these inventions, elution of NiO is remarkably suppressed as compared with the conventional cathode, and sufficiently high electrode performance can be maintained.
[0011]
According to the present inventors, the present cathode material is capable of effectively suppressing the elution of NiO in a small amount by forming the solid solution layer selectively on the NiO surface only during the oxidation in the electrode. In addition, since the solid solution layer is rich in Fe with respect to Mg, Fe generates a very stable Li—Fe oxide layer in the molten carbonate due to the reaction with Li in the molten carbonate. The surface microstructure of the electrode is stably maintained, and the effect is also small.2OFourIt is thought that it contributes to effective NiO suppression by. The inference does not bind the present invention.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The MCFC cathode of the present invention is a cathode mainly composed of NiO and has a structure in which the NiO surface is coated with a solid solution layer containing Fe—Mg—Ni—O. Spherical MgFe on the surface of Ni particles having surface ridges2OFourIt can be obtained by a composite powder for a cathode of a molten carbonate fuel cell comprising particles. Further, the present powder includes Ni-particle-containing powder having a surface ridge, and MgFe20FourManufacture of composite powder for cathode of molten carbonate fuel cell that is mixed with one or more of frictional force, shearing force and compressive force in a state of flowing particle-containing powder. Can be obtained by the method of
In addition, the electrode of the present invention can be produced by tape-molding, reducing and firing the powder, and oxidizing the battery.
[0013]
(Composite powder for cathode)
This powder consists of Ni particles, MgFe2OFourContaining particles. Further, at least some of these primary particles are formed on the surface of the Ni particles with MgFe.2OFourSecondary particles in which particles are present are formed. Preferably, such secondary particles are mainly used in the present powder.
[0014]
The Ni particles preferably have a surface ridge. The surface bulge is generally composed of, for example, one or a combination of wrinkles, creases and rod-like, needle-like or spike-like projections on the particle surface. As the Ni particles having surface bulges, spherical particles having a large number of spike-like projections on the surface are preferably used. More preferably, chain-like particles (hereinafter referred to as filament particles) in which a plurality (preferably about 5 to 30) of spherical particles having a large number of spike-like protrusions are connected in a chain form. Use. Filamentous particles are advantageous in that the filamentous particles can reliably maintain a contact state, can easily form a porous structure, and can easily ensure a large surface area. Filamentous Ni particles are commercially available, for example, as Ni powder Type 255 manufactured by INCO.
The particle size of the Ni particles is not particularly limited, but preferably the average particle size is 1 to 5 μm. This is because if the average particle size is less than 1 μm, it is difficult to form a covering structure on the electrode, and if the average particle size exceeds 5 μm, the specific surface area of the electrode is reduced and the electrode performance is reduced. More preferably, it is 2-3 micrometers. In particular, when the Ni particles are filamentous particles, the particle size of the single particles constituting the filament is preferably 1 μm or more and 5 μm or less, more preferably 2 μm or more and 3 μm or less. Further, the length of the filamentous particles is preferably mainly 30 μm or less, more preferably 20 μm or more and 25 μm or less. In the present specification, the particle size of Ni is indicated by “Fisher Subscribe Size”.
[0015]
MgFe2OFourAlthough the form of particle | grains is not specifically limited, Preferably it is a spherical particle. MgFe2OFourThe particles preferably have a particle size of 0.5 μm or less from the viewpoint that the surface of the Ni particles exists in a covering state. MgFe below the particle size2OFourIf it is a particle, it can be made to exist in a covering form in a small amount with respect to the surface bulge portion or the concave portion formed between the surface bulge portions of the Ni particles having the above average particle diameter range. More preferably, it is 0.1 μm or less.
[0016]
Ni particles and MgFe2OFourThe composite form with the particles is MgFe on the surface of the Ni particles.2OFourThis is a form in which particles are attached. Preferably, MgFe is formed in the convex portion of the surface formed by the surface raised portion, the portion where the surface raised portion is not formed, or the concave portion formed between the surface raised portions.2OFourParticles are attached. Preferably, MgFe is provided in the concave portion relative to the surface raised portion.2OFourParticles are attached embedded.
MgFe2OFourAs for the adhesion state of the particles, it is preferable that the particles are adhered to the entire surface of the Ni particles in a dispersed state. Such an adhesion state is referred to as a covering state in this specification.
[0017]
In the present powder, it is preferable that Fe is about 0.6 mol% or more and about 6.5 mol% or less and Mg is about 0.3 mol% or more and about 3.3 mol% or less with respect to Ni. This is because a solid solution layer exhibiting a sufficient Ni elution suppressing effect is formed when the content is in the mol% range. If Fe is less than 0.6 mol% and Mg is less than 0.3 mol%, it will be difficult to obtain a sufficient Ni elution suppression effect, Fe will exceed 6.5 mol%, and Mg will be 3. This is because if it exceeds 3 mol%, the conductivity is greatly lowered and the sinterability of the electrode is lowered. More preferably, Fe is 1.8 mol% or more and 3.1 mol% or less, and Mg is 0.9 mol% or more and 1.5 mol% or less.
At the same time, MgFe against Ni in this powder2OFourThe composite ratio of MgFe with respect to Ni2OFourIs preferably about 1 mass% or more and 10 mass% or less. If within this range, MgFe2OFourEven when is added, the electrode characteristics as a cathode can be maintained, and the molten salt resistance of the cathode can be sufficiently improved. If it is less than 1 mass%, it is difficult to sufficiently exhibit the molten salt resistance, and if it exceeds 10 mass%, the conductivity and sinterability of the resulting cathode will be too low. More preferably, it is about 3 mass% or more and about 5 mass% or less. This is because high molten salt resistance (Ni elution suppression effect) can be obtained within this range.
[0018]
Next, the manufacturing method of this powder is demonstrated.
The method for producing this powder is not particularly limited, and various conventionally known compositing means can be employed. However, MgFe is formed on the surface of Ni particles having surface bulges.2OFourIn order to combine the particles into a coating, a mixture of these primary particle-containing powders is combined by mechanical treatment.
Examples of mechanical processing methods include particle-combining devices such as hybridization systems (Nara Machinery Co., Ltd.), Cosmos (Kawasaki Heavy Industries), Mechano Fusion System (Hosokawa Micron), Mechano Mill (Okada Seiko), Theta Composer (Tokuju Seisakusho). A mixing method using can be employed. Regarding the mechanical particle composite technology, including the technology for creating coated composite particles, Makio Naito, present state and prospects of mechanical particle composite technology (powder and industry (VOL. 25, No. 5 (1994), No. 1) 31 to 42).
[0019]
In particular, in the present invention, it is preferable to mix these primary particle powders by mechanical treatment while maintaining the surface structure of the first particles. Here, the mechanical mixing treatment refers to a treatment in which any one or more of mechanical forces among a frictional force, a compressive force, and a shearing force are applied to the primary particle powder mixture.
In addition, such mechanical treatment includes Ni particle powder and MgFe2OFourIt is preferable to carry out in a state where the particle powder flows. Moreover, it is preferable to make the said mechanical force act intermittently and intermittently. Furthermore, it is preferable to carry out so that a shear force and a compressive force may be simultaneously given among the said mechanical force, More preferably, it is preferable to make these forces act intermittently.
[0020]
According to such a mechanical treatment, mixing and complexing of the primary particles can be achieved while maintaining the surface structure of the Ni particles. As a result, the surface structure of the Ni particles is maintained in the composite secondary particles.
Specifically, it is preferable to mix so as to repeatedly apply a shearing force and a compressive force instantaneously in a state where these primary particle powders are substantially flowing.
In particular, in the flow state of the powder, the shear force and the compressive force act instantaneously, so that the MgFe without breaking the surface structure of the Ni particles having surface ridges.2OFourThe compounding in which the particles are embedded in the surface recesses of the Ni particles is efficiently achieved.
[0021]
A schematic diagram of the mechanical treatment for carrying out such mixing is shown in FIG. In FIG. 1, a mixing device including a rotating tank 2 and rotating blades 6 provided in a cavity 4 of the rotating tank 2 is described. The rotary tank 2 and the rotary blade 6 are formed so as to be rotatable in the same direction or in the reverse direction, respectively, and the rotation speed can be controlled. Further, by rotating the rotating tub 2 and the rotating blade 6 so as not to rotate in the same direction and at the same speed (hereinafter referred to as relative rotation), the inner wall of the cavity 4 and the rotating blade 6 are rotated. It is formed so that the gap interval changes. In order to obtain such a mixed state, the sectional shape of the cavity 4 and the rotor blade 6 is made irregular, the rotor blade 6 is made uneven, or the rotational axis of the rotor blade 6 is displaced in the cavity 4. It can be achieved. In the form shown in FIG. 1, the shape inside the cavity 4 and the shape of the rotor blade 6 are elliptical shapes having different sizes.
[0022]
In the ceramic powder manufacturing method of the present invention, using such a mixing device, the raw material powder 10 containing the first particle powder and the second particle powder does not stick to the inner wall of the cavity 4 during the relative rotation. When the rotating tank 2 is rotated to the extent, the powder 10 in the rotating cavity 4 is free-falling while flowing against the inner wall, and as a result, a constantly flowing state is obtained. Due to such a fluid state, the raw material powder 10 is well mixed. (See Figure 1)
When the rotary blade 6 is rotated relative to the rotary tank 2, a state occurs in which the gap between the inner wall of the cavity 4 and the rotary blade 6 becomes narrow. At this timing, the raw material powder 10 that flows or falls along the inner wall is press-fitted into this narrow gap (see the lowermost drawing in FIG. 1). Thereby, a compressive force and a shear force act simultaneously on the raw material powder 10 in a fluid state. At this point, a mechanochemical reaction occurs between the particles.
Such a press-fitted state is maintained temporarily, that is, almost instantaneously, and the raw powder 10 is again returned to a free flowing state in which no pressure is applied by relative rotation. That is, the compressive force and shear force are alleviated. Then, after a certain time, the press-fitted state of the raw material powder 10 is formed again, and the compressive force and the shearing force are simultaneously applied, and thereafter such a mixed state is repeated.
According to this apparatus, sufficient mixing and a composite state preferable in the present invention can be easily obtained.
[0023]
Furthermore, according to the apparatus shown in FIG. 2, a large amount of primary powder can be easily processed and combined. In this apparatus, the rotary tank 12 includes a mixing cavity 14 including rotary blades 16 and a cavity capable of temporarily storing and discharging the mixed powder in the cavity 14 when the rotary tank 12 rotates. A powder container 18 is provided. The mixed powder falls into the powder container 18 as the rotating tank 12 rotates, or falls into the cavity 14 from the powder container 18, so that a large amount of powder can be obtained. The compounding process can be performed by the interaction between the inner wall of the rotary tank 12 and the rotary blade 16.
[0024]
MgFe against Ni particles2OFourThe amount and state of adhesion of the particles can be adjusted by mixing the raw material powder 10, the speed of the rotary tanks 2 and 12 and the rotary blades 6 and 16, the mixing time, and the like.
[0025]
By mixing the primary particle powder by such a mechanical treatment, the surface of the Ni particles is coated with MgFe.2OFourA composite particle powder to which particles are attached can be obtained. That is, in the powder obtained by this treatment, MgFe is formed on the surface protrusions and recesses formed by the surface raised portions of the Ni particles.2OFourParticles are attached. Preferably, MgFe is formed in the concave portion of the surface raised portion.2OFourParticles are attached embedded.
In particular, according to the present processing method, a relatively small amount of MgFe with respect to Ni particles.2OFourThe particles can be uniformly coated.
[0026]
(Production of cathode)
Next, production of an MCFC cathode using the composite powder will be described.
Various known methods can be employed to produce the MCFC cathode using this composite powder, but the doctor blade molding method is less likely to impair the shape of the Ni powder. It is preferable to use a technique.
For example, a binder, a dispersant, a pore forming agent, and the like are added to the present powder and mixed to prepare a slurry. This slurry is formed with a doctor blade forming apparatus and dried to form a sheet. The sheet can be fired in a reducing atmosphere and then oxidized (or in-situ or in-battery oxidation) to produce an electrode.
[0027]
When a cathode is produced using this powder, the composite particles contained in this powder each have electrode performance derived from Ni, and MgFe2OFourIt has molten salt resistance derived from Further, in the composite particles, MgFe is formed on the Ni particle surface.2OFourAlthough particles are present, many are present in the recesses between the surface ridges, and the surface ridges of the composite particles are partially exposed. For this reason, the composite particles are prevented from aggregating, and a network-like porous skeleton can be easily formed by sintering by the surface ridges partially exposed. At the same time, MgFe present mainly in the recesses between the surface ridges2OFourThe particles are fired so as to cover the surface of the obtained Ni network-like porous skeleton. Here, the network-like porous skeleton is a three-dimensional network skeleton in which the skeleton is a chain of Ni (NiO after oxidation treatment or at the time of electrode operation) and a large number of such chain bodies are branched. I mean.
That is, in this powder, MgFe is formed on the Ni particle surface.2OFourWhen the particles are partially present, the Ni network can be easily coated during firing. In particular, MgFe on the surface of filamentary Ni particles2OFourAccording to the powder in which the particles are combined, a more preferable network structure can be formed, and the NiO surface can be efficiently coated with the Mg—Fe—Ni—O solid solution layer. For this reason, even with a small amount of addition to Ni, MgFe in the cathode2OFourIt seems that the coating form by can be obtained.
[0028]
In the present cathode, Fe is preferably about 0.6 mol% or more and about 6.5 mol% or less, and Mg is about 0.3 mol% or more and about 3.3 mol% or less with respect to Ni. It is preferable. This is because a solid solution layer exhibiting a sufficient Ni elution suppressing effect is formed when the content is in the mol% range. If Fe is less than 0.6 mol% and Mg is less than 0.3 mol%, it will be difficult to obtain a sufficient Ni elution suppression effect, Fe will exceed 6.5 mol%, and Mg will be 3. This is because if it exceeds 3 mol%, the conductivity is greatly lowered and the sinterability of the electrode is lowered. More preferably, Fe is 1.8 mol% or more and 3.1 mol% or less, and Mg is 0.9 mol% or more and 1.5 mol% or less.
[0029]
Further, in this cathode, during the oxidation treatment, NiO particles and MgFe2OFourThe particles are in solid solution, and an Fe—Mg—Ni—O solid solution layer is formed on the surface of the NiO particles. In this solid solution layer, MgFe2OFourBecause it is derived from this layer, it is Fe rich. For this reason, a Li-Fe oxide can be produced | generated by reaction with Li in molten carbonate especially on the surface, and the stable corrosion-resistant layer can be formed. Simultaneously, MgO can suppress elution of NiO by eluting into molten carbonate. Such a solid solution layer is MgFe2OFourThus, the cathode can exhibit stable molten salt resistance. Further, since the surface NiO of the NiO skeleton is in solid solution with Fe—Mg—O, the elution of the surface NiO is suppressed.
In particular, according to the present cathode, it has been found that elution of NiO can be effectively suppressed during battery operation under a high pressure, for example, at a pressure of 1 MPa or 1.2 MPa or more. For example, 1.2 MPa, 650 ° C., CO2/ O2/ N2= 10/7/83%, (Li0.52Na0.48COThreeIn the results of the elution test, the present inventors confirmed that the elution of NiO was suppressed to about one-fourth as compared with the conventional electrode material (NiO).
[0030]
As described above, the present invention can take the following aspects.
(1) Filamentary Ni particles and spherical MgFe having a smaller particle size than the Ni particles2OFourA step of forming a composite particle-containing powder obtained by mixing while causing any one or more of frictional force, shearing force, and compressive force to act intermittently in a state of flowing particles;
A step of reducing and firing the sheet;
A step of oxidizing the sheet after reduction firing,
A method for producing a cathode for MCFC, comprising:
(2) A MCFC cathode obtained by the production method of (1).
(3) A porous body having a three-dimensional skeleton in which NiO particles are connected in a network, and MgFeOFourMCFC cathode coated with a solid solution layer from the surface.
[0031]
As described above, by applying this technology, it is possible to dramatically extend the life of the molten carbonate fuel cell, and the corrosion resistance is maintained even during long-term battery operation, and a significant improvement in the battery life can be expected. .
[0032]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to a following example.
Example 1 MgFe against filamentary Ni particles2OFourParticle composite processing
MgFe using composite powder synthesizer2OFourA coated Ni powder was produced. FIG. 1 shows the principle of composite coating, and FIG. 2 shows an outline of the apparatus used. This apparatus is composed of a powder container (upper and lower) that rotates at a low speed and a rotor that rotates at a high speed in the opposite direction to the powder. In the powder container, coated particles (here, MgFe2OFourParticles) and core particles (here, Ni particles) are mixed and mixed, so that mechanical properties such as compaction and shearing force act on the powder at the clearance between the rotor rotating at high speed and the container wall surface. A mechanochemical reaction occurs between them. By making this act on the powder intermittently, it is possible to form a composite coating. The cavity in the rotor was 200 ml, and the volume of the upper and lower powder containers was 1000 ml.
[0033]
Table 1 shows the coating treatment conditions. Filamentary Ni (Type255, manufactured by INCO) having an average particle diameter of 2 to 3 μm as core particles, and MgFe having an average particle diameter of 0.5 μm as coated particles2OFourWas used. MgFe per 1000g NiFe2OFour3 mass% of the powder was added and placed in the powder container, and composite treatment was performed under the conditions of a rotor rotation speed of 2000 rpm and a powder container rotation speed of 5 rpm. Processing time was approximately 50 minutes.
MgFe obtained in FIG.2OFourThe SEM observation result of the composite Ni powder is shown, the elemental analysis result (Fe) by EDS of the powder is shown in FIG. 3 (b), and the elemental analysis result (Ni) by EDS is also shown in FIG. 3 (c). As shown in FIG.
As shown in FIG. 3, by intermittently applying a compression / shearing force to the mixed powder, MgFe is applied to the Ni particle surface.2OFourIt was clear that composite particles with uniform fine particles were obtained.
[0034]
[Table 1]
Figure 0004318887
[0035]
(Example 2) Elution characteristic evaluation
MgFe obtained in Example 12OFourThe composite Ni powder is used to form a sheet by the doctor blade method and fired in a reducing atmosphere to form MgFe2OFourA coated Ni cathode was prepared. For this cathode (test piece size 3 × 10 × 0.7 thick mm), the elution amount of Ni in Li / Na-based molten carbonate was measured. The cathode is oxidized in situ in molten carbonate to produce NiO from Ni.
Table 2 shows the measurement conditions. Pressure 1.2MPa, temperature 650 ℃, 10% CO2/ 7% O2/ 83% N2Under cathode atmosphere (Li0.52Na0.48)2COThreeIt was immersed in molten carbonate and a melting test was conducted for about 750 hours. The amount of Ni elution was measured by ICP emission spectrometry after sampling the molten salt and preparing the measurement sample. As a comparative example, a conventional cathode NiO was subjected to an elution test under the same conditions, and the Ni elution amount was measured.
[Table 2]
Figure 0004318887
[0036]
The evaluation apparatus includes an autoclave, a heater, a sample sampling unit, a liftable sampling tube, and a temperature and pressure control unit. The autoclave is made of stainless steel and has an inner diameter of 104 mm and a volume of about 2500 cm.Threehave. An alumina crucible is installed in the autoclave. The molten carbonate can be held in the crucible, and the test sample can be completely immersed in the molten carbonate. In addition, the molten carbonate in the crucible is in a state in which the tip of a gas bubbling tube for supplying the cathode gas is intruded, and a thermocouple is immersed so that the temperature of the molten carbonate can be measured. .
The heating method is a method in which heating is performed by a heater provided inside and outside the autoclave, and the pressurization method is a method in which the pressure is increased by a gas pressure supplied from a gas cylinder and controlled by a pressure control unit. The sampling of the molten salt is performed by pressurizing the sampling chamber and adjusting it to the same pressure as the internal pressure of the autoclave, then opening the shutter and immersing the sampling (alumina) tube in the molten salt in the alumina crucible. In addition, sampling can be performed continuously or periodically from a sampling port opened at the tip side of the sampling tube.
[0037]
Figure 4 shows MgFe2OFourThe change over time of the Ni elution amount of the coated NiO cathode and NiO is shown. The amount of elution of Ni reached equilibrium in about 550 hours, and the value at this time was defined as Ni solubility. MgFe2OFourThe Ni solubility of the coated Ni cathode is about 5 × 10-6(Molar fraction), which is about 1/4 of the conventional cathode (NiO).
FIG. 5 shows MgFe after the dissolution test.2OFourAn SEM photograph of a coated NiO cathode and a graph of EDS analysis results are shown. Even after the dissolution test, Fe element was confirmed on the surface of NiO, and it was found that the coating structure of the solid solution layer was retained in the molten carbonate. From these things, it is thought that elution of Ni was suppressed by holding | maintenance of the said coating structure.
From the above results, MgFe2OFourThe coated NiO cathode was confirmed to have high molten salt corrosion resistance even under a high pressure of 1 MPa or more, and the effectiveness of this cathode was demonstrated.
[0038]
(Example 3) Battery performance evaluation
MCFC was produced using the cathode produced in Example 2. The anode is Ni-Al, Cr, and the electrolyte is LiAlO.2A holding material impregnated with Li / Na carbonate was used. The performance of the fuel cell is as follows: temperature 650 ° C., pressure 0.1 MPa, cathode gas: CO2/ air = 30/70% (oxygen utilization rate 50%), anode gas H2/ CO2/ H2The load current is 0 to 150mA / cm under the condition of O = 64/16/20% (75% fuel utilization)2The initial performance (current-voltage characteristics) when energized was as shown in FIG. As shown in FIG. 6, for the cathode of the example, the same performance as that obtained when a conventional cathode (NiO) was used was obtained.
[0039]
FIG. 7 shows the result of analyzing the amount of Ni in the electrolyte after long-term operation (equivalent to 10,000 hours) of this battery.
From FIG. 7, it was confirmed that the elution of Ni was reduced by about 30% in the cathode produced in Example 2 compared to the conventional cathode (NiO).
[0040]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cathode material and MCFC which can make an electrode characteristic and the elution suppression of NiO compatible can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a mechanical treatment suitable for obtaining the powder of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a mechanical processing apparatus suitable for obtaining a large amount of the powder of the present invention.
FIG. 3A is a diagram showing an SEM photograph of the powder produced in Example, FIG. 3B is a diagram showing an elemental analysis result (Fe) of EDS of this powder, and an EDS analysis result of this powder ( It is the figure which combined the figure (c) which shows Ni).
FIG. 4 MgFe2OFourIt is a graph which shows a time-dependent change of Ni elution amount of a covering NiO cathode and NiO.
FIG. 5: MgFe after dissolution test2OFourIt is the figure which combined the SEM photograph of a covering NiO cathode, and the graph figure of an EDS analysis result.
6 is a diagram showing the evaluation results of the battery performance of MCFC produced using the cathode produced in Example 2. FIG.
7 is a graph showing the results of analyzing the amount of Ni in the electrolyte after long-term operation (corresponding to 10,000 hours) of the MCFC produced in Example 3. FIG.
[Explanation of symbols]
2, 12 Rotating tank
4, 14 cavity
6,16 Rotor blade
10 Raw material powder
18 Powder container

Claims (2)

表面隆起部を有する平均粒径が1〜5μmのNi粒子と、粒径が0.5μm以下で球状のMgFeNi particles having an average particle diameter of 1 to 5 μm having surface ridges, and spherical MgFe having a particle diameter of 0.5 μm or less 22 O 4Four 粒子とを流動させた状態で、摩擦力、剪断力及び圧縮力のいずれか1種以上を断続的に作用させながら混合して得られ、In a state where particles are made to flow, it is obtained by mixing while intermittently acting any one or more of frictional force, shearing force and compressive force,
Niに対して、MgFeFor Ni, MgFe 22 O 4Four の添加量が1mass%以上10mass%以下であり、Is added in an amount of 1 mass% to 10 mass%,
Niに対して、Feが0.6モル%以上6.5モル%以下、Mgが0.3モル%以上3.3モル%以下である複合粉体に、バインダー、分散剤、及び空孔形成剤を加えて混合し、スラリーを調製する工程と、当該スラリーをシート化する工程と、当該シートを還元焼成する工程と、還元焼成後のシートを酸化処理する工程、とを備える、溶融炭酸塩形燃料電池用カソードの製造方法。Forming binders, dispersants, and pores in composite powders with Fe of 0.6 mol% to 6.5 mol% and Mg of 0.3 mol% to 3.3 mol% with respect to Ni A molten carbonate comprising: a step of adding and mixing an agent to prepare a slurry; a step of forming the slurry into a sheet; a step of reducing and baking the sheet; and a step of oxidizing the sheet after reduction and baking. Of manufacturing a cathode for a fuel cell.
請求項1に記載の製造方法によって得られる溶融炭酸塩形燃料電池用のカソードであって、A cathode for a molten carbonate fuel cell obtained by the production method according to claim 1,
NiO粒子が連鎖状に連なった連鎖状体が多数分岐した3次元網状の多孔質骨格の表面のみに、Fe-Mg-Ni-Oを含有する固溶体層が選択的に被覆されており、A solid solution layer containing Fe-Mg-Ni-O is selectively coated only on the surface of a three-dimensional network-like porous skeleton in which a large number of chained bodies in which NiO particles are linked in a chain are branched,
前記固溶体層において、Mgに対するFeのモル比が0.5以上2以下である、溶融炭酸塩形燃料電池用のカソード。A cathode for a molten carbonate fuel cell, wherein the solid solution layer has a molar ratio of Fe to Mg of 0.5 to 2.
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