JP5105392B2 - Electrochemical reactor tube cell and electrochemical reaction system comprising them - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学リアクターチューブセル及び該チューブセルから構成される固体酸化物形燃料電池等の電気化学反応システムに関するものであり、更に詳しくは、作動温度を低温化させて、800℃以下の低温作動域で作動可能で、安価な材料の使用と運転コストの低下を実現化した電気化学リアクターチューブセル及びそれを構成要素として含む電気化学反応システムに関するものである。本発明は、クリーンエネルギー源や環境浄化装置として好適に用いられる電気化学リアクターチューブセルに関する新技術・新製品を提供するものである。 The present invention relates to an electrochemical reactor tube cell and an electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell composed of the tube cell. More specifically, the present invention relates to an operation temperature lowered to 800 ° C. or lower. The present invention relates to an electrochemical reactor tube cell that can be operated in a low-temperature operating range and realizes the use of an inexpensive material and a reduction in operating cost, and an electrochemical reaction system including the same as a component. The present invention provides a new technology and a new product relating to an electrochemical reactor tube cell that is suitably used as a clean energy source and an environmental purification device.
電気化学リアクターの代表的なものとして、固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」という。)がある。SOFCは、電解質としてイオン導電性を有する固体酸化物電解質を用いた燃料電池である。このSOFCの基本構造は、通常、カソード―固体酸化物電解質―アノードの3層により構成され、該SOFCは、通常は800〜1000℃の温度領域において使用される。 As a typical electrochemical reactor, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”). The SOFC is a fuel cell using a solid oxide electrolyte having ionic conductivity as an electrolyte. The basic structure of the SOFC is usually composed of three layers of cathode-solid oxide electrolyte-anode, and the SOFC is usually used in a temperature range of 800 to 1000 ° C.
SOFCのアノードに、燃料ガス(水素、一酸化炭素、炭化水素等)、カソードに、空気、酸素等が供給されると、カソード側の酸素分圧とアノード側の酸素分圧との間に差が生じることから、ネルンストの式に従う電圧が電極間に生じる。酸素は、カソードにおいてイオンとなり、固体電解質内を通ってアノード側に移動し、アノードに達した酸素イオンは、燃料ガスと反応して電子を放出する。そのため、アノード及びカソードに負荷を接続することで、燃料電池として、これより、直接、電気を取り出すことができる。 When fuel gas (hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbon, etc.) is supplied to the anode of the SOFC and air, oxygen, etc. are supplied to the cathode, there is a difference between the oxygen partial pressure on the cathode side and the oxygen partial pressure on the anode side. Therefore, a voltage according to the Nernst equation is generated between the electrodes. Oxygen becomes ions at the cathode and moves to the anode side through the solid electrolyte, and the oxygen ions reaching the anode react with the fuel gas and release electrons. Therefore, by connecting a load to the anode and the cathode, electricity can be directly taken out as a fuel cell.
今後、SOFCを実用化させていくためには、SOFCの作動温度の低温化が必須である。作動温度を800℃以下、特に300〜600℃に下げることで、安価な材料の使用と運転コストの低下が期待でき、低温化によってSOFCの汎用性が高まることが期待される。また、低温作動域では、SOFC特性が電極構造に大きく依存するようになり、その構造制御には、SOFCの製造工程におけるプロセス温度の低温化も欠かせない重要な要因となる。 In the future, in order to put SOFC into practical use, it is essential to lower the operating temperature of SOFC. By reducing the operating temperature to 800 ° C. or lower, particularly 300 to 600 ° C., use of inexpensive materials and reduction in operating costs can be expected, and the versatility of SOFC is expected to increase as the temperature is lowered. Further, in the low temperature operating region, the SOFC characteristics are greatly dependent on the electrode structure, and for the structural control, it is also an important factor to reduce the process temperature in the SOFC manufacturing process.
SOFCの運転温度の低温化のためには、電解質の薄膜化は必至であり、これまで、電極サポート型のセル、特に、アノードサポート形のセルが広く研究されている(非特許文献1)。 In order to lower the operating temperature of SOFC, it is inevitable to make the electrolyte thin, and so far, electrode support type cells, particularly anode support type cells, have been widely studied (Non-patent Document 1).
しかしながら、従来のSOFC製造プロセスでは、アノードを1400℃以上の高温で焼結させる必要があり、これは、アノード材料の粒成長を促進し、緻密な構造となることが余儀なくされる。このことは、アノードのSOFC特性への影響としてみた場合、好ましいものではない。また、アノードサポート型セルは、運転サイクルによってセルの破壊を引き起こすことが問題となっている。 However, in the conventional SOFC manufacturing process, it is necessary to sinter the anode at a high temperature of 1400 ° C. or higher, which promotes the grain growth of the anode material and is forced to have a dense structure. This is not preferable when viewed as an influence on the SOFC characteristics of the anode. Further, the anode support type cell has a problem of causing cell destruction due to an operation cycle.
これは、一般的に使用されるニッケルサーメットが酸化還元雰囲気のサイクルや温度変化によって大きな体積変化をするため、セルが歪み、破壊に至ることのためである。これを防ぐために、セルの構造やSOFCの運転方法に関して、さまざまな工夫が検討されている。例えば、管状に形成された多孔質燃料極管及び空気極管を用いた固体酸化物形燃料電池(特許文献1)や、チューブ形態などを用いてセルの小型化を行い、耐熱衝撃を高めたものもある。しかしながら、これらのセルに関しても、通常のSOFC製造プロセスに必要な高温処理を要し、根本的な解決案を提供するものではなかった。 This is because nickel cermet generally used undergoes a large volume change due to a cycle of oxidation-reduction atmosphere or a change in temperature, and thus the cell is distorted and breaks down. In order to prevent this, various devices have been studied regarding the cell structure and the SOFC operation method. For example, a solid oxide fuel cell (Patent Document 1) using a porous fuel electrode tube and an air electrode tube formed in a tubular shape or a tube shape or the like was used to reduce the size of the cell, thereby increasing the thermal shock. There are also things. However, these cells also require high temperature treatment necessary for a normal SOFC manufacturing process, and do not provide a fundamental solution.
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、SOFC製造工程におけるプロセス温度の低温化と、それによる安価の材料の使用の実現化、作動温度の低温化と、それによる運転コストの低減化を可能とする新しいSOFC製造技術及び製品の開発を目標として鋭意研究を積み重ねた結果、多孔質構造体にカソードを積層し、上記多孔質構造体部分にアノードを含浸担持させることで上述の目標を達成し得ることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。 In such a situation, in view of the above-mentioned conventional technology, the present inventors reduced the process temperature in the SOFC manufacturing process, thereby realized the use of inexpensive materials, reduced the operating temperature, As a result of diligent research aimed at developing new SOFC manufacturing technology and products that can reduce operating costs, the cathode is stacked on the porous structure, and the anode is impregnated on the porous structure. As a result, it has been found that the above-mentioned goal can be achieved, and further research has been made to complete the present invention.
本発明は、1000℃以下の低温でも調製可能なアノードチューブを提供すること、それにより、微細構造(粒子径が1ミクロン以下)を有する電極材料を担持したアノードチューブを提供することを可能とすること、また、これまで高温プロセスのために使用が困難であった材料を適応可能にすること、また、プロセスの低温化により電極材料の粒子径成長を抑制し、SOFCの運転サイクルに対する耐久性を向上させること、を実現する電気化学リアクターセル及び電気化学反応システムを提供することを目的とするものである。また、本発明は、さまざまな燃料ガスや使用条件に応じて、プロセスそのものを変えずに、容易にアノード担持材料を変更できるセルスタック製法技術及びその製品を提供することを目的とするものである。 The present invention provides an anode tube that can be prepared even at a low temperature of 1000 ° C. or less, thereby providing an anode tube carrying an electrode material having a microstructure (particle size of 1 micron or less). In addition, it is possible to adapt materials that have been difficult to use due to high-temperature processes so far, and by suppressing the particle size growth of electrode materials by lowering the process temperature, durability against SOFC operation cycles is improved. It is an object of the present invention to provide an electrochemical reactor cell and an electrochemical reaction system that can be improved. Another object of the present invention is to provide a cell stack manufacturing technique that can easily change the anode support material and its product in accordance with various fuel gases and use conditions without changing the process itself. .
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)管外径が大きくても2mmの多孔質チューブ構造を有する多孔質構造体の外側に電解質層(イオン伝導相)を持った構造物に、カソード(空気極)が積層されており、多孔質構造体部分にアノード(燃料極)材料が含浸担持されている電気化学リアクターセルであって、
電解質層の厚さが1〜100ミクロンであり、アノード材料の粒子が、粒子径0.01〜1ミクロンのサブミクロンで均一に配置されていて、そのアノード材料が3次元的に結合されていることを特徴とする電気化学リアクターセル。
(2)多孔質構造体及び/又は電解質の材料が、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物である、前記(1)記載の電気化学リアクターセル。
(3)多孔質構造体部分に担持させるアノード(燃料極)材料が、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選択される元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)記載の電気化学リアクターセル。
(4)カソード(空気極)材料が、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Caから選択される元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)記載の電気化学リアクターセル。
(5)カソード材料が、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、又は遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物である、前記(4)記載の電気化学リアクターセル。
(6)電気化学反応によって電流を取り出す電気化学反応システムであって、リアクターとして、前記(1)から(5)のいずれかに記載の電気化学リアクターセルを含むことを特徴とする電気化学反応システム。
(7)作動温度を低下させた、300〜800℃の低温作動域で使用できる固体酸化物形燃料電池である、前記(7)記載の電気化学反応システム。
(8)複数の電気化学リアクターセルを組み合わせたユニットがスタックされている、前記(7)記載の電気化学反応システム。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A cathode (air electrode) is laminated on a structure having an electrolyte layer (ion conduction phase) outside a porous structure having a porous tube structure of 2 mm even if the outer diameter of the tube is large , the anode in the porous structure portion (fuel electrode) material is a impregnated supported have that electric reactor cell,
The thickness of the electrolyte layer is 1 to 100 microns, the particles of the anode material are uniformly arranged in submicrons with a particle diameter of 0.01 to 1 micron, and the anode material is three-dimensionally bonded. An electrochemical reactor cell characterized by that.
( 2 ) The material of the porous structure and / or electrolyte is selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W. an oxide compound containing two or more elements, the (1) Symbol placement of electrochemical reactor cell.
( 3 ) An element selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti and / or these elements 1 as the anode (fuel electrode) material supported on the porous structure portion composed of an oxide compound containing more than, the (1) Symbol placement of electrochemical reactor cell.
( 4 ) The cathode (air electrode) material is composed of an element selected from Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, and / or an oxide compound containing one or more of these elements. wherein (1) Symbol placement of electrochemical reactor cell.
( 5 ) The electrochemical reactor cell according to ( 4 ), wherein the cathode material is a transition metal perovskite oxide or a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material.
( 6 ) An electrochemical reaction system for extracting an electric current by an electrochemical reaction, comprising the electrochemical reactor cell according to any one of (1) to ( 5 ) as a reactor. .
( 7 ) The electrochemical reaction system according to ( 7 ), wherein the electrochemical reaction system is a solid oxide fuel cell that can be used in a low temperature operating range of 300 to 800 ° C. with a reduced operating temperature.
( 8 ) The electrochemical reaction system according to ( 7 ) above, wherein units in which a plurality of electrochemical reactor cells are combined are stacked.
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、特に、多孔質構造体の外側に電解質層(イオン伝導相)を持った構造物に、カソード(空気極)が積層されており、多孔質構造体部分にアノード(燃料極)材料が含浸担持されている点、及び多孔質チューブ構造体の外側に緻密な電解質層(イオン伝導相)を持った構造物に、カソード(空気極)が積層されており、多孔質チューブ構造体部分にアノード(燃料極)材料が含浸担持され、そのアノード材料が3次元的に結合されている点、に特徴を有するものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
In the present invention, in particular, a cathode (air electrode) is laminated on a structure having an electrolyte layer (ion conductive phase) outside the porous structure, and an anode (fuel electrode) material is formed on the porous structure portion. The cathode tube (air electrode) is laminated on a structure having a dense electrolyte layer (ion conducting phase) outside the porous tube structure and the porous tube structure part. Is characterized in that the anode (fuel electrode) material is impregnated and supported, and the anode material is three-dimensionally bonded.
従来、チューブタイプの電気化学セルを作製する場合、アノード材料をチューブとして作製し(通常、1400℃以上の焼結を含む)、電解質を積層、焼結(通常、1400℃以上)の後、カソードを取り付けて、焼結する(通常、1000℃以上)という複数のプロセスステップがあり、複雑なものであった。しかしながら、本発明の電気化学リアクターチューブセルの構成によれば、まず、電解質と電極多孔質部分が同時に作製されるため、電極の担持取り付けが同時に複数本可能となり、また、高温焼結が不要となるなど、電気化学リアクターチューブセルの製造工程が簡略化でき、それにより、低コスト化を図ることができる。アノード材料は、溶液ベースで多孔質チューブに含侵されるが、これらの溶液は、1000℃以下の焼結温度で担持が可能であることから、アノードとカソードの同時焼結等を含めた低温化プロセスが可能となる。 Conventionally, when producing a tube-type electrochemical cell, an anode material is produced as a tube (usually including sintering at 1400 ° C. or higher), an electrolyte is laminated, and sintered (usually at 1400 ° C. or higher), followed by a cathode There are a plurality of process steps of attaching and sintering (usually 1000 ° C. or higher), which is complicated. However, according to the structure of the electrochemical reactor tube cell of the present invention, first, since the electrolyte and the electrode porous portion are produced at the same time, a plurality of electrodes can be attached and attached at the same time, and high-temperature sintering is unnecessary. Thus, the manufacturing process of the electrochemical reactor tube cell can be simplified, thereby reducing the cost. The anode material is impregnated into the porous tube on a solution basis, but these solutions can be supported at a sintering temperature of 1000 ° C. or lower, so the temperature can be lowered including simultaneous sintering of the anode and the cathode. The process becomes possible.
上記構成によれば、電極材料は、低温で担持されるため、アノード材料粒子の径がサブミクロンで均一に配置されていることから、運転サイクルの変化に対して、熱膨張、収縮を最小限に抑えることができ、長期にわたって高効率な運転が可能な高性能の電気化学リアクターを構築することが可能になる。また、本発明では、担持したアノード材料が3次元的に結合されていることが重要である。これは、アノードの電気的抵抗を最小限にするために必要かつ重要である。 According to the above configuration, since the electrode material is supported at a low temperature, the diameter of the anode material particles is uniformly arranged at a submicron, so that thermal expansion and contraction are minimized with respect to changes in the operation cycle. Therefore, it is possible to construct a high-performance electrochemical reactor that can be operated efficiently over a long period of time. In the present invention, it is important that the supported anode material is three-dimensionally bonded. This is necessary and important to minimize the electrical resistance of the anode.
また、本発明で対象とする電気化学反応システムとしては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、排ガス浄化リアクター、水素製造リアクターなどが挙げられ、本発明の電気化学リアクターチューブセルにおいて、アノード、電解質、カソードの材料を適切に選ぶことで、高効率なSOFCを構築することが可能となる。 Examples of the electrochemical reaction system targeted by the present invention include a solid oxide fuel cell (SOFC), an exhaust gas purification reactor, a hydrogen production reactor, and the like. In the electrochemical reactor tube cell of the present invention, an anode, an electrolyte By selecting an appropriate cathode material, a highly efficient SOFC can be constructed.
また、本発明では、多孔質チューブの材料を電解質と同じ材料とすることで、シームレスな緻密電解質部分と多孔質部を持つチューブを作製することが可能となり、それにより、アノードから電解質への効率のよいイオン伝導が実現される。 Further, in the present invention, by making the material of the porous tube the same as the electrolyte, it becomes possible to produce a tube having a seamless dense electrolyte portion and a porous portion, thereby improving the efficiency from the anode to the electrolyte. Good ion conduction is realized.
本発明では、多孔質チューブ、及び電解質材料は、高イオン伝導を持つ材料が必須という観点から、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物であることが望ましい。 In the present invention, the porous tube and the electrolyte material are required to be materials having high ionic conductivity, so that Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr are used. , Ga, Bi, Nb, and W are preferably oxide compounds containing two or more elements selected from W, W, Nb, and W.
また、本発明では、多孔質チューブに担持させるアノード(燃料極)材料は、燃料ガスに対して高い活性を持つ材料が望ましく、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiの元素及び/又は酸化化合物を1種類以上含む構成からなることが、高効率な電気化学リアクターの実現には必要である。 In the present invention, the anode (fuel electrode) material supported on the porous tube is preferably a material having high activity with respect to the fuel gas. Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr In order to realize a highly efficient electrochemical reactor, it is necessary to have a structure containing one or more elements of Ti and Ti and / or oxide compounds.
更に、本発明では、カソード(空気極)材料は、酸素のイオン化に活性の高い材料が好ましく、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Caの元素及び/又は酸化化合物を1種類以上含む構成からなる材料が好適である。以下に、本発明の一実施形態に係る電気化学リアクターチューブセル及びそれらから構成される電気化学反応システムについて詳細に説明する。 Furthermore, in the present invention, the cathode (air electrode) material is preferably a material having high activity for ionization of oxygen, and in particular, an element of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca and / or an oxide compound is used. A material composed of one or more types is preferred. Hereinafter, an electrochemical reactor tube cell according to an embodiment of the present invention and an electrochemical reaction system including the same will be described in detail.
初めに、本発明に係る電気化学リアクターチューブセルの構成について説明する。図1は、本発明に係る電気化学リアクターチューブセルの概略図である。図1に示すように、緻密な電解質層1内部にポーラスな多孔質構造体の多孔質チューブ5が配置されている。そして、電解質層の外側にカソード4が配置されている。多孔質チューブの多孔質構造体内にはアノード材料が含侵され、低温焼結されることで、電気化学リアクターチューブセルが構成される。 First, the structure of the electrochemical reactor tube cell according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view of an electrochemical reactor tube cell according to the present invention. As shown in FIG. 1, a porous tube 5 having a porous structure is disposed inside a dense electrolyte layer 1. The cathode 4 is disposed outside the electrolyte layer. An anode material is impregnated in the porous structure of the porous tube and sintered at a low temperature to constitute an electrochemical reactor tube cell.
次に、電解質層1について説明する。図2は、電気化学リアクターチューブセルの断面を示したものである。電解質層1の厚みは、多孔質チューブの管径や、電解質層1自体の比抵抗などを考慮して、定められる。電解質層1は、緻密であり、厚さが1〜100ミクロンの範囲であることが好ましく、更に、電解質の電気抵抗を抑えるためにも50ミクロン以下であることが好ましい。 Next, the electrolyte layer 1 will be described. FIG. 2 shows a cross section of an electrochemical reactor tube cell. The thickness of the electrolyte layer 1 is determined in consideration of the tube diameter of the porous tube, the specific resistance of the electrolyte layer 1 itself, and the like. The electrolyte layer 1 is dense and preferably has a thickness in the range of 1 to 100 microns, and preferably 50 microns or less in order to suppress the electric resistance of the electrolyte.
この電解質は、多孔質構造体を表面に積層させているため、厚さの低減化が容易にできる。この多孔質構造体は、アノード材料を担持させることで電極としての機能を発現させ、使用するものであると共に、支持管としての機能も兼ね備えている。通常、燃料電池としての使用条件では、多孔質構造体の管内に、水素、一酸化炭素、メタン等の燃料ガスが供給され、また、その管外には、空気、酸素等の酸化剤ガスが供給される。 Since this electrolyte has a porous structure laminated on the surface, the thickness can be easily reduced. This porous structure develops and uses a function as an electrode by supporting an anode material, and also has a function as a support tube. Normally, under the conditions of use as a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen, carbon monoxide, methane or the like is supplied into the tube of the porous structure, and an oxidant gas such as air or oxygen is outside the tube. Supplied.
ここで、本発明に係る電気化学リアクターチューブセルでは、多孔質構造体の管径、管長さ、管厚みは、特に限定されるものではなく、必要とされる電気化学リアクターチューブセルの全体の大きさを考慮しつつ、アノード又はカソードとしての必要特性が得られるように任意に定めることができる。また、多孔質構造体の多孔質率についても、三相界面(反応場)が維持され、かつ、管強度が低下しないように、種々制御することができる。 Here, in the electrochemical reactor tube cell according to the present invention, the tube diameter, tube length, and tube thickness of the porous structure are not particularly limited, and the entire size of the required electrochemical reactor tube cell is not limited. In consideration of the above, it can be arbitrarily determined so as to obtain necessary characteristics as an anode or a cathode. Also, the porosity of the porous structure can be variously controlled so that the three-phase interface (reaction field) is maintained and the tube strength does not decrease.
多孔質チューブの材料を電解質と同じ材料とすることで、シームレスな緻密電解質部分と多孔質部を持つチューブを作製することが可能となり、電極から電解質への効率のよいイオン伝導が実現される。これらに用いられる材料としては、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物であることが望ましい。 By making the material of the porous tube the same material as the electrolyte, it becomes possible to produce a tube having a seamless dense electrolyte portion and a porous portion, and efficient ion conduction from the electrode to the electrolyte is realized. As materials used for these, two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W are used. It is desirable that the oxide compound contains.
その中でも、イットリア(Y2O3)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc2O3)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb2O3)、エルビア(Er2O3)等の安定化剤で安定化された安定化ジルコニアやイットリア(Y2O3)や、ガドリニア(Gd2O3)、サマリア(Sm2O3)などをドープしたセリア(CeO2)などが好適な例として挙げられる。なお、安定化ジルコニアは、1種又は2種以上の安定化剤により安定化させることができ、また、アルミナ(Al2O3)との複合体とすることもできる。 Among them, stabilizers such as yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 O 3 ), etc. Suitable examples include stabilized zirconia and yttria (Y 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ) doped with gadolinia (Gd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), and the like. Stabilized zirconia can be stabilized by one or more stabilizers, and can also be a composite with alumina (Al 2 O 3 ).
具体的には、安定化剤として5〜10mol%のイットリアを添加したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ドープ剤として5〜10mol%のガドリニアを添加したガドリニアドープセリア(GDC)等が好適な一例として挙げられる。 Specifically, yttria-stabilized zirconia (YSZ) added with 5 to 10 mol% yttria as a stabilizer, gadolinia doped ceria (GDC) added with 5 to 10 mol% gadolinia as a dopant, and the like are preferable examples. Can be mentioned.
また、例えば、YSZの場合、イットリア含有量が5mol%未満であると、アノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。また、イットリア含有量が10mol%を超えると、同様にアノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。GDCの場合も同様である。 For example, in the case of YSZ, it is not preferable that the yttria content is less than 5 mol% because the oxygen ion conductivity of the anode is lowered. On the other hand, if the yttria content exceeds 10 mol%, the oxygen ion conductivity of the anode similarly decreases, which is not preferable. The same applies to GDC.
多孔質構造体に担持されるアノード材料は、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる金属及び/又はこれらの元素1種類以上から構成される酸化物であって、また、触媒として機能するもので、具体的には、例えば、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)等が好適な一例として挙げられる。このうち、ニッケル(Ni)は、他の金属に比べて安価であり、かつ、水素等の燃料ガスとの反応性が十分に大きいことから、好適に用いることができる。また、これらの元素や酸化物を混合した複合物を用いることもできる。アノードの材料粒子の粒径は1ミクロン以下、好ましくは0.1ミクロン以下であることが好ましい。それにより、燃料ガスとの反応で高い活性が得られる。 The anode material supported by the porous structure is a metal selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, and / or an oxide composed of one or more of these elements. In addition, it functions as a catalyst. Specifically, for example, nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), and the like are preferable examples. Among these, nickel (Ni) can be suitably used because it is cheaper than other metals and has a sufficiently high reactivity with fuel gas such as hydrogen. Moreover, the composite which mixed these elements and oxides can also be used. The particle size of the anode material particles is 1 micron or less, preferably 0.1 micron or less. Thereby, high activity is obtained by reaction with fuel gas.
一方、カソードの材料としては、酸素のイオン化に活性の高い材料が好ましく、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ni,Mgの元素及び/又はこれらの酸化物化合物の、1種類以上から構成される材料が好適である。その中で、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物を好適に用いることができる。複合物を用いた場合には、カソードに必要な特性である電子導電性及び酸素イオン導電性のうち、酸素イオン導電性が向上するため、カソードで生じた酸素イオンが固体電解質層へ移行し易くなり、カソードの電極活性が向上する利点がある。 On the other hand, as the material of the cathode, a material having high activity for ionization of oxygen is preferable. In particular, elements of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ni, Mg and / or oxide compounds thereof are used. A material composed of one or more of the above is preferable. Among them, for example, transition metal perovskite oxides, and composites of transition metal perovskite oxides and solid electrolyte materials can be preferably used. In the case of using a composite, oxygen ion conductivity is improved among the electron conductivity and oxygen ion conductivity, which are necessary characteristics of the cathode, so that oxygen ions generated at the cathode easily migrate to the solid electrolyte layer. Thus, there is an advantage that the electrode activity of the cathode is improved.
ここで、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と第2固体電解質との複合物を用いる場合、前者と後者の混合比率は、90:10重量%〜70:30重量%の範囲が好ましいが、それは、電極活性や熱膨張係数の整合性等のバランスに優れるからであり、より好ましくは、90:10重量%〜80:20重量%である。 Here, when the composite of the transition metal perovskite oxide and the second solid electrolyte is used, the mixing ratio of the former and the latter is preferably in the range of 90:10 wt% to 70:30 wt%. It is because it is excellent in balance, such as activity and the consistency of a thermal expansion coefficient, More preferably, it is 90:10 weight%-80:20 weight%.
遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、LaSrMnO3、LaCaMnO3、LaMgMnO3、LaSrCoO3、LaCaCoO3、LaSrFeO3、LaSrCoFeO3、LaSrNiO3、SmSrCoO3等の複合酸化物が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the transition metal perovskite oxide include LaSrMnO 3 , LaCaMnO 3 , LaMgMnO 3 , LaSrCoO 3 , LaCaCoO 3 , LaSrFeO 3 , LaSrCoFeO 3 , LaSrNiO 3 Co, and SmS 3 Can be mentioned.
ただし、図1に示すように、多孔質チューブの両端には、固体電解質層が積層されることなく多孔質チューブの一部がむき出し状態とされることにより、アノード露出部が形成されている。この露出部は、アノードの外部引き出し電極として機能する。なお、この露出部の露出量は、特に限定されるものではなく、ガスシール部材、電極の集電方法、ガス出口の流路等を考慮して適宜調節することができる。 However, as shown in FIG. 1, anode exposed portions are formed at both ends of the porous tube by exposing a part of the porous tube without laminating the solid electrolyte layer. This exposed portion functions as an external lead electrode of the anode. The exposure amount of the exposed portion is not particularly limited, and can be appropriately adjusted in consideration of the gas seal member, the electrode current collecting method, the gas outlet flow path, and the like.
次に、上記本発明に係る電気化学リアクターチューブセルをSOFC単体として作動させる作動方法の一例について説明する。図3に示すように、燃料導入管8a、8bにチューブの露出部を配置し、シール材9により露出部を燃料導入管内に封止する。上記燃料ガス導入手段を構成する主な材料としては、具体的には、SOFCの運転条件によるが、例えば、耐熱性のステンレス鋼、セラミックス等が好適な一例として挙げられる。 Next, an example of an operation method for operating the electrochemical reactor tube cell according to the present invention as a single SOFC will be described. As shown in FIG. 3, the exposed portions of the tubes are arranged in the fuel introduction pipes 8 a and 8 b, and the exposed portions are sealed in the fuel introduction pipe by the sealing material 9. Specific examples of the main material constituting the fuel gas introduction means include heat-resistant stainless steel, ceramics and the like, depending on the operating conditions of the SOFC.
すなわち、燃料導入管の内側に、電気化学リアクターチューブセルが装着されており、各電極接続部がシール材により封止される。上記シール材の材料としては、ガスを透過させないものであれば良く、特に限定されるものではない。ただし、アノード部分の熱膨張係数に整合させる必要がある。具体的には、例えば、マイカガラス、スピネル(MgAl2O4)などのセラミックス等が好適な一例として挙げられる。 That is, an electrochemical reactor tube cell is mounted inside the fuel introduction pipe, and each electrode connection portion is sealed with a sealing material. The material of the sealing material is not particularly limited as long as it does not transmit gas. However, it is necessary to match the thermal expansion coefficient of the anode portion. Specifically, for example, ceramics such as mica glass and spinel (MgAl 2 O 4 ) are preferable examples.
また、電極面(アノード露出部やカソード)には、集電体11が取り付けられる。集電体11を構成する主な材料としては、具体的には、例えば、ランタンクロマイト(LaCrO3)などの導電性セラミックス、金、銀や白金などの貴金属メッシュ、ステンレス、ニッケルメッシュ、ニッケルフェルト等が好適な一例として挙げられる。 A current collector 11 is attached to the electrode surface (the anode exposed portion and the cathode). Specific examples of the main material constituting the current collector 11 include conductive ceramics such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ), noble metal meshes such as gold, silver and platinum, stainless steel, nickel mesh, nickel felt, and the like. Is a suitable example.
また、図示されない他の酸化剤ガス又は燃料ガス導入手段(例えば、外部マニホルドなど)を用いて、アノード部に燃料ガスを、カソード部の露出面から酸化剤ガスを導入し、管接続部と集電体11とに集電ワイヤー10a、10bを介して負荷12を接続することで、発電可能となる。 Also, using another oxidant gas or fuel gas introduction means (not shown) (for example, an external manifold), the fuel gas is introduced into the anode part and the oxidant gas is introduced from the exposed surface of the cathode part, and is collected from the pipe connection part. By connecting the load 12 to the electric body 11 via the current collecting wires 10a and 10b, power generation is possible.
なお、上記においては、本発明に係る電気化学リアクターチューブセルをSOFCとして単体として作動させる作動方法の一例について説明したが、上記作動方法は、特に限定されるものではない。また、本発明に係る電気化学リアクターチューブセルを並列に集合させたものをユニットとし、これを複数スタックして発電装置を構成することもできる。 In the above description, an example of an operation method for operating the electrochemical reactor tube cell according to the present invention as a single unit as SOFC has been described. However, the operation method is not particularly limited. Further, a unit in which electrochemical reactor tube cells according to the present invention are assembled in parallel can be used as a unit, and a plurality of these units can be stacked to constitute a power generation device.
次に、上記本発明に係る電気化学リアクターチューブセルの作用について説明する。本発明に係る電気化学リアクターチューブセルは、管状に形成された多孔質構造体に緻密な電解質層を有し、この多孔質構造体にアノード材料が担持され、そして、カソードが多孔質構造体の外側に形成されている。 Next, the operation of the electrochemical reactor tube cell according to the present invention will be described. The electrochemical reactor tube cell according to the present invention has a dense electrolyte layer in a porous structure formed in a tubular shape, an anode material is supported on the porous structure, and the cathode is a porous structure. It is formed on the outside.
従来のアノードプロセス温度は、機械的強度を達成するために、通常、1400℃以上であるのに比べて、この方法では、多孔質構造体で機械的強度が十分あるため、高温焼結の必要がなく、1000℃以下の温度域でのアノードの調製が可能となる。このことにより、アノード材料が1ミクロン以下の低粒子径のまま、多孔質構造体内に存在させることができるので、アノードの高い触媒活性が実現される。 Compared to the conventional anode process temperature, which is usually 1400 ° C. or higher to achieve mechanical strength, this method requires sufficient high temperature sintering because the porous structure has sufficient mechanical strength. Therefore, the anode can be prepared in a temperature range of 1000 ° C. or lower. This allows the anode material to be present in the porous structure with a low particle size of 1 micron or less, thus realizing high catalytic activity of the anode.
本発明では、その集積構造も、従来の集積構造に比較して、単純化できるので、セル製造工程が簡略化でき、それにより、低コスト化を図ることができる。また、本発明のセル製造工程では、低温域の焼結によって、従来材のような材料の熱膨張率や、共焼結による電解質と電極材料の化学反応等の問題を最小限にとどめることができ、さまざまな材料の組み合わせが可能となる。 In the present invention, the integrated structure can be simplified as compared with the conventional integrated structure, so that the cell manufacturing process can be simplified, thereby reducing the cost. In the cell manufacturing process of the present invention, the low temperature region sintering can minimize problems such as the thermal expansion coefficient of materials such as conventional materials and the chemical reaction between the electrolyte and electrode material due to co-sintering. It is possible to combine various materials.
次に、本発明に係る電気化学リアクターチューブセルの好適な製造方法について説明する。本発明に係る電気化学リアクターチューブセルの製造方法は、基本的には、次のような工程を含んでいる。 Next, the suitable manufacturing method of the electrochemical reactor tube cell based on this invention is demonstrated. The method for producing an electrochemical reactor tube cell according to the present invention basically includes the following steps.
すなわち、多孔質チューブを作製する工程と、多孔質チューブの外側面に固体電解質層を接合する工程と、多孔質チューブにアノード材料を含侵させる工程と、固体電解質層の外側にカソードを塗布、焼結する工程とを有している。以下、詳細に説明する。 That is, a step of producing a porous tube, a step of bonding a solid electrolyte layer to the outer surface of the porous tube, a step of impregnating the anode material with the porous tube, and applying a cathode to the outside of the solid electrolyte layer, And a step of sintering. Details will be described below.
初めに、多孔質チューブを電解質材料を用いて作製する。具体的には、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選ばれる2種類以上の元素を含む酸化物化合物の粉末に、セルロース系の結合剤、炭素粉末等の気孔生成剤を加えて、水で練り、得られた塑性混合物を、押し出し成形法等を用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体に成形する。 First, a porous tube is produced using an electrolyte material. Specifically, an oxide containing two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W A pore-forming agent such as a cellulose-based binder and carbon powder is added to the compound powder, and the mixture is kneaded with water. The resulting plastic mixture is extruded into a predetermined tube diameter, tube length, and tube. Molded into a thick tubular shaped body.
次いで、得られたチューブ成形体を乾燥後、同じ電解質材料粉体を含むスラリーを付着させた後、乾燥させる。これにより、管の表面に、後の焼成によって固体電解質層となる電解質層形成層が付着したチューブとなる。 Next, after drying the obtained tube molded body, a slurry containing the same electrolyte material powder is adhered, and then dried. Thereby, it becomes a tube which the electrolyte layer forming layer used as a solid electrolyte layer by the subsequent baking adhered to the surface of the tube.
上記スラリーの付着方法としては、例えば、多孔質チューブの両端側の開口を樹脂系接着剤等により封止した後、この管を、固体電解質を含むスラリー中に浸漬してディップコーティングする方法等が好適な一例として挙げられる。なお、ディッピング法以外にも、例えば、ハケ塗り法、スプレー法等の種々の付着方法を用いることができる。 Examples of the method for attaching the slurry include a method in which openings on both ends of a porous tube are sealed with a resin adhesive, and then the tube is immersed in a slurry containing a solid electrolyte and dip coated. A suitable example is given. In addition to the dipping method, various adhesion methods such as a brush coating method and a spray method can be used.
このとき、得られた電解質層付き多孔質チューブの外側面の一端に、固体電解質を含むスラリーが付着されることなく多孔質部分がむき出し状態とされた露出部が形成されることが必要である。 At this time, it is necessary to form an exposed portion in which the porous portion is exposed without attaching the slurry containing the solid electrolyte to one end of the outer surface of the obtained porous tube with the electrolyte layer. .
これを所定の温度で焼成して、電解質層付き多孔質チューブとする。チューブの焼成温度としては、1200〜1600℃程度の温度で焼成するのが好ましいが、特に限定されるものではなく、チューブの材質、多孔度等を考慮して、電解質層が緻密になる温度適宜採用される。なお、得られた多孔質チューブには、所定の管径、管長さ、管厚みとなるように更に機械加工を施すことができる。 This is fired at a predetermined temperature to obtain a porous tube with an electrolyte layer. The firing temperature of the tube is preferably fired at a temperature of about 1200 to 1600 ° C., but is not particularly limited, and the temperature at which the electrolyte layer becomes dense considering the tube material, porosity, etc. Adopted. The obtained porous tube can be further machined so as to have a predetermined tube diameter, tube length, and tube thickness.
次いで、アノード材料を電解質付き多孔質チューブに含侵する工程について説明する。アノード材料の担持方法については、錯体重合法などによって調製された上記金属イオンを含むポリマー溶液やめっき溶液などを用いて担持することができるが、これらのみに限定されるものではなく、気相法なども用いることができる。ここでは、錯体重合法を用いた一例について説明すると、1種類以上のアノード材料を含む金属塩等と、水、アルコール、エチレングリコール等と混合した溶液を作製する。材料としては、特にNi,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる金属元素を含む金属塩、例えば、硝酸塩、酢酸塩、塩化物などが好適である。これらを必要量混合した溶液を、80〜250℃のホットプレート上で攪拌し、溶液の粘度を適宜調整する。 Next, the process of impregnating the anode material into the porous tube with electrolyte will be described. The anode material can be supported using a polymer solution or a plating solution containing the above metal ions prepared by a complex polymerization method or the like, but is not limited thereto, and is not limited to a gas phase method. Etc. can also be used. Here, an example using a complex polymerization method will be described. A solution prepared by mixing a metal salt containing one or more anode materials with water, alcohol, ethylene glycol, or the like is prepared. As the material, metal salts containing metal elements selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, and Ti, for example, nitrates, acetates, chlorides, and the like are particularly suitable. A solution in which a necessary amount of these is mixed is stirred on a hot plate at 80 to 250 ° C., and the viscosity of the solution is appropriately adjusted.
図4に示すように、この溶液中に上記電解質付き多孔質チューブを浸し、それを乾燥させた後に含侵、乾燥と繰り返す。このサイクルを繰り返すことで必要量を担持することができる。繰り返し回数は、溶液のアノード材料の濃度と必要担持量によって変わるので、その必要に応じて、適宜設定される。乾燥温度は、溶液中の有機化合物を焼ききる温度であれば適宜採用できるが、例えば、200〜400℃が好ましい。 As shown in FIG. 4, the porous tube with an electrolyte is immersed in this solution, dried, and then impregnated and dried. The required amount can be carried by repeating this cycle. The number of repetitions varies depending on the concentration of the anode material in the solution and the required loading amount, and is appropriately set according to the necessity. The drying temperature can be appropriately adopted as long as it is a temperature at which the organic compound in the solution is burned, but for example, 200 to 400 ° C is preferable.
次いで、カソード材料を電解質層に塗布する。カソード材料としては、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Caから選ばれる一種類以上及び/又はこれらの酸化物化合物から構成される材料が好適である。この粉体よりスラリーを作製して、上記固体電解質の調製と同様の方法を用い、カソードを電解質層上に形成することができる。 A cathode material is then applied to the electrolyte layer. As the cathode material, in particular, a material composed of one or more selected from Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, and / or an oxide compound thereof is suitable. A slurry can be prepared from this powder, and the cathode can be formed on the electrolyte layer using the same method as that for the preparation of the solid electrolyte.
次いで、得られたチューブを所定の温度で焼成して、電気化学リアクターチューブセルを作製する。焼成温度としては、例えば、800〜1200℃程度の温度で焼成するのが好ましいが、特に限定されるものではなく、カソード材料の種類等を考慮して種々調節することができる。 Next, the obtained tube is fired at a predetermined temperature to produce an electrochemical reactor tube cell. The firing temperature is preferably, for example, about 800 to 1200 ° C., but is not particularly limited, and can be variously adjusted in consideration of the type of the cathode material and the like.
以上により、多孔質チューブの外側面に固体電解質層が接合された電解質付き多孔質チューブに、アノード材料が多孔質チューブ部分に含侵され、電解質層の外側にカソードが積層された電気化学リアクターチューブセルを得ることができる。 As described above, the electrochemical reactor tube in which the anode material is impregnated in the porous tube portion in the porous tube with the electrolyte in which the solid electrolyte layer is bonded to the outer surface of the porous tube, and the cathode is laminated outside the electrolyte layer. A cell can be obtained.
なお、必要に応じて、得られた電気化学リアクターチューブセルのカソード又はアノードの部分を機械加工して、面出しや寸法調整を行うことが可能である。また、上記製造方法においては、電解質スラリーをコートしたチューブを焼成することにより予め電解質付多孔質チューブを作製し、アノードを含侵した後にカソードを積層した場合について説明したが、これ以外にも、カソードを積層した後にカソード表面を樹脂系接着剤等により封止した後、アノード材料の含侵を行うことも適宜可能である。 If necessary, the cathode or anode portion of the obtained electrochemical reactor tube cell can be machined to adjust the surface and adjust the dimensions. Moreover, in the above production method, the porous tube with electrolyte was prepared in advance by firing the tube coated with the electrolyte slurry, and the cathode was laminated after impregnating the anode. It is also possible to appropriately impregnate the anode material after sealing the cathode surface with a resin adhesive after laminating the cathode.
これらの電気化学リアクターチューブセルをスタックとして積層させていく場合、まず、電解質付多孔質チューブを複数本互いに離間させた状態で平行に配列固定して、同時にアノード材料を含侵させることが適宜可能である。更には、アノード材料を含侵させる前のチューブ状成形体の電解質表面に、カソード材料を含むスラリーを付着させ、その表面を樹脂系接着剤等により封止することが適宜可能である。その後、このチューブを複数本互いに離間させた状態で平行に配列固定し、アノード材料を含侵することができる。このようにした場合には、焼成回数を減らすことができるので、更なるコスト削減を図ることができる。 When laminating these electrochemical reactor tube cells as a stack, it is possible to arrange and fix a plurality of porous tubes with electrolytes in parallel while being spaced apart from each other, and simultaneously impregnate the anode material as appropriate It is. Furthermore, it is possible to appropriately attach a slurry containing the cathode material to the electrolyte surface of the tubular molded body before impregnating the anode material and seal the surface with a resin adhesive or the like. Thereafter, the plurality of tubes can be arranged and fixed in parallel in a state of being separated from each other, and the anode material can be impregnated. In such a case, since the number of firings can be reduced, further cost reduction can be achieved.
また、電気化学リアクターチューブセルにおいて、スタックを構成する場合、多孔質チューブの外側面に電解質層が接合されたチューブ同士を、カソード材料により一体的に接合することもできるので、従来、接続が困難であった、管の外側が酸化雰囲気下にある場合であっても、高価な貴金属製ワイヤー等を使用することなく、簡単に管の間を電気的に接続することができる。 In addition, when a stack is formed in an electrochemical reactor tube cell, it is possible to integrally connect tubes having an electrolyte layer bonded to the outer surface of a porous tube with a cathode material, which is conventionally difficult to connect. Even when the outside of the tube is in an oxidizing atmosphere, the tubes can be easily electrically connected without using an expensive precious metal wire or the like.
本発明により作製された電気化学リアクターセルは、以下のような特徴を有する。すなわち、電解質の厚さが1〜100ミクロン、アノード材料が粒子径0.01〜1ミクロンのサブミクロンで略均一に配置されており、作動温度域が300〜800℃、アノードは、多孔質構造体部分に含浸担持されており、アノード材料が3次元に結合されており、カソードは、多孔質構造体の外側の電解質層の表面に積層されており、厚さは10〜50ミクロン、である。 The electrochemical reactor cell made according to the present invention has the following characteristics. That is, the electrolyte thickness is 1 to 100 microns, the anode material is submicron with a particle diameter of 0.01 to 1 micron, the operating temperature range is 300 to 800 ° C., and the anode has a porous structure. The body part is impregnated and supported, the anode material is three-dimensionally bonded, the cathode is laminated on the surface of the electrolyte layer outside the porous structure, and the thickness is 10 to 50 microns. .
本発明により、以下のような効果が奏される。
(1)作動温度を800℃以下、特に300〜600℃に低温化した電気化学リアクターを提供できる。
(2)電気化学リアクターの製造工程におけるプロセス温度を低温化することができ、それにより、安価な材料の使用と、製造コストの大幅な低減を実現できる。
(3)プロセス温度の低減により、アノードの粒子径をサブミクロン以下に抑えることができる(プロセス温度の低減により、従来、困難であった材料の組み合わせが可能となった。)。
(4)アノードの粒子径がサブミクロンに低く抑えられていることから、アノード特性を著しく高めた高性能の電気化学リアクターセルを製造し、提供することが可能となる。
(5)上記電気化学リアクターセルを利用した固体酸化物形燃料電池を提供できる。
(6)上記電気化学リアクターセルを含むスタックを構成することで、高価な貴金属ワイヤー等を使用することなく、簡便に上記多孔質構造体を積層した積層構造を構築することができる。
The following effects are exhibited by the present invention.
(1) An electrochemical reactor having an operating temperature reduced to 800 ° C. or lower, particularly 300 to 600 ° C. can be provided.
(2) The process temperature in the manufacturing process of the electrochemical reactor can be lowered, thereby realizing the use of an inexpensive material and a significant reduction in the manufacturing cost.
(3) The anode particle size can be suppressed to submicron or less by reducing the process temperature (reducing the process temperature makes it possible to combine difficult materials in the past).
(4) Since the anode particle size is suppressed to a submicron level, it is possible to manufacture and provide a high-performance electrochemical reactor cell with significantly improved anode characteristics.
(5) A solid oxide fuel cell using the electrochemical reactor cell can be provided.
(6) By constructing a stack including the electrochemical reactor cell, it is possible to easily construct a laminated structure in which the porous structures are laminated without using expensive noble metal wires or the like.
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.
本実施例では、以下の手順に従い、電気化学リアクターチューブセルを作製した。先ず、ZrO2−10mol%Y2O3組成を有する粉末(東ソー株式会社製)に、結合剤としてニトロセルロース、気孔生成剤として炭素粉末を加えて、水で練り、粘土状にした後、押し出し成形法によりチューブ状成形体を成形した。得られたチューブ状成形体の管径、管厚み、管長さは、それぞれ、2mm、0.5mm、40mmであった(管外径2mm、管内径1mm)。 In this example, an electrochemical reactor tube cell was produced according to the following procedure. First, nitrocellulose as a binder and carbon powder as a pore-forming agent are added to a powder having a ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 composition (made by Tosoh Corporation), kneaded with water to form a clay, and then extruded. A tubular molded body was molded by a molding method. The obtained tube-shaped molded body had a tube diameter, a tube thickness, and a tube length of 2 mm, 0.5 mm, and 40 mm, respectively (tube outer diameter 2 mm, tube inner diameter 1 mm).
次いで、得られたチューブ状成形体の一端の開口を酢酸ビニルにより封止した後、この管を、ZrO2−10mol%Y2O3組成の固体電解質を含むスラリー中に浸漬して電解質層形成層をディップコーティングし、電解質付チューブ状成形体とした。この際、多孔質アノード管の他端を5mmむき出し状態とし、露出部とした。次いで、この管状成形体を乾燥後、1450℃で2時間焼成し、電解質付き多孔質チューブとした。 Next, after opening the opening at one end of the obtained tubular molded body with vinyl acetate, the tube is immersed in a slurry containing a solid electrolyte having a composition of ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 to form an electrolyte layer. The layer was dip-coated to obtain a tubular molded body with an electrolyte. At this time, the other end of the porous anode tube was exposed by 5 mm to form an exposed portion. Next, this tubular molded body was dried and then fired at 1450 ° C. for 2 hours to obtain a porous tube with an electrolyte.
次いで、電解質部分を酢酸ビニルにより封止した電解質付き多孔質チューブを、硝酸ニッケルとエチレングリコールを含む溶液に浸し、多孔質部分にニッケルを含侵させた。350℃での乾燥後、再びニッケルの含侵をし、このサイクルを10回繰り返した。図5に、このようにして作製した、アノード材料を含浸させた多孔質チューブのSEM断面写真を示す。多孔質チューブの拡大図では、ニッケル粒子が100nmほどの粒径で担持され、3次元的に粒子が結合しているのが分かる。図6に、粒子径の減少による粒子総表面積の変化を示す。図から分かるように、粒子径が1ミクロン以下になると飛躍的に表面積が増大している。このことは、本発明におけるアノードチューブにおいて、高い電極活性が期待できることを示すものである。 Next, a porous tube with an electrolyte in which the electrolyte portion was sealed with vinyl acetate was immersed in a solution containing nickel nitrate and ethylene glycol, so that the porous portion was impregnated with nickel. After drying at 350 ° C., nickel was impregnated again and this cycle was repeated 10 times. FIG. 5 shows a SEM cross-sectional photograph of the porous tube impregnated with the anode material thus produced. In the enlarged view of the porous tube, it can be seen that nickel particles are supported with a particle size of about 100 nm and the particles are three-dimensionally bonded. FIG. 6 shows changes in the total particle surface area due to the decrease in particle diameter. As can be seen from the figure, the surface area dramatically increases when the particle diameter is 1 micron or less. This shows that high electrode activity can be expected in the anode tube of the present invention.
次いで、カソード材料としてLaSrCoFeO3(日本セラミックス株式会社製)を含むペーストを電解質層面に塗布し、100℃で乾燥させた後、1000℃で1時間焼成して電解質層とカソード材料とを一体焼結させた。これにより、電気化学リアクターチューブセルを得た。 Next, a paste containing LaSrCoFeO 3 (manufactured by Nippon Ceramics Co., Ltd.) as a cathode material is applied to the electrolyte layer surface, dried at 100 ° C., and then fired at 1000 ° C. for 1 hour to integrally sinter the electrolyte layer and the cathode material. I let you. Thereby, an electrochemical reactor tube cell was obtained.
図7に、得られたアノードチューブ(酸化ニッケル含有35wt%)の電気伝導率を示した。低含有ニッケル量にもかかわらず、これらの値は、電極として十分な数値を示しているのが分かる。また、これらの伝導率についても、アノード材料を更に担持させることで容易に制御することが可能である。 FIG. 7 shows the electric conductivity of the obtained anode tube (containing nickel oxide 35 wt%). It can be seen that, despite the low nickel content, these values are sufficient for electrodes. Also, these conductivities can be easily controlled by further supporting the anode material.
以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、アノード材料を担持した後に、カソードを積層させたが、この場合、アノードが1000℃で焼結されていることになる。しかし、カソードを先に焼結した後に、ニッケルを担持することで、アノードの焼結温度を1000℃以下に下げることが可能となる。 The embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the cathode is laminated after supporting the anode material. In this case, the anode is sintered at 1000 ° C. However, it is possible to lower the sintering temperature of the anode to 1000 ° C. or lower by supporting nickel after sintering the cathode first.
以上詳述したように、本発明は、電気化学リアクターチューブセル及び電気化学反応システムに係るものであり、本発明に係る電気化学リアクターチューブセルによれば、まず、電解質と多孔質構造体が同時に作製され、その後、溶液による電極担持を行うため、複数本の同時調製が可能となり、また、高温焼結が不要となるなど、電気化学リアクターチューブセルの製造工程が簡略化でき、それにより、低コスト化を図ることができる。 As described above in detail, the present invention relates to an electrochemical reactor tube cell and an electrochemical reaction system. According to the electrochemical reactor tube cell according to the present invention, first, an electrolyte and a porous structure are simultaneously formed. Since the electrode is supported by a solution after that, a plurality of tubes can be prepared simultaneously, and the manufacturing process of the electrochemical reactor tube cell can be simplified by eliminating the need for high-temperature sintering. Cost can be reduced.
また、上記構成によれば、アノード材料は、1000℃以下の低温で担持されるため、アノード材料粒子の径がサブミクロンで均一に配置されることから、運転サイクルの変化に対して、熱膨張、収縮を最小限に抑えることができ、長期にわたって高効率な運転が可能な電気化学リアクターを提供することができる。また、アノード材料の粒子径が低く抑えられていることから、アノード特性も効果的に高めることができる。 Further, according to the above configuration, since the anode material is supported at a low temperature of 1000 ° C. or lower, the diameter of the anode material particles is uniformly arranged at a submicron. In addition, it is possible to provide an electrochemical reactor capable of minimizing shrinkage and capable of operating efficiently over a long period of time. In addition, since the particle size of the anode material is kept low, the anode characteristics can be effectively enhanced.
また、これまで、高温プロセスのために使用が困難であった材料を適応することができ、さまざまな燃料ガスや使用条件に応じて、プロセスそのものを変えずに、容易にアノード材料を変更して電気化学リアクターセルを製造することが可能となる。 In addition, materials that have been difficult to use due to high-temperature processes can be applied, and the anode material can be easily changed without changing the process itself according to various fuel gases and usage conditions. An electrochemical reactor cell can be manufactured.
1 電解質層
2 アノード
3 チューブ穴
4 カソード
5 多孔質チューブ
6 アノード露出部
7 燃料ガス
8a、8b 燃料導入管
9 シール材
10a、10b 集電ワイヤー
11 集電体
12 負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte layer 2 Anode 3 Tube hole 4 Cathode 5 Porous tube 6 Anode exposed part 7 Fuel gas 8a, 8b Fuel introduction pipe 9 Sealing material 10a, 10b Current collector wire 11 Current collector 12 Load
Claims (8)
電解質層の厚さが1〜100ミクロンであり、アノード材料の粒子が、粒子径0.01〜1ミクロンのサブミクロンで均一に配置されていて、そのアノード材料が3次元的に結合されていることを特徴とする電気化学リアクターセル。 Even if the outer diameter of the tube is large , a cathode (air electrode) is laminated on a structure having an electrolyte layer (ion conducting phase) outside a porous structure having a porous tube structure of 2 mm, and has a porous structure. the body part is an anode (fuel electrode) material a that electrical reactor cell is impregnation,
The thickness of the electrolyte layer is 1 to 100 microns, the particles of the anode material are uniformly arranged in submicrons with a particle diameter of 0.01 to 1 micron, and the anode material is three-dimensionally bonded. An electrochemical reactor cell characterized by that.
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