JP5196216B2 - Electrochemical reactor - Google Patents

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Description

本発明は、セル集積ユニット及び電気化学リアクターに関するものであり、更に詳しくは、電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面へ電気化学セルを形成した構造を持つセル集積ユニット及びそれから構成される高性能な小型高効率電気化学リアクターに関するものである。本発明は、電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の内壁面に電気化学セルを形成した構造をもつセル集積ユニットであって、貫通孔のサイズが1ミリ以下で、当該貫通孔の内壁面を電気化学反応セルの構造支持体及び電極層として用いて高出力化を達成可能にしたセル集積ユニット及びそれから構成される高性能の電気化学リアクターを提供するものである。   The present invention relates to a cell integration unit and an electrochemical reactor, and more particularly, to form an electrochemical cell on the inner wall surface of all or part of the through holes included in the integrated structure of the through holes made of an electrode material. The present invention relates to a cell integrated unit having the structure described above and a high-performance small-sized and high-efficiency electrochemical reactor composed thereof. The present invention is a cell integrated unit having a structure in which an electrochemical cell is formed on the inner wall surface of a through-hole included in an integrated structure of through-holes made of an electrode material, and the size of the through-hole is 1 mm or less, It is an object of the present invention to provide a cell integrated unit which can achieve high output by using the inner wall surface of the through hole as a structural support and an electrode layer of an electrochemical reaction cell, and a high performance electrochemical reactor composed thereof.

電気化学リアクターの適用例として、電解質に酸化物イオン伝導性を有する固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池(以下、「SOFC」という。)がある。このSOFCの基本構造は、空気極/固体電解質/燃料極の3層を接合した単セルより構成されている。当該SOFC単セルの幾何学形状は、平板型と管状型とに分類することができる。   As an application example of an electrochemical reactor, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) using a solid electrolyte having oxide ion conductivity as an electrolyte. The basic structure of this SOFC is composed of a single cell in which three layers of an air electrode / solid electrolyte / fuel electrode are joined. The geometric shape of the SOFC single cell can be classified into a flat plate type and a tubular type.

体積出力密度としては、平板型SOFCが有利であるものの、平板型は、電気化学リアクターとして利用するためには、セパレータと単セルを交互に積層する必要があり、また、ガスシール方法等に問題があった。また、更なる高出力化のためには、平板型単セルの大面積化が必要となるが、従来の平板型単セルは、電極を支持体として用いるため、所定の機械的強度を付与するために支持体を厚くする必要があった。このため、単セル重量は、重くなり、また、材料コストも大きくなるという問題があった。   As a volumetric power density, a flat plate type SOFC is advantageous, but in order to use the flat plate type as an electrochemical reactor, it is necessary to laminate separators and single cells alternately, and there is a problem in the gas sealing method and the like. was there. Further, in order to further increase the output, it is necessary to increase the area of the flat plate type single cell. However, since the conventional flat plate type single cell uses an electrode as a support, it gives a predetermined mechanical strength. Therefore, it was necessary to make the support thicker. For this reason, there existed a problem that the weight of a single cell became heavy and material cost also became large.

これに替わるSOFC単セルの集積構造として、ハニカム構造が提案されている(特許文献1、特許文献2)。これは、電解質からなるハニカム支持体の各孔内壁面に対し、燃料極層と空気極層を交互に形成した構造としたものであり、交互に並ぶ燃料極孔と空気極孔へ、それぞれ燃料ガス及び空気を供給する必要がある。   As an alternative SOFC single cell integrated structure, a honeycomb structure has been proposed (Patent Documents 1 and 2). This is a structure in which the fuel electrode layer and the air electrode layer are alternately formed on the inner wall surface of each hole of the honeycomb support made of an electrolyte, and the fuel electrode hole and the air electrode hole are alternately arranged. It is necessary to supply gas and air.

しかしながら、この種のハニカム構造では、体積出力密度を向上させるために、孔サイズを小さくする、もしくは電解質ハニカム支持体の壁厚を減少させると言った、高度かつ高精度なガス供給マニホールドやガスシール技術が要求されるようになる。更には、ハニカム構造体の強度保持のためには、壁厚、つまり電解質の厚さを0.1ミリ以上とする必要があり、電解質膜でのオーミック損失のため、SOFCセル性能を向上させることが困難であった。   However, this type of honeycomb structure has advanced and highly accurate gas supply manifolds and gas seals that reduce the pore size or reduce the wall thickness of the electrolyte honeycomb support to improve the volumetric power density. Technology is required. Furthermore, in order to maintain the strength of the honeycomb structure, the wall thickness, that is, the thickness of the electrolyte needs to be 0.1 mm or more, and the SOFC cell performance is improved due to the ohmic loss in the electrolyte membrane. It was difficult.

また、先行文献(特許文献3及び特許文献4)に提案されるように、電極をハニカム支持体として用いるSOFC単セルの集積方法も報告されている。しかしながら、特許文献3では、ハニカム孔の半分をSOFCセルとして用い、残りの半分の孔をガス供給用に用いるため、特許文献1及び特許文献2と同様、ガス供給マニホールドやガスシール等に高度な技術が要求されると言う問題がある。   In addition, as proposed in the prior documents (Patent Document 3 and Patent Document 4), an SOFC single cell integration method using an electrode as a honeycomb support has also been reported. However, in Patent Document 3, half of the honeycomb holes are used as SOFC cells and the remaining half of the holes are used for gas supply. Therefore, as in Patent Document 1 and Patent Document 2, advanced gas supply manifolds and gas seals are used. There is a problem that technology is required.

それに対し、特許文献4では、ハニカム孔の全てにSOFCセルを構築しており、ガスシール等の改善対策が提案されているものの、貫通孔壁面への製膜技術など未解決な技術的課題のため、これまで貫通孔としては3〜5ミリサイズしか試されておらず、圧力損失が低く、セル集積ユニットの体積出力密度の急激な増大が見込める貫通孔サイズ0.1〜1ミリの高性能領域(本明細書に添付の図1参照)の実現は困難とされてきた。   On the other hand, in Patent Document 4, SOFC cells are constructed in all of the honeycomb holes, and improvement measures such as gas sealing have been proposed, but unresolved technical problems such as a film formation technique on the wall surface of the through holes are proposed. Therefore, only 3-5 mm size has been tried as a through-hole so far, high pressure of 0.1-1 mm through-hole size, which has a low pressure loss and can expect a rapid increase in volume output density of the cell integrated unit. Realization of the region (see FIG. 1 attached hereto) has been difficult.

また、電気化学リアクターの用途として、SOFC以外に、排ガス浄化電気化学リアクターや水素製造リアクターが挙げられるが、上記SOFCと同様、電気化学反応単セルの小型化高集積化に限界があり、当該技術分野では、電気化学反応セルの小型化と高集積化を両立させ得る新技術を開発することが強く求められていた。   In addition to SOFC, exhaust gas purification electrochemical reactors and hydrogen production reactors can be used as electrochemical reactor applications. As with the SOFC, there is a limit to downsizing and high integration of electrochemical reaction single cells. In the field, there has been a strong demand to develop a new technology that can achieve both miniaturization and high integration of electrochemical reaction cells.

現在、広く使用されている平板型又は管状型の電気化学反応単セルを用いて、インターコネクタや集電用ワイヤーなどの複数部材を組み合わせることによって、電気化学リアクターが構築されている。しかし、この種の方法では、電気化学リアクターのトータルサイズは、大型なものとなり、単位体積当たりの高効率化を行うことが難しいという問題があった。また、単セルを小型化しようとした場合、インターコネクタやガスシールの形成には高度な技術が必要であり、セル集積ユニット及びそれから構成される電気化学リアクターの小型化には限界があった。   At present, an electrochemical reactor is constructed by combining a plurality of members such as an interconnector and a current collecting wire using a plate type or tubular type electrochemical reaction unit cell which is widely used. However, this type of method has a problem that the total size of the electrochemical reactor is large, and it is difficult to achieve high efficiency per unit volume. In addition, when trying to reduce the size of a single cell, advanced technology is required to form an interconnector and a gas seal, and there is a limit to downsizing a cell integrated unit and an electrochemical reactor composed thereof.

特開平10−40934号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-40934 特開平11−297344号公報JP-A-11-297344 特開2002−216779号公報JP 2002-216777 A 特開2004−152645号公報JP 2004-152645 A

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、高性能な小型高効率電気化学リアクターを開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、電極材料からなる貫通孔の集積構造体を基本骨格とする電気化学リアクターを開発することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、貫通孔サイズが0.1〜1ミリ、かつ電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に電気化学セルを形成し、当該内壁面を電気化学反応セルの構造支持体及び電極層として用いた構造を有するセル集積ユニット、及びそれから構成される電気化学リアクターを提供することを目的とするものである。   Under such circumstances, the present inventors have conducted intensive research with the goal of developing a high-performance, compact, high-efficiency electrochemical reactor in view of the above-described conventional technology. As a result, the present inventors have succeeded in developing an electrochemical reactor having the integrated structure of No. 1 as a basic skeleton and completed the present invention. In the present invention, an electrochemical cell is formed on the inner wall surface of all or a part of the through-holes included in an integrated structure of through-holes having a through-hole size of 0.1 to 1 mm and an electrode material. It is an object of the present invention to provide a cell integrated unit having a structure using a wall surface as a structure support and an electrode layer of an electrochemical reaction cell, and an electrochemical reactor composed thereof.

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)電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の内壁面に電気化学セルを形成した構造をもつセル集積ユニットであって、貫通孔サイズが0.1〜1ミリ、かつ電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に電気化学反応セルを形成し、当該内壁面を電気化学反応セルの構造支持体及び電極層として用いた構造を有するセル集積ユニットを製造する方法であって、
a)ゲルキャスティングもしくは押出成形により、一方の電極材料からなる貫通孔の集積構造体用の成形体を造形し、乾燥あるいは仮焼する工程、
b)スラリー圧入法により、得られた貫通孔の集積構造体用の成形体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面へセル構造を構築する工程、
を有することを特徴とするセル集積ユニットの製造方法。
(2)前記(1)に記載の製造方法で得られたセル集積ユニットであって、
1)電極材料からなる貫通孔の集積構造体と、該集積構造体中に含まれる貫通孔の内壁面に構築した電気化学セル構造から構成され、2)当該貫通孔のサイズが0.1〜1ミリで、かつ当該内壁面を電気化学反応セルの構造支持体及び電極層とした構造を有し、3)上記集積構造体が多孔質で、その気孔率が15〜50%であり、4)上記集積構造体が、空気極材料からなり、5)該空気極材料からなる集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に形成された電気化学反応セルが、空気極反応活性層、電解質層及び燃料極層の3層コートにより形成されており、6)上記空気極反応活性層材料が、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成され、7)600℃での体積出力密度が少なくても2W/ccであること、を特徴とするセル集積ユニット。
(3)上記集積構造体中に含まれる貫通孔端面の全てもしくは一部が閉じられている、前記(2)に記載のセル集積ユニット。
(4)上記内壁コート層について、空気極反応活性層の厚みが1〜10ミクロン、電解質層の厚みが1〜50ミクロン、燃料極層の厚みが1〜100ミクロンである、前記(2)に記載のセル集積ユニット。
(5)上記集積構造体の外周面から連続して通じる構造体の壁をガスの流通経路として用いる、前記(2)に記載のセル集積ユニット。
(6)上記ガスが、燃料もしくは酸素を1種類以上含むガスである、前記(4)に記載のセル集積ユニット。
(7)上記電解質層が、セリア系酸化物:Ce1−xLn2−x/2(ただし、LnはLa,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Yのうち少なくとも1種類を含み、xが0.05以上0.50以下)、スカンジア安定化ジルコニア酸化物:a mol% Sc−b mol% CeO−c mol% ZrO (ただし、aが8以上15以下、bが0以上2以下、かつa+b+c=100)、ランタンガレート酸化物:La1−mSrGa1−nMg(ただし、mが0.05以上0.3以下、nが0以上0.3以下)の1種類、もしくは2種類以上の複合体である、前記(2)に記載のセル集積ユニット。
(8)上記燃料極層材料が、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiの元素又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(2)に記載のセル集積ユニット。
(9)上記燃料極層材料が、前記(7)に記載の電解質材料との複合体である、前記(8)に記載のセル集積ユニット。
(10)上記電極層が、活性補助材料を含み、該活性補助材料が、Pt,Pd,Ag,Ba,Sr,Ca,Mg,K,Na,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ti,Al,Ga,Nb,Ta,V,Laの元素を少なくとも1種類以上含む金属、もしくはこれらの元素を1種類以上含む酸化物である、前記(2)に記載のセル集積ユニット。
(11)上記空気極反応活性層材料が、前記(7)に記載の電解質層材料又は前記(10)に記載の活性補助材料のうち1種類以上を含む複合体である、前記()に記載のセル集積ユニット。
(12)前記()から(11)のいずれかに記載のセル集積ユニットから構成されることを特徴とする電気化学リアクター。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A cell integrated unit having a structure in which an electrochemical cell is formed on the inner wall surface of a through-hole included in an integrated structure of through-holes made of an electrode material, the through-hole size being 0.1 to 1 mm, In addition, an electrochemical reaction cell is formed on the inner wall surface of all or part of the through-holes included in the integrated structure of through-holes made of electrode material, and the inner wall surface is used as a structure support body and an electrode layer of the electrochemical reaction cell A method of manufacturing a cell integrated unit having the structure used,
a) forming a molded body for an integrated structure of through-holes made of one electrode material by gel casting or extrusion, and drying or calcining;
b) a step of constructing a cell structure on the inner wall surface of all or a part of the through-holes contained in the molded body for the accumulated structure of through-holes obtained by slurry press-fitting method
A method for producing a cell integrated unit, comprising:
(2) A cell integrated unit obtained by the manufacturing method according to (1),
1) It is composed of an integrated structure of through-holes made of an electrode material and an electrochemical cell structure constructed on the inner wall surface of the through-holes included in the integrated structure. 2) The size of the through-holes is 0.1 to 0.1. 1 mm, and the inner wall surface is a structure support and an electrode layer of an electrochemical reaction cell. 3) The integrated structure is porous and has a porosity of 15 to 50%. 5) The integrated structure is made of an air electrode material. 5) The electrochemical reaction cell formed on the inner wall surface of all or part of the through holes included in the integrated structure made of the air electrode material is an air electrode. 6) The air electrode reaction active layer material is composed of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, and the reaction active layer, the electrolyte layer, and the fuel electrode layer. , Mg elements or oxide compounds containing one or more of these elements Is al arrangement, 7) cells integrated unit which can be less volume output density at 600 ° C. is 2W / cc, characterized by.
(3) The cell integrated unit according to (2), wherein all or part of the end surface of the through hole included in the integrated structure is closed.
(4) In the above (2), the thickness of the air electrode reaction active layer is 1 to 10 microns, the thickness of the electrolyte layer is 1 to 50 microns, and the thickness of the fuel electrode layer is 1 to 100 microns. The cell integrated unit described.
(5) The cell integrated unit according to (2), wherein a wall of the structure that continues from the outer peripheral surface of the integrated structure is used as a gas flow path.
(6) The cell integrated unit according to (4), wherein the gas is a gas containing one or more kinds of fuel or oxygen.
(7) the electrolyte layer, ceria based oxide: Ce 1-x Ln x O 2-x / 2 ( although, Ln is La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Including at least one of Tm, Yb, Lu, and Y, and x is 0.05 or more and 0.50 or less), scandia-stabilized zirconia oxide: a mol% Sc 2 O 3 -b mol% CeO 2 -c mol % ZrO 2 (where a is 8 or more and 15 or less, b is 0 or more and 2 or less, and a + b + c = 100), lanthanum gallate oxide: La 1-m Sr m Ga 1-n Mg n O 3 (where m is The cell integrated unit according to (2), which is one type of 0.05 or more and 0.3 or less and n is 0 or more and 0.3 or less), or a composite of two or more types.
(8) The fuel electrode layer material is composed of Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti elements or an oxide compound containing one or more of these elements. The cell integrated unit according to 2).
(9) The cell integrated unit according to (8), wherein the fuel electrode layer material is a composite with the electrolyte material according to (7).
(10) The electrode layer includes an active auxiliary material, and the active auxiliary material includes Pt, Pd, Ag, Ba, Sr, Ca, Mg, K, Na, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, The cell integrated unit according to (2), which is a metal containing at least one element of Ti, Al, Ga, Nb, Ta, V, and La, or an oxide containing one or more of these elements.
(11) the air electrode reaction active layer material is a composite comprising one or more of the activities auxiliary material according to the electrolyte layer material or (10) according to (7), to (2) The cell integrated unit described.
(12) An electrochemical reactor comprising the cell integrated unit according to any one of ( 2 ) to (11).

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の内壁面に電気化学セルを形成した構造をもつセル集積ユニットであって、貫通孔サイズが0.1〜1ミリ、かつ電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に、電解質層及び対電極層等を多層コートにより形成したセル集積ユニットの点、及び当該セル集積ユニットから構成される電気化学反応セルが高密度集積された小型で高効率の電気化学リアクターの点、に主要な特徴を有するものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention is a cell integrated unit having a structure in which an electrochemical cell is formed on the inner wall surface of a through-hole included in an integrated structure of through-holes made of an electrode material, and the through-hole size is 0.1 to 1 mm. And a cell integrated unit in which an electrolyte layer and a counter electrode layer are formed by multilayer coating on the inner wall surface of all or part of the through-holes included in the integrated structure of through-holes made of electrode material, and the cell It has a major feature in terms of a small and highly efficient electrochemical reactor in which electrochemical reaction cells composed of integrated units are integrated at high density.

従来の電気化学反応セルは、電極材料を支持体に用いており、ある程度の機械的強度を付与する必要があるため、支持体の厚さを減少させることには限界があり、重量やコスト面で不利であった。しかしながら、本発明で示されるような、高密度セル集積ユニット及びそれから構成される電気化学リアクターを構築することによって、高性能な小型で高効率の電気化学反応リアクターの開発が可能となる。   Conventional electrochemical reaction cells use an electrode material for the support, and it is necessary to provide a certain level of mechanical strength, so there is a limit to reducing the thickness of the support. It was disadvantageous. However, by constructing a high-density cell integrated unit and an electrochemical reactor composed thereof as shown in the present invention, it is possible to develop a high-performance, compact and highly efficient electrochemical reaction reactor.

本発明の電気化学反応リアクターは、好適には、例えば、固体酸化物燃料電池(SOFC)、排ガス浄化電気化学リアクター、水素製造リアクターなどに適用される。本発明の電気化学反応セルにおいて、空気極及び電解質、燃料極材料を適宜選定することによって、セル構造を好適な構造にすることができ、前述のような用途において、高効率な電気化学反応リアクターを提供することが可能となる。   The electrochemical reaction reactor of the present invention is preferably applied to, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC), an exhaust gas purification electrochemical reactor, a hydrogen production reactor, and the like. In the electrochemical reaction cell of the present invention, by appropriately selecting the air electrode, the electrolyte, and the fuel electrode material, the cell structure can be made a suitable structure. Can be provided.

次に、本発明のセル集積ユニット及びそれから構成される電気化学リアクターについて説明する。本発明の電気化学リアクターは、電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面上へ電気化学反応セルを形成して集積したセル集積ユニットを、複数直列又は並列に接続することにより構築される。貫通孔の形状により、電気化学反応単セル形状が決定されるが、管状や角状など、目的に応じて適宜の形状を選択することができる。なお、貫通孔の集積構造体として、六角形や四角形の規則配列構造を有するハニカム構造が例示されるが、それらに限定されるものではない。   Next, the cell integrated unit of the present invention and the electrochemical reactor composed thereof will be described. The electrochemical reactor according to the present invention includes a plurality of cell integrated units in which electrochemical reaction cells are formed and integrated on all or part of inner wall surfaces of through holes included in an integrated structure of through holes made of an electrode material. Constructed by connecting in series or parallel. The shape of the electrochemical reaction single cell is determined by the shape of the through hole, but an appropriate shape such as a tubular shape or a square shape can be selected according to the purpose. In addition, as the integrated structure of the through holes, a honeycomb structure having a regular arrangement structure of hexagonal shape or quadrangular shape is exemplified, but the structure is not limited thereto.

図2に、電気化学リアクターの基本骨格となるセル集積ユニットの概要を示す。電極材料からなる貫通孔の集積構造体1の貫通孔内壁面に、緻密な電解質層2及びもう一方の電極層3が形成されている。電極材料からなる貫通孔の集積構造体1からなる壁/電解質層2/電極層3からなる同様のセル構造が、集積構造体中に含まれる他の貫通孔の全てもしくは一部に対しても同時に形成されることにより、セル集積ユニットが構築され、更に、セル集積ユニットを直列もしくは並列に接合することによって、電気化学リアクターが構築される。   FIG. 2 shows an outline of a cell integrated unit that is a basic skeleton of an electrochemical reactor. A dense electrolyte layer 2 and the other electrode layer 3 are formed on the inner wall surface of the through hole of the through hole integrated structure 1 made of an electrode material. A similar cell structure comprising a wall / electrolyte layer 2 / electrode layer 3 comprising an integrated structure 1 of through-holes made of an electrode material can be applied to all or part of other through-holes contained in the integrated structure. By forming them simultaneously, a cell integrated unit is constructed, and further, an electrochemical reactor is constructed by joining the cell integrated units in series or in parallel.

本発明では、上記集積構造体は多孔質であり、その気孔率は15〜50%であること、が好ましく、また、上記集積構造体中に含まれる貫通孔端面の全てもしくは一部が閉じられていることが可能である。電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔を利用した電気化学セルには、2種類の構造が考えられる。その1つは、集積構造体が空気極からなり、その貫通孔内壁面へセル構造を構築する形式であり、もう1つは、集積構造体が燃料極からなり、その貫通孔内壁面へセル構造を構築する形式である。   In the present invention, the integrated structure is porous and preferably has a porosity of 15 to 50%, and all or part of the end surface of the through-hole included in the integrated structure is closed. It is possible that Two types of structures are conceivable for the electrochemical cell using the through holes included in the integrated structure of through holes made of an electrode material. One is a structure in which the integrated structure is composed of an air electrode, and a cell structure is constructed on the inner wall surface of the through-hole. The other is a structure in which the integrated structure is composed of a fuel electrode and the cell is formed on the inner wall surface of the through-hole. It is a format for constructing a structure.

ここで、図3に、空気極材料又は燃料極材料からなる貫通孔の集積構造体について見積もられる集電ロスを示す。本発明では、集積構造体用の材料として、空気極材料を選択しているが、それは、その集電ロスが燃料極材料からなる集積構造体と比べ、約1/8に抑えられるためである。その理由は、集電面積が非常に小さい内部電極層(図2の電極層3)に対し、一般的に、導電率が燃料極材料の1/10程度しかない空気極材料を使用しなければならないことにある。金属などの高導電性材料を空気極材料へ添加し、その導電率を高めることができれば、燃料極材料からなる貫通孔の集積構造体も適用できるが、リアクターの作動温度が数百℃以上となるため、高導電性材料−空気極材料の複合体の適用及びその長期安定性については、現時点では未知数である。   Here, FIG. 3 shows a current collection loss estimated for an integrated structure of through holes made of an air electrode material or a fuel electrode material. In the present invention, the air electrode material is selected as the material for the integrated structure, because the current collection loss is suppressed to about 1/8 compared to the integrated structure made of the fuel electrode material. . The reason for this is that, for the internal electrode layer (electrode layer 3 in FIG. 2) having a very small current collection area, generally, an air electrode material whose conductivity is only about 1/10 of the fuel electrode material must be used. There is something to be done. If a highly conductive material such as metal can be added to the air electrode material and its conductivity can be increased, an integrated structure of through-holes made of fuel electrode material can also be applied, but the reactor operating temperature is several hundred degrees Celsius or higher. Therefore, the application of the highly conductive material-air electrode material composite and its long-term stability are currently unknown.

本発明では、上記空気極材料からなる集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に形成された電気化学反応セルが、電解質層及び燃料極層の2層コートにより形成されていること、上記空気極材料からなる集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に形成された電気化学反応セルが、空気極反応活性層、電解質層及び燃料極層の3層コートにより形成されていること、上記内壁コート層について、空気極反応活性層の厚みが1〜10ミクロン、電解質層の厚みが1〜50ミクロン、燃料極層の厚みが1〜100ミクロンであること、が好ましい。   In the present invention, the electrochemical reaction cell formed on all or part of the inner wall surface of the through-hole included in the integrated structure made of the air electrode material is formed by the two-layer coating of the electrolyte layer and the fuel electrode layer. An electrochemical reaction cell formed on the inner wall surface of all or part of the through-holes included in the integrated structure made of the air electrode material has an air electrode reaction active layer, an electrolyte layer, and a fuel electrode layer. For the inner wall coat layer, the thickness of the air electrode reaction active layer is 1 to 10 microns, the thickness of the electrolyte layer is 1 to 50 microns, and the thickness of the fuel electrode layer is 1 to 100 microns. It is preferable.

上記集積構造体に用いられる空気極反応活性層材料としては、好適には、例えば、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,又はMgの元素又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物が、また、燃料極層材料としては、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,又はTiの元素又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物、又は後記する電解質層材料又は活性補助材料のうち1種以上を含む複合体又はサーメットが挙げられる。   The air electrode reaction active layer material used for the integrated structure is preferably, for example, Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, or Mg, or these elements. Oxides containing one or more kinds, and as the fuel electrode layer material, Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, or Ti elements or oxidation containing one or more of these elements Or a composite or cermet containing at least one of an electrolyte layer material and an active auxiliary material described later.

電解質層材料としては、高いイオン導電性を有する材料を使用することが必要であり、好適には、例えば、セリア系酸化物:Ce1−xLn2−x/2(ただし、LnはLa,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Yのうち少なくとも1種類を含み、xが0.05以上0.50以下)、スカンジア安定化ジルコニア酸化物:a mol% Sc−b mol% CeO−c mol% ZrO(ただし、aが8以上15以下、bが0以上2以下、かつa+b+c=100)、ランタンガレート酸化物:La1−mSrGa1−nMg(ただし、mが0.05以上0.3以下、nが0以上0.3以下)の1種類、もしくは2種類以上の複合体を用いることが望ましい。 As the electrolyte layer material, it is necessary to use a material having high ionic conductivity. Preferably, for example, a ceria-based oxide: Ce 1-x Ln x O 2−x / 2 (where Ln is Including at least one of La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y, and x is 0.05 to 0.50), scandia stabilization zirconia oxide: a mol% Sc 2 O 3 -b mol% CeO 2 -c mol% ZrO 2 ( where, a is 8 to 15, b is 0 to 2, and a + b + c = 100) , lanthanum gallate oxide : La 1-m Sr m Ga 1-n Mg n O 3 (where m is 0.05 or more and 0.3 or less, n is 0 or more and 0.3 or less), or two or more kinds of composites It is desirable to use it.

また、上記空気極や燃料極の電極反応活性を向上させるために、活性補助材料を組み合わせることも可能である。電極材料に活性補助材料を組み合わせる方法としては、電極材料中へ直接活性補助材料を混ぜ合わせる、もしくは電極と電解質の間に活性補助材料を含む中間層を挿入する方法など、目的に応じて、適宜の方法を選択することができる。   Moreover, in order to improve the electrode reaction activity of the said air electrode or a fuel electrode, it is also possible to combine an active auxiliary material. As a method of combining the active auxiliary material with the electrode material, the active auxiliary material is directly mixed into the electrode material, or an intermediate layer containing the active auxiliary material is inserted between the electrode and the electrolyte, depending on the purpose. The method can be selected.

また、電極材料に直接混ぜ合わせる活性補助材料としては、Pt,Pd,Ag,Ba,Sr,Ca,Mg,K,Na,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ti,Al,Ga,Nb,Ta,V,又はLaの元素を少なくとも1種類以上含む金属、もしくはこれら元素を1種類以上含む酸化物であることが望ましい。空気極と電解質の間に挿入する活性層としては、空気極材料に対し、上述の電解質材料もしくは上述の活性補助材料のうち1種類以上を含む複合体を用いることが好ましい。   Further, as active auxiliary materials to be directly mixed with the electrode material, Pt, Pd, Ag, Ba, Sr, Ca, Mg, K, Na, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Al, Ga, A metal containing at least one element of Nb, Ta, V, or La, or an oxide containing one or more elements of these elements is desirable. As the active layer inserted between the air electrode and the electrolyte, it is preferable to use a composite containing one or more of the above-mentioned electrolyte material or the above-mentioned active auxiliary material with respect to the air electrode material.

次に、電極材料からなる貫通孔の集積構造体壁に求められる多孔度について説明する。電極材料からなるセル集積ユニットに含まれる全ての電気化学反応セルが機能発現するためには、基本骨格(貫通孔の集積構造体)を構成する電極材料の電極反応に必要なガス(SOFC用空気極材料では空気、SOFC用燃料極材料では燃料ガス)が集積構造体壁中を拡散し、緻密な電解質層との界面へ連続的に供給される必要がある。   Next, the porosity required for the wall of the integrated structure of through holes made of an electrode material will be described. In order for all electrochemical reaction cells included in the cell integrated unit made of electrode material to function, the gas (SOFC air) required for the electrode reaction of the electrode material constituting the basic skeleton (through hole integrated structure) It is necessary that air in the polar material and fuel gas in the fuel electrode material for SOFC diffuse through the wall of the integrated structure and be continuously supplied to the interface with the dense electrolyte layer.

そのため、集積構造体壁には、ガス透過性が求められる。その条件を満たすためには、集積構造体壁が15%以上の気孔率を有していることが好ましい。同時に、集積構造体からなるセル集積ユニットは、電気化学リアクターの基本骨格を形成することになるため、その強度を保持するために、最大気孔率として、50%以下となることが好ましい。   Therefore, gas permeability is required for the integrated structure wall. In order to satisfy the condition, it is preferable that the wall of the integrated structure has a porosity of 15% or more. At the same time, since the cell integrated unit composed of the integrated structure forms the basic skeleton of the electrochemical reactor, the maximum porosity is preferably 50% or less in order to maintain its strength.

また、基本骨格(貫通孔の集積構造体)を構成する電極材料の電極反応に必要なガス(SOFC用空気極材料では空気、SOFC用燃料極材料では燃料ガス)が、電極材料からなる集積構造体の壁内部をガス供給経路として、電解質層との界面部へ供給されるだけでなく、貫通孔の一部にはセル構造を構築せずに、露出した電極孔を反応ガスの供給経路として利用することも可能である。   Also, an integrated structure in which the gas necessary for the electrode reaction of the electrode material constituting the basic skeleton (through hole integrated structure) (air in the SOFC air electrode material, fuel gas in the SOFC fuel electrode material) is composed of the electrode material. The inside of the body wall is not only supplied to the interface with the electrolyte layer as a gas supply path, but also the exposed electrode hole is used as a reaction gas supply path without constructing a cell structure in a part of the through hole. It can also be used.

本発明では、上記集積構造体の外周面から連続して通じる構造体の壁をガスの流通経路として用いること、上記ガスが、燃料もしくは酸素を1種類以上含むガスであること、が好ましい。なお、空気や燃料など供給ガスの反応率(利用率)によっては、電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔端面の全てあるいは一部が閉じられていてもよい。   In the present invention, it is preferable that the wall of the structure continuously connected from the outer peripheral surface of the integrated structure is used as a gas flow path, and that the gas is a gas containing one or more kinds of fuel or oxygen. Depending on the reaction rate (utilization rate) of the supply gas such as air or fuel, all or a part of the end face of the through hole included in the integrated structure of the through holes made of the electrode material may be closed.

ここで、電解質層は、緻密であり、厚さが1〜50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、厚さが20ミクロン以下であることが好ましい。また、燃料極層は、多孔質であり、厚さが1〜100ミクロンの範囲であることが好ましく、更に、集電抵抗を抑えるために、厚さが10ミクロン以上であることが好ましい。また、反応活性層は、多孔質であり、厚さが1〜10ミクロンの範囲であることが好ましい。   Here, the electrolyte layer is dense and preferably has a thickness in the range of 1 to 50 microns. Further, in order to suppress the electric resistance of the electrolyte, the thickness is preferably 20 microns or less. Further, the fuel electrode layer is porous and preferably has a thickness in the range of 1 to 100 microns, and more preferably has a thickness of 10 microns or more in order to suppress current collection resistance. The reaction active layer is preferably porous and has a thickness in the range of 1 to 10 microns.

次に、本発明に係るセル集積ユニット、及びそれから構成される電気化学リアクターの製造方法について説明する。本発明の電気化学リアクターの製造方法は、具体的には、電極材料からなる貫通孔の集積構造体を作製し、その貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に対し、電気化学反応セル構造となるように多層コートを施し、焼成する工程で構成されている。   Next, a cell integrated unit according to the present invention and a method for producing an electrochemical reactor composed thereof will be described. Specifically, the manufacturing method of the electrochemical reactor of the present invention is to produce an integrated structure of through holes made of an electrode material, and to form an electrochemical reaction cell structure on the inner wall surface of all or part of the through holes. It consists of a process of applying a multilayer coating and firing.

本発明に係る電気化学リアクターの製造方法は、基本的には、次のような工程を含んでいる。
(1)ゲルキャスティングもしくは押出成形により一方の電極材料からなる貫通孔の集積構造体を造形し、乾燥あるいは仮焼する工程、及び、
(2)スラリー圧入法により、得られた貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面へセル構造を構築する工程。
以下、上記工程について詳細に説明する。
The method for producing an electrochemical reactor according to the present invention basically includes the following steps.
(1) A step of shaping an accumulated structure of through-holes made of one electrode material by gel casting or extrusion, and drying or calcining; and
(2) A step of constructing a cell structure on all or a part of inner wall surfaces of the through-holes included in the obtained through-hole integrated structure by a slurry press-fitting method.
Hereafter, the said process is demonstrated in detail.

はじめに、上記空気極材料の粉末にバインダーを加えて、水で練り、得られた塑性混合物を押し出し成形法等にて、所定の貫通孔の集積構造体を成形する。ここでは、セルロース系有機高分子を使用することが重要である。バインダー添加量は、電極材料100gに対して5〜50gのセルロース系有機高分子の使用が好ましく、好適には10〜30gである。この場合、必要に応じて、炭素粉末等の気孔生成剤を加えることができる。得られた貫通孔の集積構造体は、常温で乾燥する。必要に応じて、〜1100℃まで仮焼することができる。これらによって、焼成後15%以上の気孔率をもつ電極材料からなる貫通孔の集積構造体を得ることができる。   First, a binder is added to the powder of the air electrode material and kneaded with water, and the obtained plastic mixture is formed into an integrated structure of predetermined through holes by an extrusion method or the like. Here, it is important to use a cellulosic organic polymer. The amount of the binder added is preferably 5 to 50 g of a cellulose-based organic polymer, preferably 10 to 30 g, per 100 g of the electrode material. In this case, a pore-generating agent such as carbon powder can be added as necessary. The obtained through-hole integrated structure is dried at room temperature. If necessary, it can be calcined to ˜1100 ° C. Thus, an integrated structure of through-holes made of an electrode material having a porosity of 15% or more after firing can be obtained.

また、例えば、水100gに対し、電極材料50〜200g、ゲル化剤1〜10gを混合して得られた貫通孔の集積構造体成形用のセラミックスラリーを成形型に鋳込み、ゲル化、乾燥し、離型後、所定の電極材料からなる貫通孔の集積構造体を得ることも可能である。この場合、必要に応じて、炭素粉末等の気孔生成剤をセラミックスラリーへ加えることができる。   Also, for example, a ceramic slurry for forming an integrated structure of through-holes obtained by mixing 50 to 200 g of electrode material and 1 to 10 g of a gelling agent with 100 g of water is cast into a mold, gelled and dried. After the mold release, it is possible to obtain an integrated structure of through holes made of a predetermined electrode material. In this case, a pore forming agent such as carbon powder can be added to the ceramic slurry as necessary.

成形型に平行に配列した複数の芯を入れた場合、平行に配列した複数の貫通孔が多孔質成形体中に形成される。芯の形状としては、円柱状や角柱状など様々な形状を用いることができる。押出成形法と同様、得られた成形体は、必要に応じて、1100℃まで仮焼することができる。これらによって、焼成後15%以上の気孔率をもつ電極材料からなる貫通孔の集積構造体を作製することができる。   When a plurality of cores arranged in parallel are put in the mold, a plurality of through holes arranged in parallel are formed in the porous molded body. As the shape of the core, various shapes such as a columnar shape and a prismatic shape can be used. Similar to the extrusion molding method, the obtained molded body can be calcined up to 1100 ° C. as necessary. Thus, an integrated structure of through-holes made of an electrode material having a porosity of 15% or more after firing can be produced.

次に、電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に対し、電気化学反応セル構造が形成されるように、電解質材料及び電極材料等をコートし、乾燥、焼成することによって、図4に示すような、集積構造体からなるセル集積ユニットを製造することができ、また、複数のセル集積ユニットを直列又は並列に接合することによって、電気化学リアクターを作製することができる。   Next, an electrolyte material and an electrode material are coated so that an electrochemical reaction cell structure is formed on all or part of the inner wall surface of the through-holes included in the integrated structure of through-holes made of electrode materials. Then, by drying and firing, a cell integrated unit having an integrated structure as shown in FIG. 4 can be manufactured, and by joining a plurality of cell integrated units in series or in parallel, electrochemical A reactor can be made.

電極材料からなる貫通孔の集積構造体からセル集積ユニットを製造する工程としては、当該貫通孔の全てもしくは一部の貫通孔に対し、セル構造の構築に必要な積層コート層を、各層毎にコート及び焼成を繰り返す方法や、複数層をコート後、同時焼成する方法など、適宜の方法及び手段を使用して形成することができる。   As a process of manufacturing a cell integrated unit from an integrated structure of through-holes made of an electrode material, a laminated coating layer necessary for constructing a cell structure is formed for each layer of all or a part of the through-holes. It can be formed using appropriate methods and means, such as a method of repeating coating and baking, or a method of simultaneous baking after coating a plurality of layers.

貫通孔内壁面へのコート方法の一例として、スラリー圧入法が例示される。スラリーには、電極基材との良好な濡れ性や、乾燥後の基材に対する高い接着性、焼成後に電解質や燃料極として機能できる十分な膜厚かつ密度制御等が求められる。   As an example of a method for coating the inner wall surface of the through hole, a slurry press-fitting method is exemplified. The slurry is required to have good wettability with the electrode substrate, high adhesion to the substrate after drying, sufficient film thickness and density control that can function as an electrolyte or fuel electrode after firing, and the like.

そのため、エタノール溶媒100〜200mlに対し、電解質層、燃料極層、電極反応活性層などコート用材料100g、及び5〜20gのセルロース系有機バインダー、1〜5gの有機系分散剤、2〜5gの有機系可塑剤を混合したものを使用することが好ましい。好適には、エタノール溶媒100〜150mlに対し、コート用材料100g、及び5〜10gのセルロース系有機バインダー、1〜2gの有機系分散剤、3〜5gの有機系可塑剤という混合比が例示される。   Therefore, for 100 to 200 ml of ethanol solvent, 100 g of coating material such as electrolyte layer, fuel electrode layer, electrode reaction active layer, 5 to 20 g of cellulose organic binder, 1 to 5 g of organic dispersant, 2 to 5 g of It is preferable to use a mixture of organic plasticizers. Preferably, a mixing ratio of 100 g of a coating material, 5 to 10 g of a cellulose organic binder, 1 to 2 g of an organic dispersant, and 3 to 5 g of an organic plasticizer is exemplified with respect to 100 to 150 ml of an ethanol solvent. The

これまで、貫通孔へのコート法として、前述の特許文献に記述されているように、ディップ法に代表されるスラリーコーティングが試されてきた。スラリーコーティングとは、基材を原料粉体が分散したスラリー中に直接浸積し、基材表面へコート膜を堆積させる手法であり、貫通孔サイズが数ミリ以上と大きな場合には、同手法は適用可能である。なお、これまでに報告されているハニカム型SOFCの貫通孔サイズとしては、3〜5ミリが選択されているのみである。しかしながら、本発明で提案する貫通孔サイズが0.1〜1ミリの場合、貫通孔内に気泡が残留しやすく、コートされない領域が生じてしまう、不要な部分もスラリーにコートされてしまう、貫通孔内へ必要以上にスラリーが残存してしまう、等の問題があり、適用が困難であった。   So far, as described in the above-mentioned patent document, slurry coating represented by the dip method has been tried as a coating method for the through-hole. Slurry coating is a technique in which a substrate is directly immersed in a slurry in which raw material powder is dispersed, and a coating film is deposited on the surface of the substrate. If the through-hole size is as large as several millimeters or more, this method is used. Is applicable. In addition, as the through-hole size of the honeycomb type SOFC reported so far, only 3 to 5 mm is selected. However, when the through-hole size proposed in the present invention is 0.1 to 1 mm, bubbles are likely to remain in the through-hole, resulting in an uncoated region, and unnecessary portions being coated with slurry. There was a problem that the slurry remained in the pores more than necessary, and it was difficult to apply.

それに対し、本発明のスラリー圧入法は、シリンジポンプ等を用いて、上記スラリーを正確に貫通孔のみへ圧入後、圧力調整しながら充填スラリーを吸引する手法であり、対象が、0.1〜1ミリの貫通孔サイズであっても、その内壁面へ精緻にコート膜形成を行うことができる。   On the other hand, the slurry press-fitting method of the present invention is a method of sucking the filled slurry while adjusting the pressure after press-fitting the slurry accurately only into the through-hole using a syringe pump or the like, and the target is 0.1 to Even if the through-hole size is 1 mm, the coating film can be precisely formed on the inner wall surface.

その際、スラリー条件によっては、ディップ法と同様、未コート領域が生じてしまう、不要なコート材料が貫通孔内に残留してしまう、膜の密度制御ができていない、など、様々なコート欠陥(比較例として示した、図5を参照。)ができてしまうため、前述のような高精度なスラリー調整が重要となる。   At that time, depending on the slurry conditions, various coating defects such as uncoated areas, unnecessary coating materials remaining in the through holes, and film density control not being possible, as in the dipping method. (Refer to FIG. 5 shown as a comparative example.) As described above, highly accurate slurry adjustment as described above is important.

なお、本発明のスラリー圧入法では、全ての貫通孔へ同時にコート膜形成を行うことができるが、貫通孔の一部を封じることによって、残りの開口貫通孔全てにコート膜を同時形成させることも可能である。本発明におけるコート層の形成方法は、上記スラリー圧入法が好適であるが、これに限定されるものではなく、適宜のコート方法を任意に使用でき、また、本発明では、電極材料からなる貫通孔の集積構造体の気孔率、貫通孔のサイズや形状、堆積膜の厚さや緻密性は、任意に設定することができる。   In addition, in the slurry press-fitting method of the present invention, it is possible to form a coat film on all the through holes at the same time, but by simultaneously sealing a part of the through holes, a coat film can be simultaneously formed on all the remaining through holes. Is also possible. The method for forming a coating layer in the present invention is preferably the above slurry press-fitting method, but is not limited to this, and an appropriate coating method can be arbitrarily used. In the present invention, a penetration made of an electrode material is used. The porosity of the hole integrated structure, the size and shape of the through holes, and the thickness and denseness of the deposited film can be arbitrarily set.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)本発明では、電気化学反応セルの高集積化が可能であり、それにより、セル電極面積を飛躍的に増大させることができる。
(2)本発明のセル集積ユニットを用いて電気化学反応セルを高集積化することにより、電気化学リアクターを小型化することができる。
(3)本発明のセル集積ユニットを用いて電気化学反応セルを高集積化することにより、電気化学リアクターの高効率化が達成できる。
(4)本発明のセル集積ユニットを用いて電気化学反応セルを高集積化することにより、電気化学リアクターの低温作動化が可能となる。
(5)空気極材料をセル集積ユニットの基本骨格として選択することにより、集電ロスを大きく低減させることができる。
(6)本発明に係るスラリー圧入法により、貫通孔サイズが0.1〜1ミリ、かつ電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面へ電気化学セル構造を構築することができる。
The present invention has the following effects.
(1) In the present invention, the electrochemical reaction cell can be highly integrated, and the cell electrode area can be dramatically increased.
(2) The electrochemical reactor can be miniaturized by highly integrating the electrochemical reaction cell using the cell integrated unit of the present invention.
(3) By highly integrating the electrochemical reaction cell using the cell integrated unit of the present invention, high efficiency of the electrochemical reactor can be achieved.
(4) By highly integrating the electrochemical reaction cell using the cell integrated unit of the present invention, the electrochemical reactor can be operated at a low temperature.
(5) By selecting the air electrode material as the basic skeleton of the cell integrated unit, the current collection loss can be greatly reduced.
(6) By the slurry press-fitting method according to the present invention, the through hole size is 0.1 to 1 mm, and all or part of the inner wall surface of the through hole included in the integrated structure of the through hole made of the electrode material A chemical cell structure can be constructed.

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、先ず、以下の手順に従い、空気極材料からなる貫通孔の集積構造体を成形した。空気極材料の一種であるマンガン酸ランタン(以下、LSMと記載する。)に、バインダーとしてニトロセルロースを加えて、水で練り、粘土状にした後、押し出し成形法により、貫通孔の集積構造体を成形した。得られた貫通孔の集積構造体は、外径15ミリ×15ミリ、孔数16×16、孔サイズ0.8ミリ×0.8ミリ、壁厚0.2ミリであった。   In this example, first, an integrated structure of through holes made of an air electrode material was formed according to the following procedure. Nitrocellulose as a binder is added to lanthanum manganate (hereinafter referred to as LSM), which is a kind of air electrode material, kneaded with water and made into a clay, and then an integrated structure of through-holes by extrusion molding. Was molded. The obtained through-hole integrated structure had an outer diameter of 15 mm × 15 mm, a number of holes of 16 × 16, a hole size of 0.8 mm × 0.8 mm, and a wall thickness of 0.2 mm.

得られたLSMからなる貫通孔の集積構造体用の成形体を1000℃にて仮焼した後、コート用治具に取り付け、シリンジポンプにて、全ての貫通孔内に電解質スラリーを充填させ、同シリンジポンプにて、充填スラリーを吸引し、貫通孔壁面へ電解質コートを施した。電解質コートしたLSM成形体を、1300℃で共焼成することによって、全ての貫通孔壁面へ厚さ10ミクロンの緻密電解質膜の同時形成を行った。   After calcining the molded body for the integrated structure of through-holes made of LSM obtained at 1000 ° C., it was attached to a coating jig and filled with electrolyte slurry in all through-holes with a syringe pump, With the same syringe pump, the filled slurry was sucked and an electrolyte coating was applied to the wall surface of the through hole. The electrolyte-coated LSM compact was co-fired at 1300 ° C. to simultaneously form a dense electrolyte membrane having a thickness of 10 μm on all through-hole wall surfaces.

共焼成したLSMからなる貫通孔の集積構造体壁の気孔率は、30%であり、空気極として十分な多孔度を有していた。共焼成後の貫通孔の集積構造体は、外径12ミリ×12ミリ、孔サイズ0.65ミリ×0.65ミリ、壁厚0.16ミリであった。   The porosity of the integrated structure wall of through-holes made of co-fired LSM was 30% and had a sufficient porosity as an air electrode. The integrated structure of through-holes after co-firing had an outer diameter of 12 mm × 12 mm, a hole size of 0.65 mm × 0.65 mm, and a wall thickness of 0.16 mm.

ここで、使用した電解質スラリーは、セリア系酸化物(以下、GDCと記載する。)もしくはスカンジア安定化ジルコニア(以下、ScSZと記載する。)等の電解質材料100g、エタノール−トルエン混合溶媒150ml、ポリビニルブチラールバインダ10g、分散剤1g、可塑剤5gのボールミル混合により調製した。   Here, the electrolyte slurry used was 100 g of an electrolyte material such as ceria-based oxide (hereinafter referred to as GDC) or scandia-stabilized zirconia (hereinafter referred to as ScSZ), 150 ml of ethanol-toluene mixed solvent, polyvinyl. It was prepared by ball mill mixing of 10 g of butyral binder, 1 g of dispersant, and 5 g of plasticizer.

貫通孔内壁の全ての電解質膜上へ、更に、燃料極スラリーを、上述と同様の方法によりコートした後、1100℃以上の温度にて焼成し、図4に示すような、空気極からなる貫通孔の集積構造体を基本骨格としたセル集積ユニットを製造した。   The fuel electrode slurry is further coated on all the electrolyte membranes on the inner wall of the through hole by the same method as described above, and then baked at a temperature of 1100 ° C. or higher to form a through hole made of an air electrode as shown in FIG. A cell integrated unit having a hole integrated structure as a basic skeleton was manufactured.

同様のコート法により作製したLSM(基材、気孔率30%)/GDC(中間層)/ScSZ(電解質層)/NiO−GDC(燃料極層)系セル構造の電気化学的評価を行った。その結果、600℃にて最大出力密度73mW/cm、700℃にて、最大出力密度230mW/cmが得られた(図6参照)。この材料系にて、空気極からなる貫通孔の集積構造体を基本骨格としたセル集積ユニットを形成した場合、600℃でも2W/cc以上の体積出力密度が見込め、世界最高レベルの小型高性能電気化学リアクターの実現が可能となった。 Electrochemical evaluation of LSM (base material, porosity 30%) / GDC (intermediate layer) / ScSZ (electrolyte layer) / NiO-GDC (fuel electrode layer) cell structure produced by the same coating method was performed. As a result, at maximum power density 73mW / cm 2, 700 ℃ at 600 ° C., the maximum power density 230 mW / cm 2 was obtained (see FIG. 6). In this material system, when a cell integration unit with a through-hole integrated structure consisting of air electrodes as a basic skeleton is formed, a volume output density of 2 W / cc or higher can be expected even at 600 ° C. An electrochemical reactor can be realized.

以上詳述したように、本発明は、貫通孔サイズが0.1〜1ミリかつ、空気極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面を電気化学反応セルの構造支持体かつ空気極として用いるセル集積ユニット、それから構成される電気化学リアクターに係るものであり、本発明の製造方法により、小型高性能な電極材料からなる貫通孔の集積構造体を基本骨格としたセル集積ユニットが製造され、複数のセル集積ユニットを直列又は並列に接合することにより、電気化学リアクターを作製することができる。本発明では、貫通孔サイズが0.1〜1ミリの電気化学反応セルを高密度集積することによって、セル集積ユニットの小型高効率化、低温作動化が行えると同時に、材料系及びセル構造を改良することによって、600℃でも2W/cc以上を望める高性能電気化学リアクターの実現が可能となる。本発明は、固体酸化物燃料電池等の電気化学反応システムに関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。   As described above in detail, the present invention electrically connects all or part of the inner wall surface of the through-holes included in the integrated structure of through-holes having a through-hole size of 0.1 to 1 mm and made of an air electrode material. A cell integrated unit used as a structure support body and an air electrode of a chemical reaction cell, and an electrochemical reactor including the cell integrated unit. By the manufacturing method of the present invention, an integrated structure of through-holes made of a small high-performance electrode material Is a basic skeleton, and an electrochemical reactor can be manufactured by joining a plurality of cell integrated units in series or in parallel. In the present invention, by integrating the electrochemical reaction cells having a through-hole size of 0.1 to 1 mm with high density, the cell integrated unit can be reduced in size and efficiency, and can be operated at a low temperature. By improving, it is possible to realize a high-performance electrochemical reactor that can achieve 2 W / cc or more even at 600 ° C. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for providing new technologies and new products related to electrochemical reaction systems such as solid oxide fuel cells.

セル集積ユニットに関する孔サイズと体積出力密度及び圧力損失の関係を示す。The relationship between the hole size, volume power density, and pressure loss regarding a cell integrated unit is shown. セル集積ユニットの概略図を示す。A schematic diagram of a cell integration unit is shown. 支持体材料と集電ロスの関係を示す。The relationship between support material and current collection loss is shown. セル集積ユニットの断面図及びセル構造部の拡大図を示す。A sectional view of a cell integrated unit and an enlarged view of a cell structure part are shown. 様々なコーティング欠陥を示す。Various coating defects are shown. LSM(基材)/GDC(中間層)/ScSZ(電解質層)/NiO−GDC(燃料極層)系セル構造の電気的特性を示す。The electrical characteristics of the LSM (base material) / GDC (intermediate layer) / ScSZ (electrolyte layer) / NiO-GDC (fuel electrode layer) cell structure are shown.

Claims (12)

電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の内壁面に電気化学セルを形成した構造をもつセル集積ユニットであって、貫通孔サイズが0.1〜1ミリ、かつ電極材料からなる貫通孔の集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に電気化学反応セルを形成し、当該内壁面を電気化学反応セルの構造支持体及び電極層として用いた構造を有するセル集積ユニットを製造する方法であって、
(1)ゲルキャスティングもしくは押出成形により、一方の電極材料からなる貫通孔の集積構造体用の成形体を造形し、乾燥あるいは仮焼する工程、
(2)スラリー圧入法により、得られた貫通孔の集積構造体用の成形体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面へセル構造を構築する工程、
を有することを特徴とするセル集積ユニットの製造方法。
A cell integrated unit having a structure in which an electrochemical cell is formed on an inner wall surface of a through-hole included in an integrated structure of through-holes made of an electrode material, the through-hole size being 0.1 to 1 mm, and the electrode material A structure in which an electrochemical reaction cell is formed on the inner wall surface of all or a part of the through-holes included in the integrated structure of through-holes, and the inner wall surface is used as a structural support and an electrode layer of the electrochemical reaction cell A method of manufacturing a cell integrated unit comprising:
(1) A step of shaping a molded body for an integrated structure of through-holes made of one electrode material by gel casting or extrusion, and drying or calcining,
(2) A step of constructing a cell structure on the inner wall surface of all or part of the through-holes contained in the molded body for the integrated structure of through-holes obtained by the slurry press-fitting method,
A method for producing a cell integrated unit, comprising:
請求項1に記載の製造方法で得られたセル集積ユニットであって、
1)電極材料からなる貫通孔の集積構造体と、該集積構造体中に含まれる貫通孔の内壁面に構築した電気化学セル構造から構成され、2)当該貫通孔のサイズが0.1〜1ミリで、かつ当該内壁面を電気化学反応セルの構造支持体及び電極層とした構造を有し、3)上記集積構造体が多孔質で、その気孔率が15〜50%であり、4)上記集積構造体が、空気極材料からなり、5)該空気極材料からなる集積構造体中に含まれる貫通孔の全てもしくは一部の内壁面に形成された電気化学反応セルが、空気極反応活性層、電解質層及び燃料極層の3層コートにより形成されており、6)上記空気極反応活性層材料が、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成され、7)600℃での体積出力密度が少なくても2W/ccであること、を特徴とするセル集積ユニット。
A cell integrated unit obtained by the manufacturing method according to claim 1,
1) It is composed of an integrated structure of through-holes made of an electrode material and an electrochemical cell structure constructed on the inner wall surface of the through-holes included in the integrated structure. 2) The size of the through-holes is 0.1 to 0.1. 1 mm, and the inner wall surface is a structure support and an electrode layer of an electrochemical reaction cell. 3) The integrated structure is porous and has a porosity of 15 to 50%. 5) The integrated structure is made of an air electrode material. 5) The electrochemical reaction cell formed on the inner wall surface of all or part of the through holes included in the integrated structure made of the air electrode material is an air electrode. 6) The air electrode reaction active layer material is composed of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, and the reaction active layer, the electrolyte layer, and the fuel electrode layer. , Mg elements or oxide compounds containing one or more of these elements Is al arrangement, 7) cells integrated unit which can be less volume output density at 600 ° C. is 2W / cc, characterized by.
上記集積構造体中に含まれる貫通孔端面の全てもしくは一部が閉じられている、請求項2に記載のセル集積ユニット。   The cell integrated unit according to claim 2, wherein all or part of the end surface of the through hole included in the integrated structure is closed. 上記内壁コート層について、空気極反応活性層の厚みが1〜10ミクロン、電解質層の厚みが1〜50ミクロン、燃料極層の厚みが1〜100ミクロンである、請求項2に記載のセル集積ユニット。   The cell integration according to claim 2, wherein the inner wall coat layer has an air electrode reaction active layer thickness of 1 to 10 microns, an electrolyte layer thickness of 1 to 50 microns, and a fuel electrode layer thickness of 1 to 100 microns. unit. 上記集積構造体の外周面から連続して通じる構造体の壁をガスの流通経路として用いる、請求項2に記載のセル集積ユニット。   The cell integrated unit according to claim 2, wherein a wall of the structure that continues from the outer peripheral surface of the integrated structure is used as a gas flow path. 上記ガスが、燃料もしくは酸素を1種類以上含むガスである、請求項4に記載のセル集積ユニット。   The cell integrated unit according to claim 4, wherein the gas is a gas containing one or more kinds of fuel or oxygen. 上記電解質層が、セリア系酸化物:Ce1−xLn2−x/2(ただし、LnはLa,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Yのうち少なくとも1種類を含み、xが0.05以上0.50以下)、スカンジア安定化ジルコニア酸化物:a mol% Sc−b mol% CeO−c mol% ZrO (ただし、aが8以上15以下、bが0以上2以下、かつa+b+c=100)、ランタンガレート酸化物:La1−mSrGa1−nMg(ただし、mが0.05以上0.3以下、nが0以上0.3以下)の1種類、もしくは2種類以上の複合体である、請求項2に記載のセル集積ユニット。 The electrolyte layer, ceria based oxide: Ce 1-x Ln x O 2-x / 2 ( although, Ln is La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb , Lu, Y, and x is 0.05 or more and 0.50 or less), scandia-stabilized zirconia oxide: a mol% Sc 2 O 3 -b mol% CeO 2 -c mol% ZrO 2 (Where a is 8 or more and 15 or less, b is 0 or more and 2 or less, and a + b + c = 100), lanthanum gallate oxide: La 1-m Sr m Ga 1-n Mg n O 3 (where m is 0.05 The cell integrated unit according to claim 2, wherein the cell integrated unit is one type of 0.3 or less and n is 0 or more and 0.3 or less), or two or more types of composites. 上記燃料極層材料が、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiの元素又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、請求項2に記載のセル集積ユニット。   The said fuel electrode layer material is comprised from the oxide compound containing the element of Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti, or one or more of these elements. Cell integration unit. 上記燃料極層材料が、請求項7に記載の電解質材料との複合体である、請求項8に記載のセル集積ユニット。   The cell integrated unit according to claim 8, wherein the fuel electrode layer material is a composite with the electrolyte material according to claim 7. 上記電極層が、活性補助材料を含み、該活性補助材料が、Pt,Pd,Ag,Ba,Sr,Ca,Mg,K,Na,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ti,Al,Ga,Nb,Ta,V,Laの元素を少なくとも1種類以上含む金属、もしくはこれらの元素を1種類以上含む酸化物である、請求項2に記載のセル集積ユニット。   The electrode layer includes an active auxiliary material, and the active auxiliary material includes Pt, Pd, Ag, Ba, Sr, Ca, Mg, K, Na, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, and Al. 3. The cell integrated unit according to claim 2, wherein the cell integrated unit is a metal containing at least one kind of elements of Ga, Nb, Ta, V, and La, or an oxide containing one or more kinds of these elements. 上記空気極反応活性層材料が、請求項7に記載の電解質層材料又は請求項10に記載の活性補助材料のうち1種類以上を含む複合体である、請求項に記載のセル集積ユニット。 The cell integrated unit according to claim 2 , wherein the air electrode reaction active layer material is a composite containing one or more of the electrolyte layer material according to claim 7 or the active auxiliary material according to claim 10. 請求項から11のいずれかに記載のセル集積ユニットから構成されることを特徴とする電気化学リアクター。 An electrochemical reactor comprising the cell integrated unit according to any one of claims 2 to 11.
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