JP6651670B2 - 電気化学セル用電解質、及び電気化学セル - Google Patents
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Description
図1は、実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池10の構成を示す断面図である。固体アルカリ形燃料電池10は、カソード12、アノード14、及び電解質16(電気化学セル用電解質の一例)を備える。固体アルカリ形燃料電池10は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温(例えば、50℃〜250℃)で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。
・アノード14: CH3OH+6OH−→6e−+CO2+5H2O
・全体 : CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
カソード12は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。固体アルカリ形燃料電池10の発電中、カソード12には、酸化剤供給手段13を介して、酸素(O2)を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード12は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード12の気孔率は特に制限されない。カソード12の厚みは特に制限されないが、例えば10〜200μmとすることができる。
アノード14は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。固体アルカリ形燃料電池10の発電中、アノード14には、燃料供給手段15を介して、水素原子(H)を含む燃料が供給される。アノード14は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード14の気孔率は特に制限されない。アノード14の厚みは特に制限されないが、例えば10〜500μmとすることができる。
電解質16は、カソード12とアノード14との間に配置される。電解質16は、カソード12及びアノード14のそれぞれに接続される。電解質16は、主面及び側面を有する膜状に形成される。電解質16のカソード側主面16Sにはカソード12が配置されており、アノード側主面16Tにはアノード14が配置されている。
無機固体電解質体22の作製方法は特に限定されないが、無機固体電解質体22をLDHで構成する場合であって、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含むとき、以下の工程(1)〜(4)で作製することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上記実施形態では、閉気孔24は、多孔質基材20から離れていたが、図3に示すように、閉気孔24は、多孔質基材20に接していてもよい。すなわち、閉気孔24は、連続孔20aの内表面と直接的に接触していてもよい。これによって、閉気孔24が多孔質基材20から離れている場合に比べて、閉気孔24の存在による多孔質基材20の拘束面積を低減できるため、多孔質基材20自体の柔軟性を向上させることができる。そのため、電解質16に体積変化や変形が生じた場合に、カソード12と電解質16との界面、又は/及び、アノード14と電解質16との界面に応力が発生することをより抑制できる。
上記実施形態では、電解質16は、複数の閉気孔24を有することとしたが、閉気孔24を少なくとも1つ有していれば、閉気孔24を全く有していない場合に比べて、複合部22aに柔軟性を付与することができるため、電解質16の剥離を抑制できる。
上記実施形態では、閉気孔24の形状は断面が円形状に構成されていたが、閉気孔24の形状はこれに限定されない。例えば、閉気孔24は、断面が楕円形状となっていてもよいし、その他の形状であってもよい。
上記実施形態では、多孔質基材20は、セラミックス材料及び高分子材料から選択される少なくとも一種によって構成されていたが、多孔質基材20の材質はこれに限定されない。例えば、多孔質基材20は、金属材料によっても構成することができる。多孔質基材20を構成する金属材料としては、ステンレス(Fe−Cr系合金、Fe−Ni−Cr系合金など)、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、又は、チタンなどを用いることができる。このような金属材料は、セラミックス材料や高分子材料に比べて熱伝導性が高いため、多孔質基材20の放熱効率を向上させることができるとともに、多孔質基材20内の温度分布を低減させることができる。
上記実施形態では、無機固体電解質体22は、複合部22a、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cを有することとしたが、少なくとも複合部22aを有していればよい。すなわち、無機固体電解質体22は、第1膜状部22b及び第2膜状部22cの少なくとも一方を備えていなくてよい。
図4に示すように、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aの厚さt3は、第1膜状部22bの厚さt1よりも薄くすることができる。また、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aの厚さt3は、第2膜状部22cの厚さt2よりも薄くすることができる。特に限定されるものではないが、例えば、複合部22aの厚さt3は、第1膜状部22bの厚さt1の5〜50%程度とすることができる。
多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aを構成する粒子の第1平均粒径は、第1膜状部22bを構成する粒子の第2平均粒径よりも小さい。例えば、第1平均粒径は、第2平均粒径の5〜50%程度とすることができる。また、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aを構成する粒子の平均粒径は、第2膜状部22cを構成する粒子の平均粒径よりも小さい。なお、各平均粒径は、電子顕微鏡(走査電子顕微鏡(SEM)又は透過電子顕微鏡(TEM))による断面画像から求めることができる。詳細には、第1平均粒径は、複合部22aの断面画像において無作為に選出された50個の粒子のそれぞれと同じ面積を有する円の直径を算術平均した値である。同様に、第2平均粒径とは、第1膜状部22bの断面画像において無作為に選出された50個の粒子それぞれと同じ面積を有する円の直径を算術平均した値である。なお、第1平均粒子は、多孔質基材20の側面20Uを覆う複合部22aにおいて、面内方向(xy面方向)及び厚さ方向(z軸方向)の中央部で測定する。また、第2平均粒子は、第1膜状部22cにおいて、面内方向(xy面方向)及び厚さ方向(z軸方向)の中央部で測定する。
図5に示すように、電解質16は、第1及び第2突出部25a、25bを有していてもよい。第1及び第2突出部25a、25bは、環状である。第1突出部25aは、カソード側主面16Sの外周縁部に配置されている。第1突出部25aは、カソード側主面16Sから突出する。第1突出部25aは、カソード12を囲むように配置されている。
上記実施形態では、カソード12が第1膜状部22b上に形成され、アノード14が第2膜状部22c上に形成されているが、これに限定されない。例えば、アノード14が第1膜状部22b上に形成され、カソード12が第2膜状部22c上に形成されてもよい。
上記実施形態では、本発明に係る電気化学セル用電解質を適用した電気化学セルの一例として、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池について説明したが、本発明に係る電気化学セル用電解質は、種々の電気化学セルに適用可能である。電気化学セルとしては、例えば、プロトンをキャリアとする燃料電池、二次電池(ニッケル亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池など)、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セル(SOEC)などに適用することができる。電気化学セルがプロトンをキャリアとする場合、複合部22a、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cは、水酸化物イオン伝導性セラミックス成分に代えて、プロトン伝導性セラミックス成分を含有していればよい。なお、電気化学セルとは、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための装置と、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるための装置であって、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置されたものの総称である。
12 カソード
14 アノード
16 機能層
20 多孔質基材
20S 第1主面
20T 第2主面
20U 側面
22 無機固体電解質体
22a 複合部
Claims (17)
- 第1主面、第2主面、及び側面を有する多孔質基材と、
前記多孔質基材に充填されるとともに前記多孔質基材の側面を覆い、イオン伝導性を有するイオン伝導体と、
を備え、
前記多孔質基材の側面を覆う前記イオン伝導体の厚さは、0.1〜30μmである、
電気化学セル用電解質。
- 前記電気化学セル用電解質の側面は、前記イオン伝導体によって構成される、
請求項1に記載の電気化学セル用電解質。
- 前記多孔質基材の第1主面を覆い、イオン伝導性を有する第1膜状部、
をさらに備える、請求項1又は2に記載の電気化学セル用電解質。
- 前記多孔質基材の第2主面を覆い、イオン伝導性を有する第2膜状部、
をさらに備える、請求項3に記載の電気化学セル用電解質。
- 前記多孔質基材の側面を覆う前記イオン伝導体の厚さは、前記第1膜状部の厚さよりも薄い、
請求項3又は4に記載の電気化学セル用電解質。
- 前記多孔質基材の側面を覆う前記イオン伝導体を構成する粒子の平均粒径は、前記第1膜状部を構成する粒子の平均粒径よりも小さい、
請求項3から5のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
- 前記多孔質基材は、セラミックス材料及び高分子材料から選択される少なくとも一種によって構成される、
請求項1から6のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
- 前記多孔質基材は、三次元網目構造を有するとともに、連続孔を形成し、
前記イオン伝導体は、前記連続孔内に配置され、
前記イオン伝導体は、内部に閉気孔を有する、
請求項1から7のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
- 前記閉気孔は、前記多孔質基材から離れている、
請求項8に記載の電気化学セル用電解質。
- 前記閉気孔は、前記多孔質基材に接している、
請求項8に記載の電気化学セル用電解質。
- 前記イオン伝導体は、前記閉気孔を含む複数の閉気孔を有する、
請求項8から10のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
- 前記多孔質基材は、内部に細孔を有し、
前記細孔には、前記イオン伝導体が含浸されている、
請求項1から11のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
- 当該電気化学セル用電解質の主面の外周縁部に配置され、前記主面から突出する環状の突出部をさらに備える、
請求項1から12のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。
- 第1主面、第2主面、及び側面を有する多孔質基材と、
前記多孔質基材に充填されるとともに前記多孔質基材の側面を覆い、イオン伝導性を有するイオン伝導体と、
前記多孔質基材の第1主面を覆い、イオン伝導性を有する第1膜状部と、
を備え、
前記多孔質基材の側面を覆う前記イオン伝導体の厚さは、前記第1膜状部の厚さよりも薄い、
電気化学セル用電解質。
- 第1主面、第2主面、及び側面を有する多孔質基材と、
前記多孔質基材に充填されるとともに前記多孔質基材の側面を覆い、イオン伝導性を有するイオン伝導体と、
前記多孔質基材の第1主面を覆い、イオン伝導性を有する第1膜状部と、
を備え、
前記多孔質基材の側面を覆う前記イオン伝導体を構成する粒子の平均粒径は、前記第1膜状部を構成する粒子の平均粒径よりも小さい、
電気化学セル用電解質。
- 第1主面、第2主面、及び側面を有する多孔質基材と、
前記多孔質基材に充填されるとともに前記多孔質基材の側面を覆い、イオン伝導性を有するイオン伝導体と、
当該電気化学セル用電解質の主面の外周縁部に配置され、前記主面から突出する環状の突出部と、
を備える、電気化学セル用電解質。
- 酸化剤が供給されるカソードと、
燃料が供給されるアノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に配置される請求項1から16のいずれかに記載の電気化学セル用電解質と、
を備える、電気化学セル。
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