JP6670968B2 - Electrolyte for electrochemical cell and electrochemical cell - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学セル用電解質及び電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrolyte for an electrochemical cell and an electrochemical cell.
従来、アルカリ形燃料電池、アルカリ形二次電池及び電解セルなどの電気化学セルでは、イオン伝導性を有するイオン伝導体が電解質として用いられている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, in electrochemical cells such as an alkaline fuel cell, an alkaline secondary battery, and an electrolytic cell, an ion conductor having ionic conductivity is used as an electrolyte (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、電解質を完全に緻密化することが困難である場合には、カソードからアノードへの酸化剤の透過、及び、アノードからカソードへの燃料の透過によって、起電力が低下するおそれがある。 However, when it is difficult to completely densify the electrolyte, the electromotive force may decrease due to the permeation of the oxidant from the cathode to the anode and the permeation of the fuel from the anode to the cathode.
本発明は、酸化剤及び燃料の透過を抑制可能な電気化学セル用電解質及び電気化学セルを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electrolyte for an electrochemical cell and an electrochemical cell capable of suppressing permeation of an oxidizing agent and a fuel.
本発明に係る電気化学セル用電解質は、多孔質基材と、イオン伝導体と、金属成分とを備える。多孔質基材は、三次元網目構造を有し、連続孔を形成する。イオン伝導体は、イオン伝導性を有し、連続孔内に配置される。金属成分は、多孔質基材とイオン伝導体との隙間に配置される。 The electrolyte for an electrochemical cell according to the present invention includes a porous substrate, an ion conductor, and a metal component. The porous substrate has a three-dimensional network structure and forms continuous pores. The ion conductor has ion conductivity and is arranged in the continuous pore. The metal component is disposed in a gap between the porous substrate and the ion conductor.
本発明によれば、酸化剤及び燃料の透過を抑制可能な電気化学セル用電解質及び電気化学セルを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrolyte for electrochemical cells which can suppress permeation of an oxidizing agent and a fuel, and an electrochemical cell can be provided.
(固体アルカリ形燃料電池10)
以下、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(AFC)の一例である固体アルカリ形燃料電池10の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
(Solid alkaline fuel cell 10)
Hereinafter, as an example of an electrochemical cell to which the electrolyte for an electrochemical cell according to the present invention is applied, a solid
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。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a solid
・カソード12: 3/2O2+3H2O+6e−→6OH−
・アノード14: CH3OH+6OH−→6e−+CO2+5H2O
・全体 : CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
・ Cathode 12: 3 / 2O 2 + 3H 2 O + 6e − → 6OH −
Anode 14: CH 3 OH + 6OH − → 6e − + CO 2 + 5H 2 O
・ Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
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。
The
カソード12は、AFCに使用される公知の空気極触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)等の第8〜10族元素(IUPAC形式での周期表において第8〜10族に属する元素)、Cu、Ag、Au等の第11族元素(IUPAC形式での周期表において第11族に属する元素)、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Coサレン、Niサレン(サレン=N,N’−ビス(サリチリデン)エチレンジアミン)、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード12における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは0.05〜10mg/cm2、より好ましくは、0.05〜5mg/cm2である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード12ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン(Pt/C)、白金コバルト担持カーボン(PtCo/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。
The
カソード12の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質16のカソード側表面16Sに塗布することにより形成することができる。
The method for producing the
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。
The
水素原子を含む燃料は、アノード14において水酸化物イオン(OH−)と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。
The fuel containing hydrogen atoms only needs to contain a fuel compound capable of reacting with hydroxide ions (OH − ) at the
燃料化合物としては、例えば、(i)ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH2)2CO2)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2、CH3NHNHCH3)、及びカルボンヒドラジド((NHNH2)2CO)等のヒドラジン類、(ii)尿素(NH2CONH2)、(iii)アンモニア(NH3)、(iv)イミダゾール、1,3,5−トリアジン、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール等の複素環類化合物、(v)ヒドロキシルアミン(NH2OH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NH2OH・H2SO4)等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの燃料化合物のうち炭素を含まない化合物(すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等)は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため特に好適である。 Examples of fuel compounds include (i) hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 .H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), hydrazine sulfate (NH) 2 NH 2 · H 2 SO 4 ), hydrazine, such as monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2), dimethylhydrazine ((CH 3) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3), and a carboxylic hydrazide ((NHNH 2) 2 CO) s, (ii) urea (NH 2 CONH 2), ( iii) ammonia (NH 3), (iv) an imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-heterocycle triazole class compounds, (v) hydroxylamine (NH 2 OH), hydro such as sulfuric hydroxylamine (NH 2 OH · H 2 SO 4) Shiruamin acids, and combinations thereof. Among these fuel compounds, compounds containing no carbon (that is, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate, ammonia, hydroxylamine, hydroxylamine sulfate, etc.) are particularly suitable because they do not have the problem of catalyst poisoning by carbon monoxide. is there.
燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び/又はアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等)に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。1,3,5−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び/又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば30〜99.9重量%であり、好ましくは66〜99.9重量%である。 The fuel compound may be used as a fuel as it is, or may be used as a solution dissolved in water and / or an alcohol (eg, a lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol, or isopropanol). For example, among the above fuel compounds, hydrazine, hydrated hydrazine, monomethylhydrazine, and dimethylhydrazine are liquids and can be used as a liquid fuel as they are. In addition, hydrazine carbonate, hydrazine sulfate, carboxyhydrazide, urea, imidazole, 3-amino-1,2,4-triazole, and hydroxylamine sulfate are solid but soluble in water. 1,3,5-Triazine and hydroxylamine are solid but soluble in alcohol. Ammonia is a gas but soluble in water. As described above, the solid fuel compound can be used as a liquid fuel by dissolving it in water or alcohol. When the fuel compound is used by dissolving it in water and / or alcohol, the concentration of the fuel compound in the solution is, for example, 30 to 99.9% by weight, and preferably 66 to 99.9% by weight.
また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池10に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。
In addition, hydrocarbon-based liquid fuels containing alcohols and ethers such as methanol and ethanol, hydrocarbon-based gases such as methane, and pure hydrogen can be used as fuels as they are. In particular, methanol is suitable as the fuel used for the solid
アノード14は、AFCに使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Pt、Ni、Co、Fe、Ru、Sn、及びPd等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード14及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン(Pt/C)、白金ルテニウム担持カーボン(PtRu/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。
The
アノード14の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質16のアノード側表面16Tに塗布することにより形成することができる。
The method for producing the
電解質16は、カソード12とアノード14との間に配置される。電解質16は、カソード12及びアノード14のそれぞれに接続される。電解質16は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。
The
図2は、電解質16の断面を拡大して示す模式図である。電解質16は、多孔質基材20と、無機固体電解質体22と、複数の金属成分24とを有する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an enlarged cross section of the
多孔質基材20は、連続孔20aを形成する。連続孔20aは、多孔質基材20の表裏面に連なるように形成される。連続孔20aには、後述する無機固体電解質体22が含浸されている。
The
多孔質基材20は、三次元網目構造を有していてもよい。「三次元網目構造」とは、基材の構成物質が立体的かつ網目状に繋がった構造である。ただし、多孔質基材20は、三次元網目構造を有していなくてもよい。
The
多孔質基材20は、金属材料、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1種によって構成することができる。
The
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。
As a metal material constituting the
三次元網目構造を有する多孔質基材20としては、例えば、多孔質金属材料(例えば、発泡金属材料)によって構成されるセル状又はモノリス状の構造物、細線金属材料によって構成されるメッシュ状の塊や金属不織布などが挙げられる。
As the
三次元網目構造を有さない多孔質基材20としては、金属材料によって構成される複数の線材を織り込むことによって形成されたメッシュ部材のほか、微細な複数のストレート孔が形成された金属薄板が挙げられる。メッシュ部材は、全体としてシート状に形成されていてもよい。線材の織り方は、平織り、綾織り、平畳織り、綾畳織り、或いは他の織り方であってもよい。多孔質基材20としてメッシュ部材を用いる場合、各線材の隙間(すなわち、目開き)が連続孔20aとなる。金属薄板のストレート孔は、例えばレーザー加工によって形成することができる。多孔質基材20として金属薄板を用いる場合、ストレート孔が連続孔20aとなる。
As the
また、多孔質基材20が金属材料によって構成される場合、多孔質基材20の表面(連続孔20aの内表面を含む)には絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、基材金属の不動態化処理によって形成される不動態膜であってもよいし、Cr2O3、Al2O3、ZrO2、MgO、MgAl2O4などの酸化物によって構成される酸化物膜であってもよい。多孔質基材20をステンレスによって構成する場合、ステンレスを酸化処理することにより、絶縁膜としてのCr2O3膜を簡便に形成することができる。ただし、本実施形態では、後述する第1及び第2膜状部22b,22cが、カソード12及びアノード14それぞれとの間で絶縁膜として機能するため、多孔質基材20の表面には、絶縁膜が形成されていなくてもよい。
When the
多孔質基材20を構成するセラミックス材料としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、カルシア、コージェライト、ゼオライト、ムライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。
Examples of the ceramic material constituting the
多孔質基材20を構成する高分子材料としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等)、セルロース、ナイロン、ポリエチレン、ポリイミド及びこれらの任意の組合せが挙げられる。多孔質基材20をフレキシブル性の高分子材料で構成する場合には、連続孔20aの体積を大きくしながら厚さを薄くしやすいため、水酸化物イオン伝導性を向上させることができる。高分子材料によって構成される多孔質基材20としては、リチウム電池用セパレータとして市販されているような微多孔膜を用いることができる。
Examples of the polymer material constituting the
多孔質基材20の厚さは特に制限されないが、例えば、200μm以下とすることができ、好ましくは100μm以下、より好ましくは75μm以下であり、50μm以下が最も好ましい。多孔質基材20の厚さの下限値は、用途に応じて適宜設定すればよいが、ある程度の堅さを確保するには10μm以上が好ましく、15μm以上がより好ましい。
The thickness of the
多孔質基材20の断面における連続孔20aの平均内径は特に制限されない。多孔質基材20が金属材料によって構成される場合、連続孔20aの平均内径は、1〜1000μmとすることができ、好ましくは2〜500μm、より好ましくは5〜400μm、さらに好ましくは7〜300μm、特に好ましくは10〜200μmである。また、多孔質基材20がセラミックス材料又は高分子材料によって構成される場合、連続孔20aの平均内径は、例えば、0.001〜1.5μmとすることができ、好ましくは0.001〜1.25μm、より好ましくは0.001〜1.0μm、さらに好ましくは0.001〜0.75μm、特に好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材20に支持体としての強度を付与しつつ、無機固体電解質体22の緻密度を向上させることができる。連続孔20aの平均内径は、多孔質基材20の断面を電子顕微鏡で観察した場合に、観察画像上で無作為に選出した20箇所における連続孔20aの円相当径を算術平均することによって得られる。連続孔20aの円相当径とは、観察画像において、連続孔20aの断面積と同じ面積を有する円の直径である。なお、電子顕微鏡の倍率は、連続孔20aの断面サイズに応じて適宜設定すればよい。
The average inner diameter of the
連続孔20aの体積率は特に制限されないが、例えば、10〜60%とすることができ、好ましくは15〜55%、より好ましくは20〜50%である。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材20に支持体としての強度を確保しつつ、無機固体電解質体22の緻密度を向上させることができる。連続孔20aの体積率は、アルキメデス法により測定することができる。
The volume ratio of the
また、図2では図示されていないが、多孔質基材20は、それ自体の内部に複数の細孔を有することが好ましい。複数の細孔は、多孔質基材20の内部において、互いに繋がっていてもよい。そして、各細孔は多孔質基材20の表面に開口する開気孔であって、各細孔には無機固体電解質体22が含浸していることがより好ましい。これによって、連続孔20a→多孔質基材20内の細孔→連続孔20aという短距離イオン伝導パスや、連続孔20a→多孔質基材20内の細孔→第2膜状部22c、或いは、第1膜状部22b→多孔質基材20内の細孔→第2膜状部22cという長距離イオン伝導パスを形成することができる。その結果、複合部22a内のイオン伝導可能領域が広がるため、電解質16全体としてのイオン伝導性を向上させることができる。
Although not shown in FIG. 2, the
無機固体電解質体22は、水酸化物イオン伝導性を有する。固体アルカリ形燃料電池10の発電中、無機固体電解質体22は、カソード12側からアノード14側に水酸化物イオン(OH−)を伝導させる。無機固体電解質体22の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、0.1mS/cm以上が好ましく、より好ましくは0.5mS/cm以上、さらに好ましくは1.0mS/cm以上である。無機固体電解質体22の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば10mS/cmである。
The inorganic
無機固体電解質体22は、緻密であることが好ましい。アルキメデス法で算出される無機固体電解質体22の相対密度は特に制限されないが、90%以上が好ましく、より好ましくは92%以上、さらに好ましくは95%以上である。無機固体電解質体22は、例えば水熱処理によって緻密化することができる。
The inorganic
無機固体電解質体22は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、水酸化物イオン伝導性を有する周知のセラミックスを用いることができるが、以下に説明する層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)が特に好適である。
The inorganic
LDHは、M2+ 1−xM3+ x(OH)2An−x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4、mは水のモル数を意味する任意の整数である)の一般式で示される基本組成を有する。M2+の例としてはMg2+、Ca2+、Sr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、及びZn2+が挙げられ、M3+の例としては、Al3+、Fe3+、Ti3+、Y3+、Ce3+、Mo3+、及びCr3+が挙げられ、An−の例としてはCO3 2−及びOH−が挙げられる。M2+及びM3+としては、それぞれ1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。 LDH is M 2+ 1−x M 3+ x (OH) 2 An − x / n · mH 2 O (where M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, and A n- is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is any integer which means the number of moles of water. Have. Examples of M 2+ include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , and Zn 2+ , and examples of M 3+ include Al 3+ , Fe 3+ , Ti 3+ , Y 3+, Ce 3+, Mo 3+ , and Cr 3+ can be mentioned, An - and the like - CO 3 2-and OH examples of. Each of M 2+ and M 3+ may be used alone or in combination of two or more.
LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属MがNi、Al、Tiの場合には、Ni、Al、Ti及びOH基を含む。以下、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含む場合について説明する。 The LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. Intermediate layer is composed of an anion and H 2 O. For example, when the metal M is Ni, Al, or Ti, the hydroxide basic layer includes Ni, Al, Ti, and OH groups. Hereinafter, the case where the hydroxide basic layer of LDH contains Ni, Al, Ti, and OH groups will be described.
LDH中のNiはニッケルイオンの形態を採りうる。LDH中のニッケルイオンは典型的にはNi2+であると考えられるが、Ni3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のAlはアルミニウムイオンの形態を採りうる。LDH中のアルミニウムイオンは典型的にはAl3+であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のTiはチタンイオンの形態を採りうる。LDH中のチタンイオンは典型的にはTi4+であると考えられるが、Ti3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ni、Al、Ti及びOH基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してLDH中に混入しうる。 Ni in the LDH can take the form of nickel ions. The nickel ions in the LDH are typically considered to be Ni 2+ , but are not particularly limited since there may be other valences such as Ni 3+ . Al in the LDH can take the form of aluminum ions. The aluminum ion in the LDH is typically considered to be Al 3+ , but is not particularly limited because there may be other valences. Ti in LDH can take the form of titanium ions. The titanium ion in the LDH is typically considered to be Ti 4+ , but is not particularly limited because there may be other valences such as Ti 3+ . The hydroxide basic layer preferably contains Ni, Al, Ti and OH groups as main constituent elements, but may contain other elements or ions or may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurities are optional elements that can be unavoidably mixed in the production method, and can be mixed into the LDH from, for example, raw materials and base materials.
LDHの中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH−及び/又はCO3 2−を含む。 Intermediate layer of LDH is composed of anionic and H 2 O. The anion is a monovalent or higher valent anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, anions in the LDH is OH - containing and / or CO 3 2- and.
上記のとおり、Ni、Al及びTiの価数は必ずしも定かではないため、LDHを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてNi2+、Al3+、Ti4+及びOH基で構成されるものと想定した場合、LDHは、一般式:Ni2+ 1−x−yAl3+ xTi4+ y(OH)2An− (x+2y)/n・mH2O(式中、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、好ましくは1又は2であり、0<x<1、好ましくは0.01≦x≦0.5、0<y<1、好ましくは0.01≦y≦0.5、0<x+y<1、mは0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数である)なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ni2+、Al3+、Ti4+等の元素がLDHの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン(同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む)で置き換え可能なものとして解されるべきである。 As described above, since the valences of Ni, Al, and Ti are not always known, it is impractical or impossible to exactly specify LDH by a general formula. If mainly Ni 2+ hydroxide base layer, Al 3+, assuming shall be composed of Ti 4+ and OH groups, LDH of the general formula: Ni 2+ 1-x-y Al 3+ x Ti 4+ y (OH ) 2 a n- (x + 2y ) / n · mH 2 O ( wherein, a n-n-valent anion, n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2, 0 <x <1, preferably Is 0.01 ≦ x ≦ 0.5, 0 <y <1, preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.5, 0 <x + y <1, m is 0 or more, typically more than 0 or 1 or more Is a real number). However, the above general formula should be interpreted as the “basic composition”, and other elements or ions (of the same element) to the extent that elements such as Ni 2+ , Al 3+ , and Ti 4+ do not impair the basic characteristics of LDH. (Including elements or ions of other valences or elements or ions which can be inevitably mixed in the production process).
本実施形態において、無機固体電解質体22は、複合部22a(「イオン伝導体」の一例)、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cを有する。
In the present embodiment, the inorganic
複合部22aは、第1膜状部22bと第2膜状部22cとの間に配置される。複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20a内に配置される。複合部22aは、連続孔20a内に含浸されており、多孔質基材20と一体化している。このように、無機固体電解質体22を多孔質基材20で支持することによって、無機固体電解質体22の強度を向上できるため、無機固体電解質体22を薄くすることができる。その結果、電解質16の低抵抗化を図ることができる。
The
本実施形態において、複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20a内の略全域に広がっているが、無機固体電解質体22が第1膜状部22b及び第2膜状部22cの少なくとも一方を有さない場合、複合部22aは、多孔質基材20の一部にのみ含浸されていてもよい。
In the present embodiment, the
第1膜状部22bは、複合部22aのカソード12側に連なる。第1膜状部22bは、膜状に形成される。第1膜状部22bは、複合部22aと一体的に形成される。第2膜状部22cは、複合部22aのアノード14側に連なる。第2膜状部22cは、膜状に形成される。第2膜状部22cは、複合部22aと一体的に形成される。第1膜状部22b及び第2膜状部22cそれぞれは、水酸化物イオン伝導性セラミックス成分によって構成される。第1膜状部22b及び第2膜状部22cそれぞれの厚さは特に制限されないが、例えば、10μm以下とすることができ、好ましくは7μm以下、より好ましくは5μm以下である。第1膜状部22b及び第2膜状部22cそれぞれは、一様な平面状に形成されていてもよいし、縞状など所望の平面形状にパターン化されていてもよい。
The first film-
複数の金属成分24のそれぞれは、複合部22a内に配置される。具体的には、金属成分24は、多孔質基材20と複合部22aとの隙間に配置されていてもよいし、複合部22aの内部に配置されていてもよい。すなわち、金属成分24は、多孔質基材20と複合部22aとによって挟まれていてもよいし、複合部22a内に埋設されていてもよい。
Each of the plurality of
このように、複合部22a内の空隙が金属成分24で埋められているため、複合部22aの形成時に空隙を完全になくす手法に比べて、簡便に無機固体電解質体22の緻密度を向上させることができる。これにより、カソード12からアノード14への酸化剤の透過、及び、アノード14からカソード12への燃料の透過を抑制できるため、固体アルカリ形燃料電池10の起電力の低下が抑えられる。
As described above, since the voids in the
また、固体アルカリ形燃料電池10を長期間運転するうちに複合部22a内の温度分布や乾湿分布に起因して複合部22aに微小なクラックが発生したとしても、複合部22a内に金属成分24が配置されているため、当該クラックが進展することを抑制できる。特に、高分子材料又は金属材料によって多孔質基材20が構成される場合には、上記クラックの進展を更に抑制することができる。従って、カソード12からアノード14への酸化剤の透過、及び、アノード14からカソード12への燃料の透過を、長期間にわたって抑制することができる。
Further, even if a minute crack is generated in the
各金属成分24は、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)等の第8〜10族元素、Cu、Ag、Au等の第11族元素から選択される1種によって構成される。選択する金属は、LDH膜中で安定に存在するのであれば、この限りではない。特に、各金属成分24がPtによって構成される場合には、後述する製造工程において、Ptを電解析出処理できるため好適である。
Each
各金属成分24は、電解質16のうち厚み方向に垂直な面方向に広がる一部領域R1内に配置される。一部領域R1は、電解質16の一部の領域である。厚み方向において、一部領域R1の厚みTH1は、多孔質基材20の厚みTH2の10分の1以下が好ましい。このように各金属成分24を一部領域R1のみに薄く分布させることによって、電解質16が電子伝導性を発現することを抑制できる。一部領域R1の厚みTH1は特に制限されないが、例えば、10μm以下とすることができ、好ましくは5μm以下、より好ましくは2μm以下である。
Each
一部領域R1は、厚み方向における多孔質基材20の中央よりもカソード12側に配置されることが好ましい。すなわち、一部領域R1は、カソード12の近くに位置することが好ましい。これにより、ガス遮断性と耐久性とを両立させることができる。
It is preferable that the partial region R1 is disposed closer to the
電解質16の断面における金属成分24の平均円相当径は特に制限されないが、例えば、0.01〜1μmとすることができる。金属成分24の平均円相当径は、0.5μm以下が好ましく、0.1μm以下がより好ましい。これによって、ガス遮断性と耐久性とを両立させることができる。金属成分24の平均円相当径は、電解質16の断面を電子顕微鏡で観察し、無作為に選出した100個の金属成分24の円相当径を算術平均することによって得られる。金属成分24の円相当径とは、電解質16の断面を電子顕微鏡で観察した場合に、金属成分24と同じ面積を有する円の直径である。なお、100個の金属成分24は、複数の視野から選出してもよい。電子顕微鏡の倍率は、金属成分24の断面サイズに応じて適宜設定すればよい。
The average equivalent circle diameter of the
(電解質16の製造方法)
次に、電解質16の製造方法について説明する。
(Method for producing electrolyte 16)
Next, a method for manufacturing the
まず、多孔質基材20を用意する。
First, a
次に、アルミナ及びチタニアの混合ゾルを調製し、この混合ゾルを多孔質基材20内部の全体又は大部分に浸透させる。
Next, a mixed sol of alumina and titania is prepared, and the mixed sol penetrates all or most of the inside of the
次に、混合ゾルが浸透した多孔質基材20を熱処理(大気雰囲気、50〜150度、1〜30分)することによって、多孔質基材20の各孔内にアルミナ・チタニア層を形成する。
Next, the
次に、ニッケルイオン(Ni2+)及び尿素を含む原料水溶液に多孔質基材20を浸漬させる。
Next, the
次に、原料水溶液中で多孔質基材20を水熱処理する。この際、水熱処理条件(100〜150度、10〜100時間)を適宜調整することによって、多孔質基材20内に複合部22aが形成されるとともに、多孔質基材20の両主面に第1膜状部22b及び第2膜状部22cが形成されて電解質16となる。この際、多孔質基材20と複合部22aとの間には隙間が点在して形成され、また、複合部22a内には気孔が点在して形成される。
Next, the
次に、溶融した金属含有溶液(例えば、テトラアンミン白金水酸化物水溶液[Pt(NH3)4](OH)2など)にLDHを浸漬し、複合部22aが充填された多孔質基材20内に溶融した金属イオンを浸潤させる。浸潤した金属イオンは、多孔質基材20と複合部22aとの隙間及び複合部22a内の気孔に溜まる。その後、電解質16を挟むように電極(例えば、白金箔を表面処理し白金黒化したもの)を取り付けて電流を流すことで金属が電解析出して固化する。これによって、多孔質基材20と複合部22aとの隙間及び複合部22a内の気孔に金属成分24が配置される。このように、複合部22a内の空隙を金属成分24で埋めることによって、電解質16の緻密度を向上させることができる。その結果、カソード12からアノード14への酸化剤の透過、及び、アノード14からカソード12への燃料の透過を抑制できるため、固体アルカリ形燃料電池10の起電力の低下が抑えられる。
Next, LDH is immersed in a molten metal-containing solution (for example, tetraammine platinum hydroxide aqueous solution [Pt (NH 3 ) 4 ] (OH) 2 or the like), and the
なお、本実施形態では、アルカリ性の金属含有溶液を用いたが、電解質16がカチオン交換膜であれば酸性の金属含有溶液(例えば、塩化白金酸塩酸溶液H2PtCl6)を用いてもよい。
In the present embodiment, an alkaline metal-containing solution is used. However, if the
また、金属を析出させるために電解析出処理を用いたが、電解質16の絶縁性を確保でき、かつ、酸化剤及び燃料の透過性を抑制できるのであれば、この限りではない。
In addition, although the electrolytic deposition treatment is used to deposit the metal, the present invention is not limited to this as long as the insulation of the
(実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modification of Embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
[変形例1]
上記実施形態では、電解質16は、複数の金属成分24を有することとしたが、金属成分24を少なくとも1つ有していれば、金属成分24を全く有していない場合に比べて、カソード12からアノード14への酸化剤の透過、及び、アノード14からカソード12への燃料の透過を抑制できる。
[Modification 1]
In the above embodiment, the
[変形例2]
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の一方を備えていなくてよい。
[Modification 2]
In the above embodiment, the inorganic
無機固体電解質体22が第1膜状部22bを備えていない場合、複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20aの全体に含浸されていてもよいし、多孔質基材20の連続孔20aのうちカソード12側の領域にのみ含浸されていてもよい。多孔質基材20の連続孔20aのうちカソード12側の領域にのみ複合部22aが含浸される場合、連続孔20aの空隙領域にはアノード14の少なくとも一部を配置すればよい。連続孔20aの空隙領域に配置されるアノード14は、連続孔20aに充填されていてもよいし、連続孔20aの内表面を覆うように膜状に形成されていてもよい。
When the inorganic
無機固体電解質体22が第2膜状部22cを備えていない場合、複合部22aは、多孔質基材20の連続孔20aの全体に含浸されていてもよいし、多孔質基材20の連続孔20aのうちアノード14側の領域にのみ含浸されていてもよい。多孔質基材20の連続孔20aのうちアノード14側の領域にのみ複合部22aが含浸される場合、連続孔20aの空隙領域にはカソード12の少なくとも一部を配置すればよい。連続孔20aの空隙領域に配置されるカソード12は、連続孔20aに充填されていてもよいし、連続孔20aの内表面を覆うように膜状に形成されていてもよい。
When the inorganic
[変形例3]
上記実施形態では、無機固体電解質体22は、一部領域R1に配置された金属成分24を有することとしたが、他の一部領域に配置された他の金属成分をさらに有していてもよい。他の一部領域とは、厚み方向において一部領域R1から離れた位置において面方向に広がる領域である。他の一部領域に配置される他の金属成分は、一部領域R1に配置される金属成分24とは異なる金属によって構成することができる。このように、金属成分24を多層的に配置することによって、酸化剤及び燃料の透過をより抑制できる。
[Modification 3]
In the above embodiment, the inorganic
[変形例4]
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。
[Modification 4]
In the above-described embodiment, the alkaline fuel cell using hydroxide ions as a carrier has been described as an example of the electrochemical cell to which the electrochemical cell electrolyte according to the present invention is applied, but the electrochemical cell electrolyte according to the present invention is described. Is applicable to various electrochemical cells. As an electrochemical cell, for example, it can be applied to a fuel cell using protons as a carrier, a secondary battery (a nickel zinc secondary battery, a zinc air secondary battery, etc.), an electrolytic cell that generates hydrogen and oxygen from water vapor, and the like. it can. When the electrochemical cell uses protons as carriers, the
[変形例5]
上記実施形態では、図2に示すように、複数の金属成分24は、多孔質基材20と複合部22aとの隙間、及び、複合部22aの内部に配置されることとしたが、これに限られない。複数の金属成分24は、多孔質基材20と複合部22aとの隙間のみに配置されていてもよいし、複合部22aの内部のみに配置されていてもよい。
[Modification 5]
In the above embodiment, as shown in FIG. 2, the plurality of
[変形例6]
上記実施形態では、アルミナ・チタニア層が形成された多孔質基材20を原料水溶液中で水熱処理することによって複合部22aを形成することとしたが、これに限られない。
[Modification 6]
In the above embodiment, the
例えば、複合部22aは、バインダー材料(例えば、ポリフッ化ビニリデン粉末などの高分子バインダー材料)と水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料(例えば、LDH粉末など)とを混合したペーストを印刷法でシート化した後、当該シートに熱処理又はホットプレス処理を施すことによっても形成することができる。この場合、熱処理によって固化したバインダー材料によって多孔質基材20が構成され、セラミックス粒子によって複合部22a(「イオン伝導体」の一例)が構成される。
For example, the
このような複合部22aにおいても、複合部22aを完全に緻密化することは困難であり、複合部22a内には空隙(多孔質基材20と複合部22aとの隙間、或いは、複合部22aの内部の気孔)が存在する。そこで、上記実施形態にて説明した手法により金属成分24を電解析出させることによって、複合部22a内の空隙を金属成分24で埋めることができる。これにより、簡便に電解質16の緻密度を向上させることができるため、カソード12からアノード14への酸化剤の透過、及び、アノード14からカソード12への燃料の透過を抑制できる。また、複合部22aに微小なクラックが発生したとしても、複合部22a内に金属成分24が配置されているため、当該クラックが進展することを抑制できる。その結果、カソード12からアノード14への酸化剤の透過、及び、アノード14からカソード12への燃料の透過を、長期間にわたって抑制できる。特に、高分子バインダー材料によって多孔質基材20が構成される場合には、上記クラックの進展を更に抑制することができる。
Even in such a
10 固体アルカリ形燃料電池
12 カソード
14 アノード
16 電解質
16S カソード側表面
16T アノード側表面
20 多孔質基材
22 無機固体電解質体
22a 複合部
22b 第1膜状部
22c 第2膜状部
24 金属成分
DESCRIPTION OF
Claims (9)
イオン伝導性を有し、前記連続孔内に配置されるイオン伝導体と、
前記多孔質基材と前記イオン伝導体との隙間に配置される複数の金属成分と、
を備え、
前記多孔質基材の断面において、前記複数の金属成分の平均円相当径は、1μm以下である、
電気化学セル用電解質。 A porous substrate having a three-dimensional network structure and forming continuous pores,
Having ion conductivity, an ion conductor disposed in the continuous hole,
A plurality of metal components arranged in the gap between the porous substrate and the ion conductor,
Equipped with a,
In the cross section of the porous substrate, the average circle equivalent diameter of the plurality of metal components is 1 μm or less,
Electrolyte for electrochemical cells.
請求項1に記載の電気化学セル用電解質。 The plurality of metal components are arranged in a partial region extending in a plane direction perpendicular to the thickness direction of the electrochemical cell electrolyte ,
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 1.
請求項2に記載の電気化学セル用電解質。 In the thickness direction, the thickness of the partial region is 1/10 or less of the thickness of the porous substrate.
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 2.
請求項1乃至3のいずれかに記載の電気化学セル用電解質。 Each of the plurality of metal components is Pt;
For electrochemical cell electrolyte according to any one of claims 1 to 3.
イオン伝導性を有し、前記連続孔内に配置されるイオン伝導体と、
前記多孔質基材と前記イオン伝導体との隙間に配置される複数の金属成分と、
を備え、
前記多孔質基材の断面において、前記複数の金属成分の平均円相当径は、1μm以下である、
電気化学セル用電解質。 A porous substrate forming continuous pores,
Having ion conductivity, an ion conductor disposed in the continuous hole,
A plurality of metal components arranged in the gap between the porous substrate and the ion conductor,
Equipped with a,
In the cross section of the porous substrate, the average circle equivalent diameter of the plurality of metal components is 1 μm or less,
Electrolyte for electrochemical cells.
イオン伝導性を有し、前記連続孔内に配置されるイオン伝導体と、
前記イオン伝導体内に配置される複数の金属成分と、
を備え、
前記多孔質基材の断面において、前記複数の金属成分の平均円相当径は、1μm以下である、
電気化学セル用電解質。 A porous substrate forming continuous pores,
Having ion conductivity, an ion conductor disposed in the continuous hole,
A plurality of metal components disposed in the ion conductor,
Equipped with a,
In the cross section of the porous substrate, the average circle equivalent diameter of the plurality of metal components is 1 μm or less,
Electrolyte for electrochemical cells.
請求項5又は6に記載の電気化学セル用電解質。 The porous substrate has a three-dimensional network structure,
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 5 .
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乃至7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。 A cathode to which an oxidant is supplied;
An anode to which fuel is supplied;
The electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 7 , which is disposed between the cathode and the anode,
An electrochemical cell comprising:
前記一部領域は、前記厚み方向における前記多孔質基材の中央よりも前記カソード側に配置される、
請求項8に記載の電気化学セル。 The plurality of metal components are arranged in a partial region extending in a plane direction perpendicular to a thickness direction of the electrochemical cell electrolyte ,
The partial region is disposed closer to the cathode than the center of the porous substrate in the thickness direction,
An electrochemical cell according to claim 8 .
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