JP6771073B2 - Electrolytes for electrochemical cells and electrochemical cells - 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)。 Conventionally, in an electrochemical cell such as an alkaline fuel cell, an alkaline secondary battery, and an electrolytic cell, an ionic conductor having ionic conductivity is used as an electrolyte (see, for example, Patent Document 1).

特開2016−071948号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-071948

しかしながら、上述した電気化学セルでは、水(又は、水蒸気)存在下で電解質が用いられるため、電解質内の含水状況によって電解質に体積変化が生じる。そのため、カソード又は/及びアノードから電解質が剥離したり、或いは、電解質自体が変形したりするおそれがある。 However, in the above-mentioned electrochemical cell, since the electrolyte is used in the presence of water (or water vapor), the volume of the electrolyte changes depending on the water content in the electrolyte. Therefore, the electrolyte may be peeled off from the cathode and / and the anode, or the electrolyte itself may be deformed.

本発明は、剥離や変形を抑制可能な電気化学セル用電解質、及び電解質の剥離や変形を抑制可能な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 capable of suppressing peeling or deformation, and an electrochemical cell capable of suppressing peeling or deformation of the electrolyte.

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、閉気孔とを備える。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。閉気孔は、イオン伝導体内に形成される。多孔質基材は、金属材料によって構成される。閉気孔は、多孔質基材に接している。 The electrolyte for an electrochemical cell according to the present invention includes a porous base material, an ionic conductor, and closed pores. The porous substrate has a three-dimensional network structure and forms continuous pores. The ionic conductor has ionic conductivity and is arranged in a continuous hole. Voids are formed in the ionic conductor. The porous substrate is composed of a metallic material. The closed pores are in contact with the porous substrate.

本発明によれば、剥離や変形を抑制可能な電気化学セル用電解質、及び電解質の剥離や変形を抑制可能な電気化学セルを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrolyte for an electrochemical cell capable of suppressing peeling or deformation, and an electrochemical cell capable of suppressing peeling or deformation of the electrolyte.

固体アルカリ形燃料電池の構成を模式的に示す断面図Cross-sectional view schematically showing the configuration of a solid alkaline fuel cell 第1実施形態に係る電解質の断面を拡大して示す模式図Schematic diagram showing an enlarged cross section of the electrolyte according to the first embodiment. 第2実施形態に係る電解質の断面を拡大して示す模式図Schematic diagram showing an enlarged cross section of the electrolyte according to the second embodiment. 第3実施形態に係る電解質の断面を拡大して示す模式図Schematic diagram showing an enlarged cross section of the electrolyte according to the third embodiment.

1.第1実施形態
(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)の一種である固体アルカリ形燃料電池10の第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。
1. 1. 1st Embodiment (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, the first embodiment of a solid alkaline fuel cell 10 which is a kind of alkaline fuel cell (AFC) having a hydroxide ion as a carrier The form will be described with reference to the drawings.

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を用いた場合が例示されている。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid alkaline fuel cell 10 according to the embodiment. The solid alkaline fuel cell 10 includes a cathode 12, an anode 14, and an electrolyte 16 (an example of "electrolyte for an electrochemical cell"). The solid alkaline fuel cell 10 generates electricity at a relatively low temperature (for example, 50 ° C. to 250 ° C.) based on the following electrochemical reaction formula. However, in the following electrochemical reaction formula, the case where methanol is used as an example of fuel is exemplified.

・カソード12: 3/2O+3HO+6e→6OH
・アノード14: CHOH+6OH→6e+CO+5H
・全体 : CHOH+3/2O→CO+2H
・ 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(O)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 cathode 12 is an anode generally called an air electrode. During power generation of the solid alkaline fuel cell 10, an oxidizing agent containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 12 via the oxidizing agent supplying means 13. As the oxidizing agent, it is preferable to use air, and it is more preferable that the air is humidified. The cathode 12 is a porous body capable of diffusing an oxidizing agent inside. The porosity of the cathode 12 is not particularly limited. The thickness of the cathode 12 is not particularly limited, but can be, for example, 10 to 200 μm.

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/cm、より好ましくは、0.05〜5mg/cm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 cathode 12 is not particularly limited as long as it contains a known air electrode catalyst used for AFC. Examples of cathode catalysts include group 8-10 elements (IUPAC format periodic table) such as group 11 elements (Ru, Rh, Pd, Ir, Pt) and group 11 elements (Fe, Co, Ni). Group 10 elements), Group 11 elements such as Cu, Ag, and Au (elements belonging to Group 11 in the periodic table in the IUPAC format), rhodium phthalocyanine, tetraphenylporphyrin, Co-salen, Ni-salen (salen = N, N'-bis (salicylidene) ethylenediamine), silver nitrate, and any combination thereof. The amount of the catalyst supported on the cathode 12 is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 10 mg / cm 2 , more preferably 0.05 to 5 mg / cm 2 . The cathode catalyst is preferably supported on carbon. Preferred examples of the cathode 12 or the catalyst constituting the cathode 12 are platinum-supported carbon (Pt / C), platinum-cobalt-supported carbon (PtCo / C), palladium-supported carbon (Pd / C), and rhodium-supported carbon (Rh / C). , Nickel-supported carbon (Ni / C), copper-supported carbon (Cu / C), and silver-supported carbon (Ag / C).

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 cathode 12 is not particularly limited, and for example, the cathode catalyst and, if desired, the carrier may be mixed with a binder to form a paste, and the paste-like mixture may be applied to the cathode side surface 16S of the electrolyte 16. it can.

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 anode 14 is a cathode generally called a fuel electrode. During power generation of the solid alkaline fuel cell 10, fuel containing a hydrogen atom (H) is supplied to the anode 14 via the fuel supply means 15. The anode 14 is a porous body capable of diffusing fuel inside. The porosity of the anode 14 is not particularly limited. The thickness of the anode 14 is not particularly limited, but can be, for example, 10 to 500 μm.

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 may contain a fuel compound capable of reacting with hydroxide ions (OH ) at the anode 14, and may be in the form of either liquid fuel or gaseous fuel.

燃料化合物としては、例えば、(i)ヒドラジン(NHNH)、水加ヒドラジン(NHNH・HO)、炭酸ヒドラジン((NHNHCO)、硫酸ヒドラジン(NHNH・HSO)、モノメチルヒドラジン(CHNHNH)、ジメチルヒドラジン((CHNNH、CHNHNHCH)、及びカルボンヒドラジド((NHNHCO)等のヒドラジン類、(ii)尿素(NHCONH)、(iii)アンモニア(NH)、(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(NHOH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NHOH・HSO)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 the fuel compound include (i) hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrated hydrazine (NH 2 NH 2 · H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), and hydrazine sulfate (NH). 2 NH 2 · H 2 SO 4 ), monomethylhydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethylhydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), and hydrazines such as carboxylic hydrazine ((NHNH 2 ) 2 CO). Class, (ii) urea (NH 2 CONH 2 ), (iii) ammonia (NH 3 ), (iv) imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-triazole and other heterocycles. Examples thereof include hydroxylamines such as (v) hydroxylamine (NH 2 OH) and hydroxylamine sulfate (NH 2 OH · H 2 SO 4 ), and combinations thereof. Of these fuel compounds, carbon-free compounds (ie, hydrazine, hydrated hydrazine, 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 (for example, 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 they are as liquid fuels. In addition, hydrazine carbonate, hydrazine sulfate, carboxylic hydrazine, urea, imidazole, and 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 is soluble in water. As described above, the solid fuel compound can be dissolved in water or alcohol and used as a liquid fuel. When the fuel compound is dissolved in water and / or alcohol and used, the concentration of the fuel compound in the solution is, for example, 30 to 99.9% by weight, 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。 Further, a hydrocarbon-based liquid fuel containing alcohols such as methanol and ethanol and ethers, a hydrocarbon-based gas such as methane, or pure hydrogen can be used as it is as a fuel. In particular, methanol is preferable as the fuel used in the solid alkaline fuel cell 10 according to the present embodiment. Methanol may be in a gaseous state, a liquid state, or a gas-liquid mixed state.

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 anode 14 is not particularly limited as long as it contains a known anode catalyst used for AFC. Examples of anode catalysts include metal catalysts such as Pt, Ni, Co, Fe, Ru, Sn, and Pd. The metal catalyst is preferably supported on a carrier such as carbon, but may be in the form of an organic metal complex having a metal atom of the metal catalyst as a central metal, or the organic metal complex may be supported as a carrier. Further, a diffusion layer made of a porous material or the like may be arranged on the surface of the anode catalyst. Preferred examples of the anode 14 and the catalysts constituting the anode 14 are nickel, cobalt, silver, platinum-supported carbon (Pt / C), platinum-luthenium-supported carbon (PtRu / C), palladium-supported carbon (Pd / C), and rhodium-supported. Examples thereof include carbon (Rh / C), nickel-supported carbon (Ni / C), copper-supported carbon (Cu / C), and silver-supported carbon (Ag / C).

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 anode 14 is not particularly limited, but for example, the anode catalyst and, if desired, the carrier may be mixed with a binder to form a paste, and the paste-like mixture may be applied to the anode-side surface 16T of the electrolyte 16. it can.

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 electrolyte 16 is arranged between the cathode 12 and the anode 14. The electrolyte 16 is connected to each of the cathode 12 and the anode 14. The electrolyte 16 is formed in the form of a film, a layer, or a sheet.

図2は、第1実施形態に係る電解質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とを有する。 FIG. 2 is a schematic view showing an enlarged cross section of the electrolyte 16 according to the first embodiment. The electrolyte 16 has a porous base material 20 and an inorganic solid electrolyte 22.

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 porous base material 20 forms continuous pores 20a. The continuous holes 20a are formed so as to be continuous with the front and back surfaces of the porous base material 20. The continuous pores 20a are impregnated with the inorganic solid electrolyte 22 described later.

多孔質基材20は、金属材料によって構成される。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。 The porous base material 20 is made of a metal material. As the metal material constituting the porous base material 20, stainless steel (Fe—Cr alloy, Fe—Ni—Cr alloy, etc.), aluminum, zinc, nickel, titanium, or the like can be used. Since such a metal material has higher thermal conductivity than a ceramic material or a polymer material, it is possible to improve the heat dissipation efficiency of the porous base material 20 and reduce the temperature distribution in the porous base material 20. Can be made to.

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。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や、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。 The porous base material 20 may have a three-dimensional network structure. The "three-dimensional network structure" is a structure in which the constituent substances of the base material are three-dimensionally and network-likely connected. Examples of the porous base material 20 having a three-dimensional network structure include a cell-like or monolithic structure made of a porous metal material (for example, a foamed metal material) and a mesh shape made of a fine wire metal material. Examples include lumps and metal non-woven fabrics.

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。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。 The porous base material 20 does not have to have a three-dimensional network structure. The porous base material 20 having no three-dimensional network structure includes a mesh member formed by weaving a plurality of wire rods made of a metal material, and a thin metal plate having a plurality of fine straight holes formed therein. Can be mentioned. The mesh member may be formed in a sheet shape as a whole. The weave of the wire may be plain weave, twill weave, plain weave, twill weave, or other weave. When a mesh member is used as the porous base material 20, the gap (that is, the opening) of each wire rod becomes a continuous hole 20a. The straight holes of the thin metal plate can be formed by, for example, laser processing. When a thin metal plate is used as the porous base material 20, the straight holes become continuous holes 20a.

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、Cr、Al、ZrO、MgO、MgAl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Cr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とアノード14との間に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。 An insulating film may be formed on the surface of the porous base material 20 (including the inner surface of the continuous pores 20a). The insulating film may be a passivation film formed by a passivation treatment of the base metal, or may be made of oxides such as Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, and Mg Al 2 O 4 . It may be a constituent oxide film. When constituting the porous substrate 20 by stainless steel, by oxidizing the stainless steel, it can be easily formed a Cr 2 O 3 film as an insulating film. However, in the present embodiment, since the first and second film-like portions 22b and 22c, which will be described later, function as an insulating film between the cathode 12 and the anode 14, the surface of the porous base material 20 has an insulating film. May not be formed.

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 porous base material 20 is not particularly limited, but can be, for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, and most preferably 50 μm or less. The lower limit of the thickness of the porous base material 20 may be appropriately set according to the intended use, but is preferably 10 μm or more, more preferably 15 μm or more in order to secure a certain degree of hardness.

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が、例えば、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。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 continuous holes 20a in the cross section of the porous base material 20 is not particularly limited, but can be, for example, 1 to 1000 μm, preferably 2 to 500 μm, more preferably 5 to 400 μm, still more preferably 7 to 300 μm. , Particularly preferably 10 to 200 μm. By setting the content within these ranges, the density of the inorganic solid electrolyte 22 can be improved while imparting strength as a support to the porous base material 20. The average inner diameter of the continuous holes 20a is obtained by arithmetically averaging the circle-equivalent diameters of the continuous holes 20a at 20 randomly selected positions on the observation image when the cross section of the porous substrate 20 is observed with an electron microscope. Be done. The circle-equivalent diameter of the continuous hole 20a is the diameter of a circle having the same area as the cross-sectional area of the continuous hole 20a in the observation image. The magnification of the electron microscope may be appropriately set according to the cross-sectional size of the continuous hole 20a.

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 fraction of the continuous hole 20a is not particularly limited, but can be, for example, 10 to 60%, preferably 15 to 55%, and more preferably 20 to 50%. Within these ranges, the density of the inorganic solid electrolyte 22 can be improved while ensuring the strength of the porous base material 20 as a support. The volume fraction of the continuous hole 20a can be measured by the Archimedes method.

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。なお、多孔質金属材料によって多孔質基材20を構成する場合、多孔質基材20の内部に複数の細孔を簡便に設けることができる。 Further, although not shown in FIG. 2, the porous base material 20 preferably has a plurality of pores inside itself. The plurality of pores may be connected to each other inside the porous base material 20. It is more preferable that each pore is an open pore that opens on the surface of the porous base material 20, and each pore is impregnated with the inorganic solid electrolyte 22. As a result, a short-distance ion conduction path of continuous pores 20a → pores in the porous base material 20 → continuous pores 20a, continuous pores 20a → pores in the porous base material 20, → second film-like portion 22c, or , The long-distance ion conduction path of the first film-like portion 22b → the pores in the porous substrate 20 → the second film-like portion 22c can be formed. As a result, the ionic conductive region in the composite portion 22a is widened, so that the ionic conductivity of the electrolyte 16 as a whole can be improved. When the porous base material 20 is made of a porous metal material, a plurality of pores can be easily provided inside the porous base material 20.

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 solid electrolyte body 22 has hydroxide ion conductivity. During the power generation of the solid alkaline fuel cell 10, the inorganic solid electrolyte 22 conducts hydroxide ions (OH ) from the cathode 12 side to the anode 14 side. The hydroxide ion conductivity of the inorganic solid electrolyte 22 is not particularly limited, but is preferably 0.1 mS / cm or more, more preferably 0.5 mS / cm or more, and further preferably 1.0 mS / cm or more. The higher the hydroxide ion conductivity of the inorganic solid electrolyte 22 is, the more preferable it is, and the upper limit thereof is not particularly limited, but is, for example, 10 mS / cm.

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 solid electrolyte body 22 can be made of a ceramic material having hydroxide ion conductivity. As such a ceramic material, well-known ceramics having hydroxide ion conductivity can be used, but layered double hydroxide (LDH) described below is particularly suitable.

LDHは、M2+ 1−x3+ (OH)n−x/n・mHO(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CO 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 A n− x / n · mH 2 O (in the formula, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, and A The basic composition represented by the general formula of n− is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is an arbitrary integer meaning 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. As M 2+ and M 3+ , one type may be used alone or two or more types may be used in combination.

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HO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。 LDH is composed of a plurality of basic hydroxide layers and an intermediate layer interposed between the plurality of basic hydroxide layers. Intermediate layer is composed of an anion and H 2 O. The hydroxide basic layer contains, for example, Ni, Al, Ti and OH groups when the metal M is Ni, Al, Ti. 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 LDH can take the form of nickel ions. Nickel ions in LDH are typically considered to be Ni 2+ , but are not particularly limited as other valences such as Ni 3+ are possible. Al in LDH can take the form of aluminum ions. Aluminum ions in LDH are typically considered to be Al 3+ , but are not particularly limited as other valences are possible. Ti in LDH can take the form of titanium ions. Titanium ions in LDH are typically considered to be Ti 4+ , but are not particularly limited as other valences such as Ti 3+ are possible. 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 impurity is an arbitrary element that can be unavoidably mixed in the production method, and can be mixed in LDH, for example, derived from a raw material or a base material.

LDHの中間層は、陰イオン及びHO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CO 2−を含む。 Intermediate layer of LDH is composed of anionic and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anions in LDH contain OH and / or CO 3 2- .

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+ Ti4+ (OH)n− (x+2y)/n・mHO(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 fixed, it is impractical or impossible to specify LDH strictly by a general formula. Assuming that the basic hydroxide layer is mainly composed of Ni 2+ , Al 3+ , Ti 4+ and OH groups, LDH is expressed by the general formula: Ni 2+ 1-xy 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 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 It can be expressed by the basic composition (which is a real number of). However, the above general formula should be understood as "basic composition" to the extent that elements such as Ni 2+ , Al 3+ , and Ti 4+ do not impair the basic characteristics of LDH, and other elements or ions (of the same element). It should be understood as replaceable with elements or ions of other valences or elements or ions that can be unavoidably mixed in the 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 solid electrolyte body 22 has a composite portion 22a (an example of an “ionic conductor”), a first membrane-like portion 22b, and a second membrane-like portion 22c.

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 composite portion 22a is arranged between the first film-like portion 22b and the second film-like portion 22c. The composite portion 22a is arranged in the continuous pores 20a of the porous base material 20. The composite portion 22a is impregnated in the continuous pores 20a and is integrated with the porous base material 20. By supporting the inorganic solid electrolyte 22 with the porous base material 20 in this way, the strength of the inorganic solid electrolyte 22 can be improved, so that the inorganic solid electrolyte 22 can be made thinner. As a result, the resistance of the electrolyte 16 can be reduced.

ここで、複合部22aは、その内部に形成された複数の閉気孔24を有する。このような閉気孔24が複合部22aの内部に形成されているため、固体アルカリ形燃料電池10の作動中に複合部22aの含水状況の変動に起因する電解質16の体積変化を緩和させることができる。これにより、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抑制できるため、カソード12又は/及びアノード14から電解質16が剥離したり、或いは、電解質16自体が変形したりすることを抑制できる。 Here, the composite portion 22a has a plurality of closed pores 24 formed therein. Since such closed pores 24 are formed inside the composite portion 22a, it is possible to alleviate the volume change of the electrolyte 16 due to the change in the water content of the composite portion 22a during the operation of the solid alkaline fuel cell 10. it can. As a result, it is possible to suppress the generation of stress at the interface between the cathode 12 and the electrolyte 16 and / or the interface between the anode 14 and the electrolyte 16, so that the electrolyte 16 may peel off from the cathode 12 and / and the anode 14. Alternatively, it is possible to prevent the electrolyte 16 itself from being deformed.

さらに、閉気孔24が複合部22aの内部に形成されることで、複合部22aに柔軟性を付与することができるため、固体アルカリ形燃料電池10内の温度分布に起因して、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との界面に熱応力が発生することを抑制できる。そのため、カソード12又は/及びアノード14から電解質16が剥離したり、或いは、電解質16自体が変形したりすることを抑制できる。 Further, since the closed pores 24 are formed inside the composite portion 22a, the composite portion 22a can be provided with flexibility. Therefore, due to the temperature distribution in the solid alkaline fuel cell 10, the cathode 12 and the cathode 12 It is possible to suppress the generation of thermal stress at the interface with the electrolyte 16 and / or the interface between the anode 14 and the electrolyte 16. Therefore, it is possible to prevent the electrolyte 16 from peeling off from the cathode 12 and / and the anode 14 or the electrolyte 16 itself from being deformed.

図2に示すように、閉気孔24は、多孔質基材20に接していることが好ましい。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ることが好ましい。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。 As shown in FIG. 2, the closed pores 24 are preferably in contact with the porous base material 20. That is, it is preferable that the closed pores 24 are in direct contact with the inner surface of the continuous pores 20a. As a result, the restricted area of the porous base material 20 due to the presence of the closed pores 24 can be reduced as compared with the case where the closed pores 24 are separated from the porous base material 20, so that the flexibility of the porous base material 20 itself can be reduced. Can be improved. Therefore, when the volume of the electrolyte 16 is changed or deformed, it is possible to further suppress the generation of stress at the interface between the cathode 12 and the electrolyte 16 and / or the interface between the anode 14 and the electrolyte 16.

各閉気孔24の平均円相当径は特に制限されないが、例えば、0.001〜1.0μmとすることができる。各閉気孔24の平均円相当径は、0.001μm以上が好ましく、0.002μm以上がより好ましい。これによって、複合部22aの柔軟性をより向上させることができる。また、各閉気孔24の平均円相当径は、1.0μm以下が好ましく、0.8μm以下がより好ましい。これによって、カソード12に供給される酸化剤がアノード14側に透過したり、或いは、アノード14に供給される燃料がカソード12側に透過したりすることを抑制できる。 The average circle-equivalent diameter of each closed hole 24 is not particularly limited, but can be, for example, 0.001 to 1.0 μm. The average circle-equivalent diameter of each closed hole 24 is preferably 0.001 μm or more, and more preferably 0.002 μm or more. Thereby, the flexibility of the composite portion 22a can be further improved. The average circle-equivalent diameter of each of the closed pores 24 is preferably 1.0 μm or less, more preferably 0.8 μm or less. As a result, it is possible to prevent the oxidizing agent supplied to the cathode 12 from permeating to the anode 14 side or the fuel supplied to the anode 14 from permeating to the cathode 12 side.

各閉気孔24の平均円相当径は、電解質16の断面を20,000〜1,500,000倍の電子顕微鏡で観察し、無作為に選出した20個の閉気孔24の円相当径を算術平均することによって得られる。閉気孔24の円相当径とは、電解質16の断面において、閉気孔24と同じ面積を有する円の直径である。ただし、0.001μm以下の円相当径を有する閉気孔24は、複合部22aの体積変化の緩和及び柔軟性向上への寄与が極めて小さいため、各閉気孔24の平均円相当径を求める際には除外するものとする。 For the average equivalent circle diameter of each closed pore 24, the cross section of the electrolyte 16 was observed with an electron microscope at a magnification of 20,000 to 1,500,000 times, and the equivalent circle diameter of 20 randomly selected closed pores 24 was calculated. Obtained by averaging. The circle-equivalent diameter of the closed pore 24 is the diameter of a circle having the same area as the closed pore 24 in the cross section of the electrolyte 16. However, since the closed pores 24 having a circular equivalent diameter of 0.001 μm or less have an extremely small contribution to mitigating the volume change and improving the flexibility of the composite portion 22a, when determining the average circular equivalent diameter of each closed pore 24, Shall be excluded.

閉気孔24の存在個数は、電解質16の破断面を20,000〜1,500,000倍の電子顕微鏡で観察し、観察視野内に存在する閉気孔24の個数から求めることができる。ただし、0.001μm以下の円相当径を有する閉気孔24は、複合部22aの柔軟性向上への寄与が極めて小さいため、閉気孔24の存在個数を求める際には除外するものとする。 The number of closed pores 24 can be determined from the number of closed pores 24 present in the observation field of view by observing the fracture surface of the electrolyte 16 with an electron microscope of 20,000 to 1,500,000 times. However, since the closed pores 24 having a diameter equivalent to a circle of 0.001 μm or less have an extremely small contribution to improving the flexibility of the composite portion 22a, they are excluded when determining the number of the closed pores 24.

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1膜状部22b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。第1膜状部22b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。このような第1膜状部22bが設けられることにより、カソード12と多孔質基材20とが直接接触する場合に比べて、カソード12と電解質16との間の接触抵抗を低減させることができる。 The first film-like portion 22b is connected to the cathode 12 side of the composite portion 22a. The first film-like portion 22b is formed in a film-like shape. The first film-like portion 22b is integrally formed with the composite portion 22a. The first film-like portion 22b may be formed in a uniform planar shape, or may be patterned in a desired planar shape such as a striped shape. The thickness of the first film-like portion 22b is not particularly limited, but can be, for example, 10 μm or less, preferably 7 μm or less, and more preferably 5 μm or less. By providing such a first film-like portion 22b, the contact resistance between the cathode 12 and the electrolyte 16 can be reduced as compared with the case where the cathode 12 and the porous base material 20 are in direct contact with each other. ..

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2膜状部22c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。第2膜状部22c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。このような第2膜状部22cが設けられることにより、アノード14と多孔質基材20とが直接接触する場合に比べて、アノード14と電解質16との間の接触抵抗を低減させることができる。 The second film-like portion 22c is connected to the anode 14 side of the composite portion 22a. The second film-like portion 22c is formed in a film-like shape. The second film-like portion 22c is integrally formed with the composite portion 22a. The second film-like portion 22c may be formed in a uniform planar shape, or may be patterned in a desired planar shape such as a striped shape. The thickness of the second film-like portion 22c is not particularly limited, but can be, for example, 10 μm or less, preferably 7 μm or less, and more preferably 5 μm or less. By providing such a second film-like portion 22c, the contact resistance between the anode 14 and the electrolyte 16 can be reduced as compared with the case where the anode 14 and the porous base material 20 are in direct contact with each other. ..

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。 The method for producing the inorganic solid electrolyte 22 is not particularly limited, but when the inorganic solid electrolyte 22 is composed of LDH and the hydroxide basic layer of LDH contains Ni, Al, Ti and OH groups, the following It can be produced by the steps (1) to (4) of.

(1)多孔質基材20を用意する。 (1) Prepare the porous base material 20.

(2)多孔質基材20の全体にアルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することでアルミナ・チタニア層を形成させる。ここで、後述するように、多孔質基材20の表面の一部からLDHを成長させないためには、多孔質基材20が有する連続孔20aの内表面の少なくとも一部においてアルミナ・チタニア層を形成しない箇所を設けることが重要となる。そのため、混合ゾルを含浸させて熱処理した後の多孔質基材20に超音波をかけて形成したアルミナ・チタニア層の一部を剥離させる、あるいはアルミナ、チタニアの混合ゾルを低濃度として多孔質基材20の表面への付着量を低減させる等の処置を行う。 (2) The entire porous base material 20 is impregnated with a mixed sol of alumina and titania and heat-treated to form an alumina-titania layer. Here, as will be described later, in order to prevent LDH from growing from a part of the surface of the porous base material 20, an alumina titania layer is formed on at least a part of the inner surface of the continuous pores 20a of the porous base material 20. It is important to provide a part that does not form. Therefore, a part of the alumina-titania layer formed by applying ultrasonic waves to the porous base material 20 after being impregnated with the mixed sol and heat-treated is peeled off, or the mixed sol of alumina and titania is set to a low concentration to form a porous group. Measures such as reducing the amount of adhesion of the material 20 to the surface are taken.

(3)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。 (3) The porous base material 20 is immersed in a raw material aqueous solution containing nickel ions (Ni 2+ ) and urea.

(4)原料水溶液中で多孔質基材20を水熱処理(100〜150度、10〜100時間)して、LDHを多孔質基材20上及び多孔質基材20中に形成させることによって、複合部22a、第1膜状部22b、及び第2膜状部22cを有する無機固体電解質体22を形成する。この際、水熱処理時間および溶液濃度を適宜調整することによって、気孔が閉塞する前に反応を停止することで複合部22a内に閉気孔24を形成させることができる。LDHは多孔質基材20の表面に形成されたアルミナ・チタニア層を核として成長するため、多孔質基材20の表面のうちアルミナ・チタニア層が形成されていない箇所ではLDHが形成されない。その結果として、閉気孔24を多孔質基材20に直接的に接触させることができる。 (4) By hydrothermally treating the porous base material 20 in the raw material aqueous solution (100 to 150 degrees, 10 to 100 hours) to form LDH on the porous base material 20 and in the porous base material 20. An inorganic solid electrolyte 22 having a composite portion 22a, a first film-like portion 22b, and a second film-like portion 22c is formed. At this time, by appropriately adjusting the hydrothermal treatment time and the solution concentration, the closed pores 24 can be formed in the composite portion 22a by stopping the reaction before the pores are closed. Since LDH grows around the alumina-titania layer formed on the surface of the porous base material 20, LDH is not formed on the surface of the porous base material 20 where the alumina-titania layer is not formed. As a result, the closed pores 24 can be brought into direct contact with the porous substrate 20.

2.第2実施形態
以下、固体アルカリ形燃料電池10の第2実施形態について図面を参照しつつ説明する。上記第1実施形態との相違点は、無機固体電解質体22が第1及び第2膜状部22b,22c(図2参照)を備えていない点にある。従って、以下においては、当該相違点について主に説明する。
2. Second Embodiment Hereinafter, the second embodiment of the solid alkaline fuel cell 10 will be described with reference to the drawings. The difference from the first embodiment is that the inorganic solid electrolyte 22 does not include the first and second film-like portions 22b and 22c (see FIG. 2). Therefore, the differences will be mainly described below.

図3は、第2実施形態に係る電解質17の断面を拡大して示す模式図である。電解質17は、多孔質基材20と、無機固体電解質体26とを有する。 FIG. 3 is a schematic view showing an enlarged cross section of the electrolyte 17 according to the second embodiment. The electrolyte 17 has a porous base material 20 and an inorganic solid electrolyte body 26.

多孔質基材20の構成は上記第1実施形態にて説明したとおりであるが、多孔質基材20がカソード12及びアノード14のそれぞれと接触しているので、多孔質基材20の表面には、絶縁膜を形成する必要がある。絶縁膜は、Cr、Al、ZrO、MgO、MgAlなどによって構成することができる。 The configuration of the porous base material 20 is as described in the first embodiment, but since the porous base material 20 is in contact with each of the cathode 12 and the anode 14, the surface of the porous base material 20 is covered. Needs to form an insulating film. The insulating film can be composed of Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Mg Al 2 O 4, and the like.

無機固体電解質体26は、第1及び第2膜状部22b,22cを備えておらず、実質的に複合部22a(「イオン伝導体」の一例)のみによって構成される。このように、無機固体電解質体26が第1及び第2膜状部22b,22cを備えないことによって、カソード12と電解質17との界面、及び、アノード14と電解質17との界面におけるオーム損失を低減させることができるため、固体アルカリ形燃料電池10の発電効率を高めることができる。 The inorganic solid electrolyte body 26 does not include the first and second film-like portions 22b and 22c, and is substantially composed of only the composite portion 22a (an example of the “ionic conductor”). As described above, since the inorganic solid electrolyte body 26 does not include the first and second film-like portions 22b and 22c, the ohm loss at the interface between the cathode 12 and the electrolyte 17 and the interface between the anode 14 and the electrolyte 17 is reduced. Since it can be reduced, the power generation efficiency of the solid alkaline fuel cell 10 can be improved.

複合部22aの構成は上記第1実施形態にて説明したとおりであり、多孔質基材20に接する閉気孔24が内部に形成されている。そのため、電解質17が剥離したり、或いは、変形したりすることを抑制できる。 The structure of the composite portion 22a is as described in the first embodiment, and the closed pores 24 in contact with the porous base material 20 are formed inside. Therefore, it is possible to prevent the electrolyte 17 from peeling off or being deformed.

複合部22aのみによって構成される無機固体電解質体26は、原料水溶液中で多孔質基材20を水熱処理する際、第1及び第2膜状部22b,22cが形成される前に処理を終了させればよい。 The inorganic solid electrolyte body 26 composed of only the composite portion 22a ends the treatment before the first and second film-like portions 22b and 22c are formed when the porous base material 20 is hydrothermally treated in the raw material aqueous solution. Just let me do it.

3.第3実施形態
以下、固体アルカリ形燃料電池10の第3実施形態について図面を参照しつつ説明する。上記第1実施形態との相違点は、無機固体電解質体28が第1及び第2膜状部22b,22c(図2参照)を備えず、かつ、無機固体電解質体28が多孔質基材20の一部にのみ配置されている点にある。従って、以下においては、当該相違点について主に説明する。
3. 3. Third Embodiment Hereinafter, the third embodiment of the solid alkaline fuel cell 10 will be described with reference to the drawings. The difference from the first embodiment is that the inorganic solid electrolyte 28 does not have the first and second film-like portions 22b and 22c (see FIG. 2), and the inorganic solid electrolyte 28 is the porous base material 20. It is in that it is placed only in a part of. Therefore, the differences will be mainly described below.

図4は、第3実施形態に係る電解質18の断面を拡大して示す模式図である。電解質18は、多孔質基材20と、無機固体電解質体28とを有する。 FIG. 4 is a schematic view showing an enlarged cross section of the electrolyte 18 according to the third embodiment. The electrolyte 18 has a porous base material 20 and an inorganic solid electrolyte body 28.

多孔質基材20の構成は上記第1実施形態にて説明したとおりであるが、多孔質基材20がカソード12及びアノード14のそれぞれと接触しているので、多孔質基材20の表面には、絶縁膜を形成する必要がある。絶縁膜は、Cr、Al、ZrO、MgO、MgAlなどによって構成することができる。 The configuration of the porous base material 20 is as described in the first embodiment, but since the porous base material 20 is in contact with each of the cathode 12 and the anode 14, the surface of the porous base material 20 is covered. Needs to form an insulating film. The insulating film can be composed of Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Mg Al 2 O 4, and the like.

無機固体電解質体28(「イオン伝導体」の一例)は、多孔質基材20の厚み方向において、多孔質基材20の一部にのみ配置されている。本実施形態では、図4に示すように、無機固体電解質体28は、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る。多孔質基材20の連続孔20aのうち無機固体電解質体28が含浸されていない領域には、カソード12が含浸されている。 The inorganic solid electrolyte body 28 (an example of “ionic conductor”) is arranged only in a part of the porous base material 20 in the thickness direction of the porous base material 20. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the inorganic solid electrolyte 28 is impregnated only in the region of the continuous pores 20a of the porous base material 20 on the anode 14 side. The cathode 12 is impregnated in the region of the continuous pores 20a of the porous base material 20 that is not impregnated with the inorganic solid electrolyte 28.

ただし、無機固体電解質体28は、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。この場合、多孔質基材20の連続孔20aのうち無機固体電解質体28が含浸されていない領域には、アノード14を含浸させればよい。また、無機固体電解質体28は、多孔質基材20の連続孔20aのうち厚み方向中央の領域にのみ含浸されていてもよい。この場合、多孔質基材20の連続孔20aのうち無機固体電解質体28のカソード12側の領域にカソード12を含浸させ、無機固体電解質体28のアノード14側の領域にアノード14を含浸させればよい。 However, the inorganic solid electrolyte 28 may be impregnated only in the region on the cathode 12 side of the continuous pores 20a of the porous base material 20. In this case, the anode 14 may be impregnated in the region of the continuous pores 20a of the porous base material 20 that is not impregnated with the inorganic solid electrolyte body 28. Further, the inorganic solid electrolyte body 28 may be impregnated only in the central region in the thickness direction of the continuous pores 20a of the porous base material 20. In this case, the region of the continuous pores 20a of the porous base material 20 on the cathode 12 side of the inorganic solid electrolyte 28 is impregnated with the cathode 12, and the region of the inorganic solid electrolyte 28 on the anode 14 side is impregnated with the anode 14. Just do it.

無機固体電解質体28は、厚み方向に垂直な面方向において、多孔質基材20の全域にわたって配置されることが好ましい。 The inorganic solid electrolyte body 28 is preferably arranged over the entire area of the porous base material 20 in the plane direction perpendicular to the thickness direction.

無機固体電解質体28は、上記第1実施形態にて説明した複合部22aと実質的に同じ構成を有する。そのため、電解質18が剥離したり、或いは、変形したりすることを抑制できる。 The inorganic solid electrolyte 28 has substantially the same configuration as the composite portion 22a described in the first embodiment. Therefore, it is possible to prevent the electrolyte 18 from peeling off or being deformed.

多孔質基材20の一部にのみ配置された無機固体電解質体28は、多孔質基材20を水熱処理する際、多孔質基材20の一部のみを原料水溶液に浸漬させればよい。 The inorganic solid electrolyte 28 arranged only in a part of the porous base material 20 may be obtained by immersing only a part of the porous base material 20 in the raw material aqueous solution when the porous base material 20 is hydrothermally treated.

(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。
(Modified example of embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, 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、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 1]
In the above embodiment, an alkaline fuel cell having a hydroxide ion as a carrier has been described as an example of an electrochemical cell to which the electrolyte for an electrochemical cell according to the present invention is applied. However, the electrolyte for an electrochemical cell according to the present invention has been described. Is applicable to various electrochemical cells. The electrochemical cell can be applied to, for example, a fuel cell using a proton as a carrier, a secondary battery (nickel-zinc secondary battery, zinc-air secondary battery, etc.), an electrolytic cell that generates hydrogen and oxygen from steam, and the like. it can. When the electrochemical cell uses protons as carriers, the composite portion 22a, the first film-like portion 22b, and the second film-like portion 22c contain a proton-conducting ceramic component instead of the hydroxide ion conductive ceramic component. You just have to do it. The electrochemical cell is a device for converting chemical energy into electrical energy and a device for converting electrical energy into chemical energy, and is a pair of electrodes so that electromotive force is generated from the overall oxidation-reduction reaction. Is a general term for those in which.

[変形例2]
上記第1乃至第3実施形態では、電解質16,17,18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16,17,18の剥離を抑制できる。
[Modification 2]
In the first to third embodiments, the electrolytes 16, 17, and 18 have a plurality of closed pores 24, but if they have at least one closed pore 24, they have completely closed pores 24. Since the composite portion 22a can be provided with flexibility as compared with the case where the composite portion 22a is not provided, peeling of the electrolytes 16, 17, and 18 can be suppressed.

[変形例3]
上記第1実施形態において、無機固体電解質体22は、第1膜状部22b及び第2膜状部22cを有することとしたが、第1膜状部22b及び第2膜状部22cのうち少なくとも一方を有していなくてもよい。
[Modification 3]
In the first embodiment, the inorganic solid electrolyte body 22 has a first film-like portion 22b and a second film-like portion 22c, but at least one of the first film-like portion 22b and the second film-like portion 22c You do not have to have one.

同様に、上記第2実施形態では、無機固体電解質体26が実質的に複合部22aのみによって構成されることとしたが、第1及び第2膜状部22b,22cの一方を備えていてもよい。 Similarly, in the second embodiment, the inorganic solid electrolyte body 26 is substantially composed of only the composite portion 22a, but even if one of the first and second film-like portions 22b and 22c is provided. Good.

また、上記第3実施形態では、無機固体電解質体28が多孔質基材20の一部にのみ配置されることとしたが、無機固体電解質体28がカソード12側に配置される場合には第1膜状部22bを備えていてもよいし、無機固体電解質体28がアノード14側に配置される場合には第2膜状部22cを備えていてもよい。 Further, in the third embodiment, the inorganic solid electrolyte 28 is arranged only on a part of the porous base material 20, but when the inorganic solid electrolyte 28 is arranged on the cathode 12 side, the third embodiment is used. One film-shaped portion 22b may be provided, or a second film-shaped portion 22c may be provided when the inorganic solid electrolyte 28 is arranged on the anode 14 side.

[変形例4]
上記第3実施形態では、多孔質基材20の連続孔20aのうち無機固体電解質体28が含浸されていない領域にはカソード12が含浸されることとしたが、カソード12は、連続孔20aに充填されている必要はなく、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。同様に、多孔質基材20の連続孔20aの一部にアノード14が含浸される場合においても、アノード14は、連続孔20aに充填されている必要はなく、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。
[Modification example 4]
In the third embodiment, the cathode 12 is impregnated in the region of the continuous pores 20a of the porous base material 20 that is not impregnated with the inorganic solid electrolyte 28, but the cathode 12 is formed in the continuous pores 20a. It does not have to be filled, and may be formed in a film shape so as to cover the inner surface of the continuous hole 20a. Similarly, when the anode 14 is impregnated in a part of the continuous holes 20a of the porous base material 20, the anode 14 does not need to be filled in the continuous holes 20a and covers the inner surface of the continuous holes 20a. It may be formed in the form of a film.

[変形例5]
上記実施形態では、複数の閉気孔のすべてが多孔質基材20から離れていることとしたが、複数の閉気孔の一部は多孔質基材20に接していてもよい。
[Modification 5]
In the above embodiment, all of the plurality of closed pores are separated from the porous base material 20, but some of the plurality of closed pores may be in contact with the porous base material 20.

10 固体アルカリ形燃料電池
12 カソード
14 アノード
16,17,18 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
20a 連続孔
22,26,28 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 閉気孔
10 Solid alkaline fuel cell 12 Cathode 14 Anode 16, 17, 18 Electrolyte 16S Cathode side surface 16T Anode side surface 20 Porous base material 20a Continuous holes 22, 26, 28 Inorganic solid electrolyte 22a Composite part 22b First film-like part 22c Second membrane-like part 24 Closed pores

Claims (6)

三次元網目構造を有し、連続孔を形成する多孔質基材と、
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形成される閉気孔と、
を備え、
前記多孔質基材は、金属材料によって構成され、
前記閉気孔は、前記多孔質基材に接している、
電気化学セル用電解質。
A porous substrate that has a three-dimensional network structure and forms continuous pores,
An ionic conductor having ionic conductivity and arranged in the continuous pores,
The closed pores formed in the ion conductor and
With
The porous substrate is composed of a metal material and is composed of a metal material.
The closed pores are in contact with the porous substrate.
Electrolyte for electrochemical cell.
前記イオン伝導体内に形成され、前記閉気孔を含む複数の閉気孔を備える、
請求項1に記載の電気化学セル用電解質。
It is formed in the ion conductor and has a plurality of closed pores including the closed pores.
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 1.
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又は2に記載の電気化学セル用電解質。
The porous substrate has pores inside and
The pores are impregnated with the ionic conductor.
The electrolyte for an electrochemical cell according to claim 1 or 2.
前記多孔質基材の少なくとも一方の主面、又は、前記連続孔の内表面を含む前記多孔質基材の表面には、絶縁膜が形成されている、
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。
An insulating film is formed on at least one main surface of the porous base material or on the surface of the porous base material including the inner surface of the continuous pores .
The electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3.
連続孔を形成する多孔質基材と、
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形成される閉気孔と、
を備え、
前記多孔質基材は、金属材料によって構成され、
前記閉気孔は、前記多孔質基材に接している、
電気化学セル用電解質。
Porous base material that forms continuous pores and
An ionic conductor having ionic conductivity and arranged in the continuous pores,
The closed pores formed in the ion conductor and
With
The porous substrate is composed of a metal material and is composed of a metal material.
The closed pores are in contact with the porous substrate.
Electrolyte for electrochemical cell.
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乃至5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。
The cathode to which the oxidant is supplied and
The anode to which the fuel is supplied and
The electrolyte for an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 5, which is arranged between the cathode and the anode.
An electrochemical cell equipped with.
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