JP6916333B1 - 電解質材料及び電気化学セル - Google Patents
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Abstract
【課題】成形性が良好で電解質の初期導電率を向上可能な電解質材料及び電気化学セルを提供する。【解決手段】電解質材料は、Ｎｉイオン及びＡｌイオンを含有する層状複水酸化物と、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の酸化物及び／又はＦｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の水酸化物とを含む。層状複水酸化物が含有するＮｉイオンに対する前記酸化物及び／又は前記水酸化物に含まれる遷移金属のイオン総濃度は、１００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下である。【選択図】図１
Description
本発明は、電解質材料及び電気化学セルに関する。
従来、比較的低温（例えば、２５０℃以下）で作動する燃料電池として、水酸化物イオン（ＯＨ−）をキャリアとするアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）が知られている。ＡＦＣでは、様々な液体燃料又は気体燃料を使用することができ、例えばメタノールを燃料とした場合には、以下の電気化学反応が起こる。
・アノード： ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→６ｅ−＋ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ
・カソード： ３／２Ｏ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−→６ＯＨ−
・全体 ： ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
・カソード： ３／２Ｏ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−→６ＯＨ−
・全体 ： ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
ここで、特許文献１では、ＡＦＣにおいて、水酸化物イオン伝導性を有する層状複水酸化物（ＬＤＨ：Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を電解質として用いることが提案されている。
ところで、ＬＤＨを含有する電解質の初期導電率をより向上させたいという要請がある。
また、ＬＤＨ粉末を成形する際、ＬＤＨ粉末は板状粒子同士が凝集し、空隙の多い２次粒子を形成しやすいため成形性が低いという問題がある。
よって、良好な成形性と初期導電率の向上とを両立可能な電解質材料の開発が望まれている。
このような電解質材料は、アルカリ形燃料電池に限らず、水酸化物イオンをキャリアとする二次電池（亜鉛空気二次電池など）や水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどの電気化学セルに有用である。
本発明は、成形性が良好で電解質の初期導電率を向上可能な電解質材料及び電気化学セルを提供することを目的とする。
本発明に係る電解質材料は、Ｎｉイオン及びＡｌイオンを含有する層状複水酸化物と、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の酸化物及び／又はＦｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の水酸化物とを含む。層状複水酸化物が含有するＮｉイオンに対する前記酸化物及び／又は前記水酸化物に含まれる前記遷移金属のイオン総濃度は、１００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下である。
本発明によれば、成形性が良好で電解質の初期導電率を向上可能な電解質材料及び電気化学セルを提供することができる。
（電解質材料）
本発明に係る電解質材料は、水酸化物イオンをキャリアとする二次電池（亜鉛空気二次電池など）や水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどの電気化学セルに用いられる電解質の構成材料として好適である。本実施形態では、水酸化物イオン（ＯＨ−）をキャリアとするアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）用電解質の構成材料として本発明に係る電解質材料を適用した場合について説明する。
本発明に係る電解質材料は、水酸化物イオンをキャリアとする二次電池（亜鉛空気二次電池など）や水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどの電気化学セルに用いられる電解質の構成材料として好適である。本実施形態では、水酸化物イオン（ＯＨ−）をキャリアとするアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）用電解質の構成材料として本発明に係る電解質材料を適用した場合について説明する。
本発明に係る電解質材料は、Ｎｉイオン及びＡｌイオンを含有する層状複水酸化物（ＬＤＨ：Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）と、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の酸化物、及び／又は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の水酸化物（以下、「遷移金属酸化物／水酸化物」と総称する。）とを含む。
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。ＬＤＨの基本組成は、例えば下記の一般式（１）によって表すことができる。
［Ｎｉ２＋ １−ｐ―ｒ―ｓＡｌ３＋ ｐＭ２＋ ｒＭ３＋ ｓ（ＯＨ）２］［Ａｎ− ｐ＋ｓ／ｎ・ｍＨ２Ｏ］・・・式（１）
一般式（１）において、Ｎｉ２＋／Ａｌ３＋比は２以上４以下である。Ｎｉ２＋／Ａｌ３＋比を２以上４以下とすることによって安定な層状構造を形成することができる。Ｎｉ２＋及びＡｌ３＋は、各水酸化物基本層に含まれる。Ｎｉ２＋／Ａｌ３＋比は、誘導結合プラズマ発光分光分析(ＩＣＰ−ＡＥＳ)によって測定することができる。
式（１）において、Ｍ２＋は、Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｆｅ２＋、Ｃｏ２＋、Ｍｎ２＋及びＺｎ２＋から選択される少なくとも１種であり、Ｍ３＋は、Ｙ３＋及びＣｅ３＋の少なくとも一方である。Ｍ２＋及びＭ３＋は、各水酸化物基本層に含まれる。
式（１）において、Ｎｉ２＋の添え字１−ｐ―ｒ―ｓは、０．６７以上０．８０以下であり、Ａｌ３＋の添え字ｐは０．２以上０．３３以下であり、Ｍ２＋の添え字ｒは０以上０．１０以下であり、Ｍ３＋の添え字ｓは０以上０．１０以下である。
式（１）において、Ａｎ−はｎ価の陰イオンである。ｎは、１価以上の整数である。Ａｎ−は、１価又は２価の陰イオンであることが好ましい。Ａｎ−は、ＯＨ−及び／又はＣＯ３ ２−を含むことが好ましい。Ａｎ−の添え字に含まれるｐ＋ｓは、０．２以上０．４３以下であり、Ａｎ−の添え字に含まれるｎは１以上の整数であり、Ｈ２Ｏの係数ｍは任意の整数である。Ａｎ−及びＨ２Ｏは、水酸化物基本層間の中間層に含まれる。
ただし、一般式（１）に示したＮｉイオン、Ａｌイオン及びＭそれぞれの価数は、必ずしも定かではない。例えば、Ｎｉイオンの価数は３＋でもありえるし、Ａｌイオンの価数は３＋以外でもありえる。そのため、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り、上記一般式（１）はあくまで「基本組成」を示す一例として解されるべきである。
なお、ＬＤＨの粒径は特に限定されないが、例えば、体積基準Ｄ５０平均粒径を０．０１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。Ｄ５０平均粒径を０．０１μｍ以上とすると、ＬＤＨ粉末同士が凝集して成形時に気孔が残留することを抑制できるため好ましい。Ｄ５０平均粒径を１０μｍ以下とすると、ＬＤＨ粉末の成形性をより向上させることができるため好ましい。
電解質材料は、上述したように、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の酸化物、及び／又は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の水酸化物（遷移金属酸化物／水酸化物）を更に含む。
Ｆｅの酸化物としては、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４などが挙げられる。Ｆｅの水酸化物としては、ＦｅＯ（ＯＨ）、Ｆｅ（ＯＨ）２、Ｆｅ（ＯＨ）３などが挙げられる。Ｃｏの酸化物としては、ＣｏＯ、Ｃｏ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４などが挙げられる。Ｃｏの水酸化物としては、ＣｏＯ（ＯＨ）、Ｃｏ（ＯＨ）２、Ｆｅ（ＯＨ）３などが挙げられる。Ｍｎの酸化物としては、ＭｎＯ、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ２、ＭｎＯ３などが挙げられる。Ｍｎの水酸化物としては、ＭｎＯ（ＯＨ）、Ｍｎ（ＯＨ）２などが挙げられる。
本発明に係る電解質材料は、ＬＤＨが含有するＮｉイオンに対する遷移金属酸化物／水酸化物に含まれる遷移金属のイオン総濃度（以下、「遷移金属イオン総濃度」と略称する。）が、１００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
遷移金属イオン総濃度を１００ｐｐｍ以上とすることによって、二次粒子の空隙に遷移金属酸化物／水酸化物を充填できるため、電解質材料を成形する際の成形性を向上させることができる。遷移金属イオン総濃度は、２００ｐｐｍ以上が好ましく、５００ｐｐｍ以上がより好ましい。
また、遷移金属イオン総濃度を２００００ｐｐｍ以下とすることによって、遷移金属酸化物／水酸化物が粗大に凝集してＬＤＨ同士の粒界を塞ぐことを抑制できるため、ＬＤＨの水酸化物イオン伝導性を十分確保することができる。そのため、当該電解質材料を用いて電解質を構成した場合、電解質の初期導電率を十分確保することができる。遷移金属イオン総濃度は、１００００ｐｐｍ以下が好ましく、５０００ｐｐｍ以下がより好ましい。
電解質材料が２種以上の遷移金属酸化物／水酸化物を含有する場合、遷移金属イオン総濃度は、Ｎｉイオンに対する各遷移金属酸化物／水酸化物のイオン濃度の合計値である。遷移金属イオン総濃度は、誘導結合プラズマ発光分光分析によって測定することができる。また、酸化物種あるいは水酸化物種は、放射光を用いたＸＲＤ測定により同定することができる。
なお、遷移金属酸化物／水酸化物の粒径は特に限定されないが、例えば、体積基準Ｄ５０平均粒径を０．０１μｍ以上２μｍ以下とすることができる。Ｄ５０平均粒径を０．０１μｍ以上とすると、遷移金属酸化物／水酸化物の粉末同士が凝集することを抑制できるため、遷移金属酸化物／水酸化物の粉末をＬＤＨの粉末中に一様に分散させることができる。Ｄ５０平均粒径を２μｍ以下とすると、電解質材料の成形性をより向上させることができるため好ましい。
（電解質材料の製造方法）
まず、上記一般式（１）によって表されるＬＤＨ粉末を準備する。このようなＬＤＨ粉末は市販品であってもよいし、硝酸塩や塩化物を用いた液相合成法等の公知の方法にて作製したものであってもよい。
まず、上記一般式（１）によって表されるＬＤＨ粉末を準備する。このようなＬＤＨ粉末は市販品であってもよいし、硝酸塩や塩化物を用いた液相合成法等の公知の方法にて作製したものであってもよい。
次に、遷移金属酸化物／水酸化物粉末を準備する。遷移金属酸化物／水酸化物粉末としては、上述したＦｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の酸化物粉末及び／又は当該遷移金属の水酸化物粉末の１種類以上を用いることができる。
次に、ＬＤＨ粉末と遷移金属酸化物／水酸化物粉末とを混合する。これによって、電解質材料が完成する。
（アルカリ形燃料電池１０）
以下、本発明に係る電気化学セルの一例として、水酸化物イオン（ＯＨ−）をキャリアとするアルカリ形燃料電池１０について図面を参照しながら説明する。図１は、アルカリ形燃料電池１０の構成を示す断面図である。
以下、本発明に係る電気化学セルの一例として、水酸化物イオン（ＯＨ−）をキャリアとするアルカリ形燃料電池１０について図面を参照しながら説明する。図１は、アルカリ形燃料電池１０の構成を示す断面図である。
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。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。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。
・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
・アノード１４： ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→６ｅ−＋ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ
・全体 ： ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
１．カソード１２
カソード１２は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。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は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。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。
２．アノード１４
アノード１４は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。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、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。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。
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、気体燃料、気液混合燃料のいずれの形態であってもよい。
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。
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。
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。
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。
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。
３．電解質１６
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。電解質１６の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上２００μｍ以下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、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。電解質１６の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。
電解質１６は、上述した電解質材料を含有する。上述したとおり、電解質材料において、ＬＤＨが含有する遷移金属イオン総濃度は２００００ｐｐｍ以下であるため、電解質の初期導電率を十分確保することができる。
電解質１６において、遷移金属酸化物／水酸化物は、ＬＤＨによって構成される二次粒子同士の間隙に位置することが好ましい。これによって、ＬＤＨの二次粒子同士が凝集することを抑制できるため、アルカリ形燃料電池１０の出力を向上させることができる。
電解質１６の作製方法は特に限定されないが、例えば、金型一軸プレスや冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）などの公知の手法で電解質材料を圧粉成形することによって電解質１６を形成することができる。或いは、電解質材料と分散媒を混合したスラリーに多孔質基材を含浸し、乾燥処理(８０〜１５０℃)を施した後、電解質材料を多孔質基材に充填することによっても電解質１６を形成することができる。
この際、上述したとおり、ＬＤＨが含有する遷移金属イオン総濃度が１００ｐｐｍ以上であり成形時にＬＤＨ粒子間の空隙を充填できるため、簡便に電解質材料を成形することができる。
（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。
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、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、本発明に係る電解質材料は、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、水酸化物イオンをキャリアとする二次電池（亜鉛空気二次電池など）や、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどが挙げられる。
以下において、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
まず、Ｎｉ２＋／Ａｌ３＋比（Ａｌイオンに対するＮｉイオンの比率）が２以上４以下のＬＤＨ粉末と、遷移金属水酸化物粉末とを準備した。遷移金属水酸化物粉末としては、ＦｅＯＯＨ粉末（株式会社高純度化学研究所製、製品名α-オキシ水酸化第二鉄）と、Ｃｏ（ＯＨ）２粉末（富士フィルム和光純薬製、製品名水酸化コバルト）と、Ｍｎ３Ｏ４粉末（株式会社高純度化学研究所製、製品名四三酸化マンガン）とを準備した。
次に、ＬＤＨが含有するＮｉイオンに対する各遷移金属（Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎ）のイオン濃度及び遷移金属イオン総濃度が表１に示す値になるようにＬＤＨ粉末と遷移金属水酸化物粉末とを混合して電解質材料粉末を調製した。遷移金属のイオン総濃度は、ＸＲＤ測定により水酸化物種を同定したうえで、誘導結合プラズマ発光分光分析によって計測した。
なお、表１に示すように、比較例１〜４及び実施例１〜６では、遷移金属水酸化物粉末としてＦｅＯＯＨ粉末を用い、比較例５〜８及び実施例７〜１２では、遷移金属水酸化物粉末としてＣｏ（ＯＨ）２粉末を用い、比較例９〜１２及び実施例１３〜１８では、遷移金属酸化物粉末としてＭｎ３Ｏ４粉末を用いた。また、表１に示すように、比較例１３〜１８及び実施例１９〜２７では、遷移金属酸化物／水酸化物粉末として、ＦｅＯＯＨ粉末、Ｃｏ（ＯＨ）２粉末及びＭｎ３Ｏ４粉末を用いた。
次に、電解質材料粉末を、冷間等方圧プレス(ＣＩＰ)により３０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で圧粉体を形成することによって、比較例１〜１８及び実施例１〜２７ごとに電解質を１００個ずつ作製した。
そして、作製した電解質の成形性を確認した。具体的には、電解質の表面における割れの有無を目視にて確認して、割れが確認された電解質の数（不良品数）を電解質の総数（＝１００個）で割ることによって不良率を算出した。不良品の判定としては、光学顕微鏡で作製した圧粉体を観察し、1ｃｍ２当たりのクラック長さの合計が３ｍｍ未満を良品、３ｍｍ以上を不良品とした。なお、１ｍｍ未満の微小なクラックは判定の対象外とした。比較例１〜１８及び実施例１〜２７それぞれの不良率と、その判定とを表１にまとめて示す。成形性の判定は、不良率が１０％未満の場合を〇とし、不良率が１０％以上の場合を×とした。
次に、ＪＩＳＲ１６６１(ファインセラミックスイオン伝導体の導電率測定方法)に従って、作製した電解質の初期導電率を測定した。測定は、大気中８０℃、相対湿度８０％の環境下で実施した。導電率とは、電解質の水酸化物イオン伝導性を示す指標である。比較例１〜１８及び実施例１〜２７それぞれの電解質の初期導電率と、その判定とを表１にまとめて示す。初期導電率について、５×１０−３Ｓ／ｃｍ以上である場合を〇と評価し、５×１０−３Ｓ／ｃｍ未満である場合を×と評価した。
ＬＤＨが含有するＮｉイオンに対する遷移金属（Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎ）のイオン総濃度を１００ｐｐｍ未満とした比較例１〜２，５〜６，９〜１０，１３〜１５では、電解質の成形性が低かった。また、ＬＤＨが含有するＮｉイオンに対する遷移金属のイオン総濃度を２００００ｐｐｍ超とした比較例３〜４，７〜８，１１〜１２，１６〜１８では、電解質の初期導電率が低かった。
一方、ＬＤＨが含有するＮｉイオンに対する遷移金属のイオン総濃度を１００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下とした実施例１〜２７では、電解質の良好な成形性と高い初期導電率とを両立させることができた。このような結果が得られたのは、遷移金属のイオン総濃度を１００ｐｐｍ以上とすることによって二次粒子の空隙に遷移金属水酸化物を充填でき、かつ、遷移金属のイオン総濃度を２００００ｐｐｍ以下とすることによってＬＤＨの水酸化物イオン伝導性を十分確保できたためである。
また、遷移金属のイオン総濃度を２００ｐｐｍ以上とすることによって、さらに５００ｐｐｍ以上とすることによって、電解質の良好な成形性をより向上できることが確認された。
また、遷移金属のイオン総濃度を１００００ｐｐｍ以下とすることによって、さらに５０００ｐｐｍ以下とすることによって、初期導電率をより向上できることが確認された。
なお、実施例１〜２７の電解質の断面を電界放出型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）で観察したところ、遷移金属水酸化物はＬＤＨによって構成される二次粒子同士の間隙に位置していた。
１０ アルカリ形燃料電池
１２ カソード
１４ アノード
１６ 電解質
１２ カソード
１４ アノード
１６ 電解質
Claims (3)
- Ｎｉイオン及びＡｌイオンを含有する層状複水酸化物と、
Ｆｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の酸化物及び／又はＦｅ、Ｃｏ及びＭｎから選択される少なくとも１種の遷移金属の水酸化物と、
を含み、
前記層状複水酸化物が含有するＮｉイオンに対する前記酸化物及び／又は前記水酸化物に含まれる前記遷移金属のイオン総濃度は、１００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下であり、
前記層状覆水酸化物は、下記の式（１）によって表される、
電解質材料。
［Ｎｉ ２＋ １−ｐ―ｒ―ｓ Ａｌ ３＋ ｐ Ｍ ２＋ ｒ Ｍ ３＋ ｓ （ＯＨ） ２ ］［Ａ ｎ− ｐ＋ｓ／ｎ ・ｍＨ ２ Ｏ］・・・式（１）
（式（１）において、Ｎｉ ２＋ ／Ａｌ ３＋ 比は２以上４以下であり、Ｍ ２＋ はＭｇ ２＋ 、Ｃａ ２＋ 、Ｓｒ ２＋ 、Ｆｅ ２＋ 、Ｃｏ ２＋ 、Ｍｎ ２＋ 及びＺｎ ２＋ から選択される少なくとも１種であり、Ｍ ３＋ はＹ ３＋ 及びＣｅ ３＋ の少なくとも一方であり、Ａ ｎ− はｎ価の陰イオンであり、０．６７≦１−ｐ―ｒ―ｓ≦０．８０、０．２０≦ｐ≦０．３３、０≦ｒ≦０．１０、０≦ｓ≦０．１０、０．２≦ｐ＋ｓ≦０．４３、ｎは１以上の整数であり、ｍは任意の整数である。） - 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、請求項１に記載の電解質材料を含有する電解質と、
を備える電気化学セル。 - 前記電解質において、前記酸化物及び／又は前記水酸化物は、前記層状複水酸化物によって構成される二次粒子同士の間隙に位置する、
請求項２に記載の電気化学セル。
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