JP7182251B2 - 二次電池及びそれを用いた充放電方法 - Google Patents
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Description
この問題点を解決すべく、固体炭素を、還元剤(固体燃料)として使用するダイレクトカーボン燃料電池(DCFC;Direct Carbon Fuel Cell)が提案されている。
特に、本発明者らにより、炭化水素等の熱分解を利用して、DCFCの負極に固体炭素を繰り返し供給することのできるリチャージャブル・ダイレクトカーボン燃料電池(RDCFC;Rechargeable Direct Carbon Fuel Cell)が提案されている(特許文献2~3、非特許文献1~3等)
充電時には、該負極の表面において二酸化炭素が電解され、該負極側に炭素が析出し、放電時には、該負極の表面において、炭素及び/又は一酸化炭素が電気化学的に酸化されることにより二酸化炭素が生成することを特徴とする二次電池を提供するものである。
充電時の負極2における具体的な反応は、以下のようなものであると推定される。
2CO ←→ CO2+C (R2)
(R2)は、固体炭素及び二酸化炭素と、一酸化炭素との間の熱化学平衡反応であり、Boudouard(ブードア)平衡反応として知られている。
(R1)と(R2)から、充電時のトータルの負極反応は、以下のようになる。
また、(R1)によって生成した一酸化炭素の還元による炭素の生成(下記反応式(R4))も同様に過電圧が大きく、難しいと考えられる。よって二酸化炭素の電解はエネルギー効率が低いとされる。
具体的には、本発明の二次電池は、電解質がイオン伝導性の固体酸化物なので、限定はされないが、充電は、600℃以上で行うのが好ましく、650℃以上で行うのが特に好ましい。また、炭素が析出しやすくなるように、充電は、900℃以下で行うのが好ましく、800℃以下で行うのが特に好ましい。
閉鎖系2Aの具体的な形状等には特に限定は無いが、例えば、片側を閉鎖した円筒型セル又はその集合体が挙げられる。
後述のように、放電時には、負極2の表面において、一酸化炭素の電気化学的酸化によって、二酸化炭素が生成する。放電時に、高温にすることによって、熱化学平衡反応(R2)が、左辺側に傾くので、壁面等の負極2の表面以外の場所に析出した炭素も、熱化学平衡反応(R2)により一酸化炭素となり、放電に寄与する。
また、放電に伴うエネルギー損失は熱として発現する。その熱損失を反応場の加温に利用することで効率的に反応場の制御ができる。
本発明では、貯蔵されるエネルギー源が、二酸化炭素であるため、水素をエネルギー源として利用した場合と比較して、安全性が高い。
前者の場合、各々の反応場が近接するため物質移動による損失が少ないというメリットがある。後者の場合、反応場の温度を個別に制御することが可能で、より有利な条件で充放電ができるというメリットがある。
放電時の負極2における具体的な反応は、以下のようなものであると推定される。
C+2O2- → CO2+4e- (R7)
CO+O2- → CO2+2e- (R8)
2CO ←→ CO2+C (R2)
放電時のトータルの負極反応は、以下のようになる。
また、固体炭素及び二酸化炭素と、一酸化炭素との間の熱化学平衡反応(R2)が起こる。
具体的には、放電は、限定はされないが、700℃以上で行うのが好ましく、750℃以上で行うのが特に好ましい。また、1000℃以下で行うのが好ましく、900℃以下で行うのが特に好ましい。
上記下限以上であると、熱化学平衡反応(R2)が左辺に傾き、壁面等に付着した炭素が一酸化炭素となりやすくなるので、放電が進みやすい。また、装置の耐熱性やコスト等の観点から、上記上限以下の温度とする必要がある。
また、本発明では、熱化学平衡反応(R2)を利用することで、炭素と二酸化炭素の間の酸化還元反応を実現しているが、充電と放電とを異なる温度で行うことにより、効率的に充放電を行うことができるのが、本発明の二次電池の特色である。
前記のように、充電は熱化学平衡反応(R2)が右辺に傾きやすい(CO分圧が小さくなりやすい)条件下で、放電は熱化学平衡反応(R2)が左辺に傾きやすい(CO分圧が大きくなりやすい)条件下で行うのが望ましい。
よって、本発明では、充電を放電よりも低温で行うのが好ましい。
炭素の析出を促進する触媒としては、例えば、グラスウールに金属を担持したものが挙げられる。該金属としては、遷移金属が特に好ましい。具体的には、Fe、Ni、Co、W、Ta、Pt等が例示できる。
<電極材料等の作製>
以下のようにして、二次電池の電極材料等を作製した。
(2)NiO粉末(関東化学株式会社製)3質量部と、GDC粉末(AGCセイミケミカル株式会社)2質量部を混合し、一晩卓上ボールミルで撹拌した。
(3)α-テルピネオール(関東化学株式会社)、フタル酸ジブチル(富士フイルム和光純薬株式会社)、分散剤であるマリアリム(登録商標;日油株式会社)、エチルセルロース(富士フイルム和光純薬株式会社)からなる電極ペースト用の溶媒を作製した。
(4)乾燥させたNiO/GDC粉末を上記溶媒に混ぜることで負極(燃料極)ペーストを作製した。
(5)電解質の片面に負極(燃料極)ペーストを塗布し、1300℃で4時間焼結させ、負極(燃料極)を形成した。
(6)正極(空気極)ペーストは、LSM粉末(AGCセイミケミカル株式会社)に上記溶媒を加えることで作製した。
(7)電解質の負極(燃料極)を形成した面の反対側に正極(空気極)ペーストを塗布し、1200℃で4時間焼結させた。
(8)正極(空気極)には、集電性を向上させるためにPtペースト(TR-7907;田中貴金属工業株式会社)を塗布した。負極(燃料極)と正極(空気極)は作用極と参照極を持ち、それぞれの面積は約0.52cm2、0.16cm2であった。
以下のようにして、作製した電極材料等を装置内に設置し、二次電池(セル)を作製し、動作テストを実施した。
(2)Pt線(直径0.3mm;三和金属株式会社)をリード線に使用した。電源(株式会社アドバンテスト)を使用して電流制御を行い、デジタルマルチメーター(株式会社アドバンテスト)を使用して電位測定を行なった。
(3)二次電池(セル)の性能を確かめるための動作テストとして、900℃で1%加湿水素を使用した発電実験を行なった。
(4)負極(燃料極)には水素200cm3/minと酸素1cm3/min、正極(空気極)には酸素60cm3/minを供給した。
以下のようにして、炭素と二酸化炭素の間の酸化還元反応による充放電サイクルを実施した。
(2)負極(燃料極)側にプロパン5cm3を供給し、5分間熱分解することで炭素を析出させた。
(3)アルゴン200cm3/minを10分間流すことでプロパンの熱分解反応を停止させ、負極(燃料極)の側をArで置換した。
(4)次に二酸化炭素100cm3を供給することで負極(燃料極)の側を二酸化炭素で置換し、二酸化炭素と炭素を共存させた。
(5)負極(燃料極)の側のコックをすべて閉じて、負極(燃料極)の側の空間を閉鎖系にした。
(6)正極(空気極)には空気100cm3/minを供給した。
(7)電位が0Vになるまで、電流値52mAで放電を行なった。
(8)この放電後の状態を初期状態として、充電/放電サイクル操作を行なった。
(9)充放電サイクル操作は800℃で行なった。
(10)電流値は52mAで一定とし、充電時間は10分間とした。
(11)充放電サイクル操作中に、カレントインタラプション法によりオーム抵抗と過電圧の分離を2分毎に行なった。
実施例1において、電解質を、10mol%Sc2O3-1mol%CeO2-ZrO2(ScSZ;直径20mm・厚さ0.30mm)に変更した以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製し、充放電サイクルを実施した。結果を図4(b)に示す。
実施例1において、充電時間を20分間に変更した以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製し、充放電サイクルを実施した。結果を図4(c)に示す。
実施例2において、充放電サイクル操作を900℃で行なった以外は、実施例2と同様にして二次電池を作製し、充放電サイクルを実施した。結果を図4(d)に示す。
2 負極
2A 閉鎖系
3 正極
4 電解質
Claims (17)
- 負極、正極、及び、該負極と該正極との間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物からなる電解質、を少なくとも有する二次電池であって、
充電時には、該負極の表面において二酸化炭素が電解され、該負極側に炭素が析出し、該正極において、該負極で生成し該電解質を透過した酸化物イオンから酸素が生成し、
放電時には、該正極において、酸素から酸化物イオンが生成し、該負極の表面において、炭素及び/又は一酸化炭素が電気化学的に酸化されることにより二酸化炭素が生成する二次電池であり、
該電解質が、ガス不透過性の構造を有し、該負極側に析出した炭素と、該正極に供給される酸素を含むガスを直接接触させない隔壁として機能し、該負極の側が閉鎖系であり、該正極の側が開放系であることを特徴とする二次電池。 - 充電時に、前記負極の表面において、下記還元反応(R1)により一酸化炭素が生成し、生成した一酸化炭素が下記熱化学平衡反応(R2)により、二酸化炭素と炭素になることにより、前記負極側に炭素が析出する、請求項1に記載の二次電池。
CO2+2e- → CO+O2- (R1)
2CO ←→ CO2+C (R2) - 前記閉鎖系が、片側を閉鎖した円筒型セル又はその集合体により形成されている請求項1又は請求項2に記載の二次電池。
- 前記閉鎖系において、二酸化炭素を液体又は固体の状態で貯蔵できるようになっている請求項1ないし請求項3の何れかの請求項に記載の二次電池。
- 前記閉鎖系において、下記還元反応(R1)の反応場と下記熱化学平衡反応(R2)の反応場とが、同一空間内に存在する請求項1ないし請求項4の何れかの請求項に記載の二次電池。
CO2+2e- → CO+O2- (R1)
2CO ←→ CO2+C (R2) - 前記閉鎖系において、下記還元反応(R1)の反応場と下記熱化学平衡反応(R2)の反応場とが、個別に存在する請求項1ないし請求項4の何れかの請求項に記載の二次電池。
CO2+2e- → CO+O2- (R1)
2CO ←→ CO2+C (R2) - 前記負極が、炭素の析出を促進する触媒を有する請求項1ないし請求項6の何れかの請求項に記載の二次電池。
- 前記触媒が、グラスウールに金属を担持したものである請求項7に記載の二次電池。
- 前記グラスウールに担持された金属が、Fe、Ni、Co、W、Ta及びPtからなる群より選ばれた1種以上の金属である請求項8に記載の二次電池。
- 前記電解質が安定化ジルコニア、ランタンガレート又はセリア系固溶体である請求項1ないし請求項9の何れかの請求項に記載の二次電池。
- 負極材料が、複合金属酸化物、又は、複合金属酸化物と金属からなるサーメットである請求項1ないし請求項10の何れかの請求項に記載の二次電池。
- 前記サーメットが、Ni/YSZ、Ni/GDC、Ni/ScSZ又はNi/SDCである請求項11に記載の二次電池。
- 請求項1ないし請求項12の何れかの請求項に記載の二次電池により、充電及び放電を行うことを特徴とする充放電方法。
- 充電を放電よりも低温で行う、請求項13に記載の充放電方法。
- 600℃以上1000℃以下で充電及び放電を行う、請求項13又は請求項14に記載の充放電方法。
- 600℃以上900℃以下で充電を行い、700℃以上1000℃以下で放電を行う、請求項13ないし請求項15の何れかの請求項に記載の充放電方法。
- 下記熱化学平衡反応(R2)が右辺に傾きやすい条件下で充電を行い、左辺に傾きやすい条件下で放電を行う請求項13ないし請求項16に記載の充放電方法。
2CO ←→ CO2+C (R2)
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