JPH05121077A - Fuel cell with molten carbonate - Google Patents

Fuel cell with molten carbonate

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JPH05121077A
JPH05121077A JP3281320A JP28132091A JPH05121077A JP H05121077 A JPH05121077 A JP H05121077A JP 3281320 A JP3281320 A JP 3281320A JP 28132091 A JP28132091 A JP 28132091A JP H05121077 A JPH05121077 A JP H05121077A
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JP
Japan
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oxide
molten carbonate
fuel cell
lithium
gold
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Withdrawn
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JP3281320A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsuo Muneuchi
篤夫 宗内
Kenji Murata
謙二 村田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH05121077A publication Critical patent/JPH05121077A/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M4/90Selection of catalytic material
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Abstract

PURPOSE:To provide a molten carbonate type fuel cell, in which secular deterioration at normal service temp. is suppressed and which presents a high cell performance in the same degree as in the case where lithium nickel oxide is used as a cathode electrode. CONSTITUTION:A fuel cell with molten carbonate is equipped with a pair of gas diffusion electrodes, anode and cathode consisting of porous body and an electrolyte matrix which is pinched by these gas diffusion electrodes and holds the molten carbonate. Among them the cathode electrode is formed from a porous body consisting of a composite material in which at least one sort of metal particulates 12 of gold and platinum series metals are dispersed in an electroconductive oxide 11.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池
に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a molten carbonate fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、多孔質体から
なる一対のガス拡散電極、すなわちアノード極(燃料
極)およびカソード極(酸化剤極)と、これらガス拡散
電極によって挟持され、溶融したアルカリ炭酸塩を保持
する電解質マトリックスとを有する複数個の単位セル
が、これら各セルを電気的に接続すると共に、各ガス拡
散電極への反応ガスの通路形成部となるセパレータを介
して積層されて構成されている。起電反応は、アノード
極に水素ガスを含む燃料電池ガスを、またカソード極に
酸化剤ガスを供給することによって、ガス拡散電極の多
孔質骨格と溶融炭酸塩および反応ガスとが共存する反応
サイト(三相界面)で生じる。溶融炭酸塩型燃料電池
は、その結果として変換・発生した電気エネルギーを一
対の電極間から取り出すものである。
2. Description of the Related Art A molten carbonate fuel cell is sandwiched by a pair of gas diffusion electrodes made of a porous material, that is, an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), and melted. A plurality of unit cells having an electrolyte matrix holding the alkali carbonates are electrically connected to each other, and are laminated via a separator serving as a passage forming portion of a reaction gas to each gas diffusion electrode. Is configured. The electromotive reaction is a reaction site in which the porous skeleton of the gas diffusion electrode and the molten carbonate and the reaction gas coexist by supplying a fuel cell gas containing hydrogen gas to the anode electrode and an oxidant gas to the cathode electrode. It occurs at (three-phase interface). The molten carbonate fuel cell takes out the electric energy converted and generated as a result from between a pair of electrodes.

【0003】ところで、上記した起電反応は化学反応で
あり、反応温度が高いほど速やかに反応が進行するが、
一方で多孔質ガス拡散電極や電解質マトリックス等を構
成する部材の劣化、腐食も、反応温度が高いほど進行し
やすくなる。このため、通常は 650℃近辺で運転されて
いる。しかし、このような温度においても、従来のセル
構成材料では劣化や腐食の問題が完全に解決されている
わけではない。
By the way, the above electromotive reaction is a chemical reaction, and the higher the reaction temperature, the faster the reaction proceeds.
On the other hand, the deterioration and corrosion of the members constituting the porous gas diffusion electrode, the electrolyte matrix and the like are more likely to proceed as the reaction temperature is higher. Therefore, it is usually operated near 650 ℃. However, even at such temperatures, the problems of deterioration and corrosion have not been completely solved by conventional cell constituent materials.

【0004】例えば、ガス拡散電極のうちカソード極と
しては、従来、リチウムがドープされた(以下、リチウ
ム化と称する)酸化ニッケルの多孔質焼結体が一般的に
使用されてきた。しかし、このリチウム化酸化ニッケル
は、上述したような運転温度でも徐々に溶解してしまう
という問題を有していた。ニッケルイオンが溶解する
と、アノード極側から拡散してきた水素と反応して、電
解質中にニッケルが析出し、アノード極とカソード極間
が短絡してしまう。また、電極間の短絡までには至らな
くとも、ニッケルイオンの溶解によって、カソード極の
減耗や反応サイトの減少が起こり、セル性能の低下を招
いてしまう。
For example, a porous sintered body of nickel oxide doped with lithium (hereinafter referred to as lithiation) has been generally used as the cathode electrode of the gas diffusion electrode. However, this lithiated nickel oxide has a problem that it gradually dissolves even at the above-mentioned operating temperature. When the nickel ions are dissolved, they react with hydrogen that has diffused from the anode side, nickel is deposited in the electrolyte, and the anode and cathode electrodes are short-circuited. Further, even if the short circuit between the electrodes does not occur, the dissolution of the nickel ions causes the wear of the cathode electrode and the decrease of the reaction sites, resulting in the deterioration of the cell performance.

【0005】このようなことから、リチウム化酸化ニッ
ケルに代わる導電性酸化物を、カソード極として用いる
ことが試みられている。代替用の導電性酸化物として
は、溶解度が酸化ニッケルと同程度もしくはそれ以下
で、かつ燃料ガス中の水素でアノード極近傍で還元され
にくい性質を有することが必要となる。そこで、リチウ
ムフェライト(LiFeO2 )、リチウムチタネート(Li2 T
iO3 )、リチウムマンガネート(LiMnO2 )、酸化亜鉛
(ZnO)等を使用することが提案されている。また、これ
ら酸化物の導電性を向上させるために、 MgO、 CaO、 Z
rO2 、 ZnO、マンガン酸化物等を添加することも提案さ
れている(National Fuel Cell Seminor,1983p65,1985
p158,1990 p227 等参照)。
Under these circumstances, it has been attempted to use a conductive oxide in place of lithiated nickel oxide as the cathode electrode. The conductive oxide used as an alternative is required to have a solubility that is equal to or lower than that of nickel oxide and that it is difficult to reduce hydrogen in the fuel gas near the anode. Therefore, lithium ferrite (LiFeO 2 ) and lithium titanate (Li 2 T
iO 3), lithium manganate (LiMnO 2), it has been proposed to use such as zinc oxide (ZnO). In order to improve the conductivity of these oxides, MgO, CaO, Z
It has also been proposed to add rO 2 , ZnO, manganese oxide, etc. (National Fuel Cell Seminor, 1983p65,1985
p158, 1990 p227 etc.).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような導電性酸化物をカソード極として用いた溶融炭
酸塩型燃料電池では、運転温度に対する安定性は高まる
ものの、十分なセル性能を得ることができないという問
題があった。また、導電性向上のための添加を行った材
料によるカソード極を用いた場合においても、リチウム
化酸化ニッケルに匹敵するようなセル性能は得られてい
ないのが現状である。
However, in the molten carbonate fuel cell using the above-mentioned conductive oxide as the cathode electrode, it is possible to obtain sufficient cell performance although the stability against operating temperature is increased. There was a problem that I could not. Further, even when a cathode electrode made of a material added to improve conductivity is used, cell performance comparable to that of lithium nickel oxide is not obtained at present.

【0007】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、通常の運転温度における経時的な劣
化を抑制すると共に、カソード極としてリチウム化酸化
ニッケルを用いた場合と同等の高性能なセル性能が得ら
れる溶融炭酸塩型燃料電池を提供することを目的として
いる。
The present invention has been made in order to solve such a problem, and suppresses deterioration with time at normal operating temperature, and has the same high level as in the case of using lithium nickel oxide as a cathode electrode. It is an object of the present invention to provide a molten carbonate fuel cell capable of obtaining excellent cell performance.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の溶融炭酸塩型燃
料電池は、多孔質体からなる一対のガス拡散電極と、こ
れらガス拡散電極に挟持され、溶融炭酸塩を保持した電
解質マトリックスとを具備する溶融炭酸塩型燃料電池に
おいて、前記ガス拡散電極のうちカソード極は、導電性
酸化物に金および白金族金属から選ばれた少なくとも 1
種の金属微粒子を分散させた複合材料の多孔質体からな
ることを特徴としている。
The molten carbonate fuel cell of the present invention comprises a pair of gas diffusion electrodes made of a porous body and an electrolyte matrix sandwiched between these gas diffusion electrodes and holding molten carbonate. In the molten carbonate fuel cell provided, the cathode of the gas diffusion electrode has at least 1 selected from a conductive oxide as gold and a platinum group metal.
It is characterized by being composed of a porous body of a composite material in which fine metal particles of a kind are dispersed.

【0009】[0009]

【作用】本発明の溶融炭酸塩燃料電池においては、カソ
ード極の骨格として、溶解度が小さくかつ燃料ガス中の
水素に対して安定な導電性酸化物を用いていると共に、
この電極骨格に触媒活性な金や白金族金属の微粒子を分
散させている。カソード極の骨格自体には、抵抗損が小
さい導電性酸化物を用いているため、電極内部の抵抗損
は十分に小さくすることができる。また、触媒活性な金
属微粒子の存在によって、反応面積を大きくすることが
できる。これらの作用によって、良好なセル性能を得る
ことができる。
In the molten carbonate fuel cell of the present invention, as the skeleton of the cathode electrode, a conductive oxide having a low solubility and stable against hydrogen in the fuel gas is used.
Fine particles of catalytically active gold or platinum group metal are dispersed in this electrode skeleton. Since a conductive oxide having a small resistance loss is used for the skeleton of the cathode electrode itself, the resistance loss inside the electrode can be made sufficiently small. In addition, the presence of the catalytically active metal fine particles can increase the reaction area. Due to these effects, good cell performance can be obtained.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】図1は、本発明の一実施例による溶融炭酸
塩型燃料電池の要部の構成を模式的に示す図である。同
図において、1は溶融したアルカリ炭酸塩等の電解質
を、LiAlO2 や BaO・ 6Al2 O3等のマトリックスで保持
した電解質層である。この電解質層1の両主面上には、
例えばニッケルの多孔質体からなるアノード極(燃料
極)2と、カソード極(酸化剤極)3とがそれぞれ配置
されている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of the main part of a molten carbonate fuel cell according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is an electrolyte layer in which a molten electrolyte such as an alkali carbonate is held by a matrix such as LiAlO 2 or BaO · 6Al 2 O 3 . On both main surfaces of this electrolyte layer 1,
For example, an anode electrode (fuel electrode) 2 and a cathode electrode (oxidizer electrode) 3 each made of a porous material of nickel are arranged.

【0012】上記カソード極3は、リチウムフェライト
(LiFeO2 )、リチウムフェライトスピネル、リチウムチ
タネート(Li2 TiO3 )、リチウムマンガネート(LiMnO
2 )、イットリウム鉄ガーネット、リチウムコバルタイ
ト等の溶解度が小さく、かつ炭酸塩に対して安定な導電
性酸化物を骨格とし、これに金およびPt、Ru、Rh、Pd、
Ir等の白金族金属から選ばれた少なくとも 1種の微粒子
を分散させた複合材料からなるものである。金や白金族
金属粒子の分散形態としては、例えば図2に示すよう
に、導電性酸化物11の表面に金や白金族金属の粒子1
2を分散、付着させたものが例示される。また、金や白
金族金属を層状に付着させることも可能である。このよ
うに、金粒子や白金族金属粒子のような触媒活性な金属
粒子を導電性酸化物に分散させることによって、反応面
積が増大し、カソード極での反応を活性化することが可
能となると共に、電極として導電性の向上を図ることも
可能となる。
The cathode 3 is lithium ferrite
(LiFeO 2 ), lithium ferrite spinel, lithium titanate (Li 2 TiO 3 ), lithium manganate (LiMnO 2
2 ), yttrium iron garnet, lithium cobaltite, etc. are used as a skeleton of a conductive oxide having a low solubility and stable to carbonates, and gold, Pt, Ru, Rh, Pd,
It is composed of a composite material in which at least one fine particle selected from platinum group metals such as Ir is dispersed. As a dispersion form of gold or platinum group metal particles, for example, as shown in FIG. 2, particles 1 of gold or platinum group metal are formed on the surface of the conductive oxide 11.
An example is one in which 2 is dispersed and adhered. It is also possible to deposit gold or a platinum group metal in layers. In this way, by dispersing catalytically active metal particles such as gold particles or platinum group metal particles in the conductive oxide, the reaction area is increased and the reaction at the cathode can be activated. At the same time, it becomes possible to improve conductivity as an electrode.

【0013】導電性酸化物に分散、添加する金や白金族
金属の量は、原料コストの面では少ない方がよいが、導
電性酸化物に対して0.05重量%未満の添加では、反応面
積の増大の効果、導電性増大の効果がいずれも有意とは
ならないのため、この値以上添加することが好ましい。
一方、約40重量%を超えて添加すると、特に酸化物表面
に分散付着した金属粒子間の距離が短くなり、短時間に
凝集するため、反応サイト増大の効果が急速に低下して
しまう。したがって、貴金属の添加量は0.05重量%〜40
重量%の範囲が好ましい。
The amount of gold or platinum group metal dispersed and added to the conductive oxide should be small in terms of raw material cost, but if less than 0.05 wt% of the conductive oxide is added, the reaction area will be reduced. Since neither the effect of increasing the conductivity nor the effect of increasing conductivity is significant, it is preferable to add more than this value.
On the other hand, if it is added in an amount of more than about 40% by weight, the distance between the metal particles dispersed and adhered to the surface of the oxide is shortened and the particles agglomerate in a short time. Therefore, the amount of precious metal added is 0.05 to 40% by weight.
A weight% range is preferred.

【0014】また、導電性酸化物の表面に分散、付着さ
せる金や白金族金属粒子の大きさは、 5nm〜70nm程度と
することが好ましい。これら貴金属粒子の大きさは、貴
金属粒子を導電性酸化物に分散、付着させる際の条件を
調節することによって変化させることができる。
The size of the gold or platinum group metal particles dispersed and attached to the surface of the conductive oxide is preferably about 5 nm to 70 nm. The size of these noble metal particles can be changed by adjusting the conditions for dispersing and attaching the noble metal particles to the conductive oxide.

【0015】上記した導電性酸化物としては、上述した
ような酸化物の単体に限らず、導電性を向上させるため
に、上述した導電性酸化物に酸化マグネシウム(MgO) 、
酸化カルシウム(CaO) 、酸化ジルコニウム(ZrO2 ) 、酸
化亜鉛(ZnO) 、酸化錫(SnO)、マンガン酸化物等を加え
た複合酸化物を用いることも可能である。これら酸化物
の添加量としては、酸化物中の金属元素、例えば酸化マ
グネシウムであればMgの量が、導電性酸化物の主構成元
素となる金属元素、例えばリチウムフェライトであれば
Feに対して 0.5モル%〜30モル%の範囲となるように調
製することが好ましい。これは、 0.5モル%未満では導
電性向上効果が十分に得られず、また30モル%以上では
母体となる導電性酸化物に固溶せず、独立相となった M
gO等が増加して、かえって導電性が低下するためであ
る。
The above-mentioned conductive oxide is not limited to the above-mentioned simple substance of oxide, but magnesium oxide (MgO) is added to the above-mentioned conductive oxide in order to improve conductivity.
It is also possible to use a composite oxide containing calcium oxide (CaO), zirconium oxide (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO), manganese oxide and the like. As the addition amount of these oxides, the metal element in the oxide, for example, the amount of Mg in the case of magnesium oxide, the metal element serving as the main constituent element of the conductive oxide, for example lithium ferrite
It is preferable to adjust the amount of Fe in the range of 0.5 to 30 mol% with respect to Fe. This is because if it is less than 0.5 mol%, the effect of improving conductivity is not sufficiently obtained, and if it is 30 mol% or more, it does not form a solid solution in the conductive oxide that is the matrix and becomes an independent phase.
This is because the amount of gO and the like increases, and the conductivity decreases.

【0016】上記したようなカソード極3は、例えば以
下のようにして作製される。まず、導電性酸化物粉末の
分散液に金や白金族金属を例えば塩として添加する。次
いで、pH調製等を行うことによって、導電性酸化物粉末
の表面に金や白金族金属の水酸化物を吸着させる。この
後、この粉末に熱処理を施すことによって、導電性酸化
物粉末の表面に金や白金族金属の微細粒子を分散、付着
させた複合材料粉末が得られる。金や白金族金属粒子の
粒径は、酸化物と金等との混合液のpH、撹拌速度、金等
の含有量、熱処理条件等を調節することにより、 5nm〜
70nm程度とすることができる。
The cathode 3 as described above is manufactured, for example, as follows. First, gold or a platinum group metal, for example, is added as a salt to the dispersion liquid of the conductive oxide powder. Then, by adjusting the pH or the like, the hydroxide of gold or a platinum group metal is adsorbed on the surface of the conductive oxide powder. Then, by subjecting this powder to heat treatment, a composite material powder is obtained in which fine particles of gold or a platinum group metal are dispersed and adhered to the surface of the conductive oxide powder. The particle size of the gold or platinum group metal particles is adjusted to 5 nm by adjusting the pH of the mixed solution of oxide and gold, the stirring speed, the content of gold, etc., the heat treatment conditions, etc.
It can be about 70 nm.

【0017】また、導電性酸化物の表面に分散、付着さ
せた金等の微粒子の凝集(シンタリング)の防止と酸素
の還元反応の促進のために、これらの金属塩に加えて、
アルミニウム、ジルコニウム、シリコン等の硝酸塩、塩
化物、水酸化物等を、これらのカチオン元素のモル数が
添加金属微粒子のモル数に対し 0.1〜 10%となるように
加えてもよい。
In addition to these metal salts, in order to prevent aggregation (sintering) of fine particles of gold or the like dispersed or adhered to the surface of the conductive oxide and to accelerate the reduction reaction of oxygen,
A nitrate, chloride, hydroxide or the like of aluminum, zirconium, silicon or the like may be added so that the number of moles of these cation elements is 0.1 to 10% with respect to the number of moles of the added metal fine particles.

【0018】本発明におけるカソード極としては、上記
した複合材料粉末を有機系もしくは無機系結合剤と混合
し、これをドクターブレード法等によって所定形状に成
形したグリーンシートを用いる。また、そのグリーンシ
ートを還元または真空雰囲気中で、 500℃〜1200℃で焼
結した多孔質焼結体をカソードとして使用してもよい。
さらに、カソード極としてのグリーンシートは単層形態
に限らず、反応ガス拡散を速やかに行うため、酸化剤ガ
ス供給側に粗粉(粒度の大きな貴金属分散粉末)を用い
たグリーンシートを、また電解質マトリックス側には微
粉を用いたグリーンシートを二層に配置してカソードと
してもよい。
As the cathode in the present invention, a green sheet obtained by mixing the above-mentioned composite material powder with an organic or inorganic binder and molding the mixture into a predetermined shape by a doctor blade method or the like is used. A porous sintered body obtained by sintering the green sheet at 500 ° C to 1200 ° C in a reducing or vacuum atmosphere may be used as the cathode.
Further, the green sheet as the cathode electrode is not limited to the single layer form, and in order to quickly diffuse the reaction gas, a green sheet using coarse powder (dispersed powder of noble metal with a large particle size) is provided on the oxidant gas supply side and the electrolyte. On the matrix side, a green sheet using fine powder may be arranged in two layers to serve as a cathode.

【0019】また、本発明におけるカソード極は、予め
導電性酸化物で多孔質焼結体を作製し、その表面に金や
白金族金属を含有する水酸化物層を電気化学的に形成し
た後、熱処理を施すことによって、金属層を形成するよ
うな方法を適用することも可能である。さらに、上記導
電性酸化物の多孔質焼結体表面に、直接金や白金族金属
の層を電気化学的に形成することも可能である。
In the cathode of the present invention, a porous sintered body is prepared in advance from a conductive oxide, and a hydroxide layer containing gold or a platinum group metal is electrochemically formed on the surface of the porous sintered body. It is also possible to apply a method of forming a metal layer by applying heat treatment. Further, it is also possible to electrochemically form a layer of gold or a platinum group metal directly on the surface of the porous sintered body of the conductive oxide.

【0020】図1に示した溶融炭酸塩燃料電池において
は、アノード極2およびカソード極3のそれぞれの外側
に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給路4a、5aを有
する導電性セパレータ4、5がそれぞれ配置されて、単
位電池が構成されている。そして、上記した単位電池を
複数積層して起電部構造体が構成され、さらに図示を省
略したガス供給用マニホールドを起電部構造体の側面に
取り付け、積層方向から所定の圧力で締め付けることに
より、溶融炭酸塩型燃料電池が構成される。
In the molten carbonate fuel cell shown in FIG. 1, conductive separators 4 and 5 having fuel gas and oxidant gas supply paths 4a and 5a are provided outside the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, respectively. Each is arranged to form a unit battery. Then, a plurality of unit batteries described above are stacked to form an electromotive section structure, and a gas supply manifold (not shown) is attached to the side surface of the electromotive section structure and tightened with a predetermined pressure from the stacking direction. A molten carbonate fuel cell is constructed.

【0021】次に、上記構成を有する溶融炭酸塩型燃料
電池の具体例およびその評価結果について説明する。 実施例1 まず、リチウムフェライト(LiFeO2 )に 5モル%のマグ
ネシウムを加えた、比表面積5m2 /gの複合酸化物(LiFe
0.95Mg0.05 O2 )の粉末を水に分散させる。次いでこの
分散液に、上記複合酸化物に対し 8重量%に相当する金
を含む塩化金酸(HAuCl4 )の溶液(予め炭酸ナトリウ
ム、炭酸カリウム等でpHを 9に調整しておく)を、徐々
に添加した後、十分に撹拌する。さらに炭酸ナトリウム
を加えて、pHを10に調整し、十分に撹拌した後、12時間
静置する。上記操作により、表面に水酸化金(Au(O
H)3 )が吸着した複合酸化物の粉末が調製できる。
Next, a concrete example of the molten carbonate fuel cell having the above-mentioned constitution and its evaluation result will be explained. Example 1 First, 5 mol% of magnesium was added to lithium ferrite (LiFeO 2 ), which was a composite oxide (LiFe) having a specific surface area of 5 m 2 / g.
0.95 Mg 0.05 O 2 ) powder is dispersed in water. Then, to this dispersion, a solution of chloroauric acid (HAuCl 4 ) containing gold corresponding to 8% by weight with respect to the above composite oxide (preliminarily adjusted to pH 9 with sodium carbonate, potassium carbonate, etc.), After adding slowly, stir well. Further, sodium carbonate is added to adjust the pH to 10, and the mixture is sufficiently stirred and then left standing for 12 hours. By the above operation, gold hydroxide (Au (O
H) 3 ) adsorbed complex oxide powder can be prepared.

【0022】得られた粉末を濾液が pH7〜 7.5になるま
でイオン交換水で洗浄し、40℃で12時間乾燥する。さら
に、空気中 400℃で 1時間熱処理する。これらの処理に
より、Au(OH)3 はAuとなり、導電性酸化物(LiFe0.95Mg
0.05 O2 )表面に金の微粒子が分散、付着した複合材料
粉末が得られる。このにようにして得た複合材料粉末を
後述する特性評価に供した。
The obtained powder is washed with ion-exchanged water until the filtrate has a pH of 7 to 7.5, and dried at 40 ° C. for 12 hours. In addition, heat-treat at 400 ℃ in air for 1 hour. By these treatments, Au (OH) 3 becomes Au and the conductive oxide (LiFe 0.95 Mg
0.05 O 2 ) Gold fine particles are dispersed and adhered on the surface to obtain a composite material powder. The composite material powder thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described later.

【0023】実施例2 硝酸鉄と硝酸マグネシウムと塩化金酸とを、鉄およびマ
グネシウムの合計モル数と金のモル数との比が19対 1と
なるように調製した混合物を、炭酸ナトリウムを加えて
pH8に調整した水溶液に注入し、よく撹拌する。この水
溶液にさらに炭酸ナトリウムを加えて pH9に調整する。
生じた沈殿物を濾過し、イオン交換水で十分洗浄する。
次に、空気中、40℃で30時間熱処理する。このようにし
て、酸化物の表面および内部に金の微粒子が分散した複
合材料粉末を得る。この複合材料粉末を後述する特性評
価に供した。
Example 2 Sodium carbonate was added to a mixture prepared by mixing iron nitrate, magnesium nitrate and chloroauric acid so that the ratio of the total moles of iron and magnesium to the moles of gold was 19: 1. hand
Pour into an aqueous solution adjusted to pH 8 and stir well. Sodium carbonate is further added to this aqueous solution to adjust the pH to 9.
The precipitate formed is filtered and washed thoroughly with ion-exchanged water.
Next, it heat-processes at 40 degreeC in air for 30 hours. Thus, a composite material powder in which fine gold particles are dispersed on the surface and inside of the oxide is obtained. This composite material powder was subjected to the characteristic evaluation described below.

【0024】なお、この実施例の複合酸化物にはリチウ
ムが含まれていないが、電池セルを構成して電解質の溶
融温度以上に昇温すると、電解質中のリチウムが酸化物
中に拡散侵入してきてリチウム化酸化物となる。
Although the composite oxide of this example does not contain lithium, when the battery cell is constructed and the temperature is raised above the melting temperature of the electrolyte, lithium in the electrolyte diffuses and penetrates into the oxide. And becomes lithium oxide.

【0025】次に、上記実施例1、2で得た複合材料粉
末をそれぞれ用いて、溶融炭酸塩型燃料電池を作製し、
その特性を評価した結果について述べる。なお、上記の
実施例1、2により得た粉末について、X線回折法(She
rrerの方法による)により含有される金の粒径を測定し
たところ、それぞれ約 9nmであった。
Next, a molten carbonate fuel cell was produced using each of the composite material powders obtained in Examples 1 and 2 above,
The results of evaluating the characteristics will be described. The powders obtained in Examples 1 and 2 above were analyzed by X-ray diffractometry (She
According to the method of Rerr), the particle size of the contained gold was measured to be about 9 nm each.

【0026】まず、上記実施例1、2で得た各々の粉末
80gに対し、有機バインダとしてポリビニルブチラール
(PVB)を 20g加え、これらの混合物をブタノールにそれ
ぞれ分散させ、ボールミルによって24時間混合した。こ
れらをガラス基板上に流し込み、ドクターブレード法に
よって厚さ 0.2mmのグリーンシートにそれぞれ成型し
た。これらシートを所定の大きさに切断して、カソード
極用の多孔質体とした。次いで、これらカソード極と、
0.5重量%のアルミナを分散添加したニッケル粉末を焼
結した多孔質体(気孔率55%)からなるアノード極と、平
均粒径 0.2μmのリチウムアルミネート(気孔率45%)か
らなる電解質マトリックスと、炭酸リチウムおよび炭酸
ナトリウムの混合炭酸塩のグリーンシートと、電池ホル
ダとにより単位セルを構成し、その特性を測定した。図
3にその結果を示す。
First, each powder obtained in Examples 1 and 2 above
To 80 g, 20 g of polyvinyl butyral (PVB) as an organic binder was added, and these mixtures were dispersed in butanol and mixed by a ball mill for 24 hours. These were poured onto a glass substrate and molded into a green sheet having a thickness of 0.2 mm by the doctor blade method. These sheets were cut into a predetermined size to obtain a porous body for a cathode electrode. Then, these cathode electrodes,
An anode electrode made of a porous material (porosity 55%) obtained by sintering nickel powder with 0.5% by weight of alumina dispersed therein, and an electrolyte matrix made of lithium aluminate (porosity 45%) with an average particle size of 0.2 μm. A unit cell was composed of a green sheet of a mixed carbonate of lithium carbonate and sodium carbonate and a battery holder, and its characteristics were measured. The results are shown in FIG.

【0027】また、本発明との比較として、カソード極
に気孔率 70%、平均粒径10μm のニッケル多孔質板を用
いた単位セル(比較例1)と、実施例2において金成分
を添加しない粉末を原料として形成したカソード極を用
いた単位セル(比較例2)とを組み立て、それぞれの単
位電池特性を測定した。それらの結果も併せて図3に示
す。
As a comparison with the present invention, a unit cell (comparative example 1) using a nickel porous plate having a porosity of 70% and an average particle size of 10 μm for the cathode electrode and the gold component in Example 2 were not added. A unit cell (Comparative Example 2) using a cathode electrode formed by using powder as a raw material was assembled, and each unit cell characteristic was measured. The results are also shown in FIG.

【0028】図3から明らかなように、本発明の実施例
による単位電池の特性は、従来のカソードを用いた場合
(比較例1)と同等以上で、また金を添加しないリチウ
ムフェライトを用いた場合(比較例2)と比べて格段に
改善されていることが分かる。すなわち、微細に分散さ
れた金の粒子上では酸素の還元が速やかに進行すること
が示された。
As is apparent from FIG. 3, the characteristics of the unit cell according to the embodiment of the present invention are equal to or higher than those in the case of using the conventional cathode (Comparative Example 1), and the lithium ferrite to which gold is not added is used. It can be seen that it is significantly improved compared to the case (Comparative Example 2). That is, it was shown that the reduction of oxygen proceeds rapidly on the finely dispersed gold particles.

【0029】なお、複合酸化物に添加したMg、Ca、Zr、
Zn、Mn、Sn等が電極から電解質マトリックス中に溶出す
るのを抑制するために、マトリックス中または電解質中
にこれらの元素の炭酸塩または酸化物を 2〜15モル%程
度添加しておいてもよい。また、本発明に用いたカソー
ド極は、溶融炭酸塩型燃料電池のそれに限らず、例えば
酸化物固体電解質のカソード極に使用することも可能で
ある。
Incidentally, Mg, Ca, Zr, added to the composite oxide,
In order to prevent Zn, Mn, Sn, etc. from eluting from the electrode into the electrolyte matrix, it is possible to add about 2 to 15 mol% of carbonate or oxide of these elements in the matrix or electrolyte. Good. Further, the cathode electrode used in the present invention is not limited to that of a molten carbonate fuel cell, but can be used as a cathode electrode of an oxide solid electrolyte, for example.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の溶融炭酸
塩型燃料電池によれば、触媒活性な金属微粒子を導電性
酸化物の表面や内部に分散させたカソード極を用いてい
るため、従来のカソード、特に溶出、減耗の少ないリチ
ウムフェライト等を主成分とするカソードに比べて、酸
素の還元反応が速やかに進み、したがってセル性能を大
幅に向上させることが可能となる。
As described above, according to the molten carbonate fuel cell of the present invention, since the cathode electrode in which the catalytically active fine metal particles are dispersed on the surface or inside of the conductive oxide is used, Compared with a conventional cathode, in particular, a cathode containing lithium ferrite or the like as a main component, which is less likely to be eluted and consumed, the oxygen reduction reaction proceeds more rapidly, and therefore the cell performance can be significantly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例による溶融炭酸塩型燃料電池
の要部を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a main part of a molten carbonate fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例で使用したカソード極用複合
材料粉末を概念的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram conceptually showing a cathode electrode composite material powder used in one example of the present invention.

【図3】本発明の実施例による単位電池の特性を従来例
と比較して示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing characteristics of a unit cell according to an embodiment of the present invention in comparison with a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……電解質層 2……アノード極 3……カソード極 11…導電性酸化物粉末 12…金や白金族金属の微粒子 1 ... Electrolyte layer 2 ... Anode electrode 3 ... Cathode electrode 11 ... Conductive oxide powder 12 ... Fine particles of gold or platinum group metal

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多孔質体からなる一対のガス拡散電極
と、これらガス拡散電極に挟持され、溶融炭酸塩を保持
した電解質マトリックスとを具備する溶融炭酸塩型燃料
電池において、 前記ガス拡散電極のうちカソード極は、導電性酸化物に
金および白金族金属から選ばれた少なくとも 1種の金属
微粒子を分散させた複合材料の多孔質体からなることを
特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
1. A molten carbonate fuel cell comprising a pair of gas diffusion electrodes made of a porous body, and an electrolyte matrix sandwiched between these gas diffusion electrodes and holding molten carbonate, wherein Among them, the cathode electrode is a molten carbonate fuel cell characterized by comprising a porous body of a composite material in which at least one kind of metal fine particles selected from gold and platinum group metals is dispersed in a conductive oxide.
【請求項2】 請求項1記載の溶融炭酸塩型燃料電池に
おいて、 前記導電性酸化物は、リチウムフェライト、リチウムチ
タネート、リチウムマンガネート、リチウムフェライト
スピネル、イットリウム鉄ガーネットおよびリチウムコ
バルタイトから選ばれた少なくとも 1種の酸化物、ある
いは前記酸化物に、酸化マグネシウム、酸化カルシウ
ム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化錫およびマンガ
ン酸化物から選ばれた少なくとも 1種を加えた複合酸化
物からなることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池。
2. The molten carbonate fuel cell according to claim 1, wherein the conductive oxide is selected from lithium ferrite, lithium titanate, lithium manganate, lithium ferrite spinel, yttrium iron garnet and lithium cobaltite. At least one kind of oxide, or a composite oxide containing at least one kind selected from magnesium oxide, calcium oxide, zirconium oxide, zinc oxide, tin oxide and manganese oxide added to the oxide. Molten carbonate fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012105774A2 (en) * 2011-01-31 2012-08-09 Korea Institute Of Science And Technology Molten carbonate fuel cells including reinforced lithium aluminate matrix, method for preparing the same, and method for supplying lithium source
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