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JP2000048836A - Electrolyte and electrolyte holding material for fused carbonate fuel cell - Google Patents

Electrolyte and electrolyte holding material for fused carbonate fuel cell

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Publication number
JP2000048836A
JP2000048836A JP10216175A JP21617598A JP2000048836A JP 2000048836 A JP2000048836 A JP 2000048836A JP 10216175 A JP10216175 A JP 10216175A JP 21617598 A JP21617598 A JP 21617598A JP 2000048836 A JP2000048836 A JP 2000048836A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrolyte
holding material
metal oxide
concentration
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10216175A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takehisa Fukui
武久 福井
Shinkaku Cho
新革 張
Hajime Okawa
元 大川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FINE CERAMICS CENTER
Japan Fine Ceramics Center
Original Assignee
FINE CERAMICS CENTER
Japan Fine Ceramics Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FINE CERAMICS CENTER, Japan Fine Ceramics Center filed Critical FINE CERAMICS CENTER
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Publication of JP2000048836A publication Critical patent/JP2000048836A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte holding material to prevent internal short circuit due to elution and deposition of metal of an air electrode material. SOLUTION: An electrolyte holding material of a fused carbonate fuel cell is made so as to contain one or more than two kinds of metallic oxides, specifically transition metals of the third to eleventh groups of the element periodic table, i.e., zinc, lead, and rare-earth metals.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料
電池(MCFC)の電解質層に関し、詳しくは、空気極
材料の電解質層内での析出による短絡を防止する電解質
及び電解質保持材に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrolyte layer of a molten carbonate fuel cell (MCFC), and more particularly to an electrolyte and an electrolyte holding material for preventing a short circuit due to deposition of an air electrode material in the electrolyte layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】MCFCは、燃料極(負極)と、空気極
(正極)と、燃料極と空気極との間に介在される、電解
質保持材によって保持される電解質の層(電解質層)と
から一個のセルが形成され、このセルがセパレータを介
して積層されて形成されている。燃料極には、水素(H
2 )を主体とする燃料ガスと炭酸ガスが、空気極には、
空気と炭酸ガスとの混合ガスがそれぞれ供給される構造
となっている。通常、燃料極としてニッケル(Ni)等
の遷移金属の多孔質焼結体、空気極として酸化ニッケル
(NiO)等の酸化物多孔質体を使用し、電解質保持材
としてはリチウムアルミネート(LiAlO2 )の多孔
質体を用いて、この多孔質体に溶融炭酸塩(炭酸リチウ
ム/炭酸カリウムあるいは炭酸リチウム/炭酸ナトリウ
ム)を含浸させて使用している。このようなMCFC
が、実用化されるためには、40,000時間以上の寿
命が必要とされている。
2. Description of the Related Art An MCFC comprises a fuel electrode (negative electrode), an air electrode (positive electrode), and an electrolyte layer (electrolyte layer) interposed between the fuel electrode and the air electrode and held by an electrolyte holding material. And one cell is formed, and the cells are stacked with a separator interposed therebetween. Hydrogen (H
2 ) Fuel gas and carbon dioxide gas mainly
The structure is such that a mixed gas of air and carbon dioxide gas is supplied. Usually, a porous sintered body of a transition metal such as nickel (Ni) is used as a fuel electrode, an oxide porous body such as nickel oxide (NiO) is used as an air electrode, and lithium aluminate (LiAlO 2 ) is used as an electrolyte holding material. ) Is used by impregnating a molten carbonate (lithium carbonate / potassium carbonate or lithium carbonate / sodium carbonate) into the porous body. Such MCFC
However, in order to be put to practical use, a service life of 40,000 hours or more is required.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、NiOを空気極材料として使用した場合、電池運転
中に、Niの電解質への溶出によるNi2+イオンの生成
(式(1))と、燃料極側の水素(H2 )によるNi2+
イオンの還元により、電解質中での金属ニッケル(N
i)の析出(式(2))が起こる。 NiO+CO2 →Ni2++CO3 2- ………式(1) Ni2++H2 +CO3 2- →Ni+H2 O+CO2 ………式(2)
However, for example, when NiO is used as the air electrode material, the generation of Ni 2+ ions by the elution of Ni into the electrolyte during battery operation (formula (1)) and the fuel Ni 2+ with extreme hydrogen (H 2 )
The reduction of the ions causes the formation of metallic nickel (N
The precipitation of i) (formula (2)) occurs. NiO + CO 2 → Ni 2+ + CO 3 2 -... Formula (1) Ni 2+ + H 2 + CO 3 2- → Ni + H 2 O + CO 2 formula (2)

【0004】すなわち、長時間の電池運転により、空気
極から溶出したNi2+イオンは、電解質中を燃料極側へ
拡散する。また、燃料極からは燃料ガスとして供給され
る水素(H2 )が溶融炭酸塩中に溶解して電解質中に供
給される。この結果、電解質中において、Ni2+イオン
に対して、溶存水素(H2 )が還元剤として作用して、
式(2)による金属ニッケル(Ni)の析出が発生す
る。さらに、電池運転の継続により、式(1)及び式
(2)の反応が継続して起こり、金属ニッケルが鎖状あ
るいはネット状に成長することにより、最終的に、燃料
極と空気極とが金属ニッケルにより接続される。すなわ
ち、セルの内部短絡が発生し、電池としての作動が不可
能となる。式(2)によれば、金属ニッケルの析出によ
るセルの内部短絡は、主として、電解質中のNi2+イオ
ンと溶存水素(H2 :還元剤)濃度に依存する。
That is, Ni 2+ ions eluted from the air electrode by the long-time battery operation diffuse in the electrolyte toward the fuel electrode. Hydrogen (H 2 ) supplied as fuel gas from the fuel electrode is dissolved in the molten carbonate and supplied to the electrolyte. As a result, dissolved hydrogen (H 2 ) acts as a reducing agent for Ni 2+ ions in the electrolyte,
The precipitation of metallic nickel (Ni) according to equation (2) occurs. Further, the reaction of the formulas (1) and (2) continues due to the continuation of the battery operation, and the metal nickel grows in a chain or net shape. Connected by metallic nickel. That is, an internal short circuit occurs in the cell, and operation as a battery becomes impossible. According to equation (2), the internal short circuit of the cell due to the deposition of nickel metal mainly depends on the concentration of Ni 2+ ions and dissolved hydrogen (H 2 : reducing agent) in the electrolyte.

【0005】以上のことから、このような内部短絡の問
題を解決する手段としては、 (1)電解質への空気極材料の溶出を抑制すること (2)電解質中の溶存水素等の還元剤濃度を減少させる
こと (3)燃料極と空気極との間における鎖状あるいはネッ
ト状の金属の析出を物理的に阻止すること が挙げられる。前記(1)の手段としては、空気極材
料、電解質材料、あるいは電解質保持板へのNi2+イオ
ンの溶出を抑制する成分を添加する方法が試みられてい
る。前記(2)の手段としては、燃料ガス中の水素(H
2 )濃度を低くすることにより、電解質中での溶存水素
濃度を低くする方法が開示されている(特開平7−10
5968号公報)。前記(3)の手段としては、燃料極
側から拡散する水素(H2 )を電気化学的に捕捉する金
属製のメッシュ層を電解質層内に介在させることによ
り、燃料極側にのみ金属の析出を制限する方法が試みら
れている。
[0005] From the above, as means for solving such a problem of the internal short circuit, (1) suppression of elution of the air electrode material into the electrolyte (2) concentration of reducing agent such as dissolved hydrogen in the electrolyte (3) Physically preventing the deposition of chain-like or net-like metal between the fuel electrode and the air electrode. As the means (1), a method of adding a component that suppresses elution of Ni 2+ ions into an air electrode material, an electrolyte material, or an electrolyte holding plate has been attempted. As means (2), hydrogen (H
2 ) A method of lowering the concentration of dissolved hydrogen in the electrolyte by lowering the concentration has been disclosed (JP-A-7-10).
No. 5968). As means (3), a metal mesh layer that electrochemically captures hydrogen (H 2 ) diffusing from the fuel electrode side is interposed in the electrolyte layer, so that metal is deposited only on the fuel electrode side. Attempts have been made to limit this.

【0006】しかしながら、上記いずれの方法において
も、電解質層での還元剤(水素(H 2 ))を低減させる
ことのできる成分を電解質層に存在させることは開示さ
れていない。
However, in any of the above methods,
Also, the reducing agent (hydrogen (H Two))
It is disclosed that the active component is present in the electrolyte layer.
Not.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明では、電解質中の
還元剤濃度を低減させることのできる金属酸化物を含む
溶融炭酸塩型燃料電池の電解質保持材を提供する。
According to the present invention, there is provided an electrolyte holding material for a molten carbonate fuel cell containing a metal oxide capable of reducing the concentration of a reducing agent in an electrolyte.

【0008】また、本発明では、周期表第3族〜第11
族の遷移金属、亜鉛、鉛及び希土類金属から選択される
1種あるいは2種以上の金属の酸化物を含有する溶融炭
酸塩型燃料電池の電解質保持材も提供する。
Further, in the present invention, the third to eleventh groups of the periodic table are used.
The present invention also provides an electrolyte holding material for a molten carbonate fuel cell, which contains an oxide of one or more metals selected from group III transition metals, zinc, lead and rare earth metals.

【0009】本発明では、電解質中の還元剤濃度を低減
できる金属酸化物を含む溶融炭酸塩型燃料電池の電解質
を提供する。また、本発明では、周期表第3族〜第11
族の遷移金属、亜鉛、鉛及び希土類金属から選択される
1種あるいは2種以上の金属の酸化物を含有する溶融炭
酸塩型燃料電池の電解質保持も提供する。
The present invention provides an electrolyte for a molten carbonate fuel cell containing a metal oxide that can reduce the concentration of a reducing agent in the electrolyte. In the present invention, the third to eleventh groups of the periodic table are used.
Also provided is an electrolyte retention for a molten carbonate fuel cell containing an oxide of one or more metals selected from Group III transition metals, zinc, lead and rare earth metals.

【0010】また、本発明では、電解質中の溶存水素等
の還元剤濃度を低減させることのできる金属酸化物を電
解質層内に有する溶融炭酸塩型燃料電池を提供する。
Further, the present invention provides a molten carbonate fuel cell having a metal oxide capable of reducing the concentration of a reducing agent such as dissolved hydrogen in an electrolyte in an electrolyte layer.

【0011】上記いずれの発明においても、以下の作用
を奏する。電解質層を構成する電解質保持材あるいは電
解質中に、金属酸化物を含有することにより、電解質中
の溶存水素等の還元剤濃度が減少され、空気極から溶出
したNi2+イオンの金属Niへの還元が抑制され、析出
反応が防止される。
Each of the above-mentioned inventions has the following effects. By containing the metal oxide in the electrolyte holding material or the electrolyte constituting the electrolyte layer, the concentration of the reducing agent such as dissolved hydrogen in the electrolyte is reduced, and the Ni 2+ ions eluted from the air electrode to the metal Ni Reduction is suppressed, and a precipitation reaction is prevented.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明では、電解質層を構成する
電解質保持材あるいは電解質に、電解質中の還元剤濃度
を低減することのできる金属酸化物(以下、本金属酸化
物ともいう。)を含有することを特徴とする。ここに、
電解質中に存在しうる還元剤としては、溶存水素
(H2 )や一酸化炭素(CO)がある。MCFCにおい
ては、燃料ガスによって供給される水素(H 2 )が、電
解質内に溶解して還元剤(溶存水素)として存在する。
したがって、本発明における電解質中の還元剤は、かか
る溶存水素(H2 )であることが好ましい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, an electrolyte layer is formed.
The concentration of the reducing agent in the electrolyte is added to the electrolyte holding material or electrolyte.
Metal oxides that can reduce
Also called thing. ). here,
The reducing agent that may be present in the electrolyte includes dissolved hydrogen.
(HTwo) And carbon monoxide (CO). MCFC smell
Hydrogen (H Two)
It dissolves in the decomposition and exists as a reducing agent (dissolved hydrogen).
Therefore, the reducing agent in the electrolyte in the present invention is
Dissolved hydrogen (HTwo) Is preferable.

【0013】金属酸化物が電解質中の水素等の還元剤濃
度を低減することができる場合としては、例えば、金属
酸化物自身が電解質中の水素等の還元剤を酸化する酸化
剤の供給源である場合がある。また、金属酸化物が電解
質中の水素等の還元剤を酸素等の酸化剤が酸化する反応
を促進する触媒作用を有する場合、あるいは電解質中の
酸素等の酸化剤濃度を増大させる作用を有する場合があ
る。電解質中の還元剤濃度が低減されると、Ni2+イオ
ン等の空気極から溶出する金属イオンの還元が抑制さ
れ、金属の析出が抑制される。また、電解質中の還元剤
濃度が低減されると、結果的に、燃料極から空気極に至
る範囲での少なくとも1部位において酸化還元電位が増
大することになる。増大した酸化還元電位において、空
気極から溶出する金属イオンが還元されないのであれ
ば、このことも同時に、空気極から溶出する金属イオン
の還元が抑制されることを意味する。
The case where the metal oxide can reduce the concentration of a reducing agent such as hydrogen in the electrolyte is, for example, a case where the metal oxide itself is a source of an oxidizing agent that oxidizes the reducing agent such as hydrogen in the electrolyte. There may be. In addition, when the metal oxide has a catalytic action to promote the reaction of the oxidizing agent such as oxygen oxidizing the reducing agent such as hydrogen in the electrolyte, or when the metal oxide has an action to increase the concentration of the oxidizing agent such as oxygen in the electrolyte. There is. When the concentration of the reducing agent in the electrolyte is reduced, the reduction of metal ions such as Ni 2+ ions eluted from the air electrode is suppressed, and the deposition of metal is suppressed. Further, when the concentration of the reducing agent in the electrolyte is reduced, the oxidation-reduction potential is increased in at least one portion in the range from the fuel electrode to the air electrode. If the metal ions eluted from the air electrode are not reduced at the increased oxidation-reduction potential, this also means that the reduction of the metal ions eluted from the air electrode is suppressed.

【0014】金属酸化物が、電解質中の溶存水素を酸素
等の酸化剤が酸化する反応を促進する場合とは、例え
ば、電解質中の還元剤が溶存水素であるときに、以下の
式(3)の反応を触媒する場合である。 H2 +1/2 O2 →H2 O ………式(3) また、金属酸化物が、電解質中の還元剤を酸化する酸化
剤の供給源になる場合とは、例えば、電解質中の還元剤
が溶存水素であるときに、以下の式(4)の反応が進行
する場合である。 H2 +MOX →H2 O+MOX-1 ……式(4)
The case where the metal oxide promotes the reaction of oxidizing dissolved hydrogen in the electrolyte by an oxidizing agent such as oxygen means, for example, when the reducing agent in the electrolyte is dissolved hydrogen, the following formula (3) This is the case where the reaction of (2) is catalyzed. H 2 +1/2 O 2 → H 2 O Formula (3) The case where the metal oxide serves as a supply source of the oxidizing agent for oxidizing the reducing agent in the electrolyte is, for example, the reduction in the electrolyte. When the agent is dissolved hydrogen, the reaction of the following formula (4) proceeds. H 2 + MO X → H 2 O + MO X-1 Formula (4)

【0015】本金属酸化物としては、3〜11族の遷移
金属、亜鉛、鉛及び希土類金属から選択される1種ある
いは2種以上の金属の酸化物を挙げることができる。好
ましくは、3〜9族の遷移金属の金属酸化物である。ま
た、個別に、好ましく挙げられる金属酸化物は、コバル
ト、ニッケル、鉄、チタン、バナジウム、マンガン、タ
ングステン、銅、ルテニウム、オスミウム、亜鉛、鉛、
セリウムの酸化物である。本金属酸化物は、1種類の金
属の酸化物でもよく、2種類の金属の複合酸化物であっ
てもよい。また、本金属酸化物は、1種類でも、あるい
は2種類以上を組み合わせて使用することができる。本
金属酸化物は、還元剤に対する選択的触媒作用や金属酸
化物を構成する金属の価数が低下することから、電解質
中の溶存水素等の還元剤濃度を低減することができる。
Examples of the present metal oxide include oxides of one or more metals selected from transition metals of Groups 3 to 11, zinc, lead and rare earth metals. Preferably, a metal oxide of a transition metal belonging to Groups 3 to 9 is used. Also, individually and preferably mentioned metal oxides are cobalt, nickel, iron, titanium, vanadium, manganese, tungsten, copper, ruthenium, osmium, zinc, lead,
Cerium oxide. The present metal oxide may be an oxide of one kind of metal or a composite oxide of two kinds of metals. Further, the present metal oxide can be used alone or in combination of two or more. The present metal oxide can reduce the concentration of the reducing agent such as dissolved hydrogen in the electrolyte because the selective catalytic action on the reducing agent and the valence of the metal constituting the metal oxide are reduced.

【0016】本金属酸化物は、MCFCの電解質層中に
存在すればよい。すなわち、電解質あるいは電解質保持
材のいずれか、あるいは両方とともに本金属酸化物が存
在すればよい。ここで、本発明における電解質とは、M
CFCにおける電解質であり、運転温度で溶融する炭酸
塩である。通常、炭酸リチウムと炭酸カリウムとの共晶
塩や、炭酸リチウムと炭酸ナトリウムとの共晶塩が用い
られる。これらの電解質材料には、その他に、例えば、
空気極材料である酸化ニッケルの溶出を防止する成分
が、本金属酸化物の作用を損なわない範囲で添加されて
いてもよい。また、電解質保持材は、MCFCにおける
電解質保持材であり、通常は、γ−LiAlO2 が好ま
しく用いられる。本金属酸化物を有する電解質層を得る
には、電解質層を形成する従来公知の各種方法におけ
る、いずれかの工程において本金属酸化物を層構成材料
(電解質あるいは電解質保持材の材料)に添加して、最
終的に本金属酸化物が付与された電解質層を形成すれば
よい。電解質に本金属酸化物を付与した上で、電解質保
持材にかかる電解質を含浸等により付与して電解質層を
形成してもよいし、電解質保持材に本金属酸化物を付与
した上で、電解質を付与して電解質層を形成してもよ
い。また、電解質と、電解質保持材と、本金属酸化物と
を混合して電解質層を得てもよい。
The present metal oxide may be present in the MCFC electrolyte layer. That is, the present metal oxide may be present together with either or both of the electrolyte and the electrolyte holding material. Here, the electrolyte in the present invention is M
It is an electrolyte in CFCs and is a carbonate that melts at operating temperatures. Usually, a eutectic salt of lithium carbonate and potassium carbonate or a eutectic salt of lithium carbonate and sodium carbonate is used. In addition to these electrolyte materials, for example,
A component for preventing the elution of nickel oxide, which is an air electrode material, may be added in a range that does not impair the function of the present metal oxide. Further, the electrolyte holding material is an electrolyte holding material in MCFC, and usually, γ-LiAlO 2 is preferably used. In order to obtain an electrolyte layer having the present metal oxide, the present metal oxide is added to a layer constituting material (a material of an electrolyte or an electrolyte holding material) in any one of various conventionally known methods for forming an electrolyte layer. Then, an electrolyte layer to which the present metal oxide is finally applied may be formed. After applying the present metal oxide to the electrolyte, the electrolyte may be applied to the electrolyte holding material by impregnation or the like to form an electrolyte layer, or after applying the present metal oxide to the electrolyte holding material, the electrolyte To form an electrolyte layer. Further, an electrolyte layer may be obtained by mixing an electrolyte, an electrolyte holding material, and the present metal oxide.

【0017】例えば、本金属酸化物を付与した電解質保
持材を得るには、本金属酸化物を構成する金属元素の酢
酸塩、硝酸塩、硫酸塩等の各種金属塩化合物の水溶液又
はアルコール溶液中に電解質保持材を含浸し、含浸後の
電解質保持材を乾燥後、熱分解する方法がある。また、
電解質保持材と各種金属塩化合物とを均一混合後、熱分
解する方法もある。さらに、各種の本金属酸化物を電解
質保持材表面に対して機械的に被覆する方法もある。電
解質保持材は、この後、電解質付与前に成形してもよ
い。このように本金属酸化物を付与した電解質保持材あ
るいは電解質層を得る場合、電解質保持材に対する本金
属酸化物の含有量は0.05モル%以上であることが好
ましい。0.05モル%未満では、空気極の金属成分の
電解質中での析出抑制効果が小さいからである。なお、
本金属酸化物は、1モル%以下の範囲で付与することが
好ましい。1モル%を越えて付与しても、もはや析出抑
制効果が著しく向上しないからである。
For example, to obtain an electrolyte holding material provided with the present metal oxide, an aqueous solution or an alcohol solution of various metal salt compounds such as acetate, nitrate and sulfate of the metal element constituting the present metal oxide can be obtained. There is a method in which the electrolyte holding material is impregnated, the impregnated electrolyte holding material is dried, and then thermally decomposed. Also,
There is also a method in which the electrolyte holding material and various metal salt compounds are uniformly mixed and then thermally decomposed. Further, there is a method of mechanically coating the surface of the electrolyte holding material with various kinds of the present metal oxide. Thereafter, the electrolyte holding material may be formed before applying the electrolyte. When the electrolyte holding material or the electrolyte layer provided with the present metal oxide is obtained as described above, the content of the present metal oxide with respect to the electrolyte holding material is preferably 0.05 mol% or more. If the content is less than 0.05 mol%, the effect of suppressing the precipitation of the metal component of the air electrode in the electrolyte is small. In addition,
The present metal oxide is preferably provided in a range of 1 mol% or less. This is because, even if it is added in excess of 1 mol%, the effect of suppressing precipitation no longer significantly improves.

【0018】本金属酸化物を付与した電解質を得るに
は、MCFCに用いる溶融炭酸塩、例えば、炭酸リチウ
ムと炭酸カリウムの共晶塩(モル比62:38)、炭酸
リチウムと炭酸ナトリウムの共晶塩(モル比52:4
8)等に、本金属酸化物を混合し、溶融、放冷後、粉砕
することによって得ることができる。このような電解質
と電解質保持材と混合して電解質層を形成する場合、電
解質保持材に対する金属酸化物の含有量が、0.05モ
ル%以上1モル%以下となるようにするのが好ましい。
In order to obtain an electrolyte provided with the present metal oxide, a molten carbonate used in MCFC, for example, a eutectic salt of lithium carbonate and potassium carbonate (molar ratio of 62:38), a eutectic of lithium carbonate and sodium carbonate Salt (52: 4 molar ratio)
8) and the like, and can be obtained by mixing the present metal oxide, melting, cooling, and then pulverizing. When the electrolyte layer is formed by mixing such an electrolyte and an electrolyte holding material, the content of the metal oxide with respect to the electrolyte holding material is preferably adjusted to 0.05 mol% or more and 1 mol% or less.

【0019】また、金属酸化物原料と電解質原料と電解
質保持材原料とを、トルエン、エタノール等の有機溶媒
中でボールミル混合した後、乾燥し、解砕する。また
は、溶融状態の電解質中に金属酸化物原料及び電解質保
持材原料を添加、混合し、冷却、固化後粉砕して電解質
層粉末を得る。
Further, the metal oxide raw material, the electrolyte raw material, and the electrolyte holding material raw material are mixed in a ball mill in an organic solvent such as toluene, ethanol, etc., then dried and crushed. Alternatively, a metal oxide raw material and an electrolyte holding material raw material are added to a molten electrolyte, mixed, cooled, solidified and then pulverized to obtain an electrolyte layer powder.

【0020】本発明の電解質保持材、電解質、電解質層
は、内部改質型と外部改質型のいずれのMCFCにも適
用することができる。また、本発明の電解質保持材、電
解質、電解質層を適用するMCFCの空気極としては、
酸化ニッケル(NiO)を用いることが好ましい。さら
には、酸化ニッケルと酸化マグネシウムとの固溶体であ
ることが好ましい。より好ましくは、ニッケルとマグネ
シウムとのモル比が95:5〜75:25の固溶体であ
る。かかる空気極材料を用いることにより、加圧下での
電解質中へのNiの溶出が抑制されるため、電解質中で
の金属Niの析出がより抑制される。
The electrolyte holding material, the electrolyte and the electrolyte layer of the present invention can be applied to both internally modified and externally modified MCFCs. Further, the air electrode of the MCFC to which the electrolyte holding material, the electrolyte, and the electrolyte layer of the present invention are applied includes:
It is preferable to use nickel oxide (NiO). Further, it is preferably a solid solution of nickel oxide and magnesium oxide. More preferably, it is a solid solution having a molar ratio of nickel to magnesium of 95: 5 to 75:25. By using such an air electrode material, elution of Ni into the electrolyte under pressure is suppressed, so that precipitation of metallic Ni in the electrolyte is further suppressed.

【0021】[0021]

【実施例】以下、本発明を具体例を挙げて説明する。な
お、本発明は以下の具体例に限定されるものではない。 (実施例1)所定量の硝酸コバルトを95%プロパノー
ルと5%エタノールの混合液に溶解して、コバルトのア
ルコール溶液を調製した。電解質保持材として、γ−L
iAlO2 を用い、γ−LiAlO2 に対して、コバル
トのモル%が0.05、0.5、1となるように、前記
コバルトアルコール溶液を添加し、混合した後、空気中
で乾燥後、800℃で熱分解させて、それぞれ0.05
モル%、0.5モル%、1モル%の酸化コバルトを付与
されたγ−LiAlO2 を得た。
The present invention will be described below with reference to specific examples. The present invention is not limited to the following specific examples. Example 1 A predetermined amount of cobalt nitrate was dissolved in a mixture of 95% propanol and 5% ethanol to prepare an alcohol solution of cobalt. Γ-L as electrolyte holding material
Using iAlO 2 , the cobalt alcohol solution was added and mixed in γ-LiAlO 2 such that the mole percent of cobalt was 0.05, 0.5, 1 , and then dried in air. Pyrolyzed at 800 ° C, each 0.05
Γ-LiAlO 2 to which mol%, 0.5 mol%, and 1 mol% of cobalt oxide were added was obtained.

【0022】これらの各種電解質保持材と、炭酸リチウ
ム:炭酸カリウム(62モル%:38モル%)の共晶塩
とを、重量比で40:60の割合で混合して、試料1か
ら3(電解質保持材に対する酸化コバルト含有量:0.
05モル%、0.5モル%、1モル%にそれぞれ対応す
る)の溶融炭酸塩型燃料電池用の電解質材料を得た。
These various electrolyte retaining materials and a eutectic salt of lithium carbonate: potassium carbonate (62 mol%: 38 mol%) were mixed at a weight ratio of 40:60, and samples 1 to 3 ( Cobalt oxide content with respect to electrolyte holding material: 0.
(Corresponding to 0.5 mol%, 0.5 mol%, and 1 mol%, respectively) of the molten carbonate type fuel cell.

【0023】なお、コバルトが付与されていないγ−L
iAlO2 を電解質保持材として用いる以外は、実施例
試料と同様に操作して、比較例のMCFC用電解質材料
を得た。さらに、γ−LiAlO2 に保持しない前記炭
酸塩の共晶塩のみを対照例とした。
Γ-L without cobalt
An MCFC electrolyte material of a comparative example was obtained in the same manner as in the example sample, except that iAlO 2 was used as an electrolyte holding material. Furthermore, only the eutectic salt of the carbonate, which was not retained in γ-LiAlO 2, was used as a control.

【0024】実施例の試料1〜3、比較例、対照例をそ
れぞれ、アルミナ坩堝に入れ、650℃にて溶融した
後、溶融状態の電解質中にアルミナチューブを通して、
200ppmの水素(H2 )、100ppmの酸素(O
2 )を含むアルゴンガスを、流量10ml/minで流
してバブリングし、電解質中から出てくるガスを捕捉
し、このガス中の水素濃度をガスクロマトグラフにより
測定した。この結果を表1に示す。
Samples 1 to 3 of the examples, a comparative example, and a control example were each placed in an alumina crucible, melted at 650 ° C., and passed through an alumina tube in a molten electrolyte.
200 ppm hydrogen (H 2 ), 100 ppm oxygen (O
Argon gas containing 2 ) was bubbled at a flow rate of 10 ml / min to capture gas coming out of the electrolyte, and the hydrogen concentration in this gas was measured by gas chromatography. Table 1 shows the results.

【0025】[0025]

【表1】 電解質材料 出口水素濃度(ppm) 試料1 0.05モル%酸化コバルト含有γ−LiAlO2 +炭酸塩 160 試料2 0.5 モル%酸化コバルト含有γ−LiAlO2 +炭酸塩 130 試料3 1モル%酸化コバルト含有γ−LiAlO2 +炭酸塩 125 比較例 γ−LiAlO2 +炭酸塩 180 対照例 炭酸塩のみ 180Table 1 Hydrogen concentration (ppm) at the electrolyte material outlet Sample 1 0.05 mol% cobalt oxide-containing γ-LiAlO 2 + carbonate 160 Sample 2 0.5 mol% cobalt oxide-containing γ-LiAlO 2 + carbonate 130 Sample 3 1 mol% oxidation Cobalt-containing γ-LiAlO 2 + carbonate 125 Comparative Example γ-LiAlO 2 + carbonate 180 Control Example Carbonate only 180

【0026】表1に示すように、比較例及び対照例につ
いて、水素濃度は同程度で入口濃度に対してほとんど変
化はないのに対し、実施例の試料1〜3については、い
ずれも、比較例及び対照例に比較して出口水素濃度が低
減されていた。すなわち、試料1〜3においては、付与
した酸化コバルトにより電解質中において水素濃度が低
減されていることがわかった。
As shown in Table 1, in the comparative example and the control example, the hydrogen concentration was almost the same and there was almost no change with respect to the inlet concentration. The outlet hydrogen concentration was reduced as compared with the example and the control example. That is, in samples 1 to 3, it was found that the concentration of hydrogen in the electrolyte was reduced by the applied cobalt oxide.

【0027】(実施例2)実施例1で得られた0.5モ
ル%酸化コバルト含有γ−LiAlO2 の電解質材料
(試料2)との混合粉末を成形(50MPa、200M
Paで20分間加圧)して厚み1mmの板状の電解質板
を3枚形成し、これらを重ねて電解質層を形成した。こ
の電解質層を用いて、図1に示す、MCFC状セルを構
成した。電解質層を支持するために、Ni多孔質板を配
置した上で、アノード側(図1下方側)に金電極を配置
した。カソード側(図1上方側)には、参照極として金
(Au)電極を配置した。さらに、電解質層内部の酸化
還元電位を測定するため、電解質層を構成する電解質板
間に金(Au)ワイヤーを挿入することにより、電解質
層内部においてアノード側からカソード側の距離の1/
3の位置、2/3の位置に作用極としての金(Au)電
極を配置した。このセルのアノード(燃料極)側には、
燃料ガスとしてCO2 とH2 との混合ガス(CO2 /H
2 ;3/7)が供給されるようになっており、カソード
(参照極)側には、空気極ガスとしてCO2 と空気との
混合ガス(CO2 /air;3/7)が供給されるよう
になっている。
Example 2 A mixed powder of the γ-LiAlO 2 containing 0.5 mol% cobalt oxide obtained in Example 1 and an electrolyte material (sample 2) was molded (50 MPa, 200 M).
(Pa pressure for 20 minutes) to form three 1 mm-thick plate-like electrolyte plates, and these were stacked to form an electrolyte layer. An MCFC-like cell shown in FIG. 1 was constructed using this electrolyte layer. In order to support the electrolyte layer, a Ni porous plate was arranged, and then a gold electrode was arranged on the anode side (the lower side in FIG. 1). On the cathode side (upper side in FIG. 1), a gold (Au) electrode was arranged as a reference electrode. Further, in order to measure the oxidation-reduction potential inside the electrolyte layer, a gold (Au) wire is inserted between the electrolyte plates constituting the electrolyte layer, so that 1 / the distance from the anode side to the cathode side inside the electrolyte layer is measured.
A gold (Au) electrode as a working electrode was arranged at the position 3 and the position 2/3. On the anode (fuel electrode) side of this cell,
A mixed gas of CO 2 and H 2 (CO 2 / H
2 ; 3/7), and a mixed gas of CO 2 and air (CO 2 / air; 3/7) is supplied to the cathode (reference electrode) side as an air electrode gas. It has become so.

【0028】このセルを用いて、650℃における、標
準酸素電極(CO2 /O2 ;2/1)に対する電解質内
部電位を測定した。なお、比較例として、実施例1にお
ける比較例の電解質材料(酸化コバルトを含有しないγ
−LiAlO2 +炭酸塩)で、本実施例の電解質層を形成し
た場合と同様にして電解質層を形成し、本実施例と同様
にして、図1に示すセルに適用した場合における電解質
内部電位を測定した。この結果を図2に示す。また、か
かる内部電位に基づいて水素と酸素の濃度(mol/
L)を図3に示す。
Using this cell, the internal potential of the electrolyte at 650 ° C. with respect to a standard oxygen electrode (CO 2 / O 2 ; 2/1) was measured. As a comparative example, the electrolyte material of Comparative Example in Example 1 (γ containing no cobalt oxide) was used.
-LiAlO 2 + carbonate) to form an electrolyte layer in the same manner as in the case of forming the electrolyte layer of the present embodiment, and in the same manner as in the present embodiment, the electrolyte internal potential when applied to the cell shown in FIG. Was measured. The result is shown in FIG. Further, based on the internal potential, the concentrations of hydrogen and oxygen (mol /
L) is shown in FIG.

【0029】図2に示すように、実施例2における電解
質層を用いた場合には、内部電位は、アノード側からカ
ソード側へとほぼ直線的に増加した。Niが析出する酸
化還元電位は−600〜−700mVであることが報告
されている(Journal of Power Source、Vol.71(19
98)pp239 〜243 )。この析出電位を考慮すると、実施
例2における電解質層を用いることにより、アノードの
ごく近傍においてのみNiの析出が起こるうる状態とな
っていることがわかった。これに対し、比較例の電解質
層を用いた場合には、電解質層全体でNi析出が発生し
うる状態となっていることがわかった。
As shown in FIG. 2, when the electrolyte layer in Example 2 was used, the internal potential increased almost linearly from the anode side to the cathode side. It has been reported that the oxidation-reduction potential at which Ni precipitates is -600 to -700 mV (Journal of Power Source, Vol. 71 (19).
98) pp239-243). Considering this deposition potential, it was found that the use of the electrolyte layer in Example 2 was in a state where Ni deposition could occur only in the immediate vicinity of the anode. On the other hand, when the electrolyte layer of the comparative example was used, it was found that Ni deposition could occur in the entire electrolyte layer.

【0030】また、図3に示す、酸素(O2 )濃度及び
水素(H2 )濃度の表から、実施例2の電解質層を用い
ると、比較例の電解質層に比較して、カソード側に近い
ほど、水素濃度が低減されていることが明らかである。
同時に、カソード側に近いほど、酸素濃度が増加してい
ることが明らかであった。また、アノード側からカソー
ド側の全域にわたって、実施例2の電解質層を用いるこ
とにより、比較例の電解質層を用いた場合よりも、水素
濃度が低くなり、酸素濃度が増加していた。
Further, from the table of oxygen (O 2 ) concentration and hydrogen (H 2 ) concentration shown in FIG. 3, when the electrolyte layer of Example 2 is used, the electrolyte layer on the cathode side is compared with the electrolyte layer of Comparative Example. It is clear that the closer it is, the lower the hydrogen concentration.
At the same time, it was clear that the oxygen concentration increased nearer the cathode side. Further, by using the electrolyte layer of Example 2 over the entire region from the anode side to the cathode side, the hydrogen concentration was lower and the oxygen concentration was higher than when the electrolyte layer of the comparative example was used.

【0031】このように、実施例2の電解質層によれ
ば、電解質中の水素等の還元剤濃度を低減できるため
に、電解質層中のアノードのごく近傍においてのみ金属
ニッケル(Ni)の析出が起こりうる領域が形成され、
他の領域においては、Niの析出が抑制されていた。し
たがって、電解質中において、Niがネット状あるいは
鎖状にアノード側からカソード側へと形成されることが
抑制されることがわかった。かかる電解質層を用いるこ
とにより、セルの内部短絡は防止されることがわかっ
た。以上の結果から、電解質中の水素等の還元剤濃度を
低減しあるいは酸化剤濃度を増加させる電解質層を用い
ることにより、アノードからカソードに至る範囲の少な
くとも一部の領域における酸化還元電位が金属ニッケル
(Ni)の析出電位を上回るようにして、Niの析出抑
制領域を形成すれば、セルの内部短絡を防止できること
がわかった。
As described above, according to the electrolyte layer of Example 2, since the concentration of the reducing agent such as hydrogen in the electrolyte can be reduced, the deposition of metallic nickel (Ni) only in the vicinity of the anode in the electrolyte layer. A possible area is formed,
In other regions, precipitation of Ni was suppressed. Therefore, it was found that formation of Ni from the anode side to the cathode side in the form of a net or a chain in the electrolyte was suppressed. It has been found that the use of such an electrolyte layer prevents the internal short circuit of the cell. From the above results, by using an electrolyte layer that reduces the concentration of a reducing agent such as hydrogen in the electrolyte or increases the concentration of an oxidizing agent, the oxidation-reduction potential in at least a part of the range from the anode to the cathode can be reduced to metallic nickel. It was found that the formation of the Ni deposition suppression region so as to exceed the deposition potential of (Ni) can prevent the internal short circuit of the cell.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明によると、空気極材料の金属元素
が析出することによる内部短絡が防止できるMCFCを
提供できる。
According to the present invention, it is possible to provide an MCFC capable of preventing an internal short circuit due to the deposition of a metal element of an air electrode material.

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

【図1】実施例2で用いたMCFC状セルを示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing an MCFC-like cell used in Example 2.

【図2】実施例2における電解質層内部での酸化還元電
位の測定結果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a measurement result of an oxidation-reduction potential inside an electrolyte layer in Example 2.

【図3】実施例2において得られた酸化還元電位に基づ
く酸素及び水素濃度の表を示す図である。
FIG. 3 is a table showing a table of oxygen and hydrogen concentrations based on the oxidation-reduction potential obtained in Example 2.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大川 元 愛知県名古屋市熱田区六野二丁目4番1号 財団法人ファインセラミックスセンター 内 Fターム(参考) 5H026 AA05 EE12  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Gen Okawa 2-4-1 Rokuno, Atsuta-ku, Nagoya-shi, Aichi F-term in the Fine Ceramics Center (reference) 5H026 AA05 EE12

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電解質中の還元剤濃度を低減させることの
できる金属酸化物を含む溶融炭酸塩型燃料電池の電解質
保持材。
1. An electrolyte holding material for a molten carbonate fuel cell containing a metal oxide capable of reducing the concentration of a reducing agent in an electrolyte.
【請求項2】周期表第3族〜第11族の遷移金属、亜
鉛、鉛及び希土類金属から選択される1種あるいは2種
以上の金属の酸化物を含有する溶融炭酸塩型燃料電池の
電解質保持材。
2. An electrolyte for a molten carbonate fuel cell containing an oxide of one or more metals selected from transition metals of Groups 3 to 11 of the periodic table, zinc, lead and rare earth metals. Holding material.
【請求項3】電解質中の還元剤濃度を低減できる金属酸
化物を含む溶融炭酸塩型燃料電池の電解質。
3. An electrolyte for a molten carbonate fuel cell containing a metal oxide capable of reducing the concentration of a reducing agent in the electrolyte.
【請求項4】周期表第3族〜第11族の遷移金属、亜
鉛、鉛及び希土類金属から選択される1種あるいは2種
以上の金属の酸化物を含有する溶融炭酸塩型燃料電池の
電解質。
4. An electrolyte for a molten carbonate fuel cell containing an oxide of one or more metals selected from transition metals of Groups 3 to 11 of the periodic table, zinc, lead and rare earth metals. .
【請求項5】電解質中の還元剤濃度を低減させることの
できる金属酸化物を電解質層内に有する溶融炭酸塩型燃
料電池。
5. A molten carbonate fuel cell having a metal oxide capable of reducing the concentration of a reducing agent in an electrolyte in an electrolyte layer.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7006926B2 (en) * 2003-02-07 2006-02-28 Tdk Corporation Carbon dioxide sensor

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