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電気化学セル - 三菱マテリアル株式会社
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発明の名称 電気化学セル
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−117893(P2007−117893A)
公開日 平成19年5月17日(2007.5.17)
出願番号 特願2005−313756(P2005−313756)
出願日 平成17年10月28日(2005.10.28)
代理人 【識別番号】100096862
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 千春
発明者 星野 孝二 / 神田 義雄 / 長谷川 昭宏
要約 課題
熱効率の向上と小形化を図った電気化学セルを提供する。

解決手段
電解質2の両面に電極3、4を配した電気化学セル1において、前記電極3、4の外側にガス透過性を有する熱反射層6、7を一体的に設ける。熱反射層6、7は、表面の放射率が0.1以下である多孔質金属層20を備えている。
特許請求の範囲
【請求項1】
電解質の両面に電極を配したセルを備える電気化学セルにおいて、
前記電極の外側にガス透過性を有する熱反射層を一体的に設けたことを特徴とする電気化学セル。
【請求項2】
前記熱反射層は、表面の放射率が0.1以下の金属で構成される多孔質金属層を備えることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
【請求項3】
前記金属層がAg、またはAuで成ることを特徴とする請求項2に記載の電気化学セル。
【請求項4】
前記金属層が、薄板、蒸着層、スパッタリング層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも1種から構成されることを特徴とする請求項2または請求項3の何れかに記載の電気化学セル。
【請求項5】
前記熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けたことを特徴とする請求項1から請求項4までの何れかに記載の電気化学セル。
【請求項6】
前記セルは、前記電解質として酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた酸素透過セルであることを特徴とする請求項1から請求項5までの何れかに記載の電気化学セル。
【請求項7】
前記セルは、前記電解質として水素イオン伝導性の固体電解質を用いた水素透過セルであることを特徴とする請求項1から請求項5までの何れかに記載の電気化学セル。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学セルの保熱構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、空気などの酸素含有混合ガス中から酸素を分離して選択的に取り出すことができる電気化学セルが知られており、近年、このような電気化学セルの酸素分離作用を利用して、工場や自動車等から排出されるNOxや炭化水素等の有害ガスを浄化することが行われており、また、一般の電気機器類においても、機器内に電気化学セルを用いた酸素富化器を搭載することにより、室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みが成されている(特許文献1、特許文献2参照)。
【0003】
特許文献1には、通気性を有する断熱材にて包囲される空間に酸素ポンプ素子およびこの酸素ポンプ素子を作動温度(およそ400〜800℃)に加熱するための加熱手段(電気ヒータ)を備えた酸素ポンプが開示されており、特許文献2には、上記断熱材の内壁に加熱手段からの熱線を放射する熱反射手段を設けた酸素ポンプが開示されている。
【特許文献1】特開2003−215094号公報
【特許文献2】特開2003−212515号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記特許文献1、2による開示技術は、何れも、断熱材により酸素ポンプ素子と加熱手段が直接大気と接触しないようにして、加熱手段による酸素ポンプへの熱効率を向上しようとするものであるが、酸素ポンプ素子の表面から断熱空間への放熱が熱効率を悪くしており、これが、酸素ポンプの始動時間を遅くする要因となっており、また、その分、加熱手段による電力消費が大きくなり、省エネ化の妨げとなっていた。また、上記特許文献1、2のように、断熱材で包囲する保熱構造は、酸素ポンプの大型化を招くことにもなる。
【0005】
本発明は、係る問題に鑑み成されたもので、セルの電極にガス透過性の熱反射層を設けてセルからの熱放射を抑制することにより熱効率の向上と小形化を図った電気化学セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
すなわち、請求項1に記載の本発明は、電解質の両面に電極を配したセルを備える電気化学セルにおいて、前記電極の外側にガス透過性を有する熱反射層を一体的に設けたことを特徴としている。
【0007】
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の電気化学セルにおいて、前記熱反射層は、表面の放射率が0.1以下の金属で構成される多孔質金属層を備えることを特徴としている。
【0008】
また、請求項3に記載の本発明は、請求項2に記載の電気化学セルにおいて、前記金属層がAg、またはAuで成ることを特徴としている。
【0009】
また、請求項4に記載の本発明は、請求項2または請求項3の何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記金属層が、薄板、蒸着層、スパッタリング層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも1種から構成されることを特徴としている。
【0010】
また、請求項5に記載の本発明は、請求項1から請求項4までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けたことを特徴としている。
【0011】
また、請求項6に記載の本発明は、請求項1から請求項5までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記セルは、前記電解質として酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた酸素透過セルであることを特徴としている。
【0012】
また、請求項7に記載の本発明は、請求項1から請求項5までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記セルは、前記電解質として水素イオン伝導性の固体電解質を用いた水素透過セルであることを特徴としている。
【発明の効果】
【0013】
請求項1〜4に記載の発明によれば、電極の外側に熱反射層を一体的に設けることにより、セルからの熱の放射が抑制されて熱効率を向上できる。これにより、効率的なセルの昇温が行え、急速始動が可能となる。また、運転中においても、常にセルを作動温度に保熱しておくことができ、これにより、熱自立運転が可能となる。加えて、熱反射層はガス透過性であるため、酸素および/または空気の通気性能に悪影響を及ぼすことはない。また、熱反射層が電極に密接される構成であるため、スペースを取らず、コンパクト化が図れる。
熱反射層としては、およそ400〜800℃の温度下において、耐熱性(耐高温酸化性)、放射率に優れる、Ag材料、或いはAu材料を用い、薄板、蒸着層、スパッタ層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも1種から構成されるのが好ましい。
【0014】
また、請求項5に記載の本発明によれば、熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けることにより、熱反射層を給電電極または集電電極として利用する構成においては、金属層の熱放射率に影響を与えず良好な熱放射を保持した状態で他部材への短絡を防止することができ、これにより、信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、図1〜図8に基づいて本発明に係る電気化学セルの実施形態を説明する。
【0016】
本実施形態による電気化学セル1は、図1に示すように、固体電解質2の両面に電極(カソード)3と電極4(アノード)を配したセル5と、各々電極3、4の外側に配した熱反射層6、7と、これら熱反射層6、7の外側に配したガス拡散層8、9と、その外側のセパレータ10、11とで構成されている。
【0017】
セル5を酸素透過セルとして使用する場合は、例えば、イットリア添加ジルコニア(YSZ)で成る固体電解質2の両面にLSC:La0.6Sr0.4CoO3で成る電極3、4を配したもの、或いは、コバルト添加ランタンガレート(LSGMC)で成る固体電解質2の両面にSSC:Sm0.5Sr0.5CoO3で成る電極を配したものが用いられる。
酸素透過セルでは、図7に示すように、電極3、4間に直流電圧(V)を印加することにより、外部空気がセル5のカソード側からアノード側に向けて酸素のみを選択的に透過させることができ、これによりアノード側の空間における酸素濃度を高めることができる。
【0018】
また、セル5を水素透過セルとして使用する場合は、例えば、SrCeO3で成る固体電解質2の両面にPt−ZrO2で成る電極3、4を配したもの、或いは、BaZrCeGaO3で成る固体電解質2の両面にPtで成る電極3、4を配したものが用いられる。
水素透過セルでは、図8に示すように、電極3、4間に直流電圧(V)を印加するすることにより、外部空気(水蒸気を含む)が、セル5のアノード側からカソード側に向けて水素のみを選択的に透過させることができ、これによりカソード側の空間における酸素濃度を高めることができる。
【0019】
ガス拡散層8、9は発泡金属で構成され、ガス(外部空気や酸素)の拡散・流通に寄与する。特に、セル5が酸素透過セルの場合は、発泡Ag、発泡SUS、発泡インコネル等が用いられ、セル5が水素透過セルの場合は、カソード側のガス拡散層8に発泡Niが、アノード側のガス拡散層9に発泡Agが用いられる。セパレータ10、11はSUS等で構成され、内部に外部空気やセル5を透過した酸素が流通するガス流通路(図示せず)を備える。
【0020】
ところで、本実施形態では、図1に示すように、電極3と外側のガス拡散層8の間、および、電極4と外側のガス拡散層9の間にガス透過性(通気機能)を備えた熱反射層6、7が設けられている。
これら熱反射層6、7は、各電極3、4に密着するように配設されており、およそ400〜800℃の温度下で作動するセル5の放射熱を良好に反射・保熱し、セル5を常に好適作動温度に保持するように作用させる必要があることから、優れた放射率と耐熱性を有する材料が用いられる。
【0021】
図2は係る熱反射層6、7の第1の実施形態を示し、本実施形態では、多数の小孔21を設けたAgまたはAuで成る薄板20(すなわち、多孔質金属層20)を熱反射層6、7として用いている。これらAgやAuは耐熱性(耐高温酸化性)に優れ、また、セルの作動温度下において優れた放射率(輻射率)を有する。本実施形態では、この金属板の表面の放射率を少なくとも0.1以下、好ましくは0.05以下に規定し、熱反射層6、7による優れた保熱作用が得られるようにしている。
因みに、AgやAu材料の研磨面における放射率は、500℃付近の温度下で0.03程度である。
【0022】
また、図3は熱反射層6、7の第2の実施形態を示し、本実施形態では、図3(a)に示すようなAgまたはAuで成る多孔質金属層20を用い、図3(b)に示すように、この多孔質金属層20に多孔質ガラス層22(電気的絶縁層22)を接合した2層構造としている。この場合、ガラス層22がガス拡散層8、9側に対面するように配設することが望ましい。
このように、多孔質金属層20の一方の面にガラス層22を設けることにより、熱反射層6、7を給電電極または集電電極として利用する構成においては、金属層20の放射率に影響を与えず良好な熱放射効果を保持した状態で他部材(ガス拡散層8、9やセパレータ10、11)への短絡を防止することができ、これにより、電気化学セル1の信頼性を向上できる。
【0023】
また、図4は熱反射層6、7の第3の実施形態を示し、本実施形態では、多孔質ガラス層22の一方に表面処理によりAg層またはAu層を形成している。尚、AgまたはAuによる表面処理層23は、蒸着、スパッタリング、無電解メッキ、粉末焼付け等の方法で形成することができる。
【0024】
また、図5は熱反射層6、7の第4の実施形態を示し、本実施形態では、上述した第1〜第3の実施形態の熱反射層6、7と、これに接する電極3、4をAgペーストやAuペーストによる焼付け層24にて接合したもである。当構成では、熱反射層6、7と電極3、4とが確実に接合できるため、セル5からの放射熱をより確実に抑制することができる。
【0025】
また、図6は熱反射層6、7の第5の実施形態を示し、本実施形態では、電極3、4および/またはガス拡散層8、9に鱗片状のAg粉またはAu粉を塗工・焼付けすることにより熱反射層6、7を形成している。
【0026】
尚、第1〜第5の実施形態では、金属層の材料としてAgまたはAuを用いたが、他の金属材料として、Pt、Ir、或いは、Au、Ag、Pt、Irの合金等も使用可能である。
【0027】
以上、本発明によれば、電極3、4の外側にガス透過性の熱反射層6、7を一体的に設けることにより、セル5からの熱放射が抑制されるため、熱効率の向上に寄与できる。これにより、始動時には、図示しない付設の加熱手段の熱線により効率的なセル5の昇温を行うことができ、電気化学セル1の急速始動が可能となる。
【0028】
また、運転中においては、熱反射層6によりセル5に生じたジュール熱を効率良く保熱し、常にセル5を好適作動温度に保持しておくことができ、これにより、始動時のように外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみでセル5の作動温度を維持する熱自立運転が可能となり、省エネに寄与できる。
【0029】
加えて、熱反射層6、7はガス透過性であるから、これら熱反射層6、7を配設しても酸素および/または空気の通気性能に影響を及ぼすことはない。また、熱反射層6、7が極めて薄く、且つ、電極4、5に密接される構造であるから、スペースを取らず、コンパクト化が図れる。
【0030】
また、係る熱反射層6、7に加え、図1に示すように、セパレータ10、11の表面に、例えば、AgやAuによるメッキ層25を形成することより、セパレータ10、11からの無駄な熱放射を抑制することができ、熱反射層6、7によるセル5の保熱効果をより確実なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明に係る電気化学セルの基本構成を示す断面図。
【図2】本発明の第1実施形態による熱反射層の構成を示す図。
【図3】本発明の第2実施形態による熱反射層の構成を示す図。
【図4】本発明の第3実施形態による熱反射層の構成を示す図。
【図5】本発明に係る電気化学セルの要部断面図で、第4実施形態による熱反射層の構成を示す。
【図6】本発明に係る電気化学セルの要部断面図で、第5実施形態による熱反射層の構成を示す。
【図7】酸素透過セルの構成を示す図。
【図8】水素透過セルの構成を示す図。
【符号の説明】
【0032】
1 電気化学セル
2 電解質(固体電解質)
3 電極(カソード)
4 電極(アノード)
5 セル
6、7 熱反射層
22 電気的絶縁層(ガラス層)




 

 


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