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電気化学セル
説明

電気化学セル

【課題】 電気化学セルの温度分布を少なくし、耐久性を向上する。
【解決手段】 酸素イオン伝導性の固体電解質1と、その両面に形成された陰極2および陽極3とで構成される電気化学セルにおいて、前記陽極と前記陰極とで電極材料や電極構造を違えて構成することにより各電極過電圧を変化させ、これにより、陰極過電圧を陽極過電圧より大きくする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、酸素ポンプや酸素富化器等に用い、被処理物質(酸素含有混合ガス)に対して電気化学反応を行う電気化学セルに関するものである。
【背景技術】
【0002】
図4に示すように、酸素イオン伝導性を有する薄板状の固体電解質1の両面に電極2と電極3を設けて構成した電気化学セルにおいては、例えば、800℃以上の高温下で電極間に直流電圧を印加すると、上記固体電解質1が、その一方の面(陰極2側)から他方の面(陽極3側)に酸素を透過させる酸素透過膜として機能することが知られている。
【0003】
すなわち、上記構成の電気化学セルでは、負電圧(−V)が印加される陰極2側において酸素分子(O2)が電子を受け取って酸素イオン(O2)にイオン化され、この酸素イオン(O2)が電流として固体電解質1中を正電圧(+V)が印加される陽極3側に移動し、この陽極3側において電子を放出して再び酸素分子に戻る現象が生じている。このような固体電解質の性質を利用して、例えば、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可能であり、その先行技術として特許文献1、特許文献2が開示されている。
【特許文献1】特開平11−94792号公報
【特許文献2】特開2004−132927号公報
【0004】
そして、上記特許文献1、特許文献2も同様であるが、製造し易いこと、各電極に使用する電極材料の特性が同じであること等の理由から、従来、電極材料(材料の組成)や電極構造(電極材料粉末の粒径や電極の厚さ)を陽極と陰極とで同一にすることが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記構成の電気化学セルを酸素ポンプや酸素富化器として用いる場合、図6に示すように、断熱ハウジング20内に電気化学セル10を収容し、断熱ハウジング20の空気供給通路21より陰極2側に外部の酸素含有混合ガス(通常空気)を供給(尚、酸素がイオン化された余剰空気は酸素貧化空気として側路22より外部に放出される)すると共に、陽極3側に得られた酸素を排出通路23より酸素富化空気として外部に放出する形態が採られている。
【0006】
ところで、このような酸素ポンプや酸素富化器等の用途には、通常、陰極2側に相当量の空気を供給する必要がある。このため、外部より供給する酸素含有ガスは予め加熱しておくといった工夫をしないと、陰極側は冷えた空気流により冷却されてしまうことになる。
各電極の材料や構造を同一に形成した上記構成の電気化学セルでは、図5の電流−電圧特性(分極特性)に示すように、陽極における酸化反応の過電圧(電極間電圧に相当)に比べて陰極における還元反応の過電圧が大きくなる傾向が見られ、過電圧が大きい分、陰極でのシュール発熱は陽極に比較して多くなるが、上記した空気流による陰極側の冷却作用がこれに勝るため陰極側での温度低下が大きくなり、その結果、固体電解質の温度分布に不均一が生じ、熱応力によるセルの破損で電気化学セルの寿命が著しく低下するという問題があった。
【0007】
本発明は、係る問題に鑑みなされたもので、陰極過電圧を陽極過電圧より大きくすることにより、セルの温度分布を少なくし、耐久性を向上し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】
【0008】
すなわち、請求項1に記載の本発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質と、その両面に形成された陰極および陽極とで構成される電気化学セルにおいて、前記陽極と前記陰極とで電極材料や電極構造を違えて構成することにより各電極過電圧を変化させ、これにより、陰極過電圧を陽極過電圧より大きくしたことを特徴としている。
【0009】
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、陰極材料として、陽極材料より電極過電圧の大きい電極材料を用いたことを特徴としている。
電極過電圧には、活性化過電圧、電極抵抗過電圧、濃度過電圧があり、電極材料の触媒能、電極材料の電気伝導性、電極構造によって変化する。陰極の電極過電圧を大きくすると、その分、陰極でのジュール発熱が増加する。
【0010】
また、請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2の何れかに記載の電解化学セルにおいて、陰極材料として、陽極材料より平均粒径の大きい電極材料粉末を用いたことを特徴としている。
陰極材料の粒径を大きくすると反応サイトである三相界面が減少して陰極過電圧(活性化過電圧)が大きくなるため、陰極でのジュール発熱が増加する。
【0011】
また、請求項4に記載の本発明は、請求項1から請求項3までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、陰極の厚みを陽極より厚く形成したことを特徴としている。
陰極を厚くすると陰極の電気抵抗が増加し、その分、陰極過電圧(電極抵抗過電圧)が大きくなるため、陰極でのジュール発熱が増加する。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、陰極過電圧を陽極過電圧より大きくすることにより、陰極においてより大きなジュール熱を発生させることができ、酸素含有混合ガスの冷却作用による陰極側の温度低下を抑え、固体電解質の温度分布を均一化することができる。これにより、熱応力による電気化学セルの破損を回避し、耐久性を著しく向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、図1〜図3に基づき、本発明に係る電気化学セルの実施形態を説明する。図1は本発明の電気化学セルの構成を示し、図2は電極材料による電気化学セルの電流−電圧特性を示し、図3は本発明による電気化学セルの電流−電圧特性(分極特性)を示している。
【0014】
本実施形態の電気化学セルは、図1に示すように、固体電解質1(イオン伝導相)と、その両面に配した陰極2(還元相)と陽極3(酸化相)とにより構成されている。
上記構成の電気化学セルでは、陰極2側より酸素含有混合ガスを供給すると負電圧(−V)が印加される陰極2側において酸素分子(O2)が電子を受け取って酸素イオン(O2)にイオン化され、この酸素イオン(O2)が電流として固体電解質1中を正電圧(+V)が印加される陽極3側に移動し、この陽極3側において電子を放出して再び酸素分子に戻る現象が生じる。
【0015】
固体電解質1は、内部を酸素イオンが移動するため、酸素イオン伝導性を有する材料から構成する必要があり、本実施形態では、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系(LaGaO3系)材料、具体的には、LSGMC:(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.053)を用いている。
【0016】
従来より、ランタンガレート系材料は、酸素イオン伝導体として広く用いられているイットリア安定化ジルコニアやサマリウム添加セリア等と比べてより高い酸素イオン伝導性を有し、よって、これらを固体電解質材料として用いることにより、被処理物質に対する電気化学反応の効率化が図れると共に、作動温度が300〜400℃の低温作動の電気化学セルを実現することも可能となる。
【0017】
陰極2は酸素イオンを固体電解質に伝導し、陽極3は固体電解質からの酸素イオンから電子を放出させるため、陰極2および陽極3は何れも電子伝導性とイオン伝導性の両特性を有する混合材料を用いるのが好ましく、例えば、SSC:(Sm0.5 Sr0.5)CoO3、BLC:(Ba0.6La0.4)CoO3、LSC:(La0.6Sr0.4)CoO3、LSM:(La0.85Sr0.15)MnO3、LSCF6428:(La0.6Sr0.4)(Fe0.2Co0.8)O3、LSCF6482:(La0.6Sr0.4)(Fe0.8Co0.2)O3等を使用することができる。
【0018】
上記混合材料を電極材料として用いて電気化学セルを製造するには、先ず、固体電解質材料として、平均粒径1μm程度のランタンガレート系材料[La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.053]の粉末に溶媒やバインダ等を混練してスラリーを調製し、これを公知のドクターブレード法等によりグリーンシートを作製すると共に、これを1400℃程度の温度で約3時間焼成して厚さ30〜200μm程の薄板状の固体電解質を得る。
次ぎに、電極材料として、SSC、BLC、LSM、LSC、LSCF6428、LSCF6482等の任意の材料粉末に溶剤やバインダ等を加えて混練してペーストを作製し、これを焼成した薄板状の固体電解質の片面づつにスクリーン印刷法等で塗布すると共に、1100℃程度の温度で約3時間焼成して固体電解質の両面に厚さ10〜20μm程度の陰極(陰極膜)と陽極(陽極膜)を形成し、図1に示す構成の電気化学セルを得る。
図1に示すように、固体電解質1の両側に陰極2と陽極3を配した構成は図4に示す従来品と同様であるが、各電極構造等において従来品と相違している。以下にその詳細を説明する。
【0019】
既述したように、上記構成の電気化学セルを酸素ポンプや酸素富化器として用た場合、供給される酸素含有混合ガスの冷却作用により陰極側の温度が低し、セル(固体電解質)の温度分布に不均一が生じ、その際の熱応力によってセルが破損するという問題があった。
そこで、本発明では、陰極と陽極とで電極構造(電極材料粉末の粒径や電極の厚さ)や電極材料(混合材料の組成)を違えて構成し、各電極過電圧を変化させることにより、図3に示すように、陰極過電圧を陽極過電圧より十分大きくするようにした。本実施形態では、陰極過電圧を増加させるようにしており、以下に、そのための方法について説明する。
【0020】
陰極過電圧を増加するための第1の方法は、上記した電気化学セルの製造工程において、電極形成の際に使用する陰極材料として、陽極材料より電極過電圧の大きい電極材料を使用する方法である。
尚、陽極材料および陰極材料は、それぞれ上記した電極材料SSC、BLC、LSM、LSC、LSCF6428、LSCF6482等の内の何れか一種類を選択して使用することができる。
【0021】
図2の電流−電圧特性によれば、各電極材料の電極過電圧は、LSM>LSCF6428>SSC>BLC>LSC>LSCF6482の順に大きい。従って、電極形成の際には、上記した電極過電圧の大小関係に基づいて陰極2と陽極3の材料を選択して使用すれば良い。
例えば、陽極材料にLSCF6482を用いた場合は、陰極材料として、冷却作用による各電極温度の温度差に応じてLSC、BLC、SSC、LSCF6428、LSMの何れか最適なものを選択して用いれば良い。また、陽極材料にLSCF6428を用いた場合は、陰極材料はLSMを用いることになる。
【0022】
上記要領で電極材料を選定して陰極2の電極過電圧を増加させると、陰極2でのジュール発熱が増加するため、陰極2の温度が上昇し、酸素含有混合ガスの冷却作用による陰極2の温度低下を抑制することができる。
【0023】
また、陰極過電圧を増加するための第2の方法は、電極形成の際に使用する陰極材料の平均粒径を陽極材料の平均粒径より大きくする方法である。例えば、陽極材料の平均粒径を1〜3μmとした場合、陰極材料の平均粒径は5〜10μmとするのが好ましい。
尚、陰極材料および陽極材料は、上記したSSC、BLC、LSM、LSC、LSCF6428、LSCF6482等の内の同一材料を使用することができる。
【0024】
陰極材料の粒径を大きくすることにより、反応サイトである三相界面が減少して陰極過電圧(活性化過電圧)が大きくなり、陰極2でのジュール発熱が増加するため、陰極2の温度が上昇し、酸素含有混合ガスの冷却作用による陰極2の温度低下を抑制することができる。
【0025】
また、陰極過電圧を増加する第3の方法は、電極形成工程において、固体電解質の各面に電極材ペーストを塗布する際、陰極側のペースト塗布量を陽極側のペースト塗布量より多くして陰極膜を陽極膜より厚くする方法である。
例えば、陽極膜の厚さを10〜20μmとした場合、陰極膜の厚さは200μm〜2mmとするのが好ましい。尚、陰極材料と陽極材料は、上記したSSC、BLC、LSM、LSC、LSCF6428、LSCF6482等の内の同一材料を使用することができる。
このように、陰極2を厚くすることにより陰極2の電気抵抗が増加して陰極過電圧(電極抵抗過電圧)が大きくなり、陰極2でのジュール発熱が増加するため、陰極2の温度が上昇し、酸素含有混合ガスの冷却作用による陰極2の温度低下を抑制することができる。
【0026】
以上のように、陰極と陽極とで電極構造や電極材料を違えて、陰極過電圧を陽極過電圧より大きくすることにより、陰極においてより大きなジュール熱を発生させることができ、酸素含有混合ガスの冷却作用による陰極側の温度低下を抑え、固体電解質の温度分布を均一化することができる。これにより、熱応力による電気化学セルの破損を回避し、耐久性を著しく向上することができる。
【0027】
また、本発明は、陰極過電圧を陽極過電圧より十分大きくさせることを前提として、上記第1〜3の方法を適宜組み合わせて各々の電極を構成することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明による電気化学セルの構成を示す図。
【図2】電極材料による電気化学セルの電流−電圧特性を示す図。
【図3】本発明による電気化学セルの電流−電圧特性(分極特性)を示す図。
【図4】従来の電気化学セルの構成を示す図。
【図5】従来の電気化学セルの電流−電位特性(分極特性)を示す図。
【図6】酸素富化器の構造を示す図。
【符号の説明】
【0029】
1 固体電解質
2 陰極
3 陽極

【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素イオン伝導性の固体電解質と、その両面に形成された陰極および陽極とで構成される電気化学セルにおいて、
前記陽極と前記陰極とで電極材料や電極構造を違えて構成することにより各電極過電圧を変化させ、これにより、陰極過電圧を陽極過電圧より大きくしたことを特徴とする電気化学セル。
【請求項2】
陰極材料として、陽極材料より電極過電圧の大きい電極材料を用いたことを特徴とする請求項1に記載の電解化学セル。
【請求項3】
陰極材料として、陽極材料より平均粒径の大きい電極材料粉末を用いたことを特徴とする請求項1または請求項2の何れかに記載の電気化学セル。
【請求項4】
陰極の厚みを陽極より厚く形成したことを特徴とする請求項1から請求項3までの何れかに記載の電気化学セル。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2006−219340(P2006−219340A)
【公開日】平成18年8月24日(2006.8.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−34391(P2005−34391)
【出願日】平成17年2月10日(2005.2.10)
【出願人】(000006264)三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Fターム(参考)】