JP2003288904A - Electrochemical element, oxygen concentrator, and fuel cell - Google Patents

Electrochemical element, oxygen concentrator, and fuel cell

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JP2003288904A
JP2003288904A JP2002088517A JP2002088517A JP2003288904A JP 2003288904 A JP2003288904 A JP 2003288904A JP 2002088517 A JP2002088517 A JP 2002088517A JP 2002088517 A JP2002088517 A JP 2002088517A JP 2003288904 A JP2003288904 A JP 2003288904A
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oxide
layer
mixed
electrochemical device
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Japanese (ja)
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Masayuki Obara
真之 小原
Yoko Hirano
陽子 平野
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Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical element, an oxygen concentrator, and a fuel cell, easy to manufacture and decreasing the resistance of an electrode. <P>SOLUTION: An anode layer 11 which is a stacked electrode having three layer electrode structure is constituted by forming an oxide electrode layer 31 on the surface of a ceramic substrate 7, a mixed electrode layer 33 on the surface of the oxide electrode layer 31, and a metal electrode layer 35 on the surface of the mixed electrode layer 33. The ceramic substrate 7 is an oxygen ion-permeable solid electrolyte layer. The oxide electrode layer 31 is an oxide layer having oxygen decomposition capability. The mixed electrode layer 33 is composed of a mixed material of a metallic material of the metal electrode 35 and an oxide material. The metal electrode layer 35 is composed of the metallic material. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、例えば医療分野や
工業用途などに使用できる電気化学素子及び酸素濃縮器
並びに燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrochemical device, an oxygen concentrator, and a fuel cell which can be used, for example, in the medical field or industrial applications.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、セラミック製の電気化学素子
を用いて、電気化学反応により、例えば、空気から酸素
を取り出す酸素濃縮器や、燃料ガスから電気を取り出す
燃料電池が知られている。
2. Description of the Related Art Heretofore, an oxygen concentrator for extracting oxygen from air and a fuel cell for extracting electricity from a fuel gas by an electrochemical reaction using a ceramic electrochemical element have been known.

【0003】この種の電気化学素子は、緻密性の固体電
解質から成る固体電解質層と、その固体電解質層を挟む
ように両側に設けられた一対の触媒電極層(陽極層及び
陰極層)とから構成されている。そして、例えば燃料電
池では、その燃料電池用空気極(空気側の電極)は、通
常、例えばランタンマンガンナイト等の酸化物材料なら
なる酸化物電極で構成されていた。
This type of electrochemical device comprises a solid electrolyte layer composed of a dense solid electrolyte and a pair of catalyst electrode layers (anode layer and cathode layer) provided on both sides so as to sandwich the solid electrolyte layer. It is configured. In a fuel cell, for example, the fuel cell air electrode (air-side electrode) is usually composed of an oxide electrode made of an oxide material such as lanthanum manganite.

【0004】また、前記酸化物電極を設ける技術とは別
に、酸化物電極上に金属層を設けるという技術(例えば
特開2000−70706号公報参照)も提案されてい
る。
In addition to the technique of providing the oxide electrode, a technique of providing a metal layer on the oxide electrode (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-70706) has also been proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た燃料電池用空気極として、酸化物電極を用いる技術の
場合には、一般に、酸化物電極の平面方向における電子
伝導度が低いので、導電性を有するセパレータを導電部
材として用い、セパレータと酸化物電極とを多くの接点
で接触させることで、電子伝導度の低さを補っていた。
However, in the case of the technique of using an oxide electrode as the above-mentioned air electrode for a fuel cell, in general, the electron conductivity in the plane direction of the oxide electrode is low, so that the conductivity is reduced. The low electron conductivity was compensated for by using the separator provided as a conductive member and bringing the separator and the oxide electrode into contact with each other at many contacts.

【0006】ところが、セパレータの接点の数を多くし
て接点密度を大きくしても、十分に抵抗を低下させるこ
とができないという問題があった。また、セパレータに
よる良好な接点(特に多数の接点)の確保は、極めて高
い寸法精度が要求されるので、その製作が容易ではない
という問題もあった。
However, even if the number of contacts of the separator is increased to increase the contact density, there is a problem that the resistance cannot be sufficiently reduced. Further, in order to secure good contact points (particularly a large number of contact points) with a separator, extremely high dimensional accuracy is required, so that there is also a problem that its manufacture is not easy.

【0007】一方、前記酸化物電極上に金属層を設ける
という技術の場合には、酸化物電極のみの場合より、抵
抗を低下させることはできるが、必ずしも十分ではな
い。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、製造
が容易で、しかも電極の抵抗を十分に低下させることが
できる電気化学素子及び酸素濃縮器並びに燃料電池を提
供すること目的とする。
On the other hand, in the case of the technique of providing the metal layer on the oxide electrode, the resistance can be lowered as compared with the case of only the oxide electrode, but it is not always sufficient. The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an electrochemical element, an oxygen concentrator, and a fuel cell that can be easily manufactured and can sufficiently reduce the resistance of electrodes.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段及び発明の効果】(1)請
求項1の発明では、固体電解質基材上に電極を設け、酸
素のポンピングを行うセラミック製の電気化学素子にお
いて、酸素分解能を有し前記固体電解質基材上に形成さ
れた酸化物電極と、金属材料と酸化物材料との混合材料
を用いて前記酸化物電極上に形成された混合電極と、を
有する積層電極を備えたことを特徴とする。
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention (1) In the invention of claim 1, an electrode is provided on a solid electrolyte base material, and an electrochemical element made of ceramic for pumping oxygen has oxygen resolution. A laminated electrode having an oxide electrode formed on the solid electrolyte substrate and a mixed electrode formed on the oxide electrode using a mixed material of a metal material and an oxide material. Is characterized by.

【0009】本発明では、電気化学素子の電極として、
酸化物電極上に混合電極を形成した(少なくとも二層電
極構造の)積層電極を用いるので、従来の酸化物電極の
みのものや、酸化物電極と金属電極とを積層したものに
比べて、後の実験例に示す様に、電気抵抗を大きく低下
させること(即ち導電性を高めること)ができる。これ
により、消費電力を低減することができる。
In the present invention, as an electrode of an electrochemical device,
Since a laminated electrode in which a mixed electrode is formed on an oxide electrode (having at least a two-layer electrode structure) is used, compared with a conventional oxide electrode only or an oxide electrode and a metal electrode laminated, As shown in the experimental example, the electric resistance can be greatly reduced (that is, the conductivity can be increased). Thereby, power consumption can be reduced.

【0010】また、本発明の積層電極は、従来より導電
性が大きいので、電極に接触する接点の数を少なくする
ことができる。更に、例えば電極の周囲を覆うセパレー
タを加工して接点を設ける場合には、良好な多数の接点
の確保は、極めて高い寸法精度が要求されるので、その
製作が容易ではないが、本発明では、接点の数を例えば
1個等の極めて少ない数に低減できるので、その製造が
容易であるという顕著な効果を奏する。
Further, since the laminated electrode of the present invention has higher conductivity than the conventional one, it is possible to reduce the number of contacts contacting the electrodes. Further, for example, when a contact is formed by processing a separator that covers the periphery of an electrode, it is not easy to manufacture it because securing a good number of contacts requires extremely high dimensional accuracy. Since the number of contacts can be reduced to an extremely small number such as one, there is a remarkable effect that the manufacturing is easy.

【0011】尚、本発明の構成により、電極の抵抗が低
下するのは、混合電極により、酸化物電極と接触する導
電性物質(金属)の表面積が増加するからと推定され
る。また、前記酸化物としては、酸化物電極に用いた酸
化物材料を使用できる。 (2)請求項2の発明では、前記積層電極は、更に、前
記混合電極上に、金属電極を備えたことを特徴とする。
It is assumed that the structure of the present invention reduces the resistance of the electrode because the mixed electrode increases the surface area of the conductive material (metal) in contact with the oxide electrode. As the oxide, the oxide material used for the oxide electrode can be used. (2) The invention of claim 2 is characterized in that the laminated electrode further comprises a metal electrode on the mixed electrode.

【0012】本発明では、電気化学素子の電極として、
酸化物電極上に混合電極を形成し、更に混合電極上に金
属電極を設けた(少なくとも三層電極構造の)積層電極
を用いるので、後の実験例で示す様に、前記請求項1の
発明より、一層電極の抵抗値が低下する。これにより、
一層消費電力を低減することができる。
In the present invention, as an electrode of an electrochemical device,
Since a laminated electrode in which a mixed electrode is formed on an oxide electrode and a metal electrode is further provided on the mixed electrode (at least a three-layer electrode structure) is used, the invention of claim 1 is As a result, the resistance value of the electrode is further reduced. This allows
The power consumption can be further reduced.

【0013】尚、前記金属電極の材料としては、前記混
合電極で用いた金属材料を使用できる。 (3)請求項3の発明では、前記積層電極は、前記固体
電解質基材の一方の面又は両方の面に形成されたことを
特徴とする。
The metal material used for the mixed electrode can be used as the material for the metal electrode. (3) In the invention of claim 3, the laminated electrode is formed on one surface or both surfaces of the solid electrolyte substrate.

【0014】本発明は、電気化学素子の構成を例示した
ものである。例えば酸素濃縮器の場合には、固体電解質
基材の両側(陽極及び陰極)に、前記積層電極を形成し
た構成を採用できる。また、例えば燃料電池の場合に
は、固体電解質基材の一方の側(カソード)に、前記積
層電極を形成した構成を採用できる。
The present invention exemplifies the constitution of an electrochemical device. For example, in the case of an oxygen concentrator, a structure in which the laminated electrodes are formed on both sides (anode and cathode) of the solid electrolyte substrate can be adopted. Further, for example, in the case of a fuel cell, a structure in which the laminated electrode is formed on one side (cathode) of the solid electrolyte substrate can be adopted.

【0015】(4)請求項4の発明では、前記固体電解
質基材は、平面状の基板又は筒状に曲げられた形状の基
板であることを特徴とする。本発明は、電気化学素子の
構成を例示したものである。例えば平板状の固定電解質
基板を用いる場合には、その一方の面に陽極(又はアノ
ード)を設けるとともに他方の面に陰極(又はカソー
ド)を設けた構成や、一方の面に陽極(又はアノード)
及び陰極(又はカソード)を設けた構成を採用できる。
(4) The invention of claim 4 is characterized in that the solid electrolyte substrate is a flat substrate or a substrate bent in a tubular shape. The present invention exemplifies the constitution of the electrochemical device. For example, in the case of using a flat fixed electrolyte substrate, an anode (or anode) is provided on one surface and a cathode (or cathode) is provided on the other surface, or an anode (or anode) is provided on one surface.
Also, a configuration provided with a cathode (or a cathode) can be adopted.

【0016】また、例えば筒状の固定電解質基板を用い
る場合には、その一方の面に陽極(又はアノード)を設
けるとともに他方の面に陰極(又はカソード)を設けた
構成を採用できる。尚、筒状の一端が閉塞されたものや
両端が開放されたものなどを採用できる。
Further, for example, when a cylindrical fixed electrolyte substrate is used, it is possible to adopt a structure in which an anode (or anode) is provided on one surface and a cathode (or cathode) is provided on the other surface. It should be noted that it is possible to employ a cylindrical one whose one end is closed or one whose both ends are open.

【0017】(5)請求項5の発明では、前記固体電解
質基材の材料として、全安定化ジルコニア、部分安定化
ジルコニア、ランタンガレート、及び希土類元素又はア
ルカリ土類金属元素をドープ(添加)した酸化セリウム
のうち1種を用いたことを特徴とする。
(5) In the invention of claim 5, as the material of the solid electrolyte substrate, fully stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, lanthanum gallate, and a rare earth element or an alkaline earth metal element are doped (added). One of the cerium oxides is used.

【0018】本発明は、固体電解質基材の材料を例示し
たものである。本発明では、固体電解質基材の材料とし
て、全安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアや、
ランタンガレートや、希土類元素又はアルカリ土類金属
元素をドープした酸化セリウムを用いることができる。
The present invention exemplifies the material of the solid electrolyte substrate. In the present invention, as the material of the solid electrolyte substrate, fully stabilized zirconia and partially stabilized zirconia,
Lanthanum gallate or cerium oxide doped with a rare earth element or an alkaline earth metal element can be used.

【0019】尚、全安定化ジルコニア又は部分安定化ジ
ルコニアとは、希土類など(例えばスカンジウム、イッ
トリア、ランタン、カルシウムなど)を添加したジルコ
ニアである。 (6)請求項6の発明では、前記酸化物電極を構成する
酸化物の材料として、複合酸化物、又は前記複合酸化物
と前記固体電解質基材の材料との混合物を用いることを
特徴とする。
The fully-stabilized zirconia or the partially-stabilized zirconia is zirconia to which rare earths (eg, scandium, yttria, lanthanum, calcium, etc.) are added. (6) The invention of claim 6 is characterized in that a composite oxide or a mixture of the composite oxide and a material of the solid electrolyte substrate is used as a material of the oxide forming the oxide electrode. .

【0020】本発明は、酸化物電極を構成する酸化物の
材料を例示したものである。この材料を用いることによ
り、酸素ガスが速やかにイオン化され、固体電解質中に
取り込まれるという利点がある。ここで、複合酸化物と
しては、例えば、Ln(1-x)SrxMnO3-δ、Ln(1-x
)SrxCoO3-δ、Ln(1-x)SrxFeO3-δ、及びL
(1-x)SrxCoyFe( 1-y)3-δから選ばれる少なく
とも1種(但し、0<x<1、0<y<1、δは酸素欠
損分、Ln=La、Sm、Nd、Gd、Pr)を採用で
きる。
The present invention exemplifies the material of the oxide forming the oxide electrode. The use of this material has an advantage that oxygen gas is rapidly ionized and taken into the solid electrolyte. Here, as the complex oxide, for example, Ln (1-x) Sr x MnO 3- δ, Ln (1-x
) Sr x CoO 3- δ, Ln (1-x) Sr x FeO 3- δ, and L
n (1-x) Sr x Co y Fe ( 1-y) O 3 − δ (at least 0 <x <1, 0 <y <1, δ is oxygen deficiency, Ln = La) , Sm, Nd, Gd, Pr) can be adopted.

【0021】(7)請求項7の発明では、前記混合電極
の材料として、Ag、Pd、Ptから選ばれる少なくと
も1種と、複合酸化物との混合物を用いる。本発明は、
混合電極を構成する材料を例示したものである。この材
料を用いることにより、金属粒子と複合酸化物粒子間の
電子の授受が円滑に行われるという利点がある。
(7) In the invention of claim 7, as the material of the mixed electrode, a mixture of at least one selected from Ag, Pd and Pt and a complex oxide is used. The present invention is
This is an example of the material forming the mixed electrode. The use of this material has an advantage that electrons can be smoothly transferred between the metal particles and the composite oxide particles.

【0022】ここで、複合酸化物としては、例えば、L
(1-x)SrxMnO3-δ、Ln(1-x )SrxCoO3-δ、
Ln(1-x)SrxFeO3-δ、及びLn(1-x)SrxCoy
Fe( 1-y)3-δから選ばれる少なくとも1種(但し、
0<x<1、0<y<1、δは酸素欠損分、Ln=L
a、Sm、Nd、Gd、Pr)を採用できる。
Here, as the complex oxide, for example, L
n (1-x) Sr x MnO 3- δ, Ln (1-x ) Sr x CoO 3- δ,
Ln (1-x) Sr x FeO 3- δ, and Ln (1-x) Sr x Co y
At least one selected from Fe ( 1-y) O 3- δ (provided that
0 <x <1, 0 <y <1, δ is oxygen deficiency, Ln = L
a, Sm, Nd, Gd, Pr) can be adopted.

【0023】(8)請求項8の発明では、前記酸化物電
極に含まれる複合酸化物と、前記混合電極に含まれる複
合酸化物とが異なることを特徴とする。ここで、酸化物
電極に含まれる複合酸化物と、混合電極に含まれる複合
酸化物とを違える理由は、材料が異なれば、例えば焼付
性や酸素分解能等の性質が異なるので、電極全体の性能
として、好ましい組合せを選択することができるからで
ある。
(8) The invention of claim 8 is characterized in that the complex oxide contained in the oxide electrode is different from the complex oxide contained in the mixed electrode. Here, the reason why the composite oxide contained in the oxide electrode is different from the composite oxide contained in the mixed electrode is that different materials have different properties such as seizability and oxygen decomposing ability, and therefore the performance of the entire electrode is improved. This is because a preferable combination can be selected.

【0024】(9)請求項9の発明では、前記酸化物電
極に含まれる複合酸化物が、Ln(1 -x)SrxMnO3-δ
であり、前記混合電極に含まれる複合酸化物が、Ln
(1-x)SrxCoO3-δ、Ln(1-x)SrxFeO3-δ、及
びLn(1-x)SrxCoyFe(1 -y)3-δから選ばれる少
なくとも1種であること(但し、0<x<1、0<y<
1、δは酸素欠損分、Ln=La、Sm、Nd、Gd、
Pr)を特徴とする。
(9) In the invention of claim 9, the complex oxide contained in the oxide electrode is Ln (1 -x) Sr x MnO 3 -δ.
And the complex oxide contained in the mixed electrode is Ln
At least one selected from (1-x) Sr x CoO 3- δ, Ln (1-x) Sr x FeO 3- δ, and Ln (1-x) Sr x Co y Fe (1- y) O 3- δ. Be of one type (however, 0 <x <1, 0 <y <
1, δ are oxygen deficiency, Ln = La, Sm, Nd, Gd,
Pr).

【0025】本発明は、異なる複合酸化物の組合せを例
示したものである。つまり、酸化物電極に含まれる複合
酸化物であるLn(1-x)SrxMnO3-δは、ジルコニア
と反応性が低いので、1000℃を超える焼き付けが可
能であり、一方、混合電極に含まれる複合酸化物であ
る、Ln(1-x)SrxCoO3-δ、Ln (1-x)SrxFeO
3-δ、及びLn(1-x)SrxCoyFe(1-y)3-δなど
は、ジルコニアと反応性が高いので、1000℃を超え
る温度で焼き付けると化学反応してしまい、性能を発揮
できないが、酸素を分解する能力は、前記Mn系より、
このCo系、Fe系の方が高いという特徴がある。
The present invention exemplifies combinations of different complex oxides.
It is shown. That is, the composite contained in the oxide electrode
Ln that is an oxide(1-x)SrxMnO3-δ is zirconia
Since it has low reactivity, it can be baked at over 1000 ℃.
Is a complex oxide contained in the mixed electrode.
Ln(1-x)SrxCoO3-δ, Ln (1-x)SrxFeO
3-δ, and Ln(1-x)SrxCoyFe(1-y)O3-δ, etc.
Has a high reactivity with zirconia,
Demonstrate performance by causing a chemical reaction when baked at a temperature
Although not possible, the ability to decompose oxygen is
The characteristics of the Co-based and Fe-based are higher.

【0026】従って、本発明では、両複合酸化物を組み
合わせることにより、高い酸素分解能と高い焼き付き性
とを必要に応じて実現しようとするものである。即ち、
1000℃以上でないと焼き付かない酸化物電極にはM
n系を用い、850℃で焼き付く混合電極には、Co
系、Fe系を混合することにより、それぞれ好ましい特
性を得ることができる。
Therefore, in the present invention, by combining both composite oxides, it is intended to realize a high oxygen resolution and a high image sticking property as required. That is,
M for oxide electrodes that will not burn unless the temperature is over 1000 ° C
The n-type mixed electrode that burns at 850 ° C. contains Co.
By mixing the system and the Fe system, preferable characteristics can be obtained.

【0027】(10)請求項10の発明では、前記金属
電極の材料として、Ag、Pd、Ptから選ばれる少な
くとも1種を用いることを特徴とする。本発明は、金属
電極の材料を例示したものである。本発明の材料を用い
ることにより、混合電極に含まれる金属粒子の電子伝導
を助け、平面方向の電気抵抗を低減させるという利点が
ある。
(10) The invention of claim 10 is characterized in that at least one selected from Ag, Pd, and Pt is used as the material of the metal electrode. The present invention exemplifies the material of the metal electrode. By using the material of the present invention, there is an advantage that it assists the electron conduction of the metal particles contained in the mixed electrode and reduces the electric resistance in the planar direction.

【0028】(11)請求項11の発明では、前記混合
電極における酸化物の添加量が、前記混合電極の5〜5
0重量%の範囲であることを特徴とする。本発明は、混
合電極における酸化物の添加量を例示したものである。
本発明では、酸化物の添加量が5重量%以上であるの
で、金属電極とは明らかな異なる性質を有し、金属粒子
と複合酸化物粒子との接触点を増加させるという利点が
ある。また、酸化物の添加量が50重量%以下であるの
で、金属電極との接合性が良く剥離し難いという利点が
ある。
(11) In the invention of claim 11, the amount of oxide added to the mixed electrode is 5 to 5 of the mixed electrode.
It is characterized in that it is in the range of 0% by weight. The present invention exemplifies the amount of oxide added to the mixed electrode.
In the present invention, since the amount of oxide added is 5% by weight or more, it has the properties that are clearly different from those of the metal electrode, and has the advantage of increasing the number of contact points between the metal particles and the composite oxide particles. Further, since the amount of the oxide added is 50% by weight or less, there is an advantage that the bondability with the metal electrode is good and peeling is difficult.

【0029】(12)請求項12の発明(酸素濃縮器)
は、前記請求項1〜11のいずれかに記載の電気化学素
子を用いることを特徴とする。本発明の酸素濃縮器は、
上述した積層電極を有する電気化学素子を用いるので、
電極の抵抗が低く、消費電力が少ない。また、セパレー
タを接点をして用いる場合には、セパレータの加工が容
易であるという利点がある。
(12) Invention of Claim 12 (oxygen concentrator)
Is characterized in that the electrochemical device according to any one of claims 1 to 11 is used. The oxygen concentrator of the present invention is
Since the electrochemical device having the above-mentioned laminated electrode is used,
Low electrode resistance and low power consumption. Further, when the separator is used as a contact, there is an advantage that the separator can be easily processed.

【0030】(13)請求項13の発明(燃料電池)
は、前記請求項1〜11のいずれかに記載の電気化学素
子を用いることを特徴とする。本発明の燃料電池は、上
述した積層電極を有する電気化学素子を用いるので、電
極の抵抗が低く、消費電力が少ない。また、セパレータ
を接点をして用いる場合には、セパレータの加工が容易
であるという利点がある。
(13) Invention of Claim 13 (fuel cell)
Is characterized in that the electrochemical device according to any one of claims 1 to 11 is used. Since the fuel cell of the present invention uses the electrochemical element having the above-mentioned laminated electrode, the electrode resistance is low and the power consumption is low. Further, when the separator is used as a contact, there is an advantage that the separator can be easily processed.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】以下に本発明の電気化学素子及び
酸素濃縮器並びに燃料電池の実施の形態の例(実施例)
を説明する。 (実施例1) a)まず、本実施例1の酸素濃縮器について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments (Examples) of the electrochemical device, oxygen concentrator, and fuel cell of the present invention will be described below.
Will be explained. (Example 1) a) First, the oxygen concentrator of Example 1 will be described.

【0032】本実施例の酸素濃縮器は、(酸素濃縮を行
う基本単位である)セルを多数した酸素濃縮スタックを
用い、この酸素濃縮スタック(従って各セル)に対して
空気を供給することにより、空気中の酸素を濃縮して取
り出す装置である。図1に示す様に、前記セル1は、
(同図の上方から見て)例えば円形の装置であり、電気
化学素子3と、電子伝導体からなるセパレータ5と積層
配置したものである。
The oxygen concentrator of this embodiment uses an oxygen enrichment stack having a large number of cells (which is a basic unit for performing oxygen enrichment), and supplies air to the oxygen enrichment stack (and thus each cell). A device for concentrating and extracting oxygen in the air. As shown in FIG. 1, the cell 1 is
For example, a circular device (as viewed from above in the figure) is one in which an electrochemical element 3 and a separator 5 made of an electronic conductor are laminated and arranged.

【0033】つまり、電気化学素子3は、例えば円盤状
のセラミック基板(酸素イオン伝導性セラミックスから
なる固体電解質層)7と、その一方の表面(上面:図の
上方)に形成された円盤状の陽極層9と、他方の表面
(下面:図の下方)に形成された円盤状の陰極層11と
からなる。
In other words, the electrochemical element 3 has, for example, a disk-shaped ceramic substrate (solid electrolyte layer made of oxygen ion conductive ceramics) 7 and a disk-shaped ceramic substrate formed on one surface (upper surface: upper part of the drawing) of the same. It comprises an anode layer 9 and a disk-shaped cathode layer 11 formed on the other surface (lower surface: lower part of the figure).

【0034】また、セパレータ5は、セラミック基材7
の上面側に、陽極層9を覆うように配置された第1セパ
レータ13と、セラミック基板7の下面側に、陰極層1
1と対向して配置された第2セパレータ15とからな
る。そして、前記第1セパレータ13により、第1空間
17が形成され、連通孔19を介して、酸素が取り出さ
れる。この第1セパレータ13の陽極層9側には、陽極
層9側に突出して陽極層9に接触する陽極側接点21
が、例えば1箇所に設けられている。
The separator 5 is made of a ceramic base material 7.
On the upper surface side of the first separator 13 arranged to cover the anode layer 9, and on the lower surface side of the ceramic substrate 7, the cathode layer 1
1 and a second separator 15 arranged so as to be opposed thereto. A first space 17 is formed by the first separator 13, and oxygen is taken out through the communication hole 19. On the anode layer 9 side of the first separator 13, an anode-side contact 21 protruding toward the anode layer 9 side and contacting the anode layer 9 is formed.
Are provided, for example, at one location.

【0035】一方、前記第2セパレータ15に覆われた
第2空間23は、周囲雰囲気と連通され、空気が導入さ
れる。この第2セパレータ15の陰極層11側には、陰
極層11側に突出して陰極層11に接触する陰極側接点
25が、例えば1箇所に設けられている。
On the other hand, the second space 23 covered with the second separator 15 is communicated with the surrounding atmosphere and air is introduced therein. On the cathode layer 11 side of the second separator 15, a cathode side contact 25 that protrudes toward the cathode layer 11 side and contacts the cathode layer 11 is provided, for example, at one location.

【0036】特に、前記セパレータ5は、空気や酸素の
ガスの隔壁として機能するとともに、導電性を有するの
で、電源(直流電源)27と陽極層9又は陰極層11と
を電気的に接続するリード部として機能する。つまり、
第1セパレータ13により、電源27の陽極側と電気化
学素子3の陽極層9とを電気的に接続し、第2セパレー
タ15により、電源27の陰極側と電気化学素子3の陰
極層11とを電気的に接続している。
In particular, since the separator 5 functions as a partition wall for air or oxygen gas and has conductivity, a lead for electrically connecting the power supply (DC power supply) 27 and the anode layer 9 or the cathode layer 11 to each other. Function as a department. That is,
The first separator 13 electrically connects the anode side of the power source 27 and the anode layer 9 of the electrochemical element 3, and the second separator 15 connects the cathode side of the power source 27 and the cathode layer 11 of the electrochemical element 3. It is electrically connected.

【0037】b)次に、本実施例の要部である電気化学
素子3の構成を、図2に基づいて説明する。尚、図2
は、電気化学素子3の一部を破断し拡大して示す断面図
である。本実施例では、前記陽極層9及び陰極層11の
構成は同じであるので、ここでは、陰極層11を例に挙
げて説明する。
B) Next, the structure of the electrochemical device 3, which is the main part of this embodiment, will be described with reference to FIG. Incidentally, FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the electrochemical device 3 by breaking and enlarging it. In this embodiment, since the anode layer 9 and the cathode layer 11 have the same structure, the cathode layer 11 will be described as an example here.

【0038】図2に示す様に、セラミック基板7の表面
には酸化物電極層31が形成され、酸化物電極層31の
表面には混合電極層33が形成され、混合電極層33の
表面には金属電極層35が形成され、これにより、三層
電極構造の積層電極である陰極層11が構成されてい
る。
As shown in FIG. 2, an oxide electrode layer 31 is formed on the surface of the ceramic substrate 7, a mixed electrode layer 33 is formed on the surface of the oxide electrode layer 31, and a mixed electrode layer 33 is formed on the surface of the mixed electrode layer 33. Is formed with a metal electrode layer 35, which constitutes the cathode layer 11 which is a laminated electrode having a three-layer electrode structure.

【0039】このうち、セラミック基板7は、例えば希
土類などを添加した安定化ジルコニアから構成され、酸
素イオンが透過可能な固体電解質層であり、その組成と
しては、例えば、10重量%Scと1重量%Ceと残部
安定化ジルコニア(10Sc1CeSZ:以下ScS
Z)の組成を採用できる。
Of these, the ceramic substrate 7 is a solid electrolyte layer composed of stabilized zirconia to which, for example, rare earth is added, and is a solid electrolyte layer through which oxygen ions can pass, and its composition is, for example, 10 wt% Sc and 1 wt%. % Ce and the balance stabilized zirconia (10Sc1CeSZ: ScS below)
The composition of Z) can be adopted.

【0040】酸化物電極層31は、酸素分解能を有する
酸化物層であり、例えばランタンマンガンナイトと希土
類などを添加した安定化ジルコニアから構成されてい
る。その組成としては、例えば、La0.6Sr0.4MnO
3(50重量%)とScSZ(50重量%)の組成を採
用できる。
The oxide electrode layer 31 is an oxide layer having an oxygen decomposing property, and is composed of, for example, lanthanum manganite and stabilized zirconia to which rare earths are added. The composition is, for example, La 0.6 Sr 0.4 MnO.
A composition of 3 (50% by weight) and ScSZ (50% by weight) can be adopted.

【0041】混合電極層33は、金属電極層35の金属
材料と(酸化物電極層31とは異なる)酸化物材料との
混合材料から構成されている。その組成としては、例え
ば、Ag(80重量%)とSm0.5Sr0.5CoO3(2
0重量%)との組成を採用できる。
The mixed electrode layer 33 is composed of a mixed material of a metal material of the metal electrode layer 35 and an oxide material (different from the oxide electrode layer 31). The composition is, for example, Ag (80% by weight) and Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 (2
0% by weight) can be used.

【0042】金属電極層35は、金属材料から構成され
ている。その組成としては、例えば、Ag(100重量
%)を採用できる。尚、本実施例では、陽極層9及び陰
極層11は同様な三層電極構造の積層構造であるが、こ
れとは別に、陽極層9として、一層の白金電極を用いて
もよい。
The metal electrode layer 35 is made of a metal material. As the composition, for example, Ag (100% by weight) can be adopted. In the present embodiment, the anode layer 9 and the cathode layer 11 have the same three-layer electrode structure as the laminated structure, but in addition to this, a single layer of platinum electrode may be used as the anode layer 9.

【0043】c)次に、上述した電気化学素子3の製造
方法について、簡単に説明する。まず、スカンジア安定
化ジルコニア粉末(ScSZ)とバインダと有機溶媒と
からなる材料を、混合してスラリーを作成する。そのス
ラリーを用いて、ドクターブレード法によりグリーンシ
ートを作成し、そのグリーンシートを所定の形状に切断
した後、250〜350℃で脱脂し、その後、1450
〜1500°Cの温度で焼成することにより、セラミッ
ク基板7を製造する。
C) Next, a method for manufacturing the above-mentioned electrochemical device 3 will be briefly described. First, a material comprising scandia-stabilized zirconia powder (ScSZ), a binder and an organic solvent is mixed to prepare a slurry. Using the slurry, a green sheet is formed by a doctor blade method, the green sheet is cut into a predetermined shape, degreased at 250 to 350 ° C., and then 1450.
The ceramic substrate 7 is manufactured by firing at a temperature of ˜1500 ° C.

【0044】次に、セラミック基板7の表面(両側)
に、酸化物電極層31を形成する。具体的には、La
0.6Sr0.4MnO3とScSZとバインダとを混合した
ペーストを、スクリーンを用いて、セラミック基板7上
の所定の場所に印刷し、1130°Cにて焼き付けを行
うことにより、酸化物電極層31を形成する。
Next, the surface of the ceramic substrate 7 (both sides)
Then, the oxide electrode layer 31 is formed. Specifically, La
A paste obtained by mixing 0.6 Sr 0.4 MnO 3 , ScSZ and a binder was printed on a predetermined place on the ceramic substrate 7 using a screen and baked at 1130 ° C. to form the oxide electrode layer 31. Form.

【0045】次に、酸化物電極層31の表面(両側)
に、混合電極層33を形成する。具体的には、AgとS
0.5Sr0.5CoO3(酸化物)とバインダとを混合し
たペーストを、スクリーンを用いて、酸化物電極層31
上に印刷し、850℃にて焼き付けを行うことにより、
混合電極層33を形成する。
Next, the surface of the oxide electrode layer 31 (both sides)
Then, the mixed electrode layer 33 is formed. Specifically, Ag and S
A paste prepared by mixing m 0.5 Sr 0.5 CoO 3 (oxide) and a binder was used to form an oxide electrode layer 31 using a screen.
By printing on the top and baking at 850 ° C,
The mixed electrode layer 33 is formed.

【0046】次に、混合電極層33の表面(両側)に、
金属電極層35を形成する。具体的には、Agとカーボ
ンとバインダとを混合したペーストを、スクリーンを用
いて、混合電極層33上に印刷し、850℃にて焼き付
けを行うことにより、金属電極層35を形成する。
Next, on the surface (both sides) of the mixed electrode layer 33,
The metal electrode layer 35 is formed. Specifically, a paste obtained by mixing Ag, carbon, and a binder is printed on the mixed electrode layer 33 using a screen and baked at 850 ° C. to form the metal electrode layer 35.

【0047】これにより、セラミック基板7の上下両表
面に、酸化物電極層31、混合電極層33、金属電極層
35の三層電極構造の陽極層9及び陰極層11を備えた
電気化学素子3が形成される。 d)次に、前記セル1の動作を、前記図1に基づいて説
明する。
As a result, the electrochemical device 3 is provided with the anode layer 9 and the cathode layer 11 having the three-layer electrode structure of the oxide electrode layer 31, the mixed electrode layer 33, and the metal electrode layer 35 on the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 7. Is formed. d) Next, the operation of the cell 1 will be described with reference to FIG.

【0048】本実施例では、図示しない、空気ポンプに
より、酸素濃縮スタックに対して、従ってセル1の第2
空間23に(予め予熱した)空気を送り込む。尚、周囲
の温度も、例えば750℃の温度に保っておく。図1に
示す様に、各セル1の電気化学素子3の陽極層9と陰極
層11とは、電源27に接続されているので、電源27
から、陽極層9側が高電位(+)となる様に、例えば0
〜1.5Vの電圧を印加する。それとともに、陰極層1
1側の第2空間23に、空気を供給する。
In the present example, an air pump, not shown, is used for the oxygen enrichment stack, and thus for the second cell of cell 1.
Air (pre-heated) is fed into the space 23. The ambient temperature is also kept at 750 ° C., for example. As shown in FIG. 1, since the anode layer 9 and the cathode layer 11 of the electrochemical device 3 of each cell 1 are connected to the power source 27, the power source 27
Therefore, the anode layer 9 side should have a high potential (+), for example, 0
A voltage of ~ 1.5V is applied. Along with that, the cathode layer 1
Air is supplied to the second space 23 on the first side.

【0049】そして、前記電圧が印加されると、陰極層
11により、第2空間23の空気中の酸素が電気分解さ
れて酸素イオンが発生する。その酸素イオンは、陰極層
11と陽極層9との間に印加された電圧により、セラミ
ック基板7を透過して、陽極層9側(第1空間17側)
に至る。陽極層9において、酸素イオン(O2-)は再結
合して酸素分子となり、第1空間17内に濃縮される。
When the voltage is applied, the cathode layer 11 electrolyzes oxygen in the air in the second space 23 to generate oxygen ions. The oxygen ions pass through the ceramic substrate 7 by the voltage applied between the cathode layer 11 and the anode layer 9 and the anode layer 9 side (first space 17 side).
Leading to. In the anode layer 9, the oxygen ions (O 2− ) are recombined into oxygen molecules, which are concentrated in the first space 17.

【0050】つまり、酸素は、第2空間23側から第1
空間17側にポンピングされ、これにより、第1空間1
7側には、100%の酸素が供給されることになる。
尚、前記酸素濃縮スタックは、上述したセル1を多数積
層することにより、効率よく高濃度の酸素を発生させる
ものである。
In other words, oxygen is the first from the second space 23 side.
It is pumped to the space 17 side, so that the first space 1
100% oxygen will be supplied to the 7 side.
The oxygen enriched stack is for efficiently generating high concentration oxygen by stacking a large number of the cells 1 described above.

【0051】f)次に、本実施例の電気化学素子3を備
えた酸素濃縮器の奏する効果を説明する。本実施例の電
気化学素子3は、その陽極層9及び陰極層11が、酸化
物電極層31、混合電極層33、金属電極層35の三層
電極構造であるので、電気抵抗が小さい。よって、消費
電力を低減することができる。
F) Next, the effect of the oxygen concentrator equipped with the electrochemical device 3 of this embodiment will be described. Since the anode layer 9 and the cathode layer 11 of the electrochemical device 3 of this embodiment have a three-layer electrode structure of the oxide electrode layer 31, the mixed electrode layer 33, and the metal electrode layer 35, the electrical resistance is low. Therefore, power consumption can be reduced.

【0052】また、導電性が大きいので、従来より、陽
極層9及び陰極層11に接触する接点21、25を低減
することができる。つまり、セパレータ5の一部を内側
(陽極層9及び陰極層11側)に突出させて接点21、
25として用いる場合には、従来よりも接点21、25
の数を少なくすることができる。
Further, since it has high conductivity, it is possible to reduce the number of contacts 21 and 25 contacting the anode layer 9 and the cathode layer 11 as compared with the conventional case. That is, a part of the separator 5 is projected inward (toward the anode layer 9 and the cathode layer 11 side) to make the contact 21,
When used as 25, the contacts 21, 25
The number of can be reduced.

【0053】更に、セパレータ5における良好な多数の
接点21、25の確保は、極めて高い寸法精度が要求さ
れるので、その製作が容易ではないが、本発明では、そ
の接点21、25の数を低減できるので、その製造が容
易であるという顕著な効果を奏する。 (実施例2)次に、実施例2の酸素濃縮器について説明
する。
Further, in order to secure a good number of good contact points 21, 25 in the separator 5, it is not easy to manufacture because extremely high dimensional accuracy is required, but in the present invention, the number of the contact points 21, 25 is not limited. Since it can be reduced, there is a remarkable effect that the manufacturing is easy. (Embodiment 2) Next, an oxygen concentrator of Embodiment 2 will be described.

【0054】a)本実施例2の酸素濃縮器は、電気化学
素子の構成だけが異なり、他の部分は前記実施例1と同
様であるので、電気化学素子のみを説明する。図3に示
す様に、本実施例における電気化学素子41は、セラミ
ック基板43の表面に、酸化物電極層45が形成され、
酸化物電極層45の表面に混合電極層47が形成された
二層電極構造の陰極層49を備えている。
A) The oxygen concentrator of the second embodiment is different only in the configuration of the electrochemical device, and the other parts are the same as those in the first embodiment. Therefore, only the electrochemical device will be described. As shown in FIG. 3, in the electrochemical device 41 of this embodiment, the oxide electrode layer 45 is formed on the surface of the ceramic substrate 43,
A cathode layer 49 having a two-layer electrode structure in which a mixed electrode layer 47 is formed on the surface of the oxide electrode layer 45 is provided.

【0055】尚、陽極層(図示せず)の構成は、前記陰
極層49と同様であり、セラミック基板43、酸化物電
極層45、混合電極層47の組成等は、前記実施例1と
同様であるので、その説明は省略する。 b)本実施例では、前記実施例1と比べて、陰極層49
及び陽極層との間における抵抗が多少大きいが、前記実
施例1とほぼ同様な効果を奏する。 (実験例1)次に、前記実施例1、2の効果を確認する
ために行った実験例について説明する。
The structure of the anode layer (not shown) is the same as that of the cathode layer 49, and the composition and the like of the ceramic substrate 43, the oxide electrode layer 45, and the mixed electrode layer 47 are the same as those in the first embodiment. Therefore, the description thereof will be omitted. b) In this embodiment, as compared with the first embodiment, the cathode layer 49
The resistance between the anode layer and the anode layer is somewhat large, but the same effect as that of the first embodiment is obtained. (Experimental Example 1) Next, an experimental example performed for confirming the effects of the first and second embodiments will be described.

【0056】本実験例では、前記実施例1、2の電気化
学素子の製造方法と同様にして、6mm角のセラミック
基板を製造した。そして、本発明の範囲の試料No.1と
して、セラミック基板の一方の面に、前記実施例1と同
様に、(酸化物電極層−混合物電極層−金属電極層の)
三層電極構造の陰極層を形成するとともに、他方の面に
は、陽極層として白金電極を形成した。
In this experimental example, a 6 mm square ceramic substrate was manufactured in the same manner as in the electrochemical element manufacturing methods of Examples 1 and 2. Then, as Sample No. 1 within the scope of the present invention, on one surface of the ceramic substrate, (oxide electrode layer-mixture electrode layer-metal electrode layer) was prepared in the same manner as in Example 1.
A cathode layer having a three-layer electrode structure was formed, and a platinum electrode was formed as an anode layer on the other surface.

【0057】また、本発明の範囲の試料No.2として、
セラミック基板の一方の面に、前記実施例2と同様に、
(酸化物電極層−混合物電極層の)二層電極構造の陰極
層を形成する、他方の面には、陽極層として白金電極を
形成した。更に、本発明の範囲外(比較例)の試料No.
3として、セラミック基板の一方の面に、前記酸化物電
極層の上に金属電極層を積層した二層電極構造の陰極層
を形成するとともに、他方の面には、陽極層として白金
電極を形成した。
As Sample No. 2 within the scope of the present invention,
On one surface of the ceramic substrate, as in the second embodiment,
A cathode layer having a two-layered electrode structure (oxide electrode layer-mixture electrode layer) is formed. On the other surface, a platinum electrode is formed as an anode layer. Furthermore, the sample No. outside the scope of the present invention (comparative example).
3, a cathode layer having a two-layer electrode structure in which a metal electrode layer is laminated on the oxide electrode layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and a platinum electrode is formed as an anode layer on the other surface. did.

【0058】その上、本発明の範囲外(比較例)の試料
No.4として、セラミック基板の一方の面に、前記酸化
物電極層のみからなる陰極層を形成するとともに、他方
の面には、陽極層として白金電極を形成した。そして、
各試料を炉中で750℃に加熱した状態で、陽極層
(+)と陰極層(−)との間に、0.8A/cm2の電
流を流し、そのときに両電極間に発生する電圧を測定し
た。その結果を、下記表1に記す。
In addition, as sample No. 4 outside the scope of the present invention (comparative example), a cathode layer consisting of only the oxide electrode layer was formed on one surface of the ceramic substrate, and the other surface was formed on the other surface. A platinum electrode was formed as the anode layer. And
A current of 0.8 A / cm 2 was passed between the anode layer (+) and the cathode layer (−) in the state where each sample was heated to 750 ° C. in a furnace, and at that time, generated between both electrodes. The voltage was measured. The results are shown in Table 1 below.

【0059】[0059]

【表1】 この表1から明らかな様に、本発明の範囲内の試料No.
1及び試料No.2の電気化学素子を用いた場合には、電
圧が0.42V以下と小さく(従って抵抗が少なく)、
好ましいことが分かる。
[Table 1] As is clear from Table 1, the sample No. within the scope of the present invention.
When the electrochemical device of Sample No. 1 and Sample No. 2 was used, the voltage was as small as 0.42 V or less (hence the resistance was small),
It turns out to be preferable.

【0060】特に、三層電極構造とした試料No.1の場
合には、電圧が0.35Vと最も小さく、特に好ましい
ことが分かる。つまり、三層電極構造の陰極層を用いる
場合には、抵抗値が大きく低減されて、効率的に酸素が
分解されていることが分かる。
In particular, in the case of the sample No. 1 having the three-layer electrode structure, the voltage is 0.35 V, which is the smallest, and it is understood that it is particularly preferable. That is, it can be seen that when the cathode layer having the three-layer electrode structure is used, the resistance value is greatly reduced and oxygen is efficiently decomposed.

【0061】それに対して、本発明の範囲外の比較例の
試料No.3及び試料No.4の電気化学素子を用いた場合
には、電圧が0.52V以上と大きく(従って抵抗が大
きく)、好ましくないことが分かる。 (実施例3)次に、実施例3の燃料電池ついて説明す
る。
On the other hand, when the electrochemical devices of Sample No. 3 and Sample No. 4 of Comparative Examples outside the scope of the present invention were used, the voltage was as large as 0.52 V or more (hence the resistance was large). It turns out that it is not preferable. (Example 3) Next, a fuel cell of Example 3 will be described.

【0062】a)図4に示す様に、本実施例の燃料電池
は、セラミック基板51と、セラミック基板51の上面
に形成されたアノード層53と、セラミック基板51の
下面に形成されたカソード層55とからなる電気化学素
子57を備えている。このうち、セラミック基板51
は、前記実施例1と同様な組成の固体電解質からなる層
である。また、アノード層53は、ニッケル粉末と安定
化ジルコニア粉末とを用いて形成された混合電極であ
り、カソード層55は、前記実施例1の陰極層と同様
に、酸化物電極層−混合物電極層−金属電極層の三層電
極構造の積層電極である。
A) As shown in FIG. 4, the fuel cell of this embodiment has a ceramic substrate 51, an anode layer 53 formed on the upper surface of the ceramic substrate 51, and a cathode layer formed on the lower surface of the ceramic substrate 51. And an electrochemical element 57 composed of 55. Of these, the ceramic substrate 51
Is a layer made of a solid electrolyte having the same composition as in Example 1 above. Further, the anode layer 53 is a mixed electrode formed by using nickel powder and stabilized zirconia powder, and the cathode layer 55 is the oxide electrode layer-mixture electrode layer as in the cathode layer of the first embodiment. A laminated electrode having a three-layer electrode structure of metal electrode layers.

【0063】更に、第1セパレータ59により、第1空
間61が形成され、連通孔63を介して、水素が供給さ
れる。この第1セパレータ59のアノード層53側に
は、アノード層53側に突出してアノード層53に接触
するアノード側接点65が、例えば複数の箇所に設けら
れている。
Further, a first space 61 is formed by the first separator 59, and hydrogen is supplied through the communication hole 63. On the anode layer 53 side of the first separator 59, anode side contacts 65 that project toward the anode layer 53 side and contact the anode layer 53 are provided at, for example, a plurality of locations.

【0064】一方、第2セパレータ67に覆われた第2
空間69は、周囲雰囲気と連通され、空気が導入され
る。この第2セパレータ67のカソード層55側には、
カソード層55側に突出してカソード層55に接触する
カソード側接点71が、(前記アノード側接点65より
少なく)例えば1箇所に設けられている。
On the other hand, the second cover covered with the second separator 67
The space 69 communicates with the surrounding atmosphere and air is introduced therein. On the cathode layer 55 side of the second separator 67,
A cathode-side contact 71 that projects toward the cathode layer 55 side and contacts the cathode layer 55 is provided at one location (less than the anode-side contact 65), for example.

【0065】更に、前記両セパレータ59、67は、空
気や水素のガスの隔壁として機能するとともに、導電性
を有するので、抵抗73とアノード層53又はカソード
層55とを電気的に接続するリード部として機能する。
つまり、第1セパレータ59により、抵抗73と電気化
学素子57のアノード層53とを電気的に接続し、第2
セパレータ67により、抵抗73と電気化学素子57の
カソード層55とを電気的に接続している。
Further, since both separators 59 and 67 function as partition walls for air or hydrogen gas and have conductivity, a lead portion for electrically connecting the resistor 73 and the anode layer 53 or the cathode layer 55. Function as.
That is, the first separator 59 electrically connects the resistor 73 to the anode layer 53 of the electrochemical element 57,
The resistor 73 and the cathode layer 55 of the electrochemical element 57 are electrically connected by the separator 67.

【0066】b)この燃料電池では、カソード層55側
に形成された第2空間69に、酸素を20重量%含む例
えば空気を導入し、アノード層53側に形成された第1
空間61に、水素を導入する。そして、この状態で、ア
ノード層53とカソード層55とを、抵抗73を介し
て、導電部材75で接続すると、導電部材75には、カ
ソード層55側からアノード層53側に電流が流れる。
B) In this fuel cell, for example, air containing 20% by weight of oxygen is introduced into the second space 69 formed on the cathode layer 55 side to form the first space formed on the anode layer 53 side.
Hydrogen is introduced into the space 61. Then, in this state, when the anode layer 53 and the cathode layer 55 are connected by the conductive member 75 via the resistor 73, a current flows through the conductive member 75 from the cathode layer 55 side to the anode layer 53 side.

【0067】つまり、カソード層55にて酸素が分解さ
れ、酸素イオンがアノード層53側にポンピングされ、
アノード層53にて水蒸気となるので、その化学変化に
対応して電子が流れ、その電子の流れ(従って電流)
を、導電部材75及び抵抗73を介して取り出すことが
できる。
That is, oxygen is decomposed in the cathode layer 55 and oxygen ions are pumped to the anode layer 53 side,
Since it becomes water vapor in the anode layer 53, electrons flow according to the chemical change, and the flow of electrons (hence current)
Can be taken out through the conductive member 75 and the resistor 73.

【0068】c)本実施例においても、カソード層55
は、酸化物電極層−混合物電極層−金属電極層の三層電
極構造の積層電極であるので、アノード層55とカソー
ド層53との間の抵抗が小さく、よって電力のロスが少
ないという利点がある。また、導電性が大きいので、従
来より、カソード層53に接触する接点71を低減する
ことができる。
C) Also in this embodiment, the cathode layer 55
Is a laminated electrode having a three-layer electrode structure of an oxide electrode layer-a mixture electrode layer-a metal electrode layer, and therefore has the advantage that the resistance between the anode layer 55 and the cathode layer 53 is small, and thus the power loss is small. is there. In addition, since the conductivity is high, the number of contacts 71 in contact with the cathode layer 53 can be reduced as compared with the related art.

【0069】更に、良好な多数の接点71の確保は、極
めて高い寸法精度が要求されるが、本実施例では、その
接点71の数を低減できるので、その製造が容易である
という顕著な効果を奏する。尚、本発明は前記実施例に
何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲を逸脱し
ない限り、種々の態様で実施できることはいうまでもな
い。
Further, in order to secure a good number of contacts 71, extremely high dimensional accuracy is required, but in the present embodiment, since the number of contacts 71 can be reduced, the remarkable effect that the manufacture is easy. Play. It is needless to say that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments and can be implemented in various modes without departing from the technical scope of the present invention.

【0070】(1)例えば前記各実施例の様に、セラミ
ック基板の両側に陽極層と陰極層とを形成するのではな
く、例えば図5に示す様に、セラミック基板81の同じ
側に、陽極層(又はアノード層)83と陰極層(又はカ
ソード層)85を形成してもよい。この場合は、両セパ
レータ87、89により、両空間91、93を分離すれ
ばよい。
(1) Instead of forming the anode layer and the cathode layer on both sides of the ceramic substrate as in the above-mentioned respective embodiments, for example, as shown in FIG. The layer (or anode layer) 83 and the cathode layer (or cathode layer) 85 may be formed. In this case, both spaces 91 and 93 may be separated by both separators 87 and 89.

【0071】(2)また、図6に示す様に、セラミック
基板101を一方が閉塞された筒状に形成し、筒の内側
と外側とで空間103、105を分離し、筒の内側に一
方の電極層(例えば陽極層)107を形成し、筒の外側
に他方の電極層(例えば陰極層)109を形成してもよ
い。或いは、図示しないが、前記筒の閉塞を行わずに、
筒の内側と外側とで空間を分離してもよい。
(2) Further, as shown in FIG. 6, the ceramic substrate 101 is formed in a cylindrical shape with one side closed, and the spaces 103 and 105 are separated by the inside and the outside of the cylinder, and one side is formed inside the cylinder. The electrode layer (for example, the anode layer) 107 may be formed, and the other electrode layer (for example, the cathode layer) 109 may be formed outside the cylinder. Alternatively, although not shown, without closing the cylinder,
The space may be separated between the inside and the outside of the cylinder.

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

【図1】 実施例1の酸素濃縮器の電気化学素子を破断
し拡大して示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view showing an electrochemical element of an oxygen concentrator of Example 1 in a broken and enlarged manner.

【図2】 実施例1の酸素濃縮器の電気化学素子の動作
を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of the electrochemical device of the oxygen concentrator of Example 1.

【図3】 実施例2の酸素濃縮器の電気化学素子を破断
し拡大して示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view showing an electrochemical element of the oxygen concentrator of Example 2 in a broken and enlarged manner.

【図4】 実施例3の燃料電池の電気化学素子の動作を
示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the operation of the electrochemical device of the fuel cell of Example 3.

【図5】 他の電気化学素子の構成を示す説明図であ
る。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration of another electrochemical element.

【図6】 更に他の電気化学素子の構成を示す説明図で
ある。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of still another electrochemical element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・セル 3、41・・・電気化学素子 5、13、15、59、67、87、89・・・セパレー
タ 7、43、51、81、101・・・セラミック基板 9、83・・・陽極層 11、49、85・・・陰極層 21、25、65、71・・・接点 31、45・・・酸化物電極層 33、47・・・混合電極層 35・・・金属電極層 53・・・アノード層 55・・・カソード層
1 ... Cell 3, 41 ... Electrochemical element 5, 13, 15, 59, 67, 87, 89 ... Separator 7, 43, 51, 81, 101 ... Ceramic substrate 9, 83 ... -Anode layers 11, 49, 85 ... Cathode layers 21, 25, 65, 71 ... Contact points 31, 45 ... Oxide electrode layers 33, 47 ... Mixed electrode layers 35 ... Metal electrode layers 53 ... Anode layer 55 ... Cathode layer

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Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質基材上に電極を設け、酸素の
ポンピングを行うセラミック製の電気化学素子におい
て、 酸素分解能を有し前記固体電解質基材上に形成された酸
化物電極と、 金属材料と酸化物材料との混合材料を用いて前記酸化物
電極上に形成された混合電極と、 を有する積層電極を備えたことを特徴とする電気化学素
子。
1. A ceramic electrochemical element for providing oxygen on a solid electrolyte substrate for pumping oxygen, comprising: an oxide electrode having oxygen decomposing ability and formed on the solid electrolyte substrate; and a metal material. And a mixed electrode formed on the oxide electrode by using a mixed material of the oxide material and an oxide material.
【請求項2】 前記積層電極は、更に、前記混合電極上
に、金属電極を備えたことを特徴とする前記請求項1に
記載の電気化学素子。
2. The electrochemical device according to claim 1, wherein the laminated electrode further comprises a metal electrode on the mixed electrode.
【請求項3】 前記積層電極は、前記固体電解質基材の
一方の面又は両方の面に形成されたことを特徴とする前
記請求項1又は2に記載の電気化学素子。
3. The electrochemical element according to claim 1, wherein the laminated electrode is formed on one surface or both surfaces of the solid electrolyte substrate.
【請求項4】 前記固体電解質基材は、平面状の基板又
は筒状に曲げられた形状の基板であることを特徴とする
前記請求項1〜3のいずれかに記載の電気化学素子。
4. The electrochemical device according to claim 1, wherein the solid electrolyte substrate is a flat substrate or a substrate bent in a tubular shape.
【請求項5】 前記固体電解質基材の材料として、全安
定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、ランタンガレ
ート、及び希土類元素又はアルカリ土類金属元素をドー
プした酸化セリウムのうち1種を用いたことを特徴とす
る前記請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学素子。
5. A material of the solid electrolyte substrate is one of fully stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, lanthanum gallate, and cerium oxide doped with a rare earth element or an alkaline earth metal element. The electrochemical device according to any one of claims 1 to 4, which is characterized.
【請求項6】 前記酸化物電極を構成する酸化物の材料
として、複合酸化物、又は前記複合酸化物と前記固体電
解質基材の材料との混合物を用いることを特徴とする前
記請求項1〜5のいずれかに記載の電気化学素子。
6. The composite oxide or a mixture of the composite oxide and a material of the solid electrolyte base material is used as a material of the oxide forming the oxide electrode. 5. The electrochemical device according to any one of 5 above.
【請求項7】 前記混合電極の材料として、Ag、P
d、Ptから選ばれる少なくとも1種と、複合酸化物と
の混合物を用いることを特徴とする前記請求項1〜6の
いずれかに記載の電気化学素子。
7. The material of the mixed electrode is Ag, P
The electrochemical device according to any one of claims 1 to 6, wherein a mixture of at least one selected from d and Pt and a complex oxide is used.
【請求項8】 前記酸化物電極に含まれる複合酸化物
と、前記混合電極に含まれる複合酸化物とが異なること
を特徴とする前記請求項1〜7のいずれかに記載の電気
化学素子。
8. The electrochemical device according to claim 1, wherein the complex oxide contained in the oxide electrode is different from the complex oxide contained in the mixed electrode.
【請求項9】 前記酸化物電極に含まれる複合酸化物
が、Ln(1-x)SrxMnO3-δであり、前記混合電極に
含まれる複合酸化物が、Ln(1-x)SrxCoO3-δ、L
(1-x)SrxFeO3-δ、及びLn(1-x)SrxCoy
(1-y)3-δから選ばれる少なくとも1種であること
(但し、0<x<1、0<y<1、δは酸素欠損分、L
n=La、Sm、Nd、Gd、Pr)を特徴とする前記
請求項1〜8のいずれかに記載の電気化学素子。
9. The complex oxide contained in the oxide electrode is Ln (1-x) Sr x MnO 3- δ, and the complex oxide contained in the mixed electrode is Ln (1-x) Sr. x CoO 3- δ, L
n (1-x) Sr x FeO 3- δ, and Ln (1-x) Sr x Co y F
e (1-y) O 3- It is at least one kind selected from δ (where 0 <x <1, 0 <y <1, δ is an oxygen deficiency, L
n = La, Sm, Nd, Gd, Pr), The electrochemical device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that
【請求項10】 前記金属電極の材料として、Ag、P
d、Ptから選ばれる少なくとも1種を用いることを特
徴とする前記請求項2〜9のいずれかに記載の電気化学
素子。
10. The material of the metal electrode is Ag, P
The electrochemical element according to any one of claims 2 to 9, wherein at least one selected from d and Pt is used.
【請求項11】 前記混合電極における酸化物の添加量
が、前記混合電極の5〜50重量%の範囲であることを
特徴とする前記請求項1〜10のいずれかに記載の電気
化学素子。
11. The electrochemical device according to claim 1, wherein the amount of oxide added to the mixed electrode is in the range of 5 to 50% by weight of the mixed electrode.
【請求項12】 前記請求項1〜11のいずれかに記載
の電気化学素子を用いることを特徴とする酸素濃縮器。
12. An oxygen concentrator using the electrochemical device according to any one of claims 1 to 11.
【請求項13】 前記請求項1〜11のいずれかに記載
の電気化学素子を用いることを特徴とする燃料電池。
13. A fuel cell using the electrochemical device according to any one of claims 1 to 11.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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