JP2006056749A

JP2006056749A - 電気化学セル

Info

Publication number: JP2006056749A
Application number: JP2004241031A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsujimura; 浩行辻村; Koji Hoshino; 孝二星野; Masashi Komabayashi; 正士駒林
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】酸素透過に関わる電気化学反応に必要な電流を効率良く供給できる電気化学セル構造を提供する。
【解決手段】固体電解質１の両面に電極２、３を設けて成る電気化学セルにおいて、電極２、３の外側に銀多孔質体による集電体４、５を配置し、電極間の電圧は、これら集電体４、５を介して印加するようにする。電極２、３と集電体４、５を一体形成すると双方の接触性が向上するため、極間電位に対する電流密度が高まり、これにより、酸素透過のための電気化学反応を活性化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は酸素ポンプや酸素富化器等に用いられ、被処理物質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。

図５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の両面にそれぞれ負極２および正極３を設けて構成した電気化学セルにおいては、例えば、８００℃以上といった高温下で電極２、３間に直流電圧Ｖを印加すると、上記固体電解質１が、その一方の面から他方の面に酸素を透過させる酸素透過膜として作用することが知られている。

すなわち、上記構成の電気化学セルでは、負電圧がかかる負極２側で酸素分子（Ｏ₂）が電子を受け取って酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化され、この酸素イオンが電流として固体電解質１中を正電圧がかかる正極３側に移動し、正極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。
このような固定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が開示されている。
特開２０００−８６２０４号公報

近年、このような電気化学セルによる酸素分離作用を利用して、工場や自動車などから排出される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。
ところが、係る有害ガスの浄化や酸素富化用途にあっては、好ましい酸素の分離・移動（すなわち、酸素透過）を実現するには、セル内の電流密度を高くして酸素透過のための電気化学反応を活性化することが必須であり、よって、外部からの電流供給を如何に効率良く行うかが解決すべき大きな課題となっている。

本発明は、係る課題に鑑み成されたもので、酸素透過のための電気化学反応に必要な電流を効率良く供給できる電気化学セルの構造を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質の両面に電極を設けて構成される電気化学セルにおいて、前記電極の外側に銀多孔質体による集電体を配置したことを特徴としている。

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、前記電極と前記集電体を一体形成したことを特徴としている。

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、前記電極と前記集電体の間に銀を含む電極材料による中間層を設けたことを特徴としている。

ここで、請求項１に記載の構成では、集電体を介して各電極に電圧を印加することにより、酸素透過のための電気化学反応に必要な電流の供給を効率良く行うことができ、その結果、固体電解質中の酸素イオンの移動を速やかにできる。
特に、請求項２に記載のように、電極と集電体を一体形成すると両者の接触性、密着性が著しく向上するため、酸素透過のための電気化学反応に必要な電流を効率良く供給する上でより好ましい。
また、電極と集電体を一体化する場合には、請求項３に記載の構成のように、電極と集電体の間に銀を含む中間層を設けることにより、双方の接着性が向上し、所定印加電圧（極間電位）に対する電流密度を高めることができることに加え、集電体の耐剥離性を向上することができる。

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、前記固体電解質がランタンガレート系材料から成ることを特徴としている。
ランタンガレート系材料としては、高い酸素イオン伝導性および電子伝導性を有する、例えば、Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.15Ｃｏ_0.05Ｏ₃を用いることができる。

また、請求項５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、前記集電体の外側に銀材料で成る補強用のメッシュ状部材を配したことを特徴としている。
メッシュ状部材として、金網やエキスパンドメタルを用いることができる。

以上説明したように、本発明によれば、電極の外側に銀多孔質体による集電体を配置することにより、酸素透過のための電気化学反応を活性化する十分な電流を効率良く供給できるため、酸素ポンプや酸素富化器にあっては豊富な酸素透過量を得ることができる。

以下、図面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。

本発明の第１実施形態による電気化学セルは、図１に示すように、固体電解質１の両面に配した負極２と正極３と、各々電極２、３の外側に配した集電体４、５により構成されている。本実施形態では、集電体４、５は所定の押圧力を持って各々電極２、３上に重ね合わせられて密接状態となっている。

上記構成において、固体電解質１は、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、一般的には、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等が使用されているが、本実施形態では、特に、高い酸素イオン伝導性を有する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：Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.15Ｃｏ_0.05Ｏ₃を用いることにより、固体電解質中における酸素イオンの高速移動性を向上している。
尚、固体電解質１の厚さは、電気化学セルの温度条件と、その際に要求される酸素透過量に応じて適宜決定される。

また、負極２および正極３は何れも電子伝導性の高い材料から構成する必要があり、例えば、ＳＳＣ：（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃、或いは、ＢＬＣ：（Ｂａ，Ｌａ）ＣｏＯ₃、或いは、ＬＳＣ：（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃ 、或いは、ＬＳＣＦ：（Ｌａ，Ｓｒ，Ｆｅ）ＣｏＯ₃等を使用することができる。

また、各集電体４、５として、平均孔径２０〜５００μｍといった比較的小さな空孔を有するスポンジ状のＡｇ多孔質体を使用し、その補強のため、多孔質体の最表面にＡｇ材料で成るメッシュ状部材を張り付けた構造としている。尚、メッシュ状部材６として、電子伝導性と共にガス透過性に優れる金網やエキスパンドメダル等を用いることができる。

このように、本発明の電気化学セルでは、固体電解質１の両面に負極２と正極３と配して構成される従来のセル構造に加え、各々電極２、３の外側にＡｇ多孔質体による集電体４、５を配し、図示のように、これらの集電体４、５を介して各々電極２、３に直流電圧Ｖを印加する構成としている。
これにより、所定の極間電位に対する電流密度を高めることができ、セル内における酸素透過のための電気化学反応を活性化して豊富な酸素透過量を得ることが可能となる。

図２は、本発明の電気化学セルの第２実施形態を示し、固体電解質１の両面に配した負極２と正極３と、各々電極２、３の外側に配した集電体４、５により構成され、且つ、本実施形態では、各々電極２、３と集電体４、５は一体化されている。この点が図１の電気化学セルと相違している。

上記構造の電気化学セルを製造するには、以下の工程にて行う。
先ず、固体電解質材料である平均粒径１ｍｍ程のＬＳＧＭＣ〔Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.15Ｃｏ_0.05Ｏ₃ 〕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シート状に成形する。このグリーンシートを１４００℃の大気中で約３ｈ焼成し、厚さ寸法３０〜２００μｍ程度の薄板状の固体電解質１を得る。

次いで、電極材料である平均粒径１ｍｍ程のＳＳＣ〔（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃〕の粉末に溶剤やバインダ等を加えて混練してスラリーを調製し、これを前工程で得た固体電解質１の両面にスクリーン印刷法等の公知の方法で薄膜状に塗布すると共に、１１００℃の大気中で約３ｈ焼成して固体電解質１の両面にそれぞれ電極２、３を形成する。

次いで、メチルセルロース系結着剤、グリセリン、界面活性剤、水から成るバインダ溶液とＡｇ粉末を混練してスラリーを調整し、これを前工程で形成した各電極面にスクリーン印刷等によりグリーンシートを形成する。尚、バインダ溶液とＡｇ粉末の重量比はほぼ１：１程度とする。

次いで、発泡工程において、このグリーンシートを湿度８０％以上、温度５０℃程の高温高湿環境下で約１ｈ放置し、その際の水蒸気圧と界面活性剤の僅かな起泡性を利用してスポンジ状に発泡させた後、乾燥し、８００℃の大気中で約１ｈ焼成することにより、平均孔径２０〜５００μｍ、気孔率６０〜９６％（気孔率が低すぎるとガスの通過が妨げられ、気孔率が高すぎると膜強度が低くなることから、より望ましくは気孔率８０〜９２％）、厚さ寸法３０〜１０００μｍ程度のＡｇ多孔質体によるスポンジ状の集電体を形成する。これで、図２に示す、電極２、３上に集電体４、５を一体形成した電気化学セルが得られる。

また、上記実施形態のように、電極２、３と集電体４、５を一体化したセル構造の場合は、図３に示すように、各電極２、３と各集電体４、５の間にそれぞれ電極材料の粉末にＡｇ粉末を配合した多孔質焼結体（中間層７）を設けると良い。電極２、３と集電体４、５の間にＡｇ粉末を含む中間層７を介在すると、電極と集電体を一体形成する際の電極と集電体の接着性が向上し、その結果、極間電位に対する電流密度を高めることができることに加え、集電体の耐剥離性が改善されて電気化学セルの耐久性が向上するという作用効果が得られる。

次に、本発明による効果を評価・確認するため、以下に示す各電気化学セルの通電試験を行い、それぞれの試験結果を電流−電位特性として図５に示した。横軸は極間電位、縦軸は電流密度を示し、（イ）は図１に示す実施例、（ロ）は図２に示す実施例、（ハ）は図３に示す実施例、（ニ）は図４に示す比較例、（ホ）は図５に示す比較例（従来構造）である。
尚、図４に示す比較例（ニ）の電気化学セルは、集電体４、５をＡｇメッシュで構成し、各電極２、３上に重ね合わせた構造とした。また、各実施例（イ）〜（ホ）の固体電解質と電極は全て同じサイズ、同じ材料にて構成した。

本通電試験の結果によれば、実施例（イ）〜（ハ）は比較例（ニ）、（ホ）に比べて何れも高密度電流が得られることが確認された。また、各実施例において電流密度に差が見られるのは、セル構造の相違による電極と集電体の接触性に起因するものであると考えられる。これに関連し、実施例（イ）〜（ハ）と同じセル構造を備えながら、比較例（ニ）において電流密度が極端に低下する理由は、メッシュ構造であるため接触性が極めて低くなっているものと想定される。

また、各電極２、３と集電体４、５との接触面積が大きいほど高密度電流が得られることは明らかであり、よって、集電体形成に際し、電極全面を覆うように各集電体が配置されることが望ましい。

本発明の第１実施形態による電気化学セルの構造を示す図。本発明の第２実施形態による電気化学セルの構造を示す図。本発明の第３実施形態による電気化学セルの構造を示す図。比較例としての電気化学セルの構造を示す図。従来の電気化学セルの構造を示す図。電気化学セルにおける電流−電位特性を示す図。

符号の説明

１固体電解質
２、３電極（負極、正極）
４、５集電体
６メッシュ状部材（金網、パンチングメタル）
７中間層

Claims

酸素イオン伝導性を有する固体電解質の両面に電極を設けて構成される電気化学セルにおいて、
前記電極の外側に銀多孔質体による集電体を配置したことを特徴とする電気化学セル。
前記電極と前記集電体を一体形成したことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
前記電極と前記集電体の間に銀を含む電極材料による中間層を設けたことを特徴とする請求項２に記載の電気化学セル。
前記固体電解質がランタンガレート系材料から成る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。
前記集電体の外側に銀材料で成る補強用のメッシュ状部材を配したことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。