JP2007115521A - Electrochemical micro-coil reactor and electrochemical reaction system composed of the same - Google Patents

Electrochemical micro-coil reactor and electrochemical reaction system composed of the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small and highly reliable electrochemical micro-coil reactor and an electrochemical reaction system using the same. <P>SOLUTION: The electrochemical micro-coil reactor is composed of an electrochemical reactor cell having a structure in which a hollow tube coil structure made of an anode (a fuel electrode) material is laminated with an ion conductor (an ion conductor layer) and a cathode (an air electrode) is laminated on the above coil. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気化学マイクロコイルリアクター及び該マイクロコイルリアクターから構成される固体酸化物型燃料電池等の電気化学反応システムに関するものであり、更に詳しくは、例えば、チューブ径が2mm以下のマイクロチューブセルであっても、容易にセルスタックの作製及び取扱いが可能で、空気通路を十分に確保できる構造体を構築することが可能で、かつ電解質の薄膜化及び単位表面当たりの表面積を大幅に増加させることで、作動温度を400〜650℃に低温化することが可能な新しい構造を有する電気化学マイクロコイルリアクター及びそれを利用した電気化学反応システムに関するものである。本発明は、例えば、クリーンエネルギー源や環境浄化装置として好適に用いられる電気化学リアクターに関する新技術・新製品を提供するものである。   The present invention relates to an electrochemical microcoil reactor and an electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell composed of the microcoil reactor, and more specifically, for example, a microtube cell having a tube diameter of 2 mm or less. Even so, a cell stack can be easily fabricated and handled, a structure capable of sufficiently securing an air passage can be constructed, and the electrolyte is made thinner and the surface area per unit surface is greatly increased. Thus, the present invention relates to an electrochemical microcoil reactor having a new structure capable of lowering the operating temperature to 400 to 650 ° C. and an electrochemical reaction system using the same. The present invention provides, for example, new technologies and new products relating to electrochemical reactors suitably used as clean energy sources and environmental purification devices.

電気化学リアクターの代表的なものとして、固体酸化物型燃料電池(以下、「SOFC」という。)がある。SOFCは、電解質としてイオン導電性を有する固体酸化物電解質を用いた燃料電池である。このSOFCの基本構造は、通常、カソード―固体酸化物電解質―アノードの3層により構成され、該SOFCは、通常は800〜1000℃の温度領域において使用される。   As a typical electrochemical reactor, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”). The SOFC is a fuel cell using a solid oxide electrolyte having ionic conductivity as an electrolyte. The basic structure of the SOFC is usually composed of three layers of cathode-solid oxide electrolyte-anode, and the SOFC is usually used in a temperature range of 800 to 1000 ° C.

例えば、SOFCのアノードに、燃料ガス(水素、一酸化炭素、炭化水素等)、カソードに、空気、酸素等が供給されると、カソード側の酸素分圧とアノード側の酸素分圧との間に差が生じることから、ネルンストの式に従う電圧が電極間に生じる。酸素は、カソードにおいてイオンとなり、固体電解質内を通ってアノード側に移動し、アノードに達した酸素イオンは、燃料ガスと反応して電子を放出する。そのため、このSOFCのアノード及びカソードに負荷を接続すれば、燃料電池として、これより直接、電気を取り出すことができる。   For example, when fuel gas (hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbon, etc.) is supplied to the anode of SOFC and air, oxygen, etc. are supplied to the cathode, the oxygen partial pressure on the cathode side and the oxygen partial pressure on the anode side Therefore, a voltage according to the Nernst equation is generated between the electrodes. Oxygen becomes ions at the cathode and moves to the anode side through the solid electrolyte, and the oxygen ions reaching the anode react with the fuel gas and release electrons. Therefore, if a load is connected to the anode and cathode of this SOFC, electricity can be directly taken out as a fuel cell.

今後、SOFCを実用化させていくためには、SOFCの作動温度の低温化が必須である。作動温度を800℃以下、特に500〜600℃に下げることで、安価な材料の使用と運転コストの低下が期待でき、作動温度の低温化によってSOFCの汎用性が高まることが期待される。また、低温作動域では、SOFC特性が電極構造に大きく依存するようになり、その構造制御には、SOFCの製造工程におけるプロセス温度の低温化も欠かせない重要な要因となる。   In the future, in order to put SOFC into practical use, it is essential to lower the operating temperature of SOFC. By reducing the operating temperature to 800 ° C. or lower, particularly 500 to 600 ° C., use of inexpensive materials and a reduction in operating cost can be expected, and the versatility of SOFC is expected to increase by lowering the operating temperature. Further, in the low temperature operating region, the SOFC characteristics are greatly dependent on the electrode structure, and for the structural control, it is also an important factor to reduce the process temperature in the SOFC manufacturing process.

上記SOFCの運転温度の低温化のためには、電解質の薄膜化は必至であり、これまで、電極サポート型のセル、特に、アノードサポート形のセルが広く研究されている(非特許文献1)。また、SOFCの小型化を進めることで、自動車補助電源、ポータブル電源としての利用など、更に新たな市場の産出へ結びつくことが期待される。そのためには、単位体積当たりのセル表面積を向上させる必要があり、チューブ状のセルからなるSOFC構造体なども提案されている(特許文献1)。   In order to lower the operating temperature of the SOFC, it is inevitable to make the electrolyte thin, and so far, electrode support type cells, particularly anode support type cells, have been widely studied (Non-patent Document 1). . In addition, it is expected that further miniaturization of SOFC will lead to the production of new markets such as use as an auxiliary power source for automobiles and portable power sources. For this purpose, it is necessary to improve the cell surface area per unit volume, and an SOFC structure composed of tubular cells has also been proposed (Patent Document 1).

しかしながら、これまでに提案されているチューブ状セルは、カソード材料によってチューブセルを安定保持させた構造を有しており、チューブ径が小さくなるにつれて、チューブ状セルのパッキングが困難になってくるという問題点があった。また、この構造体では、空気ガス流路の確保が困難であること、また、高価なカソード材料を大量に使用する必要があること、等の問題点があった。   However, the tubular cells proposed so far have a structure in which the tube cells are stably held by the cathode material, and packing of the tubular cells becomes difficult as the tube diameter becomes smaller. There was a problem. In addition, this structure has problems such as difficulty in securing an air gas channel and the need to use a large amount of expensive cathode material.

特開2004−335277号公報JP 2004-335277 A 日経メカニカル別冊,燃料電池 開発最前線、日経BP社,2001年6月29日,p.71−80Nikkei Mechanical separate volume, fuel cell development forefront, Nikkei BP, June 29, 2001, p. 71-80

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、チューブ径が2mm以下のマイクロチューブであっても、容易に集積することが可能で、かつ空気通路を十分に確保できる新しい構造体を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、チューブをコイル状に構造化することで、コイルの外側と内側を空気通路とし、かつチューブとして単位体積当たりの表面積を効果的に増加させることが実現できることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。   Under such circumstances, in view of the prior art, the present inventors can easily integrate even a microtube having a tube diameter of 2 mm or less and sufficiently secure an air passage. As a result of intensive research aiming to develop a new structure that can be made, the tube is structured in a coil shape, and the outside and inside of the coil are made into air passages, and the surface area per unit volume is effective as a tube As a result, the present invention was completed.

本発明は、セラミック中空チューブをコイル状に構造化した新しいチューブ構造体を利用して作動温度の低温化を実現可能にした電気化学マイクロコイルリアクターを提供することを目的とするものである。また、本発明の他の目的は、チューブ径が2mm以下のマイクロチューブセルであっても集積化によるセルスタックの作製を簡便に行うことを可能とすると共に、これまでのチューブ構造体で必要であったカソード材料の使用量を減少させることを可能とした電気化学マイクロコイルリアクターの新規構造を提供することである。更に、本発明は、上記電気化学マイクロコイルリアクターを用いた固体酸化物型燃料電池等の電気化学反応システムを提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to provide an electrochemical microcoil reactor in which the operating temperature can be lowered by using a new tube structure in which a ceramic hollow tube is structured in a coil shape. Another object of the present invention is that it is possible to easily produce a cell stack by integration even in the case of a microtube cell having a tube diameter of 2 mm or less, and is necessary for the conventional tube structure. The object is to provide a novel structure of an electrochemical microcoil reactor that makes it possible to reduce the amount of cathode material used. Furthermore, an object of the present invention is to provide an electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell using the electrochemical microcoil reactor.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)セラミック中空チューブがコイル状に巻かれた構造体と、その表面に形成された電解質層(イオン伝導相)と、そのコイルの電解質層上に積層されたカソード(空気極)とを有していることを特徴とする電気化学マイクロコイルリアクター。
(2)電解質材料が、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物である、前記(1)記載の電気化学マイクロコイルリアクター。
(3)中空チューブが、電解質材料と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選択される元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)記載の電気化学マイクロコイルリアクター。
(4)カソード(空気極)材料が、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgから選択される元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、前記(1)記載の電気化学マイクロコイルリアクター。
(5)カソード材料が、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、又は遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物である、前記(4)記載の電気化学マイクロコイルリアクター。
(6)電解質層の厚さが1〜100ミクロンである、前記(1)記載の電気化学マイクロコイルリアクター。
(7)セラミック中空チューブのチューブ径が2mm以下である、前記(1)記載の電気化学マイクロコイルリアクター。
(8)作動温度を、400〜650℃に低温化することができる、前記(1)から(7)のいずれかに記載の電気化学マイクロコイルリアクター。
(9)電気化学反応によって電流を取り出す電気化学反応システムであって、リアクターとして前記(1)から(8)のいずれかに記載の電気化学マイクロコイルリアクターを含むことを特徴とする電気化学反応システム。
(10)複数の電気化学マイクロコイルリアクターを組み合わせたユニットがスタックされている、前記(9)記載の電気化学反応システム。
(11)固体酸化物型燃料電池、水素製造リアクター、又は排ガス浄化リアクターである、前記(8)又は(9)に記載の電気化学反応システム。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) It has a structure in which a ceramic hollow tube is wound in a coil shape, an electrolyte layer (ion conduction phase) formed on the surface, and a cathode (air electrode) laminated on the electrolyte layer of the coil. Electrochemical microcoil reactor, characterized by
(2) The electrolyte material contains two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W. The electrochemical microcoil reactor according to (1), wherein the electrochemical microcoil reactor is an oxide compound.
(3) The hollow tube is made of an electrolyte material and an element selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, and / or an oxide compound containing one or more of these elements. The electrochemical microcoil reactor according to (1), which is configured.
(4) The cathode (air electrode) material is an element selected from Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg and / or an oxide containing one or more of these elements. The electrochemical microcoil reactor according to (1), comprising a compound.
(5) The electrochemical microcoil reactor according to (4), wherein the cathode material is a transition metal perovskite oxide or a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material.
(6) The electrochemical microcoil reactor according to (1), wherein the electrolyte layer has a thickness of 1 to 100 microns.
(7) The electrochemical microcoil reactor according to (1), wherein the tube diameter of the ceramic hollow tube is 2 mm or less.
(8) The electrochemical microcoil reactor according to any one of (1) to (7), wherein the operating temperature can be lowered to 400 to 650 ° C.
(9) An electrochemical reaction system for extracting an electric current by an electrochemical reaction, comprising the electrochemical microcoil reactor according to any one of (1) to (8) as a reactor. .
(10) The electrochemical reaction system according to (9) above, wherein units in which a plurality of electrochemical microcoil reactors are combined are stacked.
(11) The electrochemical reaction system according to (8) or (9), which is a solid oxide fuel cell, a hydrogen production reactor, or an exhaust gas purification reactor.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の電気化学マイクロコイルリアクターは、セラミック中空チューブがコイル状に巻かれた構造体とその表面に形成された緻密な電解質層(イオン伝導相)と、そのコイルの電解質層上に積層されたカソード(空気極)とを有していることを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The electrochemical microcoil reactor of the present invention has a structure in which a ceramic hollow tube is wound in a coil shape, a dense electrolyte layer (ion conduction phase) formed on the surface thereof, and a laminate on the electrolyte layer of the coil. It has a cathode (air electrode).

従来、チューブタイプの電気化学セルを作製する場合、アノード材料をチューブとして作製し(通常、1400℃以上の焼結を含む)、電解質を積層、焼結する(通常、1400℃以上)工程を経て、カソード構造体にチューブを配置し、更に、焼結する(通常、1000℃以上)、という複数のプロセスステップが必要であった。   Conventionally, when producing a tube-type electrochemical cell, an anode material is produced as a tube (usually including sintering at 1400 ° C. or higher), and an electrolyte is laminated and sintered (usually at 1400 ° C. or higher). In addition, a plurality of process steps were required in which a tube was placed on the cathode structure and further sintered (usually 1000 ° C. or higher).

また、チューブ径が2mm以下のマイクロチューブになると、そのプロセスステップは更に困難なものとなっていた。しかしながら、上記電気化学マイクロコイルリアクターの構成によれば、まず、チューブによってコイル状構造体が作製されるため、2mm以下のチューブ径のマイクロチューブでも容易に取扱える構造体が得られ、また、コイル径を任意に変えることができるため、空気通路の設計も容易に行うことが可能となる。   Further, when the tube diameter is a microtube having a diameter of 2 mm or less, the process step becomes more difficult. However, according to the configuration of the electrochemical microcoil reactor, first, a coil-like structure is produced by a tube, so that a structure that can be easily handled even with a microtube having a tube diameter of 2 mm or less is obtained. Since the diameter can be arbitrarily changed, the air passage can be easily designed.

また、上記構成によれば、カソード材料は、コイル上の電解質層に必要量だけ積層することが可能であり、コストパフォーマンスに優れた電気化学マイクロコイルリアクターを構築することが可能となる。また、上記電気化学マイクロコイルリアクターを利用した電気化学反応システムとしては、例えば、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、排ガス浄化電気化学リアクター、水素製造リアクターなどが挙げられ、上記電気化学マイクロコイルリアクターにおいて、アノード、電解質、カソードの材料を適宜選定することで、高効率なSOFCを構築することが可能となる。   Moreover, according to the said structure, a cathode material can be laminated | stacked by the required amount on the electrolyte layer on a coil, and it becomes possible to construct | assemble the electrochemical microcoil reactor excellent in cost performance. Examples of the electrochemical reaction system using the electrochemical microcoil reactor include a solid oxide fuel cell (SOFC), an exhaust gas purification electrochemical reactor, a hydrogen production reactor, and the like. Therefore, it is possible to construct a highly efficient SOFC by appropriately selecting materials for the anode, the electrolyte, and the cathode.

本発明では、電解質材料は、高イオン伝導を持つ材料が必須とされるという観点から、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選ばれる2種類以上の元素を含む酸化物化合物であることが望ましい。   In the present invention, the electrolyte material is required to be a material having high ionic conductivity, Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga. , Bi, Nb, and W are desirably oxide compounds containing two or more kinds of elements.

また、中空チューブは、燃料ガスに対して高い活性を持つ材料を含むことが望ましく、上記電解質材料と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiの元素及び/又は酸化化合物を1種類以上含む構成からなることが、高効率な電化化学リアクターの実現には必要かつ重要である。   The hollow tube preferably contains a material having high activity with respect to the fuel gas. The electrolyte material, Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti, and / or Alternatively, it is necessary and important for realizing a highly efficient electric chemical reactor to be composed of one or more kinds of oxidized compounds.

更に、カソード(空気極)材料は、酸素のイオン化に活性の高い材料が好ましく、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素及び/又は酸化化合物を1種類以上含む構成からなる材料が好適である。   Further, the cathode (air electrode) material is preferably a material having high activity for ionization of oxygen, and in particular, elements of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg and / or oxidation. A material composed of one or more compounds is preferred.

次に、本発明の一実施の形態に係る電気化学マイクロコイルリアクター及びそれから構成される電気化学反応システムについて詳細に説明する。初めに、本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターの構成について説明する。図1は、本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターの概略図である。図1に示すように、緻密な電解質層1を有するセラミック中空チューブから構成されたアノード2がコイル状に形成されている。そして、電解質層の外側にカソード3が配置されることで、電気化学マイクロコイルリアクターが構築される。   Next, an electrochemical microcoil reactor according to an embodiment of the present invention and an electrochemical reaction system composed thereof will be described in detail. First, the configuration of the electrochemical microcoil reactor according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view of an electrochemical microcoil reactor according to the present invention. As shown in FIG. 1, an anode 2 made of a ceramic hollow tube having a dense electrolyte layer 1 is formed in a coil shape. And the electrochemical microcoil reactor is constructed | assembled by arrange | positioning the cathode 3 outside the electrolyte layer.

先ず、電解質層1について説明する。電解質層1の厚みは、多孔質チューブの管径や、固体電解質層自体の比抵抗などを考慮して定める必要がある。電解質層1は、緻密であり、厚さが1〜100ミクロンの範囲であることが好ましく、更に、電解質の電気抵抗を抑えるためにも50ミクロン以下であることが好ましい。この電解質は、アノードチューブ表面に積層されているため、厚さの低減化を容易に行うことが可能である。通常、燃料電池としての使用条件では、チューブ空孔4に、水素、一酸化炭素、メタン等の燃料ガスが供給され、また、そのコイル孔5には、空気、酸素等の酸化剤ガスが供給される。   First, the electrolyte layer 1 will be described. The thickness of the electrolyte layer 1 needs to be determined in consideration of the tube diameter of the porous tube, the specific resistance of the solid electrolyte layer itself, and the like. The electrolyte layer 1 is dense and preferably has a thickness in the range of 1 to 100 microns, and preferably 50 microns or less in order to suppress the electric resistance of the electrolyte. Since this electrolyte is laminated on the anode tube surface, it is possible to easily reduce the thickness. Normally, under the conditions of use as a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen, carbon monoxide, methane or the like is supplied to the tube hole 4, and an oxidant gas such as air or oxygen is supplied to the coil hole 5. Is done.

ここで、本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターでは、チューブの管径、管長さ、管厚みは、特に限定されるものではなく、必要とされる電気化学マイクロコイルリアクターの全体の大きさを考慮しつつ、アノードとしての必要特性が得られるよう任意に設定することができる。また、チューブの空孔率については、好適には、例えば、30〜70%であり、更に好ましくは、40%以上であるが、三相界面(反応場)が維持され、かつ、管強度が低下しないように、種々制御することができる。   Here, in the electrochemical microcoil reactor according to the present invention, the tube diameter, tube length, and tube thickness of the tube are not particularly limited, and the entire size of the required electrochemical microcoil reactor is considered. However, it can be arbitrarily set so as to obtain the required characteristics as the anode. The tube porosity is preferably, for example, 30 to 70%, and more preferably 40% or more, but the three-phase interface (reaction field) is maintained and the tube strength is high. Various controls can be performed so as not to decrease.

電解質材料としては、高いイオン伝導が実現される材料を使用することが必要であり、これらに用いられる材料としては、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選ばれる2種類以上の元素を含む酸化物化合物が望ましいものとして例示される。   As the electrolyte material, it is necessary to use a material that realizes high ion conduction. As materials used for these, Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, An oxide compound containing two or more elements selected from Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W is exemplified as a desirable one.

その中でも、イットリア(Y)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb)、エルビア(Er)等の安定化剤で安定化された安定化ジルコニアや、イットリア(Y)やガドリニア(Gd)、サマリア(Sm)などをドープしたセリア(CeO)などが好適な例として挙げられる。なお、安定化ジルコニアは、1種又は2種以上の安定化剤により安定化されていていることが好ましく、また、アルミナ(Al)との複合体であることが好ましい。 Among them, stabilizers such as yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 O 3 ), etc. Preferable examples include stabilized zirconia that is stabilized, ceria (CeO 2 ) doped with yttria (Y 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), and the like. The stabilized zirconia is preferably stabilized by one or more kinds of stabilizers, and is preferably a composite with alumina (Al 2 O 3 ).

具体的には、安定化剤として5〜10mol%のイットリアを添加したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ドープ剤として5〜10mol%のガドリニアを添加したガドリニアドープセリア(GDC)等が好適な一例として挙げられる。また、例えば、YSZの場合、イットリア含有量が5mol%未満であると、アノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。また、イットリア含有量が10mol%を超えると、同様にアノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。GDCの場合もこれらと同様である。   Specifically, yttria-stabilized zirconia (YSZ) added with 5 to 10 mol% yttria as a stabilizer, gadolinia doped ceria (GDC) added with 5 to 10 mol% gadolinia as a dopant, and the like are preferable examples. Can be mentioned. For example, in the case of YSZ, it is not preferable that the yttria content is less than 5 mol% because the oxygen ion conductivity of the anode is lowered. On the other hand, if the yttria content exceeds 10 mol%, the oxygen ion conductivity of the anode similarly decreases, which is not preferable. The same applies to GDC.

チューブは、アノード材料と電解質材料の混合体から構成される複合物である必要がある。アノード材料は、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる金属及び/又はこれらの元素1種類以上から構成される酸化物であって、また、触媒として機能するもので、具体的には、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)等が好適な一例として挙げられる。これらのうち、ニッケル(Ni)は、他の金属に比べて安価であり、かつ、水素等の燃料ガスとの反応性が十分に大きいことから、好適に用いることができる。また、これらの元素や酸化物を混合した複合物を用いることも可能である。   The tube needs to be a composite composed of a mixture of anode material and electrolyte material. The anode material is a metal selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti and / or an oxide composed of one or more of these elements, and is used as a catalyst. Specifically, nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru) and the like can be cited as suitable examples. Among these, nickel (Ni) can be suitably used because it is less expensive than other metals and has a sufficiently high reactivity with fuel gas such as hydrogen. It is also possible to use a composite in which these elements and oxides are mixed.

ここで、アノードの材料と電解質との複合物において、前者と後者の混合比率は、90:10重量%〜40:60重量%の範囲が好ましく、電極活性や熱膨張係数の整合性等のバランスに優れる観点から、より好ましくは、80:20重量%〜50:50重量%の範囲である。一方、カソードの材料としては、酸素のイオン化に活性の高い材料が好ましく、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgの元素及び/又はこれらの酸化物化合物、1種類以上から構成される材料が好適である。   Here, in the composite of the anode material and the electrolyte, the mixing ratio of the former and the latter is preferably in the range of 90:10 wt% to 40:60 wt%, and the balance of electrode activity, thermal expansion coefficient consistency, etc. More preferably, it is in the range of 80:20 wt% to 50:50 wt%. On the other hand, the cathode material is preferably a material having high activity for ionization of oxygen, and in particular, Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg, and / or oxidation thereof. A material composed of one or more physical compounds is preferred.

それらの中で、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と電解質材料との複合物を好適に用いることができる。複合物を用いた場合には、カソードに必要な特性である電子導電性及び酸素イオン導電性のうち、酸素イオン導電性が向上するため、カソードで生じた酸素イオンが電解質層へ移行し易くなり、それにより、カソードの電極活性が向上する利点がある。   Among them, for example, transition metal perovskite oxides and composites of transition metal perovskite oxides and electrolyte materials can be preferably used. In the case of using a composite, oxygen ion conductivity is improved among the electron conductivity and oxygen ion conductivity, which are necessary characteristics of the cathode, so that oxygen ions generated at the cathode are easily transferred to the electrolyte layer. Thereby, there is an advantage that the electrode activity of the cathode is improved.

ここで、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物を用いる場合、前者と後者の混合比率は、90:10重量%〜70:30重量%の範囲が好ましく、電極活性や熱膨張係数の整合性等のバランスに優れる観点から、より好ましくは、90:10重量%〜80:20重量%の範囲である。   Here, when a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material is used, the mixing ratio of the former and the latter is preferably in the range of 90:10 wt% to 70:30 wt%, and electrode activity and thermal expansion From the viewpoint of excellent balance such as coefficient consistency, the range of 90:10 wt% to 80:20 wt% is more preferable.

遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、LaSrMnO、LaCaMnO、LaMgMnO、LaSrCoO、LaCaCoO、LaSrFeO、LaSrCoFeO、LaSrNiO、SmSrCoO等の複合酸化物が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the transition metal perovskite oxide include LaSrMnO 3 , LaCaMnO 3 , LaMgMnO 3 , LaSrCoO 3 , LaCaCoO 3 , LaSrFeO 3 , LaSrCoFeO 3 , LaSrNiO 3 Co, and SmS 3 Can be mentioned.

ただし、図1に示すように、多孔質チューブの両端には、電解質層1が積層されることがなく、アノードチューブの一部がむき出し状態とされることにより、アノード2の露出部が形成されている。このアノード2の露出部は、アノードの外部引き出し電極として機能する。なお、このアノード2の露出部の露出量は、特に限定されるものではなく、ガスのシール部材、電極の集電方法、ガス出口の流路等を考慮して、適宜調節することができる。   However, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 1 is not laminated on both ends of the porous tube, and an exposed portion of the anode 2 is formed by exposing a part of the anode tube. ing. The exposed portion of the anode 2 functions as an external lead electrode for the anode. The exposure amount of the exposed portion of the anode 2 is not particularly limited, and can be appropriately adjusted in consideration of a gas sealing member, a current collecting method for electrodes, a gas outlet channel, and the like.

次に、上記本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターをSOFC単体として作動させる一実施の態様とその作動方法について説明する。図2に示すように、燃料導入管8a、8bにアノード露出部を配置し、ガスのシール材9a、9bによりアノード2の露出部を燃料導入管8a、8b内に封止する。上記燃料ガス導入手段を構成する主な材料としては、具体的には、SOFCの運転条件にもよるが、例えば、耐熱性のステンレス鋼、セラミックス等が好適な一例として挙げられる。   Next, an embodiment for operating the electrochemical microcoil reactor according to the present invention as a single SOFC and its operating method will be described. As shown in FIG. 2, the anode exposed portions are arranged in the fuel introduction pipes 8a and 8b, and the exposed portions of the anode 2 are sealed in the fuel introduction pipes 8a and 8b by gas sealing materials 9a and 9b. Specific examples of the main material constituting the fuel gas introduction unit include heat-resistant stainless steel and ceramics, which are preferable examples depending on the operating conditions of the SOFC.

すなわち、燃料導入管8a、8bの内側に、電気化学マイクロコイルリアクターのアノード2の露出部が装着されており、各電極の接続部がシール材9a、9bにより封止される。上記シール材9a、9bの材料としては、ガスを透過させないものであれば適宜使用可能であり、特に限定されるものではない。ただし、アノード部分の熱膨張係数に整合させた材料を用いる必要がある。具体的には、例えば、マイカガラス、スピネル(MgAl)などのセラミックス等が好適な一例として挙げられる。 That is, the exposed part of the anode 2 of the electrochemical microcoil reactor is mounted inside the fuel introduction pipes 8a and 8b, and the connection part of each electrode is sealed with the sealing materials 9a and 9b. As the material of the sealing materials 9a and 9b, any material can be used as long as it does not allow gas permeation, and is not particularly limited. However, it is necessary to use a material that matches the thermal expansion coefficient of the anode portion. Specifically, for example, ceramics such as mica glass and spinel (MgAl 2 O 4 ) are preferable examples.

また、電極面(アノード2の露出部やカソード3)には、集電体11が取り付けられる。集電体11を構成する主な材料としては、具体的には、例えば、ランタンクロマイト(LaCrO)などの導電性セラミックス、金、銀や白金などの貴金属メッシュ、ステンレス、ニッケルメッシュ、ニッケルフェルト等が好適な一例として挙げられる。 A current collector 11 is attached to the electrode surface (the exposed portion of the anode 2 or the cathode 3). Specific examples of the main material constituting the current collector 11 include conductive ceramics such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ), noble metal meshes such as gold, silver and platinum, stainless steel, nickel mesh, nickel felt, and the like. Is a suitable example.

また、酸化剤ガス又は燃料ガスの導入手段(例えば、外部マニホルドなど)を用いて、アノード部に燃料ガス6を導入し、コイル孔から酸化剤ガスを導入し、管接続部と集電体11とに集電ワイヤー10a、10bを介して負荷12を接続することで、発電が可能となる。   Further, using an oxidant gas or fuel gas introduction means (for example, an external manifold), the fuel gas 6 is introduced into the anode part, the oxidant gas is introduced from the coil hole, and the pipe connection part and the current collector 11 are introduced. Further, by connecting the load 12 via the current collecting wires 10a and 10b, power generation is possible.

なお、上記の事例においては、本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターをSOFC単体として作動させる一実施の態様及びその作動方法について説明したが、作動方法は、特に限定されるものではなく、例えば、水素製造電気化学リアクター、排ガス浄化リアクター等として作動させることも適宜可能である。また、本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターを並列に集合させたものをユニットとし、これを複数スタックして発電装置を構築することもできる。   In the above case, the embodiment of operating the electrochemical microcoil reactor according to the present invention as a single SOFC and the operating method thereof have been described. However, the operating method is not particularly limited. It can be appropriately operated as a hydrogen production electrochemical reactor, an exhaust gas purification reactor or the like. Further, a unit in which the electrochemical microcoil reactors according to the present invention are assembled in parallel is used as a unit, and a power generation apparatus can be constructed by stacking a plurality of these units.

次に、上記本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターの作用について説明する。本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターは、中空チューブ状のアノードに緻密な電解質層が積層されており、そのチューブがコイル構造体として形成され、そして、カソードが電解質層の外側に形成されている。   Next, the operation of the electrochemical microcoil reactor according to the present invention will be described. In the electrochemical microcoil reactor according to the present invention, a dense electrolyte layer is laminated on a hollow tube-shaped anode, the tube is formed as a coil structure, and the cathode is formed outside the electrolyte layer. .

従来、チューブ径が2mm以下のセルを用いたセルスタックの作製は、そのハンドリングの難しさも重なって、困難なものであった。しかしながら、上記電気化学マイクロコイルリアクターの構成によれば、まず、チューブによってコイル状構造体が作製されることから、2mm以上のチューブ径のチューブはもとより、2mm以下のチューブ径のマイクロチューブでも容易に取扱える構造体が得られ、また、コイル径を任意に変えることができるため、空気通路の設計も容易に行うことが可能となる。尚、本発明には、2mm以上のチューブの径のチューブの場合も包含され、本発明は、チューブ径については特に制限されない。また、上記構成によれば、カソード材料は、コイル上の電解質層に必要量だけ積層することが可能であり、これにより、コストパフォーマンスに優れた電気化学マイクロコイルリアクターを構築することが可能となる。   Conventionally, production of a cell stack using cells having a tube diameter of 2 mm or less has been difficult due to the difficulty in handling. However, according to the configuration of the electrochemical microcoil reactor, first, since a coiled structure is produced by a tube, not only a tube having a tube diameter of 2 mm or more but also a microtube having a tube diameter of 2 mm or less can be easily obtained. A handleable structure can be obtained, and the coil diameter can be changed arbitrarily, so that the air passage can be easily designed. The present invention includes a tube having a diameter of 2 mm or more, and the present invention is not particularly limited with respect to the tube diameter. Further, according to the above configuration, the cathode material can be stacked in a necessary amount on the electrolyte layer on the coil, thereby enabling to construct an electrochemical microcoil reactor excellent in cost performance. .

次に、本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターの好適な製造方法について説明する。本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターの製造方法は、基本的には、次のような工程を含むことを特徴としている。すなわち、本発明の電気化学マイクロコイルリアクターの製造方法は、アノードチューブを作製する工程と、アノードチューブの外側面に固体電解質層を接合する工程と、これらのチューブを巻き取る工程と、コイル構造体状の固体電解質層の外側にカソードを塗布、焼結する工程とを有している。以下、それらについて詳細に説明する。   Next, the suitable manufacturing method of the electrochemical microcoil reactor based on this invention is demonstrated. The method for producing an electrochemical microcoil reactor according to the present invention is basically characterized by including the following steps. That is, the method for producing an electrochemical microcoil reactor according to the present invention includes a step of manufacturing an anode tube, a step of bonding a solid electrolyte layer to the outer surface of the anode tube, a step of winding these tubes, and a coil structure. And applying a cathode to the outside of the solid electrolyte layer and sintering. Hereinafter, these will be described in detail.

初めに、アノードチューブをアノード材料と電解質材料の混合物を用いて作製する。具体的には、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選ばれる2種類以上の元素を含む酸化物化合物の粉末と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選ばれる金属元素あるいは酸化物の粉末にセルロース系の結合剤、炭素粉末等の気孔生成剤を加えて、水で練り、得られた塑性混合物を押し出し成形法等を用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体を成形する。   First, an anode tube is made using a mixture of anode material and electrolyte material. Specifically, an oxide containing two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W To the powder of the compound and a metal element or oxide powder selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, and Ti, a pore-forming agent such as a cellulose-based binder or carbon powder is added. Then, a tubular molded body having a predetermined tube diameter, tube length, and tube thickness is formed using an extrusion method or the like by kneading with water and using the obtained plastic mixture.

次いで、得られたチューブ成形体に電解質材料粉体を含むスラリーを付着させた後、好適には、例えば、ロールに巻き取り、乾燥させる。これにより、管の表面に、後の焼成によって固体電解質層となる電解質層形成層が付着し、電解質層によって互いのチューブが接合したコイル構造体となる。上記乾燥方法及び手段としては特に制限されるものではなく適宜の方法及び手段を使用することができる。   Next, after the slurry containing the electrolyte material powder is adhered to the obtained tube molded body, it is preferably wound on a roll and dried, for example. As a result, an electrolyte layer forming layer that becomes a solid electrolyte layer by subsequent firing adheres to the surface of the tube, and a coil structure is obtained in which the tubes are joined by the electrolyte layer. The drying method and means are not particularly limited, and appropriate methods and means can be used.

上記スラリーの付着方法としては、例えば、多孔質チューブの両端側の開口を樹脂系接着剤等により封止した後、この管を、固体電解質を含むスラリー中に浸漬してディップコーティングする方法等が好適な一例として挙げられる。なお、ディッピング法以外にも、例えば、ハケ塗り法、スプレー法等の種々の付着方法を用いることができる。   Examples of the method for attaching the slurry include a method in which openings on both ends of a porous tube are sealed with a resin adhesive, and then the tube is immersed in a slurry containing a solid electrolyte and dip coated. A suitable example is given. In addition to the dipping method, various adhesion methods such as a brush coating method and a spray method can be used.

このとき、得られた電解質層付きチューブの外側面の一端に、固体電解質を含むスラリーが付着されることなくアノード部分がむき出し状態とされた露出部が形成されることが必要である。これを、所定の温度で焼成して、電解質層付きコイル構造体とする。コイル構造体の焼成温度としては、1200〜1600℃程度の温度で焼成することが好ましいが、特に限定されるものではなく、チューブの材質、多孔度等を考慮して、電解質層が緻密になる温度を適宜設定することができる。また、コイル長さやコイル径は、特に限定されるものではなく、設計したスタック形状に応じて、適宜決定することができる。   At this time, it is necessary that an exposed portion in which the anode portion is exposed is formed at one end of the outer surface of the obtained tube with the electrolyte layer without adhering the slurry containing the solid electrolyte. This is fired at a predetermined temperature to obtain a coil structure with an electrolyte layer. The firing temperature of the coil structure is preferably fired at a temperature of about 1200 to 1600 ° C., but is not particularly limited, and the electrolyte layer becomes dense considering the tube material, porosity, and the like. The temperature can be set as appropriate. Further, the coil length and the coil diameter are not particularly limited, and can be appropriately determined according to the designed stack shape.

次いで、カソード材料を、電解質層に塗布する。その材料としては、特に、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgを一種類以上及び/又はこれらの酸化物化合物から構成される材料が好適である。この粉体よりスラリーを作製して、上記固体電解質の調製方法と同様の方法を用い、カソードを電解質層上に形成することができる。   A cathode material is then applied to the electrolyte layer. As the material, in particular, a material composed of one or more of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, and Mg and / or an oxide compound thereof is suitable. A slurry can be produced from this powder, and the cathode can be formed on the electrolyte layer using a method similar to the method for preparing the solid electrolyte.

次いで、得られたチューブを所定の温度で焼成して電気化学マイクロコイルリアクターとする。焼成温度としては、800〜1200℃程度の温度で焼成することが好ましいが、特に限定されるものではなく、カソード材料の種類等を考慮して、種々調節することができる。   Next, the obtained tube is fired at a predetermined temperature to obtain an electrochemical microcoil reactor. The firing temperature is preferably about 800 to 1200 ° C., but is not particularly limited and can be variously adjusted in consideration of the type of the cathode material and the like.

以上の工程により、アノードチューブ2の外側面に固体電解質層1が接合された電解質付きアノードチューブがコイル状に成形された後に、電解質層の外側にカソード3が積層された電気化学マイクロコイルリアクターを得ることができる。   The electrochemical microcoil reactor in which the anode tube with the electrolyte in which the solid electrolyte layer 1 is bonded to the outer surface of the anode tube 2 is formed into a coil shape by the above process, and then the cathode 3 is laminated on the outer side of the electrolyte layer. Obtainable.

なお、必要に応じて、得られた電気化学マイクロコイルリアクターのカソード又はアノードの部分を機械加工して面出しや、寸法調整を行うことが可能である。また、上記製造方法においては、電解質スラリーをコートしたチューブを焼成することにより、予め電解質付多孔質チューブを作製した後にカソードを積層した場合について説明したが、これ以外にも、アノードチューブでコイル成形体を作製した後に、電解質スラリーをコートすることも適宜可能であり、それらの構成は任意に設定することが可能である。   If necessary, the cathode or anode portion of the obtained electrochemical microcoil reactor can be machined to adjust the surface and adjust the dimensions. In the above manufacturing method, the case where the cathode is laminated after the porous tube with the electrolyte is prepared in advance by firing the tube coated with the electrolyte slurry has been described. After producing the body, it is also possible to coat the electrolyte slurry as appropriate, and the configuration thereof can be arbitrarily set.

これらの電気化学マイクロコイルリアクターをスタックとして積層させていく場合、図4に示すように、コイルを並列に配列し、それぞれのコイル構造体に共通の燃料ガス導入及び集電用マニホールドを使用することができる。アノード側のマニフォールドは、一段上のカソード集電体にインターコネクト等を介して接続することで、マルチボルト発電可能な電気化学リアクターとして使用することができる。   When these electrochemical microcoil reactors are stacked as a stack, as shown in FIG. 4, the coils are arranged in parallel, and a common fuel gas introduction and current collecting manifold is used for each coil structure. Can do. The manifold on the anode side can be used as an electrochemical reactor capable of multivolt power generation by being connected to a cathode current collector on the upper stage via an interconnect or the like.

また、電気化学マイクロコイルリアクターにおいて、スタックを構成した場合、電解質層が接合されたチューブ同士が、カソード材料により一体的に接合することもできるので、従来、接続が困難であった管の外側が酸化雰囲気下にある場合であっても、高価な貴金属製ワイヤー等を使用することなく、簡便に管の間を電気的に接続することができる。   In addition, in the electrochemical microcoil reactor, when the stack is configured, the tubes to which the electrolyte layers are joined can be integrally joined by the cathode material, so that the outside of the tube, which has conventionally been difficult to connect, can be removed. Even in an oxidizing atmosphere, the tubes can be easily electrically connected without using expensive noble metal wires or the like.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)チューブ径が2mm以下のマイクロチューブセルであっても集積化によるセルスタックの作製を簡便に行うことが実現でき、かつ空気通路を十分に確保できる構造体を構築できる新しい構造体からなる電気化学マイクロコイルリアクターを提供できる。
(2)上記電気化学マイクロコイルリアクターを利用した固体酸化物型燃料電池等の電気化学反応システムを提供できる。
(3)コイル径を任意に変えることができるため、容易に空気通路の設計を行うことができる。
(4)本発明の電気化学反応システムは、例えば、クリーンエネルギー源や環境浄化装置として好適に使用することができる。
(5)チューブ径をマイクロ化しても、チューブ状セルのパッキングを容易に行うことが可能である。
(6)マイクロコイルチューブの製造工程におけるプロセス温度を低温化できるので、安価なカソード材料の使用が可能であり、高価なカソード材料を大量に使用するという従来材のような問題を確実に解決することができる。
(7)電解質の薄膜化及び単位表面当たりの表面積を大幅に増加させることが可能であり、それによって、運転温度を400〜650℃程度に低温化することが実現できる。
The following effects are exhibited by the present invention.
(1) It consists of a new structure that can easily construct a cell stack by integration even if it is a microtube cell having a tube diameter of 2 mm or less, and can construct a structure that can sufficiently secure an air passage. An electrochemical microcoil reactor can be provided.
(2) An electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell using the electrochemical microcoil reactor can be provided.
(3) Since the coil diameter can be arbitrarily changed, the air passage can be easily designed.
(4) The electrochemical reaction system of the present invention can be suitably used, for example, as a clean energy source or an environmental purification device.
(5) Even if the tube diameter is micronized, it is possible to easily pack the tubular cells.
(6) Since the process temperature in the manufacturing process of the microcoil tube can be lowered, it is possible to use an inexpensive cathode material, and reliably solve the problems of the conventional material in which a large amount of expensive cathode material is used. be able to.
(7) The electrolyte can be made thinner and the surface area per unit surface can be greatly increased, whereby the operating temperature can be lowered to about 400 to 650 ° C.

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

本実施例では、以下の手順に従い、電気化学マイクロコイルリアクターを作製した。先ず、ZrO−10mol%Y組成を有する粉末(東ソー株式会社製)に、結合剤としてニトロセルロース、気孔生成剤として炭素粉末を加えて、水で練り、粘土状にした後、押し出し成形法によりチューブ状成形体を成形した。得られたチューブ状成形体の管径、管厚みは、それぞれ、1.5mm、0.4mmであった(管外径1.5mm、管内径0.7mm)。 In this example, an electrochemical microcoil reactor was produced according to the following procedure. First, nitrocellulose as a binder and carbon powder as a pore-forming agent are added to a powder having a ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 composition (made by Tosoh Corporation), kneaded with water to form a clay, and then extruded. A tubular molded body was molded by a molding method. The tube diameter and tube thickness of the obtained tubular molded body were 1.5 mm and 0.4 mm, respectively (tube outer diameter 1.5 mm, tube inner diameter 0.7 mm).

次いで、得られたチューブ状成形体の一端の開口を、酢酸ビニルにより封止した後、この管を、ZrO−10mol%Y組成の固体電解質を含むスラリー中に浸漬して電解質層形成層をディップコーティングし、電解質付チューブ状成形体とした。その後、径サイズ1cmのロールに一層分、チューブを互いに巻き付けた。その際、多孔質アノード管の他端を5mmむき出し状態とし、露出部とした。 Next, after opening the opening at one end of the obtained tubular molded body with vinyl acetate, the tube is immersed in a slurry containing a solid electrolyte having a composition of ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 to be electrolyte layer. The formation layer was dip-coated to obtain a tubular molded body with an electrolyte. Thereafter, the tubes were wound around each other on a roll having a diameter of 1 cm. At that time, the other end of the porous anode tube was exposed by 5 mm to form an exposed portion.

次いで、このコイル状成形体を乾燥後、1450℃で2時間焼成し、電解質付きアノードチューブコイルとした。次いで、容器内にカソード材料としてLaSrCoFeO(日本セラミックス株式会社製)を含むペーストを電解質層面に塗布し、100℃で乾燥させた後、1000℃で1時間焼成した。これにより、電気化学マイクロコイルリアクターを得た。 Next, this coil-shaped molded body was dried and then fired at 1450 ° C. for 2 hours to obtain an anode tube coil with electrolyte. Next, a paste containing LaSrCoFeO 3 (manufactured by Nippon Ceramics Co., Ltd.) as a cathode material in the container was applied to the electrolyte layer surface, dried at 100 ° C., and then fired at 1000 ° C. for 1 hour. As a result, an electrochemical microcoil reactor was obtained.

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能であり、例えば、上記実施例では、単一コイルのみについて示したが、スタックを構築する場合にも、同様の手順で作製することができる。   The embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. In the embodiment, only a single coil is shown. However, when a stack is constructed, it can be manufactured in the same procedure.

以上詳述したように、本発明は、電気化学マイクロコイルリアクター及びそれから構成される電気化学反応システムに係るものであり、本発明の電気化学マイクロコイルリアクターの構成によれば、チューブによってコイル状構造体が作製されるため、2mm以下のチューブ径のマイクロチューブでも容易に作製及び取扱える構造体が得られる。また、コイル径を任意に変えることができるため、空気通路の設計も容易に行うことが可能となる。また、上記構成によれば、カソード材料は、コイル上の電解質層に必要量だけ積層することが可能であることから、カソード材料の薄膜化及び表面積の増加が可能であり、それにより、作動温度を400〜650℃程度に低温化することが可能であり、コストパフォーマンスに優れた電気化学マイクロコイルリアクター及びそれを利用した固体酸化物型燃料電池等の電気化学反応システムを作製し、提供することが実現可能となる。本発明は、マイクロコイルチューブを用いた新しいタイプの電気化学マイクロコイルリアクター及び該電気化学マイクロコイルリアクターを利用した固体酸化物型燃料電池等の電気化学反応システムに関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。   As described above in detail, the present invention relates to an electrochemical microcoil reactor and an electrochemical reaction system composed thereof, and according to the configuration of the electrochemical microcoil reactor of the present invention, a coiled structure is formed by a tube. Since the body is manufactured, a structure that can be easily manufactured and handled even with a microtube having a tube diameter of 2 mm or less is obtained. In addition, since the coil diameter can be arbitrarily changed, the air passage can be easily designed. In addition, according to the above configuration, the cathode material can be stacked in a necessary amount on the electrolyte layer on the coil, so that the cathode material can be thinned and the surface area can be increased. Of an electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell and the like using an electrochemical microcoil reactor excellent in cost performance and a solid oxide fuel cell that can be cooled to about 400 to 650 ° C. Is feasible. The present invention provides a new type of electrochemical microcoil reactor using a microcoil tube and a new technology and a new product relating to an electrochemical reaction system such as a solid oxide fuel cell using the electrochemical microcoil reactor. Useful as.

本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターの概略図である。1 is a schematic view of an electrochemical microcoil reactor according to the present invention. 本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターをSOFC単体として使用する場合の構成図である。It is a block diagram in the case of using the electrochemical microcoil reactor which concerns on this invention as SOFC single-piece | unit. 電気化学マイクロコイルリアクターの作製法の一例である。It is an example of the manufacturing method of an electrochemical microcoil reactor. 本発明に係る電気化学マイクロコイルリアクターをスタックとして構築した一例(パッキング例1及びパッキング例2)である。It is an example (packing example 1 and packing example 2) which constructed | assembled the electrochemical microcoil reactor which concerns on this invention as a stack.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質層
2 アノード(露出部)
3 カソード
4 チューブ空孔(燃料ガス通路)
5 コイル孔(空気ガス通路)
6 燃料ガス
7 空気ガス
8a、8b 燃料導入管
9a、9b シール材
10a、10b 集電ワイヤー
11 集電体
12 負荷
13 アノード材料前駆体
14 電解質スラリー
15 カソードスラリー
16 マイクロコイル型セルユニット
17 マニフォールド
1 Electrolyte layer 2 Anode (exposed part)
3 Cathode 4 Tube hole (fuel gas passage)
5 Coil hole (air gas passage)
6 Fuel gas 7 Air gas 8a, 8b Fuel introduction pipes 9a, 9b Sealing material 10a, 10b Current collector wire 11 Current collector 12 Load 13 Anode material precursor 14 Electrolyte slurry 15 Cathode slurry 16 Microcoil type cell unit 17 Manifold

Claims (11)

セラミック中空チューブがコイル状に巻かれた構造体と、その表面に形成された電解質層(イオン伝導相)と、そのコイルの電解質層上に積層されたカソード(空気極)とを有していることを特徴とする電気化学マイクロコイルリアクター。   A structure in which a ceramic hollow tube is wound in a coil shape, an electrolyte layer (ion conductive phase) formed on the surface, and a cathode (air electrode) laminated on the electrolyte layer of the coil An electrochemical microcoil reactor characterized by that. 電解質材料が、Zr,Ce,Mg,Sc,Ti,Al,Y,Ca,Gd,Sm,Ba,La,Sr,Ga,Bi,Nb,Wから選択される2種類以上の元素を含む酸化物化合物である、請求項1記載の電気化学マイクロコイルリアクター。   An oxide containing two or more elements selected from Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm, Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb, and W The electrochemical microcoil reactor of claim 1 which is a compound. 中空チューブが、電解質材料と、Ni,Cu,Pt,Pd,Au,Ru,Co,La,Sr,Tiから選択される元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、請求項1記載の電気化学マイクロコイルリアクター。   The hollow tube is composed of an electrolyte material and an element selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, and / or an oxide compound containing one or more of these elements. The electrochemical microcoil reactor according to claim 1. カソード(空気極)材料が、Ag,La,Sr,Mn,Co,Fe,Sm,Ca,Ba,Ni,Mgから選択される元素及び/又はこれらの元素1種類以上を含む酸化物化合物から構成される、請求項1記載の電気化学マイクロコイルリアクター。   The cathode (air electrode) material is composed of an element selected from Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ca, Ba, Ni, Mg and / or an oxide compound containing one or more of these elements. The electrochemical microcoil reactor of claim 1. カソード材料が、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、又は遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物である、請求項4記載の電気化学マイクロコイルリアクター。   5. The electrochemical microcoil reactor according to claim 4, wherein the cathode material is a transition metal perovskite oxide or a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material. 電解質層の厚さが1〜100ミクロンである、請求項1記載の電気化学マイクロコイルリアクター。   The electrochemical microcoil reactor of claim 1, wherein the electrolyte layer has a thickness of 1 to 100 microns. セラミック中空チューブのチューブ径が2mm以下である、請求項1記載の電気化学マイクロコイルリアクター。   The electrochemical microcoil reactor according to claim 1, wherein a tube diameter of the ceramic hollow tube is 2 mm or less. 作動温度を、400〜650℃に低温化することができる、請求項1から7のいずれかに記載の電気化学マイクロコイルリアクター。   The electrochemical microcoil reactor according to any one of claims 1 to 7, wherein the operating temperature can be lowered to 400 to 650 ° C. 電気化学反応によって電流を取り出す電気化学反応システムであって、リアクターとして請求項1から8のいずれかに記載の電気化学マイクロコイルリアクターを含むことを特徴とする電気化学反応システム。   An electrochemical reaction system for taking out an electric current by an electrochemical reaction, comprising the electrochemical microcoil reactor according to any one of claims 1 to 8 as a reactor. 複数の電気化学マイクロコイルリアクターを組み合わせたユニットがスタックされている、請求項9記載の電気化学反応システム。   The electrochemical reaction system according to claim 9, wherein units combining a plurality of electrochemical microcoil reactors are stacked. 固体酸化物型燃料電池、水素製造リアクター、又は排ガス浄化リアクターである、請求項8又は9に記載の電気化学反応システム。   The electrochemical reaction system according to claim 8 or 9, which is a solid oxide fuel cell, a hydrogen production reactor, or an exhaust gas purification reactor.
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