JP2007117893A - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学セルの保熱構造に関するものである。 The present invention relates to a heat retention structure of an electrochemical cell.
従来より、空気などの酸素含有混合ガス中から酸素を分離して選択的に取り出すことができる電気化学セルが知られており、近年、このような電気化学セルの酸素分離作用を利用して、工場や自動車等から排出されるNOxや炭化水素等の有害ガスを浄化することが行われており、また、一般の電気機器類においても、機器内に電気化学セルを用いた酸素富化器を搭載することにより、室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みが成されている(特許文献1、特許文献2参照)。
Conventionally, an electrochemical cell that can separate and selectively take out oxygen from an oxygen-containing mixed gas such as air is known, and in recent years, utilizing the oxygen separation action of such an electrochemical cell, Toxic gases such as NOx and hydrocarbons discharged from factories and automobiles are being purified, and in general electrical equipment, oxygen enrichers using electrochemical cells are installed in the equipment. Attempts have been made to create a simple oxygen-enriched atmosphere in the room by mounting (see
特許文献1には、通気性を有する断熱材にて包囲される空間に酸素ポンプ素子およびこの酸素ポンプ素子を作動温度(およそ400〜800℃)に加熱するための加熱手段(電気ヒータ)を備えた酸素ポンプが開示されており、特許文献2には、上記断熱材の内壁に加熱手段からの熱線を放射する熱反射手段を設けた酸素ポンプが開示されている。
ところで、上記特許文献1、2による開示技術は、何れも、断熱材により酸素ポンプ素子と加熱手段が直接大気と接触しないようにして、加熱手段による酸素ポンプへの熱効率を向上しようとするものであるが、酸素ポンプ素子の表面から断熱空間への放熱が熱効率を悪くしており、これが、酸素ポンプの始動時間を遅くする要因となっており、また、その分、加熱手段による電力消費が大きくなり、省エネ化の妨げとなっていた。また、上記特許文献1、2のように、断熱材で包囲する保熱構造は、酸素ポンプの大型化を招くことにもなる。
By the way, the disclosed technologies according to
本発明は、係る問題に鑑み成されたもので、セルの電極にガス透過性の熱反射層を設けてセルからの熱放射を抑制することにより熱効率の向上と小形化を図った電気化学セルを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and is an electrochemical cell in which a gas-permeable heat reflection layer is provided on a cell electrode to suppress heat radiation from the cell, thereby improving thermal efficiency and miniaturization. The purpose is to provide.
すなわち、請求項1に記載の本発明は、電解質の両面に電極を配したセルを備える電気化学セルにおいて、前記電極の外側にガス透過性を有する熱反射層を一体的に設けたことを特徴としている。
That is, the present invention according to
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の電気化学セルにおいて、前記熱反射層は、表面の放射率が0.1以下の金属で構成される多孔質金属層を備えることを特徴としている。
The present invention according to
また、請求項3に記載の本発明は、請求項2に記載の電気化学セルにおいて、前記金属層がAg、またはAuで成ることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the electrochemical cell according to the second aspect, the metal layer is made of Ag or Au.
また、請求項4に記載の本発明は、請求項2または請求項3の何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記金属層が、薄板、蒸着層、スパッタリング層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも1種から構成されることを特徴としている。
Moreover, the present invention according to
また、請求項5に記載の本発明は、請求項1から請求項4までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けたことを特徴としている。
The present invention according to
また、請求項6に記載の本発明は、請求項1から請求項5までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記セルは、前記電解質として酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた酸素透過セルであることを特徴としている。
Moreover, the present invention according to
また、請求項7に記載の本発明は、請求項1から請求項5までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記セルは、前記電解質として水素イオン伝導性の固体電解質を用いた水素透過セルであることを特徴としている。
The present invention according to claim 7 is the electrochemical cell according to any one of
請求項1〜4に記載の発明によれば、電極の外側に熱反射層を一体的に設けることにより、セルからの熱の放射が抑制されて熱効率を向上できる。これにより、効率的なセルの昇温が行え、急速始動が可能となる。また、運転中においても、常にセルを作動温度に保熱しておくことができ、これにより、熱自立運転が可能となる。加えて、熱反射層はガス透過性であるため、酸素および/または空気の通気性能に悪影響を及ぼすことはない。また、熱反射層が電極に密接される構成であるため、スペースを取らず、コンパクト化が図れる。
熱反射層としては、およそ400〜800℃の温度下において、耐熱性(耐高温酸化性)、放射率に優れる、Ag材料、或いはAu材料を用い、薄板、蒸着層、スパッタ層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも1種から構成されるのが好ましい。
According to invention of Claims 1-4, by providing a heat | fever reflection layer integrally in the outer side of an electrode, radiation | emission of the heat | fever from a cell is suppressed and thermal efficiency can be improved. As a result, the temperature of the cell can be increased efficiently, and rapid start-up becomes possible. Further, even during operation, the cell can be kept at the operating temperature at all times, thereby enabling the heat independent operation. In addition, since the heat reflecting layer is gas permeable, it does not adversely affect the ventilation performance of oxygen and / or air. In addition, since the heat reflecting layer is in close contact with the electrode, a space can be saved and the size can be reduced.
As the heat reflection layer, an Ag material or an Au material having excellent heat resistance (high temperature oxidation resistance) and emissivity is used at a temperature of about 400 to 800 ° C., and a thin plate, a vapor deposition layer, a sputter layer, a plating layer, It is preferable to be composed of at least one powder baking layer.
また、請求項5に記載の本発明によれば、熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けることにより、熱反射層を給電電極または集電電極として利用する構成においては、金属層の熱放射率に影響を与えず良好な熱放射を保持した状態で他部材への短絡を防止することができ、これにより、信頼性を向上できる。 According to the fifth aspect of the present invention, in the configuration in which the heat reflecting layer is used as a feeding electrode or a collecting electrode by providing an electrical insulating layer on one surface of the heat reflecting layer, the metal layer It is possible to prevent a short circuit to other members while maintaining good heat radiation without affecting the heat emissivity, thereby improving the reliability.
以下、図1〜図8に基づいて本発明に係る電気化学セルの実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of an electrochemical cell according to the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態による電気化学セル1は、図1に示すように、固体電解質2の両面に電極(カソード)3と電極4(アノード)を配したセル5と、各々電極3、4の外側に配した熱反射層6、7と、これら熱反射層6、7の外側に配したガス拡散層8、9と、その外側のセパレータ10、11とで構成されている。
As shown in FIG. 1, the
セル5を酸素透過セルとして使用する場合は、例えば、イットリア添加ジルコニア(YSZ)で成る固体電解質2の両面にLSC:La0.6Sr0.4CoO3で成る電極3、4を配したもの、或いは、コバルト添加ランタンガレート(LSGMC)で成る固体電解質2の両面にSSC:Sm0.5Sr0.5CoO3で成る電極を配したものが用いられる。
酸素透過セルでは、図7に示すように、電極3、4間に直流電圧(V)を印加することにより、外部空気がセル5のカソード側からアノード側に向けて酸素のみを選択的に透過させることができ、これによりアノード側の空間における酸素濃度を高めることができる。
When the
In the oxygen permeable cell, as shown in FIG. 7, by applying a DC voltage (V) between the
また、セル5を水素透過セルとして使用する場合は、例えば、SrCeO3で成る固体電解質2の両面にPt−ZrO2で成る電極3、4を配したもの、或いは、BaZrCeGaO3で成る固体電解質2の両面にPtで成る電極3、4を配したものが用いられる。
水素透過セルでは、図8に示すように、電極3、4間に直流電圧(V)を印加するすることにより、外部空気(水蒸気を含む)が、セル5のアノード側からカソード側に向けて水素のみを選択的に透過させることができ、これによりカソード側の空間における酸素濃度を高めることができる。
When the
In the hydrogen permeable cell, as shown in FIG. 8, by applying a DC voltage (V) between the
ガス拡散層8、9は発泡金属で構成され、ガス(外部空気や酸素)の拡散・流通に寄与する。特に、セル5が酸素透過セルの場合は、発泡Ag、発泡SUS、発泡インコネル等が用いられ、セル5が水素透過セルの場合は、カソード側のガス拡散層8に発泡Niが、アノード側のガス拡散層9に発泡Agが用いられる。セパレータ10、11はSUS等で構成され、内部に外部空気やセル5を透過した酸素が流通するガス流通路(図示せず)を備える。
The
ところで、本実施形態では、図1に示すように、電極3と外側のガス拡散層8の間、および、電極4と外側のガス拡散層9の間にガス透過性(通気機能)を備えた熱反射層6、7が設けられている。
これら熱反射層6、7は、各電極3、4に密着するように配設されており、およそ400〜800℃の温度下で作動するセル5の放射熱を良好に反射・保熱し、セル5を常に好適作動温度に保持するように作用させる必要があることから、優れた放射率と耐熱性を有する材料が用いられる。
By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 1, gas permeability (a ventilation function) was provided between the
These
図2は係る熱反射層6、7の第1の実施形態を示し、本実施形態では、多数の小孔21を設けたAgまたはAuで成る薄板20(すなわち、多孔質金属層20)を熱反射層6、7として用いている。これらAgやAuは耐熱性(耐高温酸化性)に優れ、また、セルの作動温度下において優れた放射率(輻射率)を有する。本実施形態では、この金属板の表面の放射率を少なくとも0.1以下、好ましくは0.05以下に規定し、熱反射層6、7による優れた保熱作用が得られるようにしている。
因みに、AgやAu材料の研磨面における放射率は、500℃付近の温度下で0.03程度である。
FIG. 2 shows a first embodiment of the
Incidentally, the emissivity on the polished surface of Ag or Au material is about 0.03 at a temperature around 500 ° C.
また、図3は熱反射層6、7の第2の実施形態を示し、本実施形態では、図3(a)に示すようなAgまたはAuで成る多孔質金属層20を用い、図3(b)に示すように、この多孔質金属層20に多孔質ガラス層22(電気的絶縁層22)を接合した2層構造としている。この場合、ガラス層22がガス拡散層8、9側に対面するように配設することが望ましい。
このように、多孔質金属層20の一方の面にガラス層22を設けることにより、熱反射層6、7を給電電極または集電電極として利用する構成においては、金属層20の放射率に影響を与えず良好な熱放射効果を保持した状態で他部材(ガス拡散層8、9やセパレータ10、11)への短絡を防止することができ、これにより、電気化学セル1の信頼性を向上できる。
FIG. 3 shows a second embodiment of the
As described above, by providing the
また、図4は熱反射層6、7の第3の実施形態を示し、本実施形態では、多孔質ガラス層22の一方に表面処理によりAg層またはAu層を形成している。尚、AgまたはAuによる表面処理層23は、蒸着、スパッタリング、無電解メッキ、粉末焼付け等の方法で形成することができる。
FIG. 4 shows a third embodiment of the
また、図5は熱反射層6、7の第4の実施形態を示し、本実施形態では、上述した第1〜第3の実施形態の熱反射層6、7と、これに接する電極3、4をAgペーストやAuペーストによる焼付け層24にて接合したもである。当構成では、熱反射層6、7と電極3、4とが確実に接合できるため、セル5からの放射熱をより確実に抑制することができる。
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the
また、図6は熱反射層6、7の第5の実施形態を示し、本実施形態では、電極3、4および/またはガス拡散層8、9に鱗片状のAg粉またはAu粉を塗工・焼付けすることにより熱反射層6、7を形成している。
FIG. 6 shows a fifth embodiment of the
尚、第1〜第5の実施形態では、金属層の材料としてAgまたはAuを用いたが、他の金属材料として、Pt、Ir、或いは、Au、Ag、Pt、Irの合金等も使用可能である。 In the first to fifth embodiments, Ag or Au is used as the material of the metal layer, but Pt, Ir, or an alloy of Au, Ag, Pt, Ir, or the like can be used as another metal material. It is.
以上、本発明によれば、電極3、4の外側にガス透過性の熱反射層6、7を一体的に設けることにより、セル5からの熱放射が抑制されるため、熱効率の向上に寄与できる。これにより、始動時には、図示しない付設の加熱手段の熱線により効率的なセル5の昇温を行うことができ、電気化学セル1の急速始動が可能となる。
As described above, according to the present invention, by integrally providing the gas permeable
また、運転中においては、熱反射層6によりセル5に生じたジュール熱を効率良く保熱し、常にセル5を好適作動温度に保持しておくことができ、これにより、始動時のように外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみでセル5の作動温度を維持する熱自立運転が可能となり、省エネに寄与できる。
Further, during operation, the Joule heat generated in the
加えて、熱反射層6、7はガス透過性であるから、これら熱反射層6、7を配設しても酸素および/または空気の通気性能に影響を及ぼすことはない。また、熱反射層6、7が極めて薄く、且つ、電極4、5に密接される構造であるから、スペースを取らず、コンパクト化が図れる。
In addition, since the
また、係る熱反射層6、7に加え、図1に示すように、セパレータ10、11の表面に、例えば、AgやAuによるメッキ層25を形成することより、セパレータ10、11からの無駄な熱放射を抑制することができ、熱反射層6、7によるセル5の保熱効果をより確実なものにすることができる。
Further, in addition to the heat reflection layers 6 and 7, as shown in FIG. 1, for example, a
1 電気化学セル
2 電解質(固体電解質)
3 電極(カソード)
4 電極(アノード)
5 セル
6、7 熱反射層
22 電気的絶縁層(ガラス層)
1
3 electrodes (cathode)
4 electrodes (anode)
5
Claims (7)
前記電極の外側にガス透過性を有する熱反射層を一体的に設けたことを特徴とする電気化学セル。 In an electrochemical cell comprising a cell with electrodes on both sides of the electrolyte,
An electrochemical cell characterized in that a heat-reflecting layer having gas permeability is integrally provided outside the electrode.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005313756A JP2007117893A (en) | 2005-10-28 | 2005-10-28 | Electrochemical cell |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105226295A (en) * | 2015-09-10 | 2016-01-06 | 刘备之 | A kind of dielectric film based on air oxygen and method for producing oxygen through and obtained oxygen product thereof |
-
2005
- 2005-10-28 JP JP2005313756A patent/JP2007117893A/en not_active Withdrawn
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CN105226295A (en) * | 2015-09-10 | 2016-01-06 | 刘备之 | A kind of dielectric film based on air oxygen and method for producing oxygen through and obtained oxygen product thereof |
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