JP2009122093A - Electrochemical cell and oxygen enrichment machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素富化器等に用いられ、電子の授受に伴って電気化学反応を行う電気化学セルに関し、特に、電気化学セルの電極構造に関するものである。 The present invention relates to an electrochemical cell that is used in an oxygen enricher or the like and performs an electrochemical reaction as electrons are transferred, and particularly relates to an electrode structure of an electrochemical cell.
従来より、電気化学反応によって空気等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酸素富化器が知られており、近年、エアコン等の家電機器に上記酸素富化器を搭載して室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みが為されている。 Conventionally, an oxygen enricher that separates and selectively extracts oxygen from an oxygen-containing mixed gas such as air by an electrochemical reaction has been known. In recent years, the above-mentioned oxygen enricher has been installed in home appliances such as air conditioners. Attempts have been made to create a simple oxygen-enriched atmosphere in the room.
酸素富化器は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質の表裏両面に正極と負極の一対の電極を配した電気化学セル(酸素透過電気化学セル)を備え、所定の高温雰囲気下において、この電気化学セルの正負極間に直流電圧を印加することにより、上記固体電解質が、その一方の面(負電圧が印加される負極側)から他方の面(正電圧が印加される正極側)に酸素を透過させる酸素透過膜として機能することを利用している。
すなわち、上記構成の電気化学セルでは、負極側に酸素含有混合ガス(例えば、空気)を供給することにより、負極側において空気中の酸素分子(O2)が電子を受け取って酸素イオン(O2-)にイオン化され、この酸素イオン(O2-)が電流として固体電解質中を正極側に移動し、正極側において電子を放出して再び酸素分子に戻る現象が生じている。
このような固体電解質の性質を利用して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により、高酸素濃度の空気を得ることができる。
The oxygen enricher includes an electrochemical cell (oxygen permeable electrochemical cell) in which a pair of positive and negative electrodes are arranged on both the front and back surfaces of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. By applying a DC voltage between the positive and negative electrodes of the chemical cell, the solid electrolyte becomes oxygen from one side (negative electrode side to which negative voltage is applied) to the other side (positive side to which positive voltage is applied). It functions to function as an oxygen permeable membrane that allows permeation.
That is, in the electrochemical cell having the above configuration, by supplying an oxygen-containing mixed gas (for example, air) to the negative electrode side, oxygen molecules (O 2 ) in the air receive electrons on the negative electrode side and receive oxygen ions (O 2 - ) Is ionized, and this oxygen ion (O 2− ) moves as a current in the solid electrolyte to the positive electrode side, where electrons are emitted on the positive electrode side to return to oxygen molecules again.
By utilizing such a property of the solid electrolyte and separating oxygen selectively from the oxygen-containing mixed gas, air with a high oxygen concentration can be obtained.
図3は、電気化学セルの一般的な電極構造を示し、各電極(正極、負極)は、イオン伝導性の電解質基板1上に形成され、電気化学反応の場となる反応電極膜21と、給電用としてこの反応電極膜21上に形成された多孔質電極膜22aと、配線用としてこの多孔質電極膜22a上から電解質基板1に引き出された緻密質電極膜22bとで構成されている。
ここで、電解質基板1には、例えば、LSGMC:(LaSr)(GaMgCo)O3が用いられ、反応電極21には、例えば、SSC:(SmSr)CoO3が用いられ、多孔質電極膜22aおよび緻密質電極膜22bには、例えば、Ag粒が用いられている。
FIG. 3 shows a general electrode structure of an electrochemical cell, and each electrode (positive electrode, negative electrode) is formed on an ion
Here, for example, LSGMC: (LaSr) (GaMgCo) O 3 is used for the
ところで、図3に示すように、上記電気化学セルの電極部分は、それぞれ熱膨張係数の異なる電極膜が3層に重なり合う構造を有するため、セル作動時の高温雰囲気下において各電極膜の熱膨張係数の差で生じる熱応力による歪み(熱歪み)が積層方向の同じ位置に集中し易いという欠点がある。
電極膜の一カ所に熱歪みが集中すると、特に、大粒径のAg粒で成る多孔質電極膜が反応電極膜より剥離し、反応電極膜への給電に支障を来すことになる。給電が確実に行われないと電極部分の電気化学反応が不安定になり、ガス透過能力が低下するため、高酸素濃度の空気を安定して得られなくなるという問題が生じる。
By the way, as shown in FIG. 3, the electrode portion of the electrochemical cell has a structure in which electrode films having different thermal expansion coefficients are overlapped in three layers, so that the thermal expansion of each electrode film is performed in a high-temperature atmosphere during cell operation. There is a drawback that strain (thermal strain) due to thermal stress caused by the difference in coefficients tends to concentrate at the same position in the stacking direction.
When thermal strain concentrates at one position of the electrode film, in particular, the porous electrode film made of Ag particles having a large particle size is peeled off from the reaction electrode film, which hinders power supply to the reaction electrode film. If the power supply is not performed reliably, the electrochemical reaction at the electrode portion becomes unstable and the gas permeation ability is lowered, which causes a problem that high oxygen concentration air cannot be stably obtained.
尚、電気化学セルの電極構造として、例えば、特許文献1、特許文献2が開示されている。特許文献1には、第1電極膜の上に第2電極膜を配し、これら電極膜の隣に結線用のリード膜を配した構造が記載され、特許文献2には、ガス検出基板上に多孔質電極と結線用の緻密質電極を配した構造が記載されている。
本発明は、上記問題に鑑み為されたもので、熱応力による電極膜の剥離を防止し、高濃度の透過ガスを安定して得ることができる信頼性の高い電気化学セルおよび、これを用いた酸素富化器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-described problems. A highly reliable electrochemical cell capable of preventing the peeling of the electrode film due to thermal stress and stably obtaining a high-concentration permeated gas, and the use thereof are provided. The purpose is to provide an oxygen enricher.
すなわち、請求項1に記載の電気化学セルは、イオン伝導性を有する電解質基板の表裏両面に電極を配して成る電気化学セルであって、上記電極が、上記電解質基板上に形成されたガス透過部分となる反応電極膜と、この反応電極膜を覆うように形成された給電用の第1電極膜と、この第1電極膜に電気的に接続され、上記反応電極膜外において上記第1電極膜より引き出された配線用の第2電極膜とで構成されていることを特徴としている。
ここで、電気化学セルとは、電子の授受に伴って電気化学反応を行うセルを意味し、酸素透過セルの他に酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する発電セルや、水を電気分解する電解セルを含むものとする。
In other words, the electrochemical cell according to
Here, the electrochemical cell means a cell that undergoes an electrochemical reaction with the exchange of electrons, and in addition to an oxygen permeable cell, a power generation cell that generates power using an oxidant gas and a fuel gas, or electrolyzes water. Electrolytic cells are included.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電気化学セルにおいて、上記第1電極膜は多孔質電極膜で形成され、上記第2電極膜は緻密質電極膜で形成されていることを特徴としている。
ここで、上記多孔質電極膜には、平均粒径10〜20μmの大粒径の貴金属材料が用いられ、上記緻密質電極膜には、平均粒径0.5〜2.0μmの小粒径の貴金属材料が用いられている。なお、上記各電極膜の平均粒径はMicrotrac法によるものである。
貴金属材料としてAg、Au、Pt等が使用可能である。
According to a second aspect of the present invention, in the electrochemical cell according to the first aspect, the first electrode film is formed of a porous electrode film, and the second electrode film is formed of a dense electrode film. It is characterized by being.
Here, a noble metal material having a large average particle diameter of 10 to 20 μm is used for the porous electrode film, and a small particle diameter having an average particle diameter of 0.5 to 2.0 μm is used for the dense electrode film. Noble metal materials are used. In addition, the average particle diameter of each said electrode film is based on Microtrac method.
Ag, Au, Pt or the like can be used as the noble metal material.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の電気化学セルにおいて、上記電極膜の角部に面取り加工が施されて成ることを特徴としている。
The invention described in claim 3 is characterized in that, in the electrochemical cell according to
また、請求項4に記載の発明は、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、上記電気化学セルは、酸素イオン伝導性を有する電解質基板の表裏両面に電極を配して成る酸素透過セルであることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the electrochemical cell according to any one of the first to third aspects, wherein the electrochemical cell has electrodes on both sides of an electrolyte substrate having oxygen ion conductivity. It is characterized by being an oxygen permeable cell.
また、請求項5に記載の酸素富化器は、請求項4に記載の電気化学セルを用いて成ることを特徴としている。 An oxygen enricher according to claim 5 is characterized by using the electrochemical cell according to claim 4.
請求項1〜4に記載の発明によれば、ガス透過部分となる反応電極膜上に給電用の第1電極膜が形成され、ガス非透過部分となる反応電極膜外において第1電極膜上より配線用の第2電極膜が引き出される構成としたので、従来、これらの電極膜の一部が積層方向に3層に重なる構造であったものを、各電極膜の一部が積層順に2層づつに重なるような電極構造にすることができる。
係る電極構造により、セル作動時の高温雰囲気下において各電極膜の熱膨張係数の差で生じる熱応力の発生位置を2層ごとに分散させることができるため、熱歪みによる各電極膜の剥離を防止でき、セルへの給電は確実に行われるようになる。その結果、常に安定した電気化学反応(電極反応)により、高濃度の透過ガス(請求項4に記載の酸素透過セルでは高酸素濃度の空気)を安定して得ることができるようになる。
According to invention of Claims 1-4, the 1st electrode film for electric power feeding is formed on the reaction electrode film used as a gas permeation | transmission part, and on the 1st electrode film outside the reaction electrode film used as a gas non-permeation part Since the second electrode film for wiring is more drawn, the conventional structure in which a part of these electrode films overlaps three layers in the laminating direction is used. An electrode structure can be formed so as to overlap each other.
With such an electrode structure, it is possible to disperse the generation position of the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient of each electrode film in a high temperature atmosphere at the time of cell operation, so that each electrode film is peeled off due to thermal strain. It is possible to prevent the power supply to the cell. As a result, it is possible to stably obtain a high concentration of permeated gas (high oxygen concentration air in the oxygen permeable cell according to claim 4) by an always stable electrochemical reaction (electrode reaction).
また、請求項2に記載の発明のように、ガス透過部分となる第1電極膜を多孔質電極膜で形成したので、電子伝導性とともに十分なガス透過性を確保することができ、且つまた、この多孔質電極膜への給電経路となる第2電極膜を緻密質電極膜で形成したので、緻密質電極膜を細長い電極パターンに形成しても高い電流密度で給電することができ、この面からも、安定した電気化学反応により、高酸濃度の透過ガスが安定して得られるようになる。
Moreover, since the 1st electrode film used as a gas permeation | transmission part was formed with the porous electrode film like invention of
また、請求項3に記載の発明によれば、電極膜の角部に面取り加工を施すことで、熱応力が電極膜の角部に集中するのを防止できるため、熱歪みによる電極膜の剥離をより確実に防止できる。 According to the invention described in claim 3, since chamfering is performed on the corners of the electrode film, it is possible to prevent thermal stress from concentrating on the corners of the electrode film. Can be prevented more reliably.
また、請求項5に記載の発明によれば、上記構成の酸素透過電気化学セルを用いることにより、高酸素濃度の空気が長期間に渡って安定して得られる高性能で信頼性の高い酸素富化器を提供することができる。 Further, according to the invention described in claim 5, by using the oxygen permeable electrochemical cell having the above-described configuration, a high-performance and highly reliable oxygen in which air having a high oxygen concentration can be stably obtained over a long period of time. An enricher can be provided.
以下、図1、図2に基づいて本発明に係る電気化学セルの実施の形態を説明する。
図1は本実施形態による電気化学セルを示し、(a)は縦断面図、(b)は平面図を示し、図2は図1の電極部分の構造を示す要部縦断面図を示している。
Hereinafter, an embodiment of an electrochemical cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
FIG. 1 shows an electrochemical cell according to the present embodiment, (a) is a longitudinal sectional view, (b) is a plan view, and FIG. 2 is a principal longitudinal sectional view showing the structure of the electrode portion of FIG. Yes.
図1に示すように、本実施形態による電気化学セルは、酸素イオン伝導性を有する薄板状の電解質基板1(固体電解質)と、その表裏両面に形成された一対の電極2、3とで構成される酸素透過セルである。
各々電極2、3は電解質基板1の外側の反応電極膜21(31)と、その外側の給電電極膜22(32)とで構成され、給電電極膜22(32)は、反応電極膜21(31)を覆うように形成された給電用の多孔質電極膜22a(32a)と、反応電極膜21(31)外において上記多孔質電極膜22a(32a)と電気的に接続され、且つ、電解質基板1に引き出された配線用の緻密質電極膜22b(32b)とで構成されている。
尚、反応電極膜21(31)は、電気化学反応の場となる電極で、セル作動時に酸素が透過する電極である。
As shown in FIG. 1, the electrochemical cell according to the present embodiment includes a thin plate-like electrolyte substrate 1 (solid electrolyte) having oxygen ion conductivity, and a pair of
Each of the
The reaction electrode film 21 (31) is an electrode that serves as an electrochemical reaction field, and is an electrode through which oxygen permeates during cell operation.
ここで、上記電解質基板1には、(LaSr)(GaMg)O3、(LaSr)(GaMgCo)O3、(LaSr)(GaMgNi)O3 、(LaSr)(GaMgFe)O3等のランタンガレート系材料が用いられ、上記反応電極膜21(31)には、(SmSr)CoO3、(LaBa)CoO3、(LaSr)CoO3等の電子伝導性とイオン伝導性を有する複合金属酸化物材料が用いられ、上記給電電極膜22(32)には、Ag、Au、Pt等の耐熱性に優れる貴金属粒が用いられる。
この内、多孔質電極膜22a(32a)には、大粒径の上記貴金属材料が用いられ、緻密質電極膜22b(32b)には、小粒径の上記貴金属材料が用いられている。
Here, the
Among these, the above-mentioned noble metal material having a large particle diameter is used for the
これらの各電極膜は、厚さ30〜200μm程の電解質基板1上に、それぞれの電極材料粉末に溶剤やバインダを混練りして調製したペーストを順番に、例えばスクリーン印刷法等で塗布し、焼成することで形成することができる。各電極2、3の厚さは10〜20μm程度である。
Each of these electrode films is applied on the
そして、上記構成の電気化学セルは、400〜800℃の高温雰囲気下において、電極2、3間に直流電圧を印加することにより、電解質基板1が、その一方の低電位電極面(負極3)側から他方の高電位電極面(正極2)側に向けて酸素含有混合ガス(例えば、空気)中から酸素のみを選択的に透過させる酸素透過膜として作用し、正極2側より高酸素濃度の空気を得ることができる。
And the electrochemical cell of the said structure is the low potential electrode surface (negative electrode 3) of the
この場合、図1(a)に示すように、直流電源Vの+端子は、リード線8により正極2側の緻密質電極膜22bに接続され、この緻密質電極膜22bを介して多孔質電極膜22aに接続される。他方、直流電源Vの−端子は、リード線9により負極3側の緻密質電極膜32bに接続され、この緻密質電極膜32bを介して多孔質電極膜32aに接続される。
In this case, as shown in FIG. 1A, the positive terminal of the DC power source V is connected to the
また、図示しないが、上記構成の電気化学セルをガス透過側の電極が全て同一方向を向くような状態で絶縁性の支持基板上に複数併設することで任意容量の酸素富化器を構成することができる。この場合、上記緻密質電極膜22b(32b)を電気化学セル相互間の接続用電極パターンとしても使用することができる。
Although not shown in the drawing, an oxygen enricher having an arbitrary capacity is configured by arranging a plurality of electrochemical cells having the above configuration on an insulating support substrate in a state where all of the electrodes on the gas permeation side face the same direction. be able to. In this case, the
以上、本実施形態によれば、給電電極膜22(32)については、酸素透過部分を多孔質電極膜22a(32a)で構成し、その他のガス非透過部分を緻密質電極膜22b(32b)で構成したので、従来、反応電極膜21(31)と多孔質電極膜22a(32a)と緻密質電極膜22b(32b)の一部がそれぞれ積層方向に3層に重なる構造であったものを、各電極膜の一部が積層順に2層づつ重なる電極構造にすることができる。
これにより、セル作動時の高温雰囲気下において各電極膜の熱膨張係数の差で生じる熱応力の発生箇所を各層毎に分散させることができるため、熱歪みによる電極膜の剥離(特に、多孔質電極膜22a、32aの剥離)を防止でき、セルへの給電が確実に行われるようになる。その結果、常に安定した電気化学反応(電極反応)により、高酸素濃度の空気を安定して得ることができるようになる。
さらには、図1(a)、図2に示すように、各電極膜の角部に面取り加工(C加工やR加工)を施すことで、熱応力が電極膜の角部に集中するのを防止できるため、熱歪みによる電極膜の剥離をより確実に防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, with respect to the feeding electrode film 22 (32), the oxygen permeable part is constituted by the
As a result, it is possible to disperse the generation points of thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient of each electrode film in a high temperature atmosphere at the time of cell operation for each layer. Separation of the
Furthermore, as shown in FIG. 1A and FIG. 2, by applying chamfering (C processing or R processing) to the corners of each electrode film, thermal stress is concentrated on the corners of the electrode film. Since it can prevent, peeling of the electrode film by thermal distortion can be prevented more reliably.
また、直流電源Vの電流経路となる給電電極膜22(32)の内、ガス透過部分を多孔質電極膜22a(32a)で形成することで、電子伝導性とともに十分なガス透過性を確保することができ、且つ、この多孔質電極膜22a(32a)への給電を行う電極パターンを緻密質電極膜22b(32b)で形成することで、緻密質電極膜22b(32b)を配線用の細長い電極パターンに形成しても、高い電流密度で給電することができ、この面からも、安定した電気化学反応により、高酸素密度の空気が安定して得られるようになる。
Further, by forming the gas permeable portion of the feeding electrode film 22 (32) serving as the current path of the DC power source V with the
従って、係る構成の酸素透過電気化学セルを用いることにより、長期間に渡って高酸素濃度の空気が安定して得られる高性能で信頼性の高い酸素富化器を提供することができる。 Therefore, by using the oxygen permeable electrochemical cell having such a configuration, it is possible to provide a high-performance and highly reliable oxygen enricher that can stably obtain air having a high oxygen concentration over a long period of time.
1 電解質基板
2 正極
3 負極
21、31 反応電極膜
22、32 給電電極膜
22a、32a 第1電極膜(多孔質電極膜)
22b、32b 第2電極膜(緻密質電極膜)
DESCRIPTION OF
22b, 32b Second electrode film (dense electrode film)
Claims (5)
上記電極が、上記電解質基板上に形成されたガス透過部分となる反応電極膜と、この反応電極膜を覆うように形成された給電用の第1電極膜と、この第1電極膜に電気的に接続され、上記反応電極膜外において上記第1電極膜より引き出された配線用の第2電極膜とで構成されていることを特徴とする電気化学セル。 An electrochemical cell comprising electrodes disposed on both front and back surfaces of an electrolyte substrate having ion conductivity,
The electrode is a reaction electrode film serving as a gas permeable portion formed on the electrolyte substrate, a first electrode film for power feeding formed so as to cover the reaction electrode film, and an electrical connection to the first electrode film And a second electrode film for wiring drawn out from the first electrode film outside the reaction electrode film.
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