JP2009125620A - 電気化学デバイスおよび排気ガスの浄化装置 - Google Patents

電気化学デバイスおよび排気ガスの浄化装置 Download PDF

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Abstract

【課題】広範な環境的条件における動作が可能な、電気化学デバイスおよび排気ガスの浄化装置を提供する。
【解決手段】電気化学デバイス１０の陽極２０はバッテリー３０の陽極に接続され、電気化学デバイス１０の陰極２２はバッテリー３０の陰極に接続される。陽極２０と陰極２２との間には、電解質を含む電解質層２４が配置される。電解質層２４は、板状に形成された二種類の電解質を交互に積層することによって構成される。第一の電解質はプロトン伝導体２６であり、第二の電解質は酸素イオン伝導体２８である。浄化装置１２０は複数の電気化学デバイス１０を含む。
【選択図】図４

Description

この発明は電気化学デバイスおよび排気ガスの浄化装置に関し、とくにその電解質層の構成に関する。
電解質のイオン伝導を利用して化学反応を促進する電気化学デバイスは、様々な用途に応用されている。たとえば、排気ガス中の有害成分を分解する浄化装置（すなわち電気化学リアクター）、燃料電池、水素製造装置、等が挙げられる。
電気化学デバイスは、陽極と陰極との間に電解質を有するが、この電解質の導電特性によって電気化学デバイスの特性が左右される。電解質としては、たとえば主に比較的低温（たとえば３００℃〜６００℃程度）で動作するプロトン伝導性のものと、主に比較的高温（たとえば６００〜８００℃程度）で動作する酸素イオン伝導性のものとがある。
図１１に、従来の電気化学デバイスを用いた排気ガスの浄化装置の動作原理を示す。（ａ）はプロトン伝導性の電解質を、（ｂ）は酸素イオン伝導性の電解質をそれぞれ用いたものである。どちらも、陽極で炭素がＣＯ２となって浄化され、陰極でＮＯｘがＮ２となって浄化される。（ａ）では反応を媒介するＨ２Ｏなどが必要となる。
このように、従来の電気化学デバイスでは、その使用環境、たとえば温度等に応じて最適な電解質の材料が選択される。
特許文献１には、このような電気化学デバイスの例として、排気ガス浄化用の電気化学リアクターが開示されている。この電気化学リアクターは、電解質として酸素イオン伝導性の電解質を用いている。
特開２００３−２６５９３１号公報
しかしながら、従来の電気化学デバイスには、用いられる電解質によって、その動作可能な環境が限定されてしまうという問題があった。
たとえば、プロトン伝導性の電解質を用いたデバイスは、高温になると導電率が下がって効率的に作動しなくなる。また、酸素イオン伝導性の電解質を用いたデバイスは、プロトン伝導性の電解質とは異なり低温になると効率的に作動しなくなる。このため、広範な動作温度範囲が要求される場合には、適切な電解質を選択するのが困難となる。
この問題はエンジンの排気ガス処理装置において特に顕著となる。たとえば、車両用ディーゼルエンジンの排気ガスの温度は１００℃〜８００℃という広範囲に渡るため、その全温度範囲に渡って動作する電解質を適切に選択するのが困難である。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、広範な環境的条件において動作が可能な電気化学デバイスおよび排気ガスの浄化装置を提供することを目的とする。
上述の問題点を解決するため、この発明に係る電気化学デバイスは、陽極と、陰極と、陽極および陰極の間に配置される電解質層とを備え、電解質層は、陽極および陰極を接続する第一の導電経路を構成する第一の電解質と、陽極および陰極を接続する第二の導電経路を構成する、第一の電解質と異なる導電特性を示す第二の電解質とを含むことを特徴とする。
第一および第二の電解質はそれぞれ環境的条件に対する導電特性が異なるものであり、第一の電解質は第一の環境的条件において作動し、第一の電解質と異なる導電特性を示す第二の電解質は第二の環境的条件において作動する。このため、電気化学デバイスを、広範な環境的条件において動作可能とすることができる。
第一の電解質および第二の電解質は、温度に対する導電特性が互いに異なるものであってもよい。
第一および第二の電解質はそれぞれ効果的に作動する温度範囲が異なる。例えば、一方の電解質を比較的低温域において効果的に作動するものとし、他方の電解質を比較的高温域において効果的に作動するものとした場合、電気化学デバイスを低温から高温に渡る広い温度範囲において動作可能とすることができる。
第一の電解質はプロトン伝導性の電解質であり、第二の電解質は酸素イオン導電性の電解質であってもよい。
プロトン伝導性の電解質は主に比較的低温（たとえば、３００〜６００℃）において作動し、酸素イオン伝導性の電解質は主に比較的高温（たとえば、６００〜８００℃）において作動する。このため、電解質層は広い温度範囲において作動可能な導電経路を有することになり、電気化学デバイスを広い温度範囲において動作可能とさせることができる。
第一の電解質および第二の電解質は、板状または棒状に形成されてもよい。
所定の幅を有する板状、または所定の長さを有する棒状の電解質によって、所定の間隔を置いて配置される陽極および陰極が接続される。
また、この発明に係る排気ガスの浄化装置は、上述の電気化学デバイスを備え、第一の電解質および第二の電解質は、板状に形成されるとともに、交互に積層されることを特徴とする。
排気ガスの浄化装置は、電気化学デバイスの陽極でＰＭ（粒子状物質）を分解し、陰極でＮＯｘ（窒素酸化物）を分解して排気ガスを浄化する。
この発明によれば、電気化学デバイスおよび排気ガスの浄化装置は、陽極および陰極を接続する第一の導電経路を構成する第一の電解質と、陽極および陰極を接続する第二の導電経路を構成する、第一の電解質と異なる導電特性を示す第二の電解質とを備えるので、第一または第二の電解質のうち少なくとも一方が動作する環境的条件であれば陽極・陰極間の導電経路が確保されて電気化学デバイスは動作可能となる。このため、電気化学デバイスの広範な環境的条件における動作が可能となる。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１〜図３は、実施の形態１に係る電気化学デバイス１０およびその周辺の構成を示す図である。電気化学デバイス１０は、本実施形態においては車両の内燃機関から排出される排気ガスを浄化するために使用される。なお、この浄化は、後述するように、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（粒子状物質）を分解することによってなされる。
図１に模式的に示すように、電気化学デバイス１０は、外部のバッテリー３０に電気的に接続される。電気化学デバイス１０は電極として陽極２０および陰極２２を備え、陽極２０はバッテリー３０の陽極に、陰極２２はバッテリー３０の陰極に、それぞれ接続される。
電気化学デバイス１０は、陽極２０と陰極２２との間に配置される、電解質を含む電解質層２４を備える。電解質層２４は、陽極２０と陰極２２との間におけるイオンの移動を許容する。このイオンが移動する経路が、電解質層２４における導電経路となる。
本実施形態では、電解質層２４は、板状に形成された二種類の電解質を交互に積層することによって構成されている。すなわち、第一の導電経路を構成する第一の電解質であるプロトン伝導体２６と、第二の導電経路を構成する、第一の電解質と異なる導電特性を示す第二の電解質である酸素イオン伝導体２８である。プロトン伝導体２６は、プロトンＨ＋に対して伝導性を示す電解質であり、酸素イオン伝導体２８は、酸素イオンＯ２−に対して伝導性を示す電解質である。このようにして、電気化学デバイス１０は複数種類の導電経路を備える。すなわち、陽極２０および陰極２２を接続する導電経路として、プロトン伝導体２６からなる第一の導電経路と酸素イオン伝導体２８からなる第二の導電経路とを備える。
陽極２０は、板状に成形された電解質を構成する支持体にＰｔを塗布し、これを焼成して形成される。なお、塗布される材料は触媒活性が高いものであれば他の物質でもよく、たとえばＲｈであってもよい。
陰極２２は、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）およびＢａＣｅＯ３を含むＮｉ系材料に、Ｂａを添加して形成される。なお、Ｎｉ系材料の代わりに他の材料、たとえばＭｇ系材料が用いられてもよい。また、陰極２２に添加されるＢａは、ＮＯｘに対する吸蔵効果を持つものであれば他の物質でもよい。
プロトン伝導体２６は、ペロブスカイト型のＢａＣｅＯ３を含む。また、ペロブスカイト型のＢａＣｅＯ３に代えて、またはこれに加えて、ＳｒＣｅＯ３を含んでもよい。
酸素イオン伝導体２８は、ＹＳＺを含む。また、ＹＳＺに代えて、またはこれに加えて、ＳＤＣ（サマリア添加セリア）、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア）等を含んでもよい。
なお、プロトン伝導体２６および酸素イオン伝導体２８は、導電率および強度の点で要求される条件を満たすものであれば、他の物質からなるものであってもよい。
このような材料の違いにより、プロトン伝導体２６および酸素イオン伝導体２８は、互いに異なる温度特性を有する。プロトン伝導体２６は第一の温度特性を有し、比較的低温域で効率的に作動する。たとえば、３００〜６００℃において作動する。酸素イオン伝導体２８は第二の温度特性を有し、比較的高温域で効率的に作動する。たとえば、６００〜８００℃において作動する。
図２は、図１の電気化学デバイス１０のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。この断面は、導電経路の断面、すなわち電解質層２４中をイオンが伝導する方向に垂直な平面による断面である。
電解質層２４は、プロトン伝導体２６と酸素イオン伝導体２８とがサンドイッチ状に積層されて形成されるので、図２に示す断面にはプロトン伝導体２６からなる領域と酸素イオン伝導体２８からなる領域とが含まれている。
電気化学デバイス１０は、たとえば次のようにして製造される。
まず、プロトン伝導体２６を構成する電解質を板状に形成する。これは、印刷または塗布等の周知技術によって行われる。その後、焼成してプロトン伝導体２６を形成する。酸素イオン伝導体２８も同様にして形成される。
板状のプロトン伝導体２６および酸素イオン伝導体２８を形成した後、図１のようにこれらを交互に積層して配置し、圧着して電解質層２４を形成する。この段階ではさらなる焼成は行われない。
次に、電解質層２４の対向する面、すなわち支持体４０の両端面に、スクリーン印刷等の周知技術を用いて陽極２０および陰極２２を形成する。このようにして電気化学デバイス１０が形成される。
ここで、プロトン伝導体２６および酸素イオン伝導体２８は、たとえば同一の厚さに形成される。この厚さとは、イオンが伝導する方向に垂直な方向のうち最も小さい寸法、すなわち図１の寸法Ａである。本実施形態では、電極の全面積にわたってムラなく均等に電荷が運ばれるように、厚さが１ｍｍ以下となるよう形成される。
ただし、プロトン伝導体２６と酸素イオン伝導体２８とが異なる厚さを有してもよい。たとえば、それぞれの導電特性の違いに応じ、全体的なイオンの伝導効率をより高くするような比率の厚さをもって構成されてもよい。
また、プロトン伝導体２６および酸素イオン伝導体２８を積層する数は任意であり、たとえば電極形成技術に応じて電極が適切に形成できる程度に設計される。スクリーン印刷によって電極を形成する場合は、電極形成装置のサイズに応じ、電極の厚さが均等に製作できる程度に設計される。
電気化学デバイス１０全体の厚さ、すなわち図１の寸法Ｂは、車両において電気化学デバイス１０が取り付けられる位置およびその周辺の構造に応じて設計される。電気化学デバイス１０の面積および形状についても同様である。
図３は、車両の排気系統において電気化学デバイス１０が配置される構成を表す。
内燃機関１００に排気管１１０が接続され、内燃機関１００において発生した排気ガスは排気管１１０を介して外部に排出される。排気管１１０の内部には排気ガスを浄化するための浄化装置１２０が設けられ、排気ガスはこの浄化装置１２０の内部を通過するようになっている。浄化装置１２０は複数の電気化学デバイス１０を含む。なお図１のバッテリー３０は図３には示されない。
複数の電気化学デバイス１０は、同じ向きに、一定の間隔を置いて重ねて配置される。この向きは、たとえば電気化学デバイス１０の電極表面が排気ガスが流れる方向に平行となる向きである。すなわち、ある電気化学デバイス１０の陽極２０と、隣接する電気化学デバイス１０の陰極２２とが、互いに平行に向かい合うように配置される。このため、浄化装置１２０の内部を通過する排気ガスは、隣接する陽極２０と陰極２２との間の空間を通って流れることになる。
次に、本実施形態における電気化学デバイス１０および浄化装置１２０の動作について説明する。
図３において、内燃機関１００の作動によって排気ガスが発生し、これが排気管１１０を通って浄化装置１２０に達する。排気ガスは浄化装置１２０の内部を通って流れ、この際電気化学デバイス１０の陽極２０および陰極２２の表面に接触し、またはその周辺を通過する。ここで電気化学デバイス１０によって排気ガスの浄化、すなわちＰＭおよびＮＯｘの分解が行われる。
図４は、電気化学デバイス１０が排気ガスを浄化する際の動作を表す図である。図４（ａ）は第一の温度範囲として比較的低温域における動作を、図４（ｂ）は第二の温度範囲として比較的高温域における動作を表す。
図４（ａ）に示すように、比較的低温域、たとえば３００〜６００℃においては、電荷の移動は主にプロトンによって、ＢａＣｅＯ３を含むプロトン伝導体２６を介してなされる。
陽極２０の表面およびその周辺では、排気ガス中のＰＭに含まれる炭素と、排気ガス中のＨ２Ｏとが反応し、ＣＯ２、プロトン、および電子が生成される。電子はバッテリー３０の陽極に引かれてバッテリー３０へと移動し、プロトンは陰極２２に引かれてプロトン伝導体２６内部を移動する。ＣＯ２は排気管１１０を経由して外気へと排出される。このようにして、陽極２０周辺でＰＭが分解され、排気ガスが浄化される。
陰極２２の表面およびその周辺では、排気ガス中のＮＯｘと、プロトン伝導体２６によって伝導されるプロトンとが、バッテリー３０から供給される電子を受け取って反応し、Ｎ２およびＨ２Ｏが生成される。生成されたＮ２およびＨ２Ｏは排気管１１０を経由して外気へと排出される。このようにして、陰極２２周辺でＮＯｘが分解され、排気ガスが浄化される。
図４（ｂ）に示すように、比較的高温域、たとえば６００〜８００℃においては、電荷の移動は主に酸素イオンによって、ＹＳＺを含む酸素イオン伝導体２８を介してなされる。
陽極２０の表面およびその周辺では、排気ガス中のＰＭに含まれる炭素と、酸素イオン伝導体２８によって伝導される酸素イオンとが反応し、ＣＯ２および電子が生成される。電子はバッテリー３０の陽極に引かれてバッテリー３０へと移動し、ＣＯ２は排気管１１０を経由して外気へと排出される。このようにして、陽極２０周辺でＰＭが分解され、排気ガスが浄化される。
陰極２２の表面およびその周辺では、排気ガス中のＮＯｘがバッテリー３０から供給される電子を受け取って反応し、酸素イオンおよびＮ２が生成される。酸素イオンは陽極２０に引かれて酸素イオン伝導体２８内部を移動し、Ｎ２は排気管１１０を経由して外気へと排出される。このようにして、陰極２２周辺でＮＯｘが分解され、排気ガスが浄化される。
このように、本実施形態に係る電気化学デバイス１０および排気ガスの浄化装置１２０は、比較的低温において動作する第一の導電経路を構成するプロトン伝導体２６と、比較的高温において動作する第二の導電経路を構成する酸素イオン伝導体２８とを備えるので、広範な温度範囲における動作が可能となる。
格別の効果を得られる応用例として、車両用ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化装置が挙げられる。ディーゼルエンジンの排気温度は広範囲に渡るため、従来の電気化学デバイスではその全範囲において効率的に作動することができなかったが、本実施形態に係る電気化学デバイス１０および排気ガスの浄化装置１２０は、その全温度範囲において作動し、より確実に排気ガスを浄化することができる。
また、単に二種類の電気化学デバイスを組み合わせただけの構成、たとえばプロトン伝導性電気化学デバイスと酸素イオン伝導性電気化学デバイスとを並列接続した構成では、それぞれのデバイスに対して異なる制御が必要となる。たとえば電流調整等をデバイスの種類ごとに行う必要があり、制御が複雑になる。これに対し、本実施形態に係る電気化学デバイス１０は、環境に応じて最も導電しやすい経路が自動的に使用されることになるので、デバイスに対する制御が一種類で済み、制御を単純にすることができる。
さらに、単に二種類の電気化学デバイスを組み合わせただけの構成では、環境によっては両種のデバイスが均等に使用されず、消耗の程度に差が出てしまう。これに対し、本実施形態に係る電気化学デバイス１０は、薄い板状の電解質が積層されているので、どちらの電解質が動作している状態であっても電極全体を均等に使用することができ、消耗の度合いを均等にして浄化装置全体の寿命を長くすることができる。
さらに、単に二種類の電気化学デバイスを組み合わせただけの構成では、両種のデバイスに対して独立に電極を形成する必要があり、装置が大型化する。これに対し、本実施形態に係る電気化学デバイス１０は、電極を共通化して二種類の電解質で共用するので、装置を小型化することができる。
上述の実施の形態１では、電気化学デバイス１０は車両の排気ガスの浄化装置１２０として用いられる。変形例として、車両以外の排気ガスの浄化装置として用いられてもよい。たとえば、農業用機械や、発電所等において用いられてもよい。炭素およびＮＯｘを含むものであれば他の排気ガスに用いられてもよい。
実施の形態２．
上述の実施の形態１およびその変形例では、電気化学デバイス１０は排気ガスの浄化装置として用いられる。実施の形態２は、電気化学デバイスを水素製造装置として用いるものである。
本実施形態に係る、図１に示す電気化学デバイス２１０の構成および動作は、一部を除いて実施の形態１に係る電気化学デバイス１０と同様であるので、以下では相違点のみ説明する。
電気化学デバイス２１０は、供給される改質ガスから水素を製造する。陽極２２０および陰極２２２の組成、形状および形成方法は、水素製造装置に適した周知技術によるものである。
本実施形態に係る電気化学デバイス２１０は、以下のように動作する。
比較的低温域、たとえば３００〜６００℃においては、電荷の移動は主にプロトンによって、ＢａＣｅＯ３を含むプロトン伝導体２６を介してなされる。これは図４（ａ）に示す動作と同様である。
ただし、陽極２２０の表面およびその周辺では、改質ガス中のＣＨ４が酸化されプロトンが生成される。生成されたプロトンは、プロトン伝導体２６内部を移動して陰極２２２に達し、その表面および周辺で電子を受け取って水素Ｈ２となる。このようにして、電気化学デバイス２１０は改質ガスから水素を生成する。
比較的高温域、たとえば６００〜８００℃においては、電荷の移動は主に酸素イオンによって、ＹＳＺを含む酸素イオン伝導体２８を介してなされる。これは図４（ｂ）に示す動作と同様である。
ただし、陽極２２０の表面およびその周辺では、改質ガス中のＣＨ４が、酸素イオン伝導体２８によって伝導される酸素イオンを受け取って反応し、ＣＯ２およびＨ２Ｏが生成される。陰極２２２の表面およびその周辺では、改質ガス中のＨ２Ｏが電子を受け取り、酸素イオンおよび水素Ｈ２が生成される。このようにして、電気化学デバイス２１０は改質ガスから水素を生成する。
このように、本実施形態に係る電気化学デバイス２１０は、実施の形態１と同様に、比較的低温において動作する第一の導電経路を構成するプロトン伝導体２６と、比較的高温において動作する第二の導電経路を構成する酸素イオン伝導体２８とを備えるので、広範な温度範囲における動作が可能となる。
上述の実施の形態２では、電気化学デバイス２１０は改質ガスから水素を製造する。変形例として、水蒸気から水素を製造してもよい。すなわち、Ｈ２Ｏを分解することによって、陽極２２０側ではＯ２を、陰極２２２側ではＨ２を生成してもよい。
実施の形態３．
上述の実施の形態１および２では、電気化学デバイス１０および２１０はバッテリー３０から電力を供給されて動作するデバイスとして用いられる。実施の形態３は、電気を発生させる燃料電池として電気化学デバイスを用いるものである。
図５は、本実施形態に係る電気化学デバイス３１０およびその周辺の構成を示す図である。電気化学デバイス３１０の構成は、一部を除いて実施の形態１に係る電気化学デバイス１０と同様であるので、以下では相違点のみ説明する。
電気化学デバイス３１０は、供給される水素および酸素を反応させて発電し、負荷３３０に電力を供給する。陽極３２０および陰極３２２の組成、形状および形成方法は、燃料電池に適した周知技術によるものである。
次に、本実施形態における電気化学デバイス３１０の動作について説明する。
図６は、電気化学デバイス３１０が発電を行う際の動作を表す図である。図６（ａ）は第一の温度範囲として比較的低温域における動作を、図６（ｂ）は第二の温度範囲として比較的高温域における動作を表す。
図６（ａ）に示すように、比較的低温域、たとえば３００〜６００℃においては、電荷の移動は主にプロトン伝導体２６を経由してなされる。
陽極３２０の表面およびその周辺では、供給されるＨ２が電子を放出してプロトンとなる。電子は負荷３３０に供給され、プロトンは陰極３２２に引かれてプロトン伝導体２６内部を移動する。陰極３２２の表面およびその周辺では、供給されるＯ２と、プロトン伝導体２６によって伝導されるプロトンとが、負荷３３０から電子を受け取って反応し、Ｈ２Ｏが生成される。
このようにして、電気化学デバイス３１０は負荷３３０に電力を供給する。
図６（ｂ）に示すように、比較的高温域、たとえば６００〜８００℃においては、電荷の移動は主に酸素イオン伝導体２８を経由してなされる。
陽極３２０の表面およびその周辺では、供給されるＨ２と、酸素イオン伝導体２８によって伝導される酸素イオンとが反応し、電子を放出してＨ２Ｏを生成する。電子は負荷３３０に供給される。陰極３２２の表面およびその周辺では、供給されるＯ２が負荷３３０から電子を受け取って酸素イオンとなり、陽極３２０に引かれて酸素イオン伝導体２８内部を移動する。
このようにして、電気化学デバイス３１０は負荷３３０に電力を供給する。
このように、本実施形態に係る電気化学デバイス３１０は、実施の形態１と同様に、比較的低温において動作する第一の導電経路を構成するプロトン伝導体２６と、比較的高温において動作する第二の導電経路を構成する酸素イオン伝導体２８とを備えるので、広範な温度範囲における動作が可能となる。
実施の形態４．
実施の形態４は、上述の実施の形態１〜３において、板状に形成されていたプロトン伝導体２６および酸素イオン伝導体２８を、棒状に形成するものである。
図７は、本実施形態に係る電気化学デバイス４１０およびその周辺の構成を示す図である。電気化学デバイス４１０は、実施の形態１〜３に説明されるように、排気ガスの浄化装置、水素製造装置、または燃料電池に用いられる。
電気化学デバイス４１０は、陽極２０と陰極２２との間に配置される、電解質を含む電解質層４２４を備える。以下、本実施形態に係る電解質層４２４と、実施の形態１〜３に係る電解質層２４との相違点のみ説明する。
図８は、図７の電気化学デバイス４１０のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における部分断面図である。この断面は、導電経路の断面、すなわち電解質層４２４中をイオンが伝導する方向に垂直な平面による断面である。
図７および図８に示すように、電解質層４２４は、正六角柱状に成形されたプロトン伝導体４２６および酸素イオン伝導体４２８を含む。プロトン伝導体４２６および酸素イオン伝導体４２８は、互いに平行に並べられ、隙間なく（または隙間が最小になるように）配置される。陽極２０および陰極２２は、正六角柱状であるプロトン伝導体４２６および酸素イオン伝導体４２８の、対向する端面をそれぞれ覆うように形成される。
電気化学デバイス４１０は複数種類の導電経路を備える。すなわち、陽極２０および陰極２２を接続する導電経路として、プロトン伝導体４２６からなる第一の導電経路と酸素イオン伝導体４２８からなる第二の導電経路とを備える。また、図８に示すように、導電経路の断面には、プロトン伝導体４２６からなる領域と酸素イオン伝導体４２８からなる領域とが含まれている。
このように、本実施形態に係る電気化学デバイス４１０および排気ガスの浄化装置は、実施の形態１と同様に、比較的低温において動作する第一の導電経路を構成するプロトン伝導体４２６と、比較的高温において動作する第二の導電経路を構成する酸素イオン伝導体４２８とを備えるので、広範な温度範囲における動作が可能となる。
なお、本実施形態においてプロトン伝導体４２６および酸素イオン伝導体４２８は正六角柱状であるが、これは円柱状、正四角柱状、直方体状、他の細長形状等であってもよく、また棒状であれば他のどのような形状であってもよい。
実施の形態５．
実施の形態５は、上述の実施の形態１〜３において、電解質層２４の構成を変更するものである。
図９は、本実施形態に係る電気化学デバイス５１０およびその周辺の構成を示す図である。電気化学デバイス５１０は、実施の形態１〜３に説明されるように、排気ガスの浄化装置、水素製造装置、または燃料電池に用いられる。
電気化学デバイス５１０は、陽極５２０と陰極５２２との間に配置される、電解質を含む電解質層５２４を備える。以下、本実施形態に係る電解質層５２４と、実施の形態１〜３に係る電解質層２４との相違点のみ説明する。
図１０は、図９の電気化学デバイス５１０のＸ−Ｘ線における部分断面図である。この断面は、導電経路の断面、すなわち電解質層５２４中をイオンが伝導する方向に垂直な平面による断面である。
図９および図１０に示すように、電解質層５２４は、ハニカム構造の支持体５４０を含む。支持体５４０は正六角柱状の空洞を多数有し、この空洞の内部に酸素イオン伝導体５２８が形成され、さらに酸素イオン伝導体５２８の内部にプロトン伝導体５２６が形成される。プロトン伝導体５２６は正六角柱状であり、酸素イオン伝導体５２８は内部が正六角柱状にくりぬかれた正六角柱状である。
この電解質層５２４は、たとえば次のようにして製造される。
まず、ハニカム構造の支持体５４０を形成する。これは周知技術を用いて行われる。支持体５４０はたとえばコージェライトからなるが、これはＳｉＣからなってもよい。
次に、支持体５４０に、酸素イオンＯ２−に対して伝導性を示す電解質を含浸する。すなわち、電解質の溶液に支持体５４０を浸す。または、支持体５４０の表面にこの電解質を塗布してもよい。ここで、含浸あるいは塗布は、支持体５４０の空洞に電解質が完全には充填されない程度に、すなわち形成される酸素イオン伝導体５２８の内部に空洞を残す程度に行われる。
次に、支持体５４０を焼成する。これによって、酸素イオン伝導性の電解質を含む酸素イオン伝導体５２８が形成される。
次に、支持体５４０に、プロトンＨ＋に対して伝導性を示す電解質を含浸する。すなわち、電解質の溶液に支持体５４０を浸す。または、支持体５４０にすでに形成された酸素イオン伝導体５２８の表面に、さらにこの電解質を塗布してもよい。このようにして、酸素イオン伝導体５２８の内部の空洞がプロトン伝導体５２６によって充填される。
次に、支持体５４０を焼成する。これによって、プロトン伝導性の電解質を含むプロトン伝導体５２６が形成される。
次に、実施の形態１と同様に、スクリーン印刷等の周知技術を用いて陽極２０および陰極２２を形成する。このようにして電気化学デバイス５１０が形成される。
電気化学デバイス５１０の寸法は、実施の形態１における電気化学デバイス１０と同様にして決定される。なお、プロトン伝導体５２６および酸素イオン伝導体５２８の体積比率は、たとえば１：１である。この場合、図１０における断面積は互いに等しい。
ただし、プロトン伝導体５２６と酸素イオン伝導体５２８とが異なる体積または異なる断面積を有してもよい。たとえば、それぞれの導電特性の違いに応じ、全体的なイオンの伝導効率をより高くするような比率をもって構成されてもよい。
電気化学デバイス５１０は複数種類の導電経路を備える。すなわち、陽極２０および陰極２２を接続する導電経路として、プロトン伝導体５２６からなる第一の導電経路と酸素イオン伝導体５２８からなる第二の導電経路とを備える。また、図１０に示すように、導電経路の断面には、プロトン伝導体５２６からなる領域と酸素イオン伝導体５２８からなる領域とが含まれている。
このように、本実施形態に係る電気化学デバイス５１０および排気ガスの浄化装置は、実施の形態１と同様に、比較的低温において動作する第一の導電経路を構成するプロトン伝導体５２６と、比較的高温において動作する第二の導電経路を構成する酸素イオン伝導体５２８とを備えるので、広範な温度範囲における動作が可能となる。
なお、本実施形態において支持体５４０はハニカム構造を有するが、これはプロトン伝導体５２６および酸素イオン伝導体５２８を支持し得る形状であればどのようなものでもよく、たとえば格子状であってもよい。
上述の実施の形態１〜５においては、二種類の電解質の組合せとして、プロトン伝導性のものと酸素イオン伝導性のものとが用いられている。変形例として、同一のイオンに対して導電性を有するが、温度特性が異なるような電解質を二種類組み合わせてもよい。すなわち、プロトン伝導性の電解質のみを二種類組み合わせてもよく、酸素イオン伝導性の電解質のみを二種類組み合わせてもよい。このような構成とすることで、求められる様々な温度特性に応じ、よりよく適合する電解質層を構成することができる。
また、温度に対する導電特性が異なるものに限らず、様々な異なる条件に対して異なる導電特性を示す電解質を二種類組み合わせてもよい。このような構成とすることで、様々な環境的条件によりよく適合する電解質層を構成することができる。
また、上述の実施の形態１〜５は、二種類の電解質のみを含むものであるが、変形例として、三種類以上の電解質を含んでもよい。たとえば、図１のような積層構造の場合には、三種類以上の電解質の層を巡回的に積層してもよい。このような構成とすることで、より広範な条件に適合する電解質層を構成することができる。
実施の形態１に係る電気化学デバイスおよびその周辺の構成を示す図である。 図１の電気化学デバイスのＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 車両の排気系統において図１の電気化学デバイスが配置される構成を表す。 図１の電気化学デバイスが排気ガスを浄化する際の動作を表す図である。 実施の形態３に係る電気化学デバイスおよびその周辺の構成を示す図である。 図５の電気化学デバイスが発電を行う際の動作を表す図である。 実施の形態４に係る電気化学デバイスおよびその周辺の構成を示す図である。 図７の電気化学デバイスのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における部分断面図である。 実施の形態５に係る電気化学デバイスおよびその周辺の構成を示す図である。 図９の電気化学デバイスのＸ−Ｘ線における部分断面図である。 従来の電気化学デバイスを用いた排気ガスの浄化装置の動作原理を示す図である。
符号の説明
１０，２１０，３１０，４１０，５１０ 電気化学デバイス、
２０，２２０，３２０，５２０ 陽極、
２２，２２２，３２２，５２２ 陰極、
２４，４２４，５２４ 電解質層、
２６，４２６，５２６ プロトン伝導体（第一の電解質）、
２８，４２８，５２８ 酸素イオン伝導体（第二の電解質）、
１２０ 浄化装置（排気ガスの浄化装置）。

Claims (5)

  1. 陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極の間に配置される電解質層とを備え、
    前記電解質層は、
    前記陽極および前記陰極を接続する第一の導電経路を構成する第一の電解質と、
    前記陽極および前記陰極を接続する第二の導電経路を構成する、前記第一の電解質と異なる導電特性を示す第二の電解質と
    を含むことを特徴とする、電気化学デバイス。
  2. 前記第一の電解質および前記第二の電解質は、温度に対する導電特性が互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学デバイス。
  3. 前記第一の電解質はプロトン伝導性の電解質であり、前記第二の電解質は酸素イオン導電性の電解質であることを特徴とする、請求項２に記載の電気化学デバイス。
  4. 前記第一の電解質および前記第二の電解質は板状または棒状に形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。
  5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気化学デバイスを備え、
    前記第一の電解質および前記第二の電解質は、板状に形成されるとともに、交互に積層されることを特徴とする、排気ガスの浄化装置。
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