JP2015220127A - Reactor - Google Patents

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Yasuyuki Naito
康幸 内藤
宏樹 竹内
Hiroki Takeuchi
宏樹 竹内
大西 慶治
Keiji Onishi
慶治 大西
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reactor that can increase the reaction efficiency and implement reduction in cost.SOLUTION: A reactor has a first base material, an electrolytic layer supported on the first base material, a first electrode and a second electrode which are provided on a principal surface at the opposite side to the first base material out of principal surfaces of the electrolytic layer, and a second base material which has a first groove and a second groove and covers the first electrode and the second electrode. The second base material is disposed on the electrolytic layer so that the first groove and the second groove confront the first electrode and the second electrode, respectively. The distance between the first electrode and the second electrode ranges from not less than 500 nm to not more than 5 μm, and the thickness of the electrolytic layer is larger than the distance between the first electrode and the second electrode.

Description

本願は、反応器に関する。   The present application relates to a reactor.

化石燃料の枯渇、地球温暖化などの問題から、持続可能でかつ二酸化炭素を排出しない新しいエネルギー源の開発が急務であり、太陽光発電や燃料電池の技術開発が進んでいる。燃料電池は、水の電気分解、炭化水素ガスを含む天然ガスからの抽出などによって得られる水素を燃料として発電する。燃料電池は、住宅、自動車などの新しいエネルギー源として応用が期待されている。特許文献1において、電解質層の表面側のみに流路を形成し、反応器の構造を簡素化する構成が開示されている。   Due to problems such as fossil fuel depletion and global warming, there is an urgent need to develop a new energy source that is sustainable and does not emit carbon dioxide, and technological development of solar power generation and fuel cells is progressing. A fuel cell generates electricity using hydrogen obtained by electrolysis of water, extraction from natural gas including hydrocarbon gas, or the like as fuel. Fuel cells are expected to be used as new energy sources for homes and automobiles. Patent Document 1 discloses a configuration in which a flow path is formed only on the surface side of an electrolyte layer to simplify the structure of the reactor.

特開2003−282089号公報JP 2003-282089 A

反応効率が高く、低コスト化を実現し得る反応器を提供することが望まれている。   It is desired to provide a reactor that has high reaction efficiency and can realize cost reduction.

本開示の例示的な実施形態として以下が提供される。   The following are provided as exemplary embodiments of the present disclosure.

第1流路および第2流路を有する反応器であって、前記反応器は、第1基材と、前記第1基材に支持された電解質層と、前記電解質層の主面のうち、前記第1基材とは反対側の主面上に設けられた第1電極および第2電極と、第1溝および第2溝を有する第2基材であって、前記第1電極および前記第2電極を覆う第2基材とを備え、前記第1流路および前記第2流路は、前記第1溝および前記第2溝がそれぞれ前記第1電極および前記第2電極と対向するように前記第2基材を前記電解質層上に配置することによって形成された流路であり、前記第1電極と前記第2電極との間の距離は、500nm以上5μm以下であり、前記電解質層の厚さは、前記距離よりも大きい、反応器。   A reactor having a first flow path and a second flow path, wherein the reactor includes a first base material, an electrolyte layer supported by the first base material, and a main surface of the electrolyte layer. A second substrate having a first electrode and a second electrode provided on a main surface opposite to the first substrate, and a first groove and a second groove, wherein the first electrode and the first electrode A second base material covering two electrodes, wherein the first channel and the second channel are arranged such that the first groove and the second groove face the first electrode and the second electrode, respectively. A flow path formed by disposing the second base material on the electrolyte layer, wherein a distance between the first electrode and the second electrode is 500 nm or more and 5 μm or less; The reactor is thicker than the distance.

本開示によれば、反応効率が高く、低コスト化を実現し得る反応器を提供することが可能となる。   According to the present disclosure, it is possible to provide a reactor that has high reaction efficiency and can realize cost reduction.

実施の形態1における反応器の例示的な構成を示す断面図Sectional drawing which shows the exemplary structure of the reactor in Embodiment 1 実施の形態1における反応器の電極の配置の一例を示す上面図FIG. 3 is a top view showing an example of the arrangement of electrodes of the reactor in the first embodiment. 電極の配置の他の一例を示す上面図Top view showing another example of electrode arrangement 電極の配置のさらに他の一例を示す上面図Top view showing still another example of electrode arrangement 実施の形態2における反応器の例示的な構成を示す断面図Sectional drawing which shows the example structure of the reactor in Embodiment 2 従来の燃料電池の構成を示す断面図Sectional view showing the structure of a conventional fuel cell

本発明の実施形態の説明の前に、燃料電池の発電の仕組みを説明する。図6は、従来の燃料電池の構成を示す断面図である。図6に示す燃料電池5000は、電解質層501をアノード502とカソード503とで挟んだ膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を、セパレータと呼ばれる流路部材504、506で挟んだ構成を有する。流路部材504に形成された流路505からアノード502に水素が供給され、アノード502の触媒作用によりH2→2H++2e-の水素酸化反応が起こる。これによりプロトン(H+)が生成される。プロトンは、電解質層501を介してカソード503へ移動する。電子は、外部回路509を通過する。流路部材506に形成された流路507から、空気中の酸素がカソード503に供給され、カソード503の触媒作用によりO2+4H++4e-→2H2Oの酸素還元反応が起きる。水素と酸素から水が生成され発電するので、燃料電池は、二酸化炭素を排出しない環境負荷低減に貢献する発電装置である。燃料電池は、電解質層501の材料で分類され、固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)などがある。 Prior to the description of the embodiment of the present invention, the mechanism of power generation of the fuel cell will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional fuel cell. A fuel cell 5000 shown in FIG. 6 has a configuration in which a membrane electrode assembly (MEA) in which an electrolyte layer 501 is sandwiched between an anode 502 and a cathode 503 is sandwiched between flow path members 504 and 506 called separators. . Hydrogen is supplied from the flow path 505 formed in the flow path member 504 to the anode 502, and a hydrogen oxidation reaction of H 2 → 2H + + 2e occurs by the catalytic action of the anode 502. Thereby, protons (H + ) are generated. Protons move to the cathode 503 through the electrolyte layer 501. The electrons pass through the external circuit 509. Oxygen in the air is supplied to the cathode 503 from the channel 507 formed in the channel member 506, and the oxygen reduction reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs by the catalytic action of the cathode 503. Since water is generated from hydrogen and oxygen and power is generated, the fuel cell is a power generation device that contributes to reducing the environmental load without discharging carbon dioxide. The fuel cell is classified according to the material of the electrolyte layer 501, and includes a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and the like.

図6に示すように電解質層の表面側と裏面側とに流路を形成する構成では、構造が複雑であり、製造工程の削減が難しい。また、部材の数の低減が難しく、製造工程が複雑になりやすい。したがって、製造コストが増大する。特許文献1に開示されるような、電解質層の表面側のみに流路を有する構成では、製造工程を簡素化し得るものの、十分なイオン伝導度が得られずに反応効率が低下しやすい。   As shown in FIG. 6, the structure in which the flow paths are formed on the front surface side and the back surface side of the electrolyte layer has a complicated structure, and it is difficult to reduce the manufacturing process. Moreover, it is difficult to reduce the number of members, and the manufacturing process tends to be complicated. Therefore, the manufacturing cost increases. In the configuration having the flow path only on the surface side of the electrolyte layer as disclosed in Patent Document 1, the manufacturing process can be simplified, but sufficient ion conductivity cannot be obtained, and the reaction efficiency tends to be lowered.

本発明者は、上記の事情に鑑み検討し、本発明を想到した。   The present inventor has studied in view of the above circumstances and has come up with the present invention.

まず、本発明の一態様の概要を説明する。   First, an overview of one embodiment of the present invention will be described.

本発明の一態様である反応器は、第1流路および第2流路を有する反応器であって、反応器は、第1基材と、電解質層と、第1電極および第2電極と、第1溝および第2溝を有する第2基材とを備える。電解質層は、第1基材に支持されている。第1電極および第2電極は、電解質層の主面のうち、第1基材とは反対側の主面上に設けられている。第2基材は、第1電極および第2電極を覆っている。第1流路および第2流路は、第1溝および第2溝がそれぞれ第1電極および第2電極と対向するように第2基材を電解質層上に配置することによって形成された流路である。第1電極と第2電極との間の距離は、500nm以上5μm以下である。電解質層の厚さは、第1電極と第2電極との間の距離よりも大きい。   The reactor which is one embodiment of the present invention is a reactor having a first channel and a second channel, and the reactor includes a first base material, an electrolyte layer, a first electrode and a second electrode. And a second substrate having a first groove and a second groove. The electrolyte layer is supported by the first substrate. The first electrode and the second electrode are provided on the main surface of the electrolyte layer opposite to the first base material. The second base material covers the first electrode and the second electrode. The first flow path and the second flow path are formed by disposing the second base material on the electrolyte layer so that the first groove and the second groove face the first electrode and the second electrode, respectively. It is. The distance between the first electrode and the second electrode is not less than 500 nm and not more than 5 μm. The thickness of the electrolyte layer is greater than the distance between the first electrode and the second electrode.

電解質層の厚さは、上述の距離の2倍以上10倍以下であってもよい。   The thickness of the electrolyte layer may be not less than 2 times and not more than 10 times the above-mentioned distance.

ある態様において、第1電極は、互いに平行な第1の直線部分および第2の直線部分を有している。また、第2電極は、第1の直線部分および第2の直線部分に平行かつ互いに平行な第3の直線部分および第4の直線部分を有している。第1の直線部分および第2の直線部分は、互いに隣接する。第3の直線部分は、第1の直線部分に対して第2の直線部分とは反対側に隣接する。第4の直線部分は、第2の直線部分に対して第1の直線部分とは反対側に隣接する。   In one embodiment, the first electrode has a first straight portion and a second straight portion that are parallel to each other. The second electrode has a third straight portion and a fourth straight portion that are parallel to and parallel to the first straight portion and the second straight portion. The first straight line portion and the second straight line portion are adjacent to each other. The third straight line portion is adjacent to the first straight line portion on the side opposite to the second straight line portion. The fourth straight line portion is adjacent to the second straight line portion on the side opposite to the first straight line portion.

第1電極および第2電極は、ミアンダ形状を有していてもよい。   The first electrode and the second electrode may have a meander shape.

ある態様において、第1電極および第2電極は、第1の直線部分および第2の直線部分の延びている方向に直交する方向に延びる接続部分を有している。第1の直線部分および第2の直線部分は、第1電極の接続部分と接続されている。第3の直線部分および第4の直線部分は、第2電極の接続部分と接続されている。   In one embodiment, the first electrode and the second electrode have a connection portion extending in a direction orthogonal to the extending direction of the first straight portion and the second straight portion. The first straight line portion and the second straight line portion are connected to the connection portion of the first electrode. The third straight line portion and the fourth straight line portion are connected to the connection portion of the second electrode.

ある態様において、反応器は、第1流路に連通する第1開口部および第2開口部と、第2流路に連通する第3開口部および第4開口部とを有する。第1開口部、第2開口部、第3開口部および第4開口部の少なくとも1つの開口部は、第2基材の端面に設けられていてもよい。   In one embodiment, the reactor has a first opening and a second opening that communicate with the first flow path, and a third opening and a fourth opening that communicate with the second flow path. At least one of the first opening, the second opening, the third opening, and the fourth opening may be provided on the end surface of the second base material.

ある態様において、反応器は、第1電極と第2電極との間に電圧を与えられるように構成されている。   In some embodiments, the reactor is configured to be energized between the first electrode and the second electrode.

電解質層中のキャリアは、水素イオンまたは酸素イオンであってもよい。   Carriers in the electrolyte layer may be hydrogen ions or oxygen ions.

本発明の他の一態様である燃料電池は、上記のいずれかに記載の反応器を備える。   The fuel cell which is another one aspect | mode of this invention is equipped with the reactor in any one of said.

本発明のさらに他の一態様であるガスセンサは、上記のいずれかに記載の反応器を備える。   The gas sensor which is another one aspect | mode of this invention is equipped with the reactor in any one of said.

本発明のさらに他の一態様である改質器は、上記のいずれかに記載の反応器を備える。   The reformer which is another one aspect | mode of this invention is equipped with the reactor in any one of said.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本実施の形態における反応器の例示的な構成を示す断面図である。図1は、後述する図2のA−A線断面図である。参考のため、図1には、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸が示されている。他の図においても、X軸、Y軸およびZ軸を示すことがある。図1に示す反応器100は、下側基材108上に電解質層101を有している。電解質層101を支持する下側基材108の主面は、典型的には平坦面である。電解質層101の例は、プロトン伝導性を有する固体電解質の層である。反応器100は、電解質層101の一方の主面S1上にアノード102とカソード103とを備えている。図示するように、主面S1は、電解質層101の主面のうち、下側基材108とは反対側の主面である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an exemplary configuration of a reactor in the present embodiment. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2 to be described later. For reference, FIG. 1 shows an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other. In other figures, an X axis, a Y axis, and a Z axis may be shown. A reactor 100 shown in FIG. 1 has an electrolyte layer 101 on a lower substrate 108. The main surface of the lower substrate 108 that supports the electrolyte layer 101 is typically a flat surface. An example of the electrolyte layer 101 is a solid electrolyte layer having proton conductivity. The reactor 100 includes an anode 102 and a cathode 103 on one main surface S1 of the electrolyte layer 101. As illustrated, the main surface S <b> 1 is a main surface on the opposite side of the lower substrate 108 from the main surface of the electrolyte layer 101.

アノード102およびカソード103は、それぞれ、触媒を有する電極である。本開示では、アノード102の外縁とカソード103の外縁との間の距離(図1中、矢印「e1」で示す距離)は、500nm以上5μm以下である。後述するように、これにより、反応効率を向上させ得る。なお、距離e1の上記範囲の上限および下限において、10nm程度の誤差は許容される。   The anode 102 and the cathode 103 are electrodes each having a catalyst. In the present disclosure, the distance between the outer edge of the anode 102 and the outer edge of the cathode 103 (the distance indicated by an arrow “e1” in FIG. 1) is 500 nm or more and 5 μm or less. As described later, this can improve the reaction efficiency. An error of about 10 nm is allowed at the upper and lower limits of the above range of distance e1.

反応器100は、電解質層101上に配置された上側基材104を備える。図示するように、上側基材104には第1溝(第1の凹部)115および第2溝(第2の凹部)117が形成されている。図示するように、上側基材104は、アノード102およびカソード103を覆っている。上側基材104は、第1溝115および第2溝117がそれぞれアノード102およびカソード103と対向するようにして電解質層101上に配置されている。これにより、反応器100の内部に、アノード102を内部に有する第1流路105と、カソード103を内部に有する第2流路107とが形成されている。上側基材104は、複数の部材の組み合わせによって形成されていてもよい。   The reactor 100 includes an upper substrate 104 disposed on the electrolyte layer 101. As shown in the figure, a first groove (first recess) 115 and a second groove (second recess) 117 are formed in the upper base material 104. As illustrated, the upper base material 104 covers the anode 102 and the cathode 103. The upper substrate 104 is disposed on the electrolyte layer 101 so that the first groove 115 and the second groove 117 face the anode 102 and the cathode 103, respectively. As a result, the first flow path 105 having the anode 102 inside and the second flow path 107 having the cathode 103 inside are formed inside the reactor 100. The upper base material 104 may be formed by a combination of a plurality of members.

図2は、本実施の形態における反応器の電極の配置の一例を示す上面図である。図示する例では、アノード102およびカソード103は、電解質層101の主面S1(図1参照)に対して垂直な方向から見たとき、互いに一定の距離を保ちながら、ミアンダ形状に形成されている。より詳細には、アノード102およびカソード103のそれぞれは、図のY方向に沿って延びる複数の直線部分を有している。アノード102およびカソード103のそれぞれにおいて、各直線部分は、屈曲部分によって接続されている。   FIG. 2 is a top view showing an example of the arrangement of the electrodes of the reactor in the present embodiment. In the illustrated example, the anode 102 and the cathode 103 are formed in a meander shape while maintaining a certain distance from each other when viewed from a direction perpendicular to the main surface S1 (see FIG. 1) of the electrolyte layer 101. . More specifically, each of the anode 102 and the cathode 103 has a plurality of linear portions extending along the Y direction in the figure. In each of the anode 102 and the cathode 103, each linear portion is connected by a bent portion.

図2に例示する構成において、アノード102は、互いに平行な直線部分102aおよび直線部分102bを有する。また、カソード103は、アノード102の直線部分102aおよび直線部分102bと平行な、直線部分103aおよび直線部分103bを有する。図示するように、アノード102の直線部分102aおよび直線部分102bは、図のX方向に沿って、互いに隣接している。カソード103の直線部分103aは、図のX方向に沿って、アノード102の直線部分102aに対してアノード102の直線部分102bとは反対側に隣接している。また、カソード103の直線部分103bは、図のX方向に沿って、アノード102の直線部分102bに対してアノード102の直線部分102aとは反対側に隣接している。図示する例では、電解質層101の主面に垂直な断面(XZ断面)において、アノード102およびカソード103は、交互に配置されていない。   In the configuration illustrated in FIG. 2, the anode 102 has a straight portion 102 a and a straight portion 102 b that are parallel to each other. Further, the cathode 103 has a straight portion 103a and a straight portion 103b that are parallel to the straight portion 102a and the straight portion 102b of the anode 102. As shown in the figure, the straight portion 102a and the straight portion 102b of the anode 102 are adjacent to each other along the X direction of the drawing. The straight line portion 103a of the cathode 103 is adjacent to the straight line portion 102a of the anode 102 on the opposite side of the straight line portion 102b of the anode 102 along the X direction in the figure. Further, the straight line portion 103b of the cathode 103 is adjacent to the straight line portion 102b of the anode 102 on the opposite side of the straight line portion 102a of the anode 102 along the X direction in the drawing. In the illustrated example, the anodes 102 and the cathodes 103 are not arranged alternately in a cross section (XZ cross section) perpendicular to the main surface of the electrolyte layer 101.

ここでは、上側基材104の第1溝115および第2溝117(図2において不図示)は、アノード102およびカソード103の形状に対応するようにミアンダ形状に形成されている。したがって、第1流路105および第2流路107も、ミアンダ形状の流路であり得る。アノード102およびカソード103をミアンダ形状に形成することにより、第1流路105および第2流路107を高密度に配置することができる。つまり、電解質層101の面積に対して、反応に寄与する部分の面積を大きくできる。ここで、隣り合う第1流路105と第2流路107との間の距離をc1、隣り合う2つの第1流路105間の距離をc2、隣り合う2つの第2流路107間の距離をc3とする(図1参照)。例えばc1<c2=c3となるように第1流路105および第2流路107を配置する。   Here, the first groove 115 and the second groove 117 (not shown in FIG. 2) of the upper base member 104 are formed in a meander shape so as to correspond to the shapes of the anode 102 and the cathode 103. Therefore, the first flow path 105 and the second flow path 107 can also be meander-shaped flow paths. By forming the anode 102 and the cathode 103 in a meander shape, the first channel 105 and the second channel 107 can be arranged with high density. That is, the area of the part contributing to the reaction can be increased with respect to the area of the electrolyte layer 101. Here, the distance between the adjacent first flow path 105 and the second flow path 107 is c1, the distance between the two adjacent first flow paths 105 is c2, and the distance between the two adjacent second flow paths 107. Let the distance be c3 (see FIG. 1). For example, the first flow path 105 and the second flow path 107 are arranged so that c1 <c2 = c3.

図1および図2を参照する。隣り合うアノード102とカソード103との間の距離をe1、隣り合う2つのアノード102の間の距離をe2、隣り合う2つのカソード103の間の距離をe3、電解質層101の厚さをt1とする。本開示では、隣り合うアノード102とカソード103との間の距離e1の範囲を、概ね500nm以上5μm以下に設定する。距離e1は、イオンの伝導距離と同等であると考えられる。   Please refer to FIG. 1 and FIG. The distance between the adjacent anode 102 and the cathode 103 is e1, the distance between the two adjacent anodes 102 is e2, the distance between the two adjacent cathodes 103 is e3, and the thickness of the electrolyte layer 101 is t1. To do. In the present disclosure, the range of the distance e1 between the adjacent anode 102 and the cathode 103 is set to approximately 500 nm or more and 5 μm or less. The distance e1 is considered to be equivalent to the conduction distance of ions.

本開示では、電解質層の厚さは、隣り合うアノード102とカソード103との間の距離e1よりも大きい。イオンは、電解質層101中において、上側基材104側の表面(図1に示す主面S1)近くの浅い領域を面内方向に沿って移動する。典型的には、イオンは、電解質層101の表面から深さ5μm程度までの領域を移動する。すなわち、本開示では、距離e1が、電解質層101においてイオン伝導の生じる部分の厚さと同程度の大きさに設定されている。距離e1を上記の範囲に設定することにより、効率的なイオン伝導を実現し得る。   In the present disclosure, the thickness of the electrolyte layer is greater than the distance e1 between the adjacent anode 102 and cathode 103. In the electrolyte layer 101, ions move along a shallow region near the surface on the upper base material 104 side (main surface S <b> 1 shown in FIG. 1) along the in-plane direction. Typically, ions move in a region from the surface of the electrolyte layer 101 to a depth of about 5 μm. In other words, in the present disclosure, the distance e1 is set to a size that is approximately the same as the thickness of the portion of the electrolyte layer 101 where ion conduction occurs. By setting the distance e1 within the above range, efficient ion conduction can be realized.

距離e1を5μm程度以下とすることにより、イオンの伝導経路の長さを低減できる。したがって、結晶格子による、電解質層101の結晶中を流れるイオンの散乱を低減でき、イオン伝導度の低下を抑制し得る。また、距離e1を500nm程度以上とすることにより、隣り合う第1流路105と第2流路107とを分離する隔壁の幅(電解質層101および上側基材104の接合部の幅c1、図1参照)が小さくなりすぎることを防止できる。これにより、第1流路105と第2流路107との間における漏れを抑制できる。   By setting the distance e1 to about 5 μm or less, the length of the ion conduction path can be reduced. Therefore, scattering of ions flowing in the crystal of the electrolyte layer 101 due to the crystal lattice can be reduced, and a decrease in ionic conductivity can be suppressed. Further, by setting the distance e1 to about 500 nm or more, the width of the partition wall separating the adjacent first flow path 105 and the second flow path 107 (width c1 of the joining portion of the electrolyte layer 101 and the upper substrate 104, FIG. 1) can be prevented from becoming too small. Thereby, the leak between the 1st flow path 105 and the 2nd flow path 107 can be suppressed.

電解質層101は、バルク体であり得る。電解質層101の厚さは、例えば、隣り合うアノード102とカソード103との間の距離e1の2倍以上10倍以下である。すなわち、2≦(t1/e1)≦10であってもよい。電解質層101の厚さが上記の範囲内であると、電解質層101の形成が比較的容易である。   The electrolyte layer 101 may be a bulk body. The thickness of the electrolyte layer 101 is, for example, not less than 2 times and not more than 10 times the distance e1 between the adjacent anode 102 and the cathode 103. That is, 2 ≦ (t1 / e1) ≦ 10 may be satisfied. When the thickness of the electrolyte layer 101 is within the above range, the formation of the electrolyte layer 101 is relatively easy.

図6に示す従来の燃料電池5000においては、イオンは、電解質層501の膜厚方向に沿って移動する。これに対し、本開示においては、イオン(例えばプロトン)は、電解質層101の面内方向に沿って、隣り合うアノード102とカソード103との間を移動する。本開示によれば、隣り合うアノード102とカソード103との間の距離を概ね500nm以上5μm以下の範囲としているので、比較的高い反応効率を実現し得る。また、電解質層101の一方の主面側に第1流路105および第2流路107を形成するので、部材の数の低減および/または製造工程の簡素化を実現し得る。したがって製造コストを低減し得る。   In the conventional fuel cell 5000 shown in FIG. 6, ions move along the thickness direction of the electrolyte layer 501. On the other hand, in the present disclosure, ions (for example, protons) move between the adjacent anode 102 and cathode 103 along the in-plane direction of the electrolyte layer 101. According to the present disclosure, since the distance between the adjacent anode 102 and the cathode 103 is in the range of approximately 500 nm to 5 μm, relatively high reaction efficiency can be realized. In addition, since the first flow path 105 and the second flow path 107 are formed on one main surface side of the electrolyte layer 101, the number of members can be reduced and / or the manufacturing process can be simplified. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.

なお、電解質層の一方の主面上にアノードおよびカソードを設けた構造において流路を高密度に配置するには、櫛歯状のアノードおよびカソードを用いることが考えられる(例えば特許文献1の図1参照)。しかしながら、このようなアノードおよびカソードを用いた場合、以下の理由により、反応効率が向上しにくい。   In addition, in the structure in which the anode and the cathode are provided on one main surface of the electrolyte layer, it is conceivable to use comb-shaped anodes and cathodes in order to arrange the flow paths at a high density (for example, FIG. 1). However, when such an anode and cathode are used, reaction efficiency is difficult to improve for the following reasons.

櫛歯状のアノードおよびカソードを用いた場合には、電解質層の主面に垂直な断面において、アノードおよびカソードが交互に並ぶ。したがって、流路を高密度に配置するためにアノードとカソードとの間の距離を小さくすると、アノード側の流路とカソード側の流路との間隔も小さくなる。すなわち、このような構成においては、流路間における漏れ(ガス、液体の漏れ)が発生しやすい。また、アノードおよびカソードが交互に並ぶ構成では、例えばアノードで生成されたイオンは、電解質層を介してアノードの右隣のカソードまたは左隣のカソードのいずれかに向かって移動する。例えば、アノードとそのアノードの右隣のカソードとの間の距離に対して、アノードとそのアノードの左隣のカソードとの間の距離が大きい場合を考える。このとき、反応効率の観点からは、アノードに対してより近い位置にある右隣のカソードにイオンが移動した方が有利である。言い換えれば、アノードに対してより遠い位置にある左隣のカソードへのイオンの移動は、反応効率の低下の原因となり得る。   When comb-shaped anodes and cathodes are used, the anodes and cathodes are alternately arranged in a cross section perpendicular to the main surface of the electrolyte layer. Therefore, if the distance between the anode and the cathode is reduced in order to arrange the flow paths at high density, the distance between the anode-side flow path and the cathode-side flow path is also reduced. That is, in such a configuration, leakage between the flow paths (gas and liquid leakage) is likely to occur. In the configuration in which the anode and the cathode are alternately arranged, for example, ions generated at the anode move toward either the right adjacent cathode or the left adjacent cathode through the electrolyte layer. For example, consider a case where the distance between the anode and the cathode next to the anode on the left is larger than the distance between the anode and the cathode on the right next to the anode. At this time, from the viewpoint of reaction efficiency, it is advantageous that ions move to the cathode on the right side that is closer to the anode. In other words, the movement of ions to the left adjacent cathode located farther from the anode can cause a reduction in reaction efficiency.

図2に例示する構成では、アノード102およびカソード103は、それぞれがミアンダ形状を有し、かつ互いに平行に形成されている。具体的には、図のX方向に沿って見たときに、ある電極(例えばアノード)に隣接する2つの電極のうちの一方は逆極性(カソード)であり、他方は同極性(アノード)である。したがって、アノードおよびカソードが交互に並ぶ構成と比較して、より確実に、近接する逆極性の電極にイオンを移動させることができる。本開示によれば、アノードおよびカソードが交互に並ぶ構成と比較して、より高い反応効率を実現し得る。   In the configuration illustrated in FIG. 2, the anode 102 and the cathode 103 each have a meander shape and are formed in parallel to each other. Specifically, when viewed along the X direction in the figure, one of two electrodes adjacent to a certain electrode (for example, anode) has a reverse polarity (cathode) and the other has the same polarity (anode). is there. Accordingly, ions can be moved more reliably to the adjacent electrodes of opposite polarity as compared with the configuration in which the anode and the cathode are alternately arranged. According to the present disclosure, higher reaction efficiency can be realized as compared with a configuration in which the anode and the cathode are alternately arranged.

図2に例示する構成において、反応器100は、第1流路105に連通する開口部15aおよび開口部15bを有している。また、反応器100は、第2流路107に連通する開口部17aおよび開口部17bを有している。例えば、開口部15aを介してアノード102側の反応物質が第1流路105に供給される。反応によって生成された物質が開口部15bを介して取り出される。同様に、開口部17aを介してカソード103側の反応物質が第2流路107に供給される。反応によって生成された物質が開口部17bを介して取り出される。図2中の太い矢印は、反応物質および生成物の流れの例を模式的に示している。アノード102またはカソード103と外部回路とを接続する配線が、これらの開口部から引き出されてもよい。   In the configuration illustrated in FIG. 2, the reactor 100 has an opening 15 a and an opening 15 b that communicate with the first flow path 105. The reactor 100 also has an opening 17a and an opening 17b that communicate with the second flow path 107. For example, the reactant on the anode 102 side is supplied to the first flow path 105 through the opening 15a. The substance produced by the reaction is taken out through the opening 15b. Similarly, the reactant on the cathode 103 side is supplied to the second flow path 107 through the opening 17a. The substance produced by the reaction is taken out through the opening 17b. The thick arrows in FIG. 2 schematically show examples of reactant and product flows. A wiring connecting the anode 102 or the cathode 103 and an external circuit may be drawn out from these openings.

上述の開口部15a、開口部15b、開口部17aおよび開口部17bは、例えば上側基材104の端面に設けられてもよい。ここで、「端面」は、電解質層の主面(例えば図1に示す主面S1)と概ね垂直な面を意味する。すなわち、第1溝115および/または第2溝117は、上側基材104の外縁に達していてもよい。このとき、反応器は、その端面に、少なくとも1つの開口部を有する。反応器の端面に、流路に連通する開口部を形成することにより、複数の反応器を積層する場合であっても、配線および/または配管の接続が複雑となることを抑制できる。   The opening 15a, the opening 15b, the opening 17a, and the opening 17b described above may be provided on the end surface of the upper base material 104, for example. Here, the “end surface” means a surface substantially perpendicular to the main surface of the electrolyte layer (for example, the main surface S1 shown in FIG. 1). That is, the first groove 115 and / or the second groove 117 may reach the outer edge of the upper substrate 104. At this time, the reactor has at least one opening at its end face. By forming an opening communicating with the flow path on the end face of the reactor, it is possible to suppress complicated connection of wiring and / or piping even when a plurality of reactors are stacked.

図3は、電極の配置の他の一例を示す上面図である。図3に示す反応器300のアノード102Aおよびカソード103Aは、図2に示すアノード102およびカソード103と比較してより多くの屈曲を有している。さらに、距離e2およびe3の大きさが距離e1と同程度に設定されている。このような構成によれば、図2に例示する構成と比較して、第1流路105および第2流路107をより密に配置することができる。なお、距離e2およびe3の大きさを距離e1と同程度に設定した場合であっても、図示する構成ではX方向に沿ってアノード102およびカソード103が交互に並んでいないので、近接する逆極性の電極に向けてイオンを移動させることができる。   FIG. 3 is a top view showing another example of the arrangement of the electrodes. The anode 102A and the cathode 103A of the reactor 300 shown in FIG. 3 have more bends than the anode 102 and the cathode 103 shown in FIG. Further, the distances e2 and e3 are set to be approximately the same as the distance e1. According to such a configuration, the first flow path 105 and the second flow path 107 can be arranged more densely than the configuration illustrated in FIG. Even when the distances e2 and e3 are set to be approximately the same as the distance e1, in the illustrated configuration, the anodes 102 and the cathodes 103 are not alternately arranged along the X direction. Ions can be moved toward the other electrode.

図4は、電極の配置のさらに他の一例を示す上面図である。図4に示す反応器400のアノード102Bおよびカソード103Bは、それぞれ、図のX方向に沿って延びる接続部分102zおよび接続部分103zを有している。図示する例において、アノード102Bは、接続部分102zに接続された複数の分枝を有している。同様に、カソード103Bは、接続部分103zに接続された複数の分枝を有している。図示する例では、接続部分102zから図のY方向に沿ってアノード102の直線部分102aおよび直線部分102bが延びている。また、接続部分103zから図のY方向に沿ってカソード103の直線部分103aおよび直線部分103bが延びている。図4に示す例においても、アノード102Bの各分枝とカソード103Bの各分枝とは、図のX方向に沿って交互に並んでいない。したがって、図4に例示するような構成においても、電解質層101中のイオンは、近接する逆極性の電極に向かって移動する。   FIG. 4 is a top view showing still another example of the arrangement of the electrodes. The anode 102B and the cathode 103B of the reactor 400 shown in FIG. 4 each have a connection portion 102z and a connection portion 103z extending along the X direction in the drawing. In the illustrated example, the anode 102B has a plurality of branches connected to the connection portion 102z. Similarly, the cathode 103B has a plurality of branches connected to the connection portion 103z. In the illustrated example, the straight portion 102a and the straight portion 102b of the anode 102 extend from the connection portion 102z along the Y direction in the drawing. Further, the straight portion 103a and the straight portion 103b of the cathode 103 extend from the connection portion 103z along the Y direction in the drawing. Also in the example illustrated in FIG. 4, the branches of the anode 102 </ b> B and the branches of the cathode 103 </ b> B are not alternately arranged along the X direction in the drawing. Therefore, even in the configuration illustrated in FIG. 4, ions in the electrolyte layer 101 move toward the adjacent electrodes of opposite polarity.

このように、アノードおよびカソードの形状は、ミアンダ形状に限定されない。すなわち、第1流路105および第2流路107の形状もミアンダ形状に限定されない。ただし、第1流路105および第2流路107のそれぞれが、分岐を有さない単一の連続した流路(例えばミアンダ形状の流路)であると、反応物質(ガスまたは液体)を一方向にスムースに流せるという有利な効果が得られる。また、アノード102またはカソード103を外部回路に接続するための接続部の数を低減し得る。第1流路105および第2流路107の形状は、反応面積を増やすことができる形状であればよく、例えばうずまき形状であってもよい。   Thus, the shape of the anode and the cathode is not limited to the meander shape. That is, the shapes of the first channel 105 and the second channel 107 are not limited to the meander shape. However, if each of the first flow path 105 and the second flow path 107 is a single continuous flow path (for example, a meander-shaped flow path) that does not have a branch, the reactants (gas or liquid) are not shared. The advantageous effect of smooth flow in the direction can be obtained. In addition, the number of connection portions for connecting the anode 102 or the cathode 103 to an external circuit can be reduced. The shape of the first flow path 105 and the second flow path 107 may be any shape that can increase the reaction area, and may be, for example, a spiral shape.

ここで、本開示の反応器の動作の一例を説明する。本開示の反応器は、用いるカソードおよびアノードの組み合わせにより、種々の用途に使用することができる。カソードおよびアノードの材料は、用途に応じて公知の材料を用いることができる。ここでは、図1および図2に示す反応器100を燃料電池として使用する例を説明する。   Here, an example of operation | movement of the reactor of this indication is demonstrated. The reactor of the present disclosure can be used in various applications depending on the combination of cathode and anode used. As materials for the cathode and the anode, known materials can be used depending on applications. Here, an example in which the reactor 100 shown in FIGS. 1 and 2 is used as a fuel cell will be described.

第1流路105からアノード102にガスが供給される。例えば燃料電池の場合、水素が供給される。例えば、アノード102の触媒作用により、H2→2H++2e-の水素酸化反応が起こり、プロトン(H+)が生成する。プロトンは電解質層101中を移動し、電子は燃料電池に接続された外部回路を通過する。プロトンおよび電子はそれぞれカソード103へ移動する。カソード103では第2流路107からガスが供給され反応が起こる。燃料電池の場合、ガスは空気中の酸素であり、カソード103の触媒作用によりO2+4H++4e-→2H2Oの酸素還元反応が起きる。 Gas is supplied from the first flow path 105 to the anode 102. For example, in the case of a fuel cell, hydrogen is supplied. For example, the catalytic action of the anode 102 causes a hydrogen oxidation reaction of H 2 → 2H + + 2e to generate protons (H + ). Protons move through the electrolyte layer 101 and electrons pass through an external circuit connected to the fuel cell. Protons and electrons move to the cathode 103, respectively. In the cathode 103, gas is supplied from the second flow path 107 to cause a reaction. In the case of a fuel cell, the gas is oxygen in the air, and the oxygen reduction reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs by the catalytic action of the cathode 103.

また、図1および図2に例示する反応器100は、例えばガスセンサとして用いることもできる。例えば電解質層101としてプロトン伝導体を用いることにより、反応器100を水素ガスセンサとして利用することが可能である。反応器100を水素ガスセンサとして利用する場合、第1流路105と第2流路107とに、それぞれ、測定対象のガスと、基準となるガス(例えば大気)とを導入する。これらのガスの導入により、測定対象のガスの水素の分圧に応じたプロトンが電解質層101中を移動する。このとき、カソード103およびアノード102は、それぞれ、基準電極(sensing electrode)および対電極(counter electrode)として機能する。具体的には、カソード103およびアノード102に接続された外部回路に、測定対象のガスにおける水素濃度に応じた大きさの電流が流れる。   Moreover, the reactor 100 illustrated in FIG. 1 and FIG. 2 can also be used as a gas sensor, for example. For example, by using a proton conductor as the electrolyte layer 101, the reactor 100 can be used as a hydrogen gas sensor. When the reactor 100 is used as a hydrogen gas sensor, a measurement target gas and a reference gas (for example, the atmosphere) are introduced into the first flow path 105 and the second flow path 107, respectively. By introducing these gases, protons according to the partial pressure of hydrogen of the gas to be measured move through the electrolyte layer 101. At this time, the cathode 103 and the anode 102 function as a sensing electrode and a counter electrode, respectively. Specifically, a current having a magnitude corresponding to the hydrogen concentration in the gas to be measured flows through an external circuit connected to the cathode 103 and the anode 102.

(実施の形態2)
次に、本開示の実施の形態2を説明する。実施の形態2と実施の形態1の相違点は、動作時において、アノード102とカソード103の間に電圧が印加される点である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present disclosure will be described. The difference between the second embodiment and the first embodiment is that a voltage is applied between the anode 102 and the cathode 103 during operation.

図5は、本実施の形態における例示的な反応器の構成を示す断面図である。図5に示す反応器200は、アノード102とカソード103との間に電圧を与えられるように構成されている。図5に例示する構成では、アノード102およびカソード103に外部電源110が接続されている。アノード102とカソード103との間に電界を与えることにより、効率的なイオン伝導を実現し得る。例えば、アノード102で発生した、プロトンのようなプラスイオンを、カソード103の方向に効率よく引き込むことができる。アノード102とカソード103との間に印可する電圧の大きさは、例えば0.5〜250Vである。かかる構成の反応器200は、比較的高い反応効率を有し得る。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of an exemplary reactor in the present embodiment. The reactor 200 shown in FIG. 5 is configured so that a voltage is applied between the anode 102 and the cathode 103. In the configuration illustrated in FIG. 5, an external power source 110 is connected to the anode 102 and the cathode 103. By applying an electric field between the anode 102 and the cathode 103, efficient ion conduction can be realized. For example, positive ions such as protons generated at the anode 102 can be efficiently drawn toward the cathode 103. The magnitude of the voltage applied between the anode 102 and the cathode 103 is, for example, 0.5 to 250V. The reactor 200 having such a configuration can have a relatively high reaction efficiency.

また、図5に例示する反応器200は、例えば改質器として用いることができる。なお、本明細書においては、反応物質からプロトンを引き抜き、水素ガス、水素化された炭素化合物または脱水素化された炭素化合物を生成する装置を「改質器」と称する。ここでは、反応器200を水蒸気電解水素化装置として使用する例を説明する。   Moreover, the reactor 200 illustrated in FIG. 5 can be used as a reformer, for example. In this specification, an apparatus that draws protons from a reactant and generates hydrogen gas, a hydrogenated carbon compound, or a dehydrogenated carbon compound is referred to as a “reformer”. Here, the example which uses the reactor 200 as a steam electrolysis hydrogenation apparatus is demonstrated.

第1流路105からアノード102に、水を含有する気体(典型的には水蒸気)が供給される。また、第2流路107からカソード103に被水素化物(典型的には液体)が供給される。アノード102は、Ni、Ptなど、水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含む。カソード103は、Ni、Ptなどの水素化触媒を含む。アノード102の触媒作用により、2H2O→O2+4H++4e-の反応が進行し、プロトン(H+)が生成する。プロトンは電解質層101中を移動し、カソード103に到達する。被水素化物が例えばトルエンである場合、第2流路107内においてC78+6H++6e-→C714の反応が進行し、第2流路107内にメチルシクロヘキサンが得られる。このように、本開示の反応器は、いわゆる有機ハイドライドの生成に使用することが可能である。 A gas containing water (typically water vapor) is supplied from the first flow path 105 to the anode 102. Further, a hydride (typically liquid) is supplied from the second flow path 107 to the cathode 103. The anode 102 includes a catalyst that oxidizes hydrogen in a gas containing water, such as Ni or Pt. The cathode 103 includes a hydrogenation catalyst such as Ni or Pt. Due to the catalytic action of the anode 102, the reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e proceeds to generate protons (H + ). Protons move through the electrolyte layer 101 and reach the cathode 103. When the hydride is, for example, toluene, a reaction of C 7 H 8 + 6H + + 6e → C 7 H 14 proceeds in the second channel 107, and methylcyclohexane is obtained in the second channel 107. Thus, the reactor of this indication can be used for the production of so-called organic hydride.

上述の実施形態1および2では、電解質層101としてプロトン伝導体を例示した。しかしながら、電解質層101は、プロトン伝導体に限定されない。電解質層101は、酸素イオン導電体であってもよい。すなわち、電解質層101中のキャリアは、プロトンに限定されず、酸素イオンであってもよい。   In the above-described first and second embodiments, the proton conductor is exemplified as the electrolyte layer 101. However, the electrolyte layer 101 is not limited to the proton conductor. The electrolyte layer 101 may be an oxygen ion conductor. That is, the carrier in the electrolyte layer 101 is not limited to protons but may be oxygen ions.

本開示による反応器は、燃料電池、水素化装置、脱水素化装置、水蒸気電解装置、水蒸気電解水素化装置などに利用可能である。   The reactor according to the present disclosure can be used for a fuel cell, a hydrogenation device, a dehydrogenation device, a steam electrolysis device, a steam electrolysis hydrogenation device, and the like.

100 反応器
101 電解質層
102 アノード
103 カソード
104 上側基材
105 第1流路
107 第2流路
108 下側基材
110 外部電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Reactor 101 Electrolyte layer 102 Anode 103 Cathode 104 Upper base material 105 1st flow path 107 2nd flow path 108 Lower base material 110 External power supply

Claims (11)

第1流路および第2流路を有する反応器であって、
前記反応器は、
第1基材と、
前記第1基材に支持された電解質層と、
前記電解質層の主面のうち、前記第1基材とは反対側の主面上に設けられた第1電極および第2電極と、
第1溝および第2溝を有する第2基材であって、前記第1電極および前記第2電極を覆う第2基材と
を備え、
前記第1流路および前記第2流路は、前記第1溝および前記第2溝がそれぞれ前記第1電極および前記第2電極と対向するように前記第2基材を前記電解質層上に配置することによって形成された流路であり、
前記第1電極と前記第2電極との間の距離は、500nm以上5μm以下であり、
前記電解質層の厚さは、前記距離よりも大きい、反応器。
A reactor having a first flow path and a second flow path,
The reactor is
A first substrate;
An electrolyte layer supported by the first substrate;
Of the main surface of the electrolyte layer, a first electrode and a second electrode provided on the main surface opposite to the first substrate;
A second base material having a first groove and a second groove, the second base material covering the first electrode and the second electrode;
In the first flow path and the second flow path, the second base material is disposed on the electrolyte layer so that the first groove and the second groove face the first electrode and the second electrode, respectively. Is a flow path formed by
The distance between the first electrode and the second electrode is 500 nm or more and 5 μm or less,
The thickness of the electrolyte layer is a reactor larger than the distance.
前記電解質層の厚さは、前記距離の2倍以上10倍以下である、請求項1に記載の反応器。   The reactor according to claim 1, wherein the thickness of the electrolyte layer is not less than 2 times and not more than 10 times the distance. 前記第1電極は、互いに平行な第1の直線部分および第2の直線部分を有し、
前記第2電極は、前記第1の直線部分および前記第2の直線部分に平行かつ互いに平行な第3の直線部分および第4の直線部分を有し、
前記第1の直線部分および前記第2の直線部分は、互いに隣接しており、
前記第3の直線部分は、前記第1の直線部分に対して前記第2の直線部分とは反対側に隣接し、
前記第4の直線部分は、前記第2の直線部分に対して前記第1の直線部分とは反対側に隣接する、請求項1または2に記載の反応器。
The first electrode has a first straight portion and a second straight portion that are parallel to each other,
The second electrode has a third linear portion and a fourth linear portion that are parallel to and parallel to the first linear portion and the second linear portion,
The first linear portion and the second linear portion are adjacent to each other;
The third straight line portion is adjacent to the first straight line portion on the opposite side of the second straight line portion;
The reactor according to claim 1 or 2, wherein the fourth straight portion is adjacent to the second straight portion on the opposite side of the first straight portion.
前記第1電極および前記第2電極は、ミアンダ形状を有する、請求項3に記載の反応器。   The reactor according to claim 3, wherein the first electrode and the second electrode have a meander shape. 前記第1電極および前記第2電極は、前記第1の直線部分および前記第2の直線部分の延びている方向に直交する方向に延びる接続部分を有し、
前記第1の直線部分および前記第2の直線部分は、前記第1電極の前記接続部分と接続されており、
前記第3の直線部分および前記第4の直線部分は、前記第2電極の前記接続部分と接続されている、請求項3に記載の反応器。
The first electrode and the second electrode have a connection portion extending in a direction orthogonal to a direction in which the first straight portion and the second straight portion extend,
The first straight portion and the second straight portion are connected to the connection portion of the first electrode;
The reactor according to claim 3, wherein the third straight portion and the fourth straight portion are connected to the connection portion of the second electrode.
前記反応器は、
前記第1流路に連通する第1開口部および第2開口部と、前記第2流路に連通する第3開口部および第4開口部と
を有し、
前記第1開口部、前記第2開口部、前記第3開口部および前記第4開口部の少なくとも1つの開口部は、前記第2基材の端面に設けられている、請求項1から5のいずれかに記載の反応器。
The reactor is
A first opening and a second opening communicating with the first flow path; a third opening and a fourth opening communicating with the second flow path;
The at least one opening part of the said 1st opening part, the said 2nd opening part, the said 3rd opening part, and the said 4th opening part is provided in the end surface of the said 2nd base material, The Claim 1 to 5 A reactor according to any one of the above.
前記反応器は、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を与えられるように構成されている、請求項1から6のいずれかに記載の反応器。   The reactor according to claim 1, wherein the reactor is configured to be supplied with a voltage between the first electrode and the second electrode. 前記電解質層中のキャリアは、水素イオンまたは酸素イオンである、請求項1から7のいずれかに記載の反応器。   The reactor according to claim 1, wherein carriers in the electrolyte layer are hydrogen ions or oxygen ions. 請求項1から8のいずれかに記載の反応器を備える燃料電池。   A fuel cell comprising the reactor according to claim 1. 請求項1から8のいずれかに記載の反応器を備えるガスセンサ。   A gas sensor comprising the reactor according to claim 1. 請求項1から8のいずれかに記載の反応器を備える改質器。   A reformer comprising the reactor according to any one of claims 1 to 8.
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