JP4920972B2 - 酸素透過性電極システム - Google Patents

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Description

本出願は、「酸素透過性電極システム」と題する米国仮出願第60/319,661号に基づく。
本発明はガス分離装置の分野に関する。特に、装置は、ひとつのガス（たとえば、酸素）を混合ガス（たとえば、空気）から分離する電気化学的プロセスを使用する。
技術分野
本発明は電気化学的ガス発生器の分野に関し、特にセラミック酸素発生システム（COGS）のための電極組成物および電極形成方法に関する。
従来技術
燃料電池、酸素センサー、酸素分離部材のような電気化学的デバイスが広範囲な分野で候補となるものとして非常に注目されてきている。これらデバイスの効果的な操作に必要な高い動作温度は、これらの市場において必要なコスト、パワー効率、デバイス寿命の達成に問題となっている。
酸素分離部材のシステムにおいて、電極または集電体について共通の問題となるモードには、
a. 分離の間、多孔質電極および集電体のコーティングの焼きしまり、
b. 大気汚染によるコーディング部の化学的作用、
c. 互いに、そして基板からの層間剥離
がある。
600℃を超える温度で、酸化性雰囲気で動作する典型的な集電体は、銀（Ag）、金（Au）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）およびこれら組成の合金を含む。高電気伝導性と低コストの観点からAgが適切なものとはなっているが、典型的な動作温度の下での焼結および蒸発の傾向があり、そのため純金属材料の適用が制限されている。銀は、化学戦、他の汚染された大気といった場合、高圧で高純度の酸素の作用を受けるといった酸化の場合における状況での化学作用に対して脆弱なものである。他の貴金属の含有やそれらの合金は、顕著に伝導性の減少、コストの増大をもたらす。
電気化学的なガス発生システムに使用されるこれら既知の電極の例は、特許文献１ないし６に開示されている。
米国特許第5,378,345号明細書（1995年1月3日発行） 米国特許第5,985,113号明細書（1999年11月6日発行） 米国特許第5,972,182号明細書（1999年10月26日発行） 米国特許第6,194,335号明細書（2001年2月27日発行） 米国特許第 6,203,676号明細書（2001年3月20日発行） 米国特許第6,290,757号明細書（2001年9月18日発行）
貴金属コーティング部と他のコーティング部または基板との層間剥離は、電気化学的デバイスで使用される材料、典型的にセラミックに対して、金属コーティング部の比較的高い熱膨張のため、一般的なことである。
本発明は前述の欠点を解消するとともに貴金属の使用を最小にし、これにより在来または従来のものよりも、電気化学的システムの性能が高くなり、コストが減少する電極および集電体システムを含む。
上記特許文献の技術は多くの利点、技術的改良点をもつものの、本発明により達成される目的を遂行できるものではない。
本発明にしたがって、ガス発生のためのイオン伝導性電解層を有するタイプの電気化学的デバイス用の集電体が、高電気伝導率をもち、電気化学的デバイスにより発生する所望のガスに対して多孔質である集電体を含む。集電体の層は、貴金属の伝導性コーティング部を有する耐熱性材の球状体の層からなるフィルムとして実質的に形成される。コーティングされた球状体は、電気伝導性フィルム内に形成されるのに適した所望の直径を有する。
本発明のこれらの目的、他の目的、利点、特徴は、本発明の好適実施例を示す添付図面とともに、以下の説明から明らかになろう。
上記要約的に記載した本発明の説明は、図面に示される実施例、以下の記述から分かるであろう。図面を通して、上記特徴は明らかになり、より理解されよう。図面は、本発明の典型的な好適実施例のみを示すのではなく、本発明の他の同等な実施例の理解を可能にする。
本発明の上記特徴、利点、目的は、添付図面に示された実施例を参照することにより、より理解されよう。図面において、同じ要素には同じ符号が付されている。
本発明の集電体16は図１に示されているように、耐熱性粒子または球14の外側に一様に適用された外側伝導性の貴金属コーティング部12を使用する。
図２に示されているように、所望のガスを発生する電気化学的デバイス18は、イオン伝導性の電解層20、多孔性の電極層22、および高電気伝導性を有し、当該電気化学的デバイス18により生成する所望のガス24に対して多孔性である集電体の層16を含む。集電体の層16は貴金属の伝導性コーティング部12を有する耐熱性材の球状体26の層からなるフィルムとして実質的に形成されている。コーティングされた球状体26は電気伝導性フィルム内に形成するのに適した所望の直径28を有する。
貴金属は前述のAg、Au、Pｔ、Pd材、および対応する合金からなる。耐熱性材はジルコニア、アルミナ、またはセイアのようなセラミック材であるが、ペロブスカイトまたは酸素伝導性セラミック（すなわちジルコニア、セイア）と同様の熱膨張率をもつ他の伝導性セラミックであってもよい。
図１に示された球状体26の一様性の重要な点は、コーティングされた球状体26から形成された層の多孔性を最大化することである。
コーティングされた球状体26は、一般的に、集電体の層16を形成するフィルム内に、それらを形成するのに適するように選択された一様な直径を有する。
図２は典型的な電気化学的デバイス18を示すが、ここで、下方の層20はイオン伝導性電解層であり、中央の層22は、高電気伝導性および電解層20により運ばれたイオン種に対し電解作用をもつ多孔性電極である。上方の層16は、好適に、非常に高い電気伝導性を有する。銀（Ag）は集電体の層16の動作要件を満たす、既知の材料で最も高い電気伝導性を有する。
電解層20と電極層22との間のインターフェースの主要な機能は、酸素または他の選択されたガスイオンを、電解層20へ、そしてそこから運ぶ効率を高めることである。電解層20と電極層22との接着は重要であるが、電解される酸素または他のガスイオンのための表面領域を維持することも重要である。
本電気化学的電極組成において、集電器の層16は図１に示された、伝導性の、コーティングされた耐熱性粒子の球状体26から形成される。集電体の層16の所望な透過性または多孔性は約50パーセントである。連続的な電気経路が、伝導性の、コーティングされた耐熱性粒子が、他の粒子30と接し、または互いに接触することから、集電層を通過するように形成される。
開示した伝導性のあるコーディングの電気的性能は、伝導性の球体における電荷の分布が球体の周囲に集中することから、コーティングされた中実の伝導性のある球体と同様と期待される。
上記の本発明の説明は例示であり、本発明の範囲から逸脱することなく、大きさ、形状、材料の変更が構成とともになし得ることは分かるであろう。
図１は耐熱性粒子に適用された伝導性コーティングからなる集電体の断面図である。 図２は単純化した本本発明の電気化学的デバイスの正面図である。

Claims (4)

  1. ガス発生のためのイオン伝導性電解層を含むタイプの電気化学的デバイスのための集電体層であって、
    集電体層が、高電気伝導性を有し、電気化学的デバイスにより発生する所望のガスに対して多孔性をもち、
    集電体層が、貴金属から成る伝導性コーティング部を有するセラミックの耐熱性材の球状体のみからなるフィルムとして形成されている、
    ところの集電体層。
  2. 貴金属は、銀、パラジウム、金、プラチナ、これらの金属と他の金属との合金からなるグループから選択される、請求項１に記載の集電体層。
  3. 耐熱性材の球状体が金属酸化セラミックである、請求項１に記載の集電体層。
  4. 耐熱性材の球状体がジルコニア、アルミナ、セリア、ペロブスカイトのグループから選択される、請求項１に記載の集電体層。
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