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電気化学反応装置および電気化学反応装置の製造方法

国内特許コード P150012521
整理番号 K101P05
掲載日 2015年11月19日
出願番号 特願2014-052785
公開番号 特開2015-176774
出願日 平成26年3月14日(2014.3.14)
公開日 平成27年10月5日(2015.10.5)
発明者
  • 長藤 圭介
  • 鹿園 直毅
  • 品川 俊太
  • 中尾 政之
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 電気化学反応装置および電気化学反応装置の製造方法
発明の概要 【課題】燃料電池や充電可能な二次電池あるいは水電解装置等における、酸化物イオン、電子、ガス等の物質輸送と電極内のイオン伝導体、金属、空隙間の界面反応を最適化して効率を高めることが可能な電気化学反応装置および電気化学反応装置の製造方法を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池(SOFC)8は、燃料極1、空気極2、電解質3の三層を有し、燃料極1は、電解質層部YSZ3の層面からイオン輸送方向に延びる柱状に形成されたYSZ柱部7A、7Bと、Ni粒子6Aを、YSZ柱部7Aの側面の少なくとも一部に接触させるとともにイオン輸送方向に連続させて2列配置させたNi粒子配置部と、YSZおよびNi粒子が配置されていない空隙18Aと、を備える。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


近年、水素と空気中の酸素から電力を取り出す燃料電池の開発が盛んに行われている。燃料電池は、発電時の排出物が水のみである為、環境に優れた発電方式であるだけでなく、水素や炭化水素の燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するためエネルギーの効率が高く、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として特に熱機関として期待されている。その中でも、固体酸化物形燃料電池SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)は最も発電効率が高いことが知られている(例えば、特許文献1参照)。SOFCは、電解質として固体酸化物のイオン伝導性セラミックスを用いて、空気極で生成した酸化物イオンが電解質を透過し、燃料極で水素、一酸化炭素、炭化水素、アルコールなどと反応することにより電気エネルギーを発生させるものである。



また、例えば、固体高分子形燃料電池PEFC(Polymer Electrolyte(Membrane) Fuel Cell)は、イオン交換膜を挟んで、正極に酸化剤を、負極に還元剤(燃料、専ら水素)を供給することにより発電する燃料電池として知られている。(例えば、特許文献2参照)。



一方、燃料電池とは逆の反応を起こすような電気化学反応装置としては、水を電気分解することで、水素や酸素を得るような水電解装置が知られており、例えば、高温水蒸気電解、アルカリ水電解、固体高分子形水電解などが知られている。また、還元ガスや酸化ガスの化学反応現象を用いた、酸素、酸化窒素(NOX)などの分圧を測定可能なガスセンサがある。
また、充電可能な二次電池として利用されているリチウムイオン電池やリチウムやマグネシウムなどの金属を燃料極に用いる空気電池においては、金属が酸化還元するイオン化傾向を利用して酸化還元電位を発生させ、酸化還元作用のある液体の電解質により電極同士を接続させている。

産業上の利用分野


本発明は、電気化学反応を伴って物質が輸送・反応する装置に関し、特に、燃料電池や充電可能な二次電池あるいは水電解装置等における、酸化物イオン、電子、ガス等の物質輸送と、電極と電解質や空隙との界面反応を最適化して効率を高めることが可能な電気化学反応装置および電気化学反応装置の製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
第1物質を輸送する第1輸送媒体を少なくとも備える第1電極部と、前記第1輸送媒体と異なる媒体である第2輸送媒体を少なくとも備える第2電極部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第1物質と異なる中間物質を輸送する中間輸送媒体を少なくとも備える中間輸送媒体部とを有する電気化学反応装置において、
前記第1電極部には、
前記中間輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成された複数の中間輸送媒体柱部と、
前記第1輸送媒体を、前記中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、前記中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置された第1輸送媒体配置部と、
前記中間輸送媒体および前記第1輸送媒体により空隙として形成される第1空隙部と、
を備えることを特徴とする電気化学反応装置。

【請求項2】
前記中間輸送媒体柱部は、前記中間輸送媒体の代わりに、前記中間輸送媒体以外の他の輸送媒体により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学反応装置。

【請求項3】
前記第1輸送媒体配置部は、前記第1輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電気化学反応装置。

【請求項4】
前記複数の中間輸送媒体柱部の各々は、当該中間輸送媒体柱部の先端部に向かって先細りに構成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電気化学反応装置。

【請求項5】
前記第1輸送媒体配置部は、前記中間輸送媒体柱部の先端部に前記第1輸送媒体がさらに配置されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電気化学反応装置。

【請求項6】
前記第2電極部には、
前記中間輸送媒体により構成され、前記中間輸送媒体部に接続され物質輸送方向に沿って柱状に形成された複数の第2中間輸送媒体柱部と、
前記第2輸送媒体を、前記第2中間輸送媒体柱部間に形成された空間に、前記第2中間輸送媒体柱部の側面の少なくとも一部に接触させるとともに物質輸送方向に連続させて配置された第2輸送媒体配置部と、
前記中間輸送媒体および前記第2輸送媒体により空隙として形成される第2空隙部と、
を備えることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電気化学反応装置。

【請求項7】
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の電気化学反応装置は、燃料電池、水電解装置、水素製造装置、二次電池、ガスセンサのうちいずれかであることを特徴とする電気化学反応装置。

【請求項8】
第1物質を輸送する第1輸送媒体を少なくとも備える第1電極部と、前記第1輸送媒体と異なる媒体である第2輸送媒体を少なくとも備える第2電極部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第1物質と異なる中間物質を輸送する中間輸送媒体を少なくとも備える中間輸送媒体部とを有する電気化学反応装置の製造方法において、
前記中間輸送媒体部を形成し、当該中間輸送媒体部の層面に、前記第1輸送媒体と異なる中間輸送媒体により複数の柱状の中間輸送媒体柱部を形成する第1工程と、
前記第1輸送媒体を、柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部の少なくとも一部に接触させ、物質輸送方向に連続させて配置させる第2工程と、
柱状に形成された前記中間輸送媒体柱部および前記第1輸送媒体が配置された領域に前記第1電極部を構成させる第3工程と、
を備えることを特徴とする電気化学反応装置の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2014052785thum.jpg
出願権利状態 公開
参考情報 (研究プロジェクト等) さきがけ エネルギー高効率利用と相界面 領域
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