(57)【要約】 【課題】熱効率の向上と小形化を図った電気化学セルを提供する。【解決手段】電解質２の両面に電極３、４を配した電気化学セル１において、前記電極３、４の外側にガス透過性を有する熱反射層６、７を一体的に設ける。熱反射層６、７は、表面の放射率が０．１以下である多孔質金属層２０を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両面に電極を配したセルを備える電気化学セルにおいて、
前記電極の外側にガス透過性を有する熱反射層を一体的に設けたことを特徴とする電気化学セル。
【請求項２】
前記熱反射層は、表面の放射率が０．１以下の金属で構成される多孔質金属層を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記金属層がＡｇ、またはＡｕで成ることを特徴とする請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記金属層が、薄板、蒸着層、スパッタリング層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも１種から構成されることを特徴とする請求項２または請求項３の何れかに記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記セルは、前記電解質として酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた酸素透過セルであることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記セルは、前記電解質として水素イオン伝導性の固体電解質を用いた水素透過セルであることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルの保熱構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、空気など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ことができる電気化学セルが知られており、近年、このような電気化学セルの酸素分離作用を利用して、工場や自動車等から排出されるＮＯxや炭化水素等の有害ガスを浄化することが行われており、また、一般の電気機器類においても、機器内に電気化学セルを用いた酸素富化器を搭載することにより、室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みが成されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１には、通気性を有する断熱材にて包囲される空間に酸素ポンプ素子およびこの酸素ポンプ素子を作動温度（およそ４００〜８００℃）に加熱するための加熱手段（電気ヒータ）を備えた酸素ポンプが開示されており、特許文献２には、上記断熱材の内壁に加熱手段からの熱線を放射する熱反射手段を設けた酸素ポンプが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２１５０９４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１２５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１、２による開示技術は、何れも、断熱材により酸素ポンプ素子と加熱手段が直接大気と接触しないようにして、加熱手段による酸素ポンプへの熱効率を向上しようとするものであるが、酸素ポンプ素子の表面から断熱空間への放熱が熱効率を悪くしており、これが、酸素ポンプの始動時間を遅くする要因となっており、また、その分、加熱手段による電力消費が大きくなり、省エネ化の妨げとなっていた。また、上記特許文献１、２のように、断熱材で包囲する保熱構造は、酸素ポンプの大型化を招くことにもなる。
【０００５】
本発明は、係る問題に鑑み成されたもので、セルの電極にガス透過性の熱反射層を設けてセルからの熱放射を抑制することにより熱効率の向上と小形化を図った電気化学セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、電解質の両面に電極を配したセルを備える電気化学セルにおいて、前記電極の外側にガス透過性を有する熱反射層を一体的に設けたことを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の電気化学セルにおいて、前記熱反射層は、表面の放射率が０．１以下の金属で構成される多孔質金属層を備えることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の電気化学セルにおいて、前記金属層がＡｇ、またはＡｕで成ることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項２または請求項３の何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記金属層が、薄板、蒸着層、スパッタリング層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも１種から構成されることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けたことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記セルは、前記電解質として酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた酸素透過セルであることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、前記セルは、前記電解質として水素イオン伝導性の固体電解質を用いた水素透過セルであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜４に記載の発明によれば、電極の外側に熱反射層を一体的に設けることにより、セルからの熱の放射が抑制されて熱効率を向上できる。これにより、効率的なセルの昇温が行え、急速始動が可能となる。また、運転中においても、常にセルを作動温度に保熱しておくことができ、これにより、熱自立運転が可能となる。加えて、熱反射層はガス透過性であるため、酸素および／または空気の通気性能に悪影響を及ぼすことはない。また、熱反射層が電極に密接される構成であるため、スペースを取らず、コンパクト化が図れる。
熱反射層としては、およそ４００〜８００℃の温度下において、耐熱性（耐高温酸化性）、放射率に優れる、Ａｇ材料、或いはＡｕ材料を用い、薄板、蒸着層、スパッタ層、メッキ層、粉末焼付層の少なくとも１種から構成されるのが好ましい。
【００１４】
また、請求項５に記載の本発明によれば、熱反射層の一方の面に電気的絶縁層を設けることにより、熱反射層を給電電極または集電電極として利用する構成においては、金属層の熱放射率に影響を与えず良好な熱放射を保持した状態で他部材への短絡を防止することができ、これにより、信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図８に基づいて本発明に係る電気化学セルの実施形態を説明する。
【００１６】
本実施形態による電気化学セル１は、図１に示すように、固体電解質２の両面に電極（カソード）３と電極４（アノード）を配したセル５と、各々電極３、４の外側に配した熱反射層６、７と、これら熱反射層６、７の外側に配したガス拡散層８、９と、その外側のセパレータ１０、１１とで構成されている。
【００１７】
セル５を酸素透過セルとして使用する場合は、例えば、イットリア添加ジルコニア（ＹＳＺ）で成る固体電解質２の両面にＬＳＣ：Ｌａ0.6Ｓｒ0.4ＣｏＯ3で成る電極３、４を配したもの、或いは、コバルト添加ランタンガレート（ＬＳＧＭＣ）で成る固体電解質２の両面にＳＳＣ：Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3で成る電極を配したものが用いられる。
酸素透過セルでは、図７に示すように、電極３、４間に直流電圧（Ｖ）を印加することにより、外部空気がセル５のカソード側からアノード側に向けて酸素のみを選択的に透過させることができ、これによりアノード側の空間における酸素濃度を高めることができる。
【００１８】
また、セル５を水素透過セルとして使用する場合は、例えば、ＳｒＣｅＯ3で成る固体電解質２の両面にＰｔ−ＺｒＯ2で成る電極３、４を配したもの、或いは、ＢａＺｒＣｅＧａＯ3で成る固体電解質２の両面にＰｔで成る電極３、４を配したものが用いられる。
水素透過セルでは、図８に示すように、電極３、４間に直流電圧（Ｖ）を印加するすることにより、外部空気（水蒸気を含む）が、セル５のアノード側からカソード側に向けて水素のみを選択的に透過させることができ、これによりカソード側の空間における酸素濃度を高めることができる。
【００１９】
ガス拡散層８、９は発泡金属で構成され、ガス（外部空気や酸素）の拡散・流通に寄与する。特に、セル５が酸素透過セルの場合は、発泡Ａｇ、発泡ＳＵＳ、発泡インコネル等が用いられ、セル５が水素透過セルの場合は、カソード側のガス拡散層８に発泡Ｎｉが、アノード側のガス拡散層９に発泡Ａｇが用いられる。セパレータ１０、１１はＳＵＳ等で構成され、内部に外部空気やセル５を透過した酸素が流通するガス流通路（図示せず）を備える。
【００２０】
ところで、本実施形態では、図１に示すように、電極３と外側のガス拡散層８の間、および、電極４と外側のガス拡散層９の間にガス透過性（通気機能）を備えた熱反射層６、７が設けられている。
これら熱反射層６、７は、各電極３、４に密着するように配設されており、およそ４００〜８００℃の温度下で作動するセル５の放射熱を良好に反射・保熱し、セル５を常に好適作動温度に保持するように作用させる必要があることから、優れた放射率と耐熱性を有する材料が用いられる。
【００２１】
図２は係る熱反射層６、７の第１の実施形態を示し、本実施形態では、多数の小孔２１を設けたＡｇまたはＡｕで成る薄板２０（すなわち、多孔質金属層２０）を熱反射層６、７として用いている。これらＡｇやＡｕは耐熱性（耐高温酸化性）に優れ、また、セルの作動温度下において優れた放射率（輻射率）を有する。本実施形態では、この金属板の表面の放射率を少なくとも０．１以下、好ましくは０．０５以下に規定し、熱反射層６、７による優れた保熱作用が得られるようにしている。
因みに、ＡｇやＡｕ材料の研磨面における放射率は、５００℃付近の温度下で０．０３程度である。
【００２２】
また、図３は熱反射層６、７の第２の実施形態を示し、本実施形態では、図３（ａ）に示すようなＡｇまたはＡｕで成る多孔質金属層２０を用い、図３（ｂ）に示すように、この多孔質金属層２０に多孔質ガラス層２２（電気的絶縁層２２）を接合した２層構造としている。この場合、ガラス層２２がガス拡散層８、９側に対面するように配設することが望ましい。
このように、多孔質金属層２０の一方の面にガラス層２２を設けることにより、熱反射層６、７を給電電極または集電電極として利用する構成においては、金属層２０の放射率に影響を与えず良好な熱放射効果を保持した状態で他部材（ガス拡散層８、９やセパレータ１０、１１）への短絡を防止することができ、これにより、電気化学セル１の信頼性を向上できる。
【００２３】
また、図４は熱反射層６、７の第３の実施形態を示し、本実施形態では、多孔質ガラス層２２の一方に表面処理によりＡｇ層またはＡｕ層を形成している。尚、ＡｇまたはＡｕによる表面処理層２３は、蒸着、スパッタリング、無電解メッキ、粉末焼付け等の方法で形成することができる。
【００２４】
また、図５は熱反射層６、７の第４の実施形態を示し、本実施形態では、上述した第１〜第３の実施形態の熱反射層６、７と、これに接する電極３、４をＡｇペーストやＡｕペーストによる焼付け層２４にて接合したもである。当構成では、熱反射層６、７と電極３、４とが確実に接合できるため、セル５からの放射熱をより確実に抑制することができる。
【００２５】
また、図６は熱反射層６、７の第５の実施形態を示し、本実施形態では、電極３、４および／またはガス拡散層８、９に鱗片状のＡｇ粉またはＡｕ粉を塗工・焼付けすることにより熱反射層６、７を形成している。
【００２６】
尚、第１〜第５の実施形態では、金属層の材料としてＡｇまたはＡｕを用いたが、他の金属材料として、Ｐｔ、Ｉｒ、或いは、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｉｒの合金等も使用可能である。
【００２７】
以上、本発明によれば、電極３、４の外側にガス透過性の熱反射層６、７を一体的に設けることにより、セル５からの熱放射が抑制されるため、熱効率の向上に寄与できる。これにより、始動時には、図示しない付設の加熱手段の熱線により効率的なセル５の昇温を行うことができ、電気化学セル１の急速始動が可能となる。
【００２８】
また、運転中においては、熱反射層６によりセル５に生じたジュール熱を効率良く保熱し、常にセル５を好適作動温度に保持しておくことができ、これにより、始動時のように外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみでセル５の作動温度を維持する熱自立運転が可能となり、省エネに寄与できる。
【００２９】
加えて、熱反射層６、７はガス透過性であるから、これら熱反射層６、７を配設しても酸素および／または空気の通気性能に影響を及ぼすことはない。また、熱反射層６、７が極めて薄く、且つ、電極４、５に密接される構造であるから、スペースを取らず、コンパクト化が図れる。
【００３０】
また、係る熱反射層６、７に加え、図１に示すように、セパレータ１０、１１の表面に、例えば、ＡｇやＡｕによるメッキ層２５を形成することより、セパレータ１０、１１からの無駄な熱放射を抑制することができ、熱反射層６、７によるセル５の保熱効果をより確実なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る電気化学セルの基本構成を示す断面図。
【図２】本発明の第１実施形態による熱反射層の構成を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態による熱反射層の構成を示す図。
【図４】本発明の第３実施形態による熱反射層の構成を示す図。
【図５】本発明に係る電気化学セルの要部断面図で、第４実施形態による熱反射層の構成を示す。
【図６】本発明に係る電気化学セルの要部断面図で、第５実施形態による熱反射層の構成を示す。
【図７】酸素透過セルの構成を示す図。
【図８】水素透過セルの構成を示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１  電気化学セル
２  電解質（固体電解質）
３  電極（カソード）
４  電極（アノード）
５  セル
６、７  熱反射層
２２  電気的絶縁層（ガラス層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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