(57)【要約】【課題】常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保しつつも、酸素透過膜に割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素富化器を提供する。【解決手段】ランタンガレート系材料の薄膜からなる固体電解質１１の両面に電極層１２が設けられた酸素透過膜１０を有し、当該酸素透過膜１０が支持基板２０に貼り付けられて両者が一体化されている。支持基板２０には、酸素透過膜１０の貼付位置にガス透過孔が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランタンガレート系材料の薄膜からなる固体電解質の両面に電極層が設けられた酸素透過膜を有し、当該酸素透過膜が支持基板に貼り付けられて両者が一体化されるとともに、上記支持基板には、上記酸素透過膜の貼付位置にガス透過孔が形成されていることを特徴とする酸素富化器。
【請求項２】
上記支持基板には、複数の酸素透過膜が貼り付けられて、その各々が電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素富化器。
【請求項３】
上記酸素透過膜の貼付位置には、上記ガス透過孔が複数形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素富化器。
【請求項４】
ランタンガレート系材料の薄膜からなる固体電解質の両面に電極層が設けられた酸素透過膜を有し、当該酸素透過膜が多孔質の支持基板上に形成されるとともに、上記支持基板上には、上記酸素透過膜の形成領域以外の領域におけるガス透過を阻止するシール部が設けられていることを特徴とする酸素富化器。
【請求項５】
上記酸素透過膜の両面に膜状の集電体が設けられ、上記支持基板上に、集電体、電極層、固体電解質、電極層および集電体が積層状態で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の酸素富化器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素透過膜を用いた酸素富化器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系（ＬａＧａＯ3系）材料は、高い酸化物イオン伝導性および電子伝導性を有する材料として一般に知られている。
このランタンガレート系材料からなる固体電解質においては、薄膜状に成形して、その両面に電極をそれぞれ設け、それら電極間に電圧を印加する外部回路を接続することによって、一方の面から他方の面に酸素を透過させる酸素透過膜として用いることが可能となっている。すなわち、固体電解質の一方の面に接したＯ2が、負極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化されるとともに、この酸化物イオンが、固体電解質中を移動して他方の面に到達した後、この部分で、正極に電子を放出してＯ2となることにより、固体電解質の一方の面から他方の面に酸素が透過するようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年では、健康志向の高まりから、一般の電気機器類においても、上記固体電解質の性質を利用して室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みがなされている。
一方、上記酸素透過膜の酸素透過量は、温度が低くなるほど低下する傾向がある。このため、大掛かりな加熱装置を使用することなく、機器を構成するために４００℃以下の温度で、上記要求を満足しうる程度の酸素透過量を得ようとすると、ランタンガレート系材料として、（Ｌａ0.8・Ｓｒ0.2）（Ｇａ0.8・Ｍｇ0.1・Ｃｏ0.1）Ｏ3或いは（Ｌａ0.8・Ｓｒ0.2）（Ｇａ0.8・Ｍｇ0.1・Ｎｉ0.1）Ｏ3を用いた場合に、理論上は、その厚さ寸法を５０μｍ以下にする必要がある。
しかしながら、ランタンガレート系材料は、一般に機械的強度が低く、比較的割れ易い材料であることから、薄膜化するにしても限界があり、また仮に上記５０μｍ以下の厚さ寸法の膜を得ることができても、取り扱いが難しく、耐久性および信頼性の面で課題を有していた。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保しつつも、酸素透過膜に割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素富化器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の本発明に係る酸素富化器は、ランタンガレート系材料の薄膜からなる固体電解質の両面に電極層が設けられた酸素透過膜を有し、当該酸素透過膜が支持基板に貼り付けられて両者が一体化されるとともに、上記支持基板には、上記酸素透過膜の貼付位置にガス透過孔が形成されていることを特徴とするものである。
ここで、ランタンガレート系材料としては、例えば、（Ｌａ0.8・Ｓｒ0.2）（Ｇａ0.8・Ｍｇ0.1・Ｃｏ0.1）Ｏ3、（Ｌａ0.8・Ｓｒ0.2）（Ｇａ0.8・Ｍｇ0.1・Ｎｉ0.1）Ｏ3などを好適に用いることが可能である。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の酸素富化器において、上記支持基板には、複数の酸素透過膜が貼り付けられて、その各々が電気的に直列に接続されていることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の酸素富化器において、上記酸素透過膜の貼付位置には、上記ガス透過孔が複数形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４に記載の本発明に係る酸素富化器は、ランタンガレート系材料の薄膜からなる固体電解質の両面に電極層が設けられた酸素透過膜を有し、当該酸素透過膜が多孔質の支持基板上に形成されるとともに、上記支持基板上には、上記酸素透過膜の形成領域以外の領域におけるガス透過を阻止するシール部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の酸素富化器において、上記酸素透過膜の両面に膜状の集電体が設けられ、上記支持基板上に、集電体、電極層、固体電解質、電極層および集電体が積層状態で形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、酸素透過膜を支持基板に貼り付けて両者を一体化するようにしたので、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保できる厚さに酸素透過膜を形成した場合においても、支持基板によって十分な機械的強度が得られるようになる。
したがって、酸素透過膜に割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素富化器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る酸素富化器の第１の実施形態を示す斜視図である。この酸素富化器１は、複数の酸素透過膜１０と、それら酸素透過膜１０を支持する支持基板２０とを有し、この支持基板２０の一方の面に酸素透過膜１０が貼り付けられて両者が一体化された構成となっている。
【００１２】
酸素透過膜１０は、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系材料の薄膜からなる固体電解質１１の両面に電極層１２を設けることによって構成されている。各酸素透過膜１０は、電圧を印加する外部回路１５に対して直列に接続され、電圧が印加されたときに、すべての酸素透過膜１０が同じ方向に酸素を透過させるように電極間の配線が施されている。すなわち、支持基板２０に当接する電極層１２を電極Ａ、支持基板２０から離間した電極層１２を電極Ｂとしたときに、回路上で隣接する一方の酸素透過膜１０の電極Ａと、他方の酸素透過膜１０の電極Ｂとが互いに接続されることにより、電極Ａが陽極（または負極）に、電極Ｂが負極（または陽極）にそれぞれ統一されるように設定されている。このように、支持基板２０に複数の小さな酸素透過膜１０を貼り付けて、その各々を電気的に直列に接続した場合には、支持基板２０に一枚の大きな酸素透過膜１０を貼り付ける場合と比較して、熱膨張による応力が小さくなり、酸素透過膜１０に割れや剥離が生じ難くなる。また、複数の酸素透過膜１０を直列につなぐことで、回路に流れる電流が小さくてすむことから、配線抵抗等における電力損失が小さくなるといった利点も得られる。
【００１３】
具体的に、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系材料としては、例えば、（Ｌａ0.8・Ｓｒ0.2）（Ｇａ0.8・Ｍｇ0.1・Ｃｏ0.1）Ｏ3或いは（Ｌａ0.8・Ｓｒ0.2）（Ｇａ0.8・Ｍｇ0.1・Ｎｉ0.1）Ｏ3を用いることが可能である。
固体電解質１１の厚さは、酸素透過膜１０を使用する際の温度条件と、その際に要求される酸素透過量に応じて決定されるものである。ここでは、３００〜４００℃において、０．２〜１ｍｌ／（ｃｍ2・ｍｉｎ）の酸素透過量を確保すべく、固体電解質１１の厚さ寸法が、１０〜６０μｍの範囲に設定されている。
また、電極層１２は、上記ランタンガレート系材料とＡｇの複合材料により構成され、その厚さが、５〜５０μｍの範囲に設定されている。本実施形態では、固体電解質１１と電極層１２とで同じランタンガレート系材料を用いるようにしているが、両者の収縮率がほぼ同じで、両者間で反応が生じる懸念がなければ、固体電解質１１と電極層１２とで組成比率の異なるランタンガレート系材料を使用することも可能である。
【００１４】
上記構成からなる酸素透過膜１０を製造するには、先ず、上記ランタンガレート系材料の粉末に溶媒やバインダ等を混練してスラリーを調製した後、これを公知のドクターブレード法等によりシート状に成形することにより、グリーンシートを作製し、これを焼結することにより固体電解質１１を得る。次いで、電極材料（上記ランタンガレート系材料とＡｇの複合材料）の粉末に溶剤やバインダ等を加えて混合することによりスラリーを調整し、これを固体電解質１１の両面に塗布して焼結させることによって、固体電解質１１の薄膜両面に電極層１２が設けられた酸素透過膜１０を得ることができる。この酸素透過膜１０は、例えば銀フリット等により支持基板２０に貼り付けることができる。
【００１５】
支持基板２０は、図２に示すように、酸素透過膜１０の貼付位置に、それぞれ通気用の貫通孔（ガス透過孔）２１を有している。この実施形態では、図１に示すように、支持基板２０の縦方向および横方向に酸素透過膜１０がそれぞれ複数枚ずつマトリクス状に並べられた状態で貼り付けられ、その貼付位置の各々に、複数の貫通孔２１がそれぞれ形成されている。また、本実施形態では、固体電解質１１の周縁部と支持基板２０と間に形成される空隙Ｓに、シール材１３が充填されて、このシール材１３により、酸素透過膜１０と支持基板２０間の気密性が保たれると同時に、酸素透過膜１０と支持基板２０の接合強度が高められるようになっている。
【００１６】
なお、支持基板２０は、酸素透過膜１０の支持体としての十分な機械的強度と絶縁性能を有するものであれば、如何なる素材のものであってもよく、例えば、アルミナ製の基板や、ジルコニア製の基板などを用いることが可能である。この支持基板２０に設ける貫通孔２１の大きさおよび数量は、酸素透過膜１０の面積や厚さ、形状等に応じて適宜に設定可能であり、例えば、本実施形態のように、貼付位置の全体に亘って小径の貫通孔２１を複数設けるようにしても、或いは貼付位置の中央部に大径の貫通孔２１を一つ設けるようにしてもよい。また、貫通孔２１の形状は、例えば、円形、多角形、溝形（スリット状）など、如何なる形状であってもよい。また、シール材１３としては、例えば、Ａｇを含有するガラスフリット等を用いることが可能である。
【００１７】
上記構成からなる酸素富化器１においては、直列に接続された各酸素透過膜１０に電圧を印加することにより、貫通孔２１を介して一部が露出する酸素透過膜１０の一方の面から、全体が露出する他方の面に向けて（若しくは上記他方の面から上記一方の面に向けて）、酸素のみを選択的に透過させることができ、これにより、上記他方の面側の空間（若しくは上記一方の面側の空間）における酸素濃度を高めることができる。
【００１８】
以上のように、本実施形態によれば、酸素透過膜１０を支持基板２０に貼り付けて両者を一体化するようにしたので、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保できる厚さに酸素透過膜１０を形成した場合においても、支持基板２０によって十分な機械的強度を得ることができる。
したがって、酸素透過膜１０に割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素富化器１を提供することができる。
【００１９】
なお、本実施形態においては、一枚の支持基板２０に小さな酸素透過膜１０を複数貼り付ける構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、一枚の支持基板２０に大きな酸素透過膜１０を一枚のみ貼り付ける構成としてもよい。また、本実施形態では、酸素透過膜１０の形状を矩形状としたが、例えば、円、楕円、多角形、帯状など、その他の形状とすることも可能である。
また、本実施形態では、酸素透過膜１０を作製した後に支持基板２０に貼り付けるようにしたが、例えば、スクリーン印刷等を利用して、支持基板２０上に酸素透過膜１０の各層の材料を順次塗布して焼結させることにより、支持基板２０上で酸素透過膜１０を作製するようにしてもよい。
【００２０】
［第２の実施形態］
図３および図４は、本発明に係る酸素富化器の第２の実施形態およびその製造方法を説明するための図である。この第２の実施形態において、上述した第１の実施形態と同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
【００２１】
この第２の実施形態では、酸素透過膜１０を支持する支持基板として、多孔質基板３０が用いられ、この多孔質基板３０の空孔が、ガス透過孔として機能するようになっている。
多孔質基板３０は、酸素透過膜１０の支持体としての十分な機械的強度と絶縁性能を有するものであれば、如何なる素材のものであってもよく、例えば、アルミナ、シリカ、マグネシア、チタニアまたはその混合物などを用いることが可能である。多孔質基板３０の厚さ寸法は、５０μｍ〜１ｍｍ、孔径は、数μｍ〜数百μｍの範囲に設定されている。また、多孔質基板３０中をガスがスムーズに通過するようにするため、気孔率は４０％以上が望ましい。
【００２２】
この多孔質基板３０の一方の面には、図３および図４に示すように、集電体３１、電極層１２（１２ａ）、固体電解質１１、電極層１２（１２ｂ）および集電体３２が積層状態で形成されている。
固体電解質１１および電極層１２（１２ａ，１２ｂ）は、第１の実施形態と同様の材料により構成され、それぞれの厚さ寸法も同様の設定となっている。集電体３１，３２は、Ｐｔ、Ａｇ等により構成され、その厚さは、数μｍ〜１００μｍの範囲に設定されている。
【００２３】
本実施形態では、図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、複数の矩形状の集電体３１が所定間隔を配して一列に並んだ状態で多孔質基板３０上に形成され、それら集電体３１上には、図３（ｃ）及び図４（ｂ）に示すように、その一端側領域ａ１を除くほぼ全域を覆う状態で電極層１２ａがそれぞれ形成されている。各電極層１２ａ上には、図３（ｄ）及び図４（ｃ）に示すように、電極層１２ａの上面および側面を完全に覆う状態で固体電解質１１がそれぞれ形成され、その一端１１ａが各集電体３１間の間隙ａ２にまで延びて、当該固体電解質１１により、多孔質基板３０上の互いに隣り合う集電体３１どうしが電気的に絶縁されるようになっている。各固体電解質１１上には、図３（ｅ）及び図４（ｄ）に示すように、下層の電極層１２ａとほぼ同範囲に亘って電極層１２ｂがそれぞれ形成され、それら電極層１２ｂ上には、図３（ｆ）及び図４（ｅ）に示すように、電極層１２ｂの上面および側面を覆う状態で膜状の集電体３２がそれぞれ形成され、その一端３２ａが、多孔質基板３０上の隣接する集電体３１にまで延びて、両者が互いに連結されている。これにより、各酸素透過膜１０が互いに直列に接続されて、電圧が印加されたときに、電極層１２ａ，１２ｂの一方が陽極、他方が陰極となって、すべての酸素透過膜１０が同じ方向に酸素を透過させるようになっている。そして、酸素透過膜１０の形成領域以外の凹状の領域（電極層１２の形成領域を除く領域）ａ３には、図４（ｆ）に示すように、集電体３１の上から、ガラス、アルミナ等のセラミックス、あるいはその混合材等からなるガスシール材が充填されて、ガスの透過を阻止するシール部３３が形成されている。ここで、ガラスあるいはガラスとセラミックスの混合材に関しては、その軟化点が酸素富化器作動温度（４００〜７００℃程度）よりも高いことが望ましい。
【００２４】
上記構成からなる酸素富化器は、例えば、次のようにして作製することができる。
先ず、集電体材料となる金属材料を用い、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法等の乾式法、あるいはスクリーン印刷法、ディッピング法等の湿式法等により、多孔質基板３０上に所望パターンの集電体３１を形成する。
次いで、例えばスクリーン印刷法やＣＶＤ法などの薄膜プロセスを利用して、電極層１２ａ、固体電解質１１および電極層１２ｂの各材料を、集電体３１の上から上述した範囲に順次塗布して焼結、或いは蒸着させることにより、酸素透過膜１０を形成する。
【００２５】
次いで、酸素透過膜１０の上から上述した範囲に金属ペーストを塗布して焼結することにより、酸素透過膜１０上に集電体３２を形成する。
その後、酸素透過膜１０の形成領域以外の凹状の領域ａ３に、ガスシール材の粉末あるいは懸濁液を配し、これを加熱により軟化、さらに結晶化させて、シール部３３を形成する。また、アルミナ等のセラミックスをプラズマ溶射法を用いて上記領域ａ３に充填し、シール部３３とすることも可能である。以上により、多孔質基板３０の一方の面に複数の酸素透過膜１０が形成された酸素富化器を得ることができる。
【００２６】
上記構成からなる酸素富化器においては、支持基板として、内部に空孔を有し当該空孔を介して厚み方向に空気または酸素を透過可能な多孔質基板３０を用いて、その一方の面の所定領域に酸素透過膜１０を形成するとともに、それ以外の領域をガスシール材で覆ってガスの透過を阻止するようにしたので、酸素透過膜１０に電圧を印加した際には、酸素透過膜１０の一方の面から他方の面に向けて、酸素のみを選択的に透過させることができ、これにより、上記他方の面側の空間における酸素濃度を高めることができる。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様に、酸素透過膜１０を支持基板（多孔質基板３０）上に形成するようにしたので、常温雰囲気下において所望の酸素透過量を確保できる厚さに酸素透過膜１０を形成した場合においても、支持基板によって十分な機械的強度を得ることができる。
したがって、酸素透過膜１０に割れが生じ難く、取り扱いが容易で、耐久性および信頼性に優れた酸素富化器を提供することができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、多孔質基板３０上に酸素透過膜１０を一列に配置するようにしたが、第１の実施形態と同様に、多孔質基板３０上に縦横複数枚ずつマトリクス状に配置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る酸素富化器の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】酸素透過膜周辺の断面図である。
【図３】本発明に係る酸素富化器の第２の実施形態およびその製造方法を説明するための斜視図である。
【図４】図３の酸素富化器の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    酸素富化器
１０  酸素透過膜
１１  固体電解質
１２，１２ａ，１２ｂ  電極層
２０  支持基板
２１  貫通穴（ガス透過孔）
３０  多孔質基板（支持基板）
３１，３２  集電体
３３  シール部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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