(57)【要約】 【課題】簡単な構造にて熱応力による固体電解質の破損を防止できる酸素透過器を提供する。【解決手段】イオン伝導性を有する板状の固体電解質１およびその表裏両面の中央部に配した表面電極２と裏面電極３で成る電気化学セル１０と、開口部１３が裏面電極３に対向するように配置されて電気化学セル１０を支持する枠状の基板４とを備える。固体電解質１の裏面側の外周部がシール材８にて基板４に接合されており、且つ、裏面電極３より基板４の開口部１３の内壁４ａと裏面４ｂを経て基板４の外側面４ｃに至る第１厚膜配線９ａが形成されていると共に、表面電極２より基板４の表面４ｄを経て第１厚膜配線９ａとは別方向より基板４の外側部４ｅに至る第２厚膜配線９ｂが形成されている。【選択図】図１
2008013425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性を有する板状の固体電解質およびその表裏両面の中央部に配した表面電極と裏面電極で成る電気化学セルと、開口部が前記裏面電極に対向するように配置されて前記電気化学セルを支持する枠状の基板とを備え、
前記固体電解質の裏面側の外周部がシール材にて前記基板に接合されており、且つ、前記裏面電極より前記基板の開口部の内壁と裏面を経て前記基板の外縁部に至る第１厚膜配線が形成されていると共に、前記表面電極より前記基板の表面を経て前記第１厚膜配線とは別方向より前記基板の外縁部に至る第２厚膜配線が形成されていることを特徴とする酸素透過器。
【請求項２】
前記固体電解質にランタンガレートが用いられ、且つ、前記シール材に結晶化ガラスが用いられることを特徴とする請求項１に記載の酸素透過器。
【請求項３】
前記基板は、複数の分割部材をガラス層により接合して構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の酸素透過器。
【請求項４】
前記シール材は、角のない枠体状であることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の酸素透過器。
【請求項５】
請求項１から請求項４までの何れかに記載の酸素透過器が支持部材上に複数配置されると共に、各酸素透過器の基板外縁部において、前記第１厚膜配線同士および前記第２厚膜配線同士が厚膜配線により接続されて構成されることを特徴とする酸素透過器。
【請求項６】
請求項１から請求項４までの何れかに記載の酸素透過器が支持部材上に複数配置されると共に、各酸素透過器の基板外縁部において、前記第１厚膜配線と前記第２厚膜配線が厚膜配線により接続されて構成されることを特徴とする酸素透過器。
【請求項７】
前記第１厚膜配線および前記第２厚膜配線および前記厚膜配線のそれぞれの配線の幅を前記電極の幅と同等以上としたことを特徴とする請求項５または請求項６の何れかに記載の酸素透過器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルを備えた酸素透過器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電気化学反応によって空気等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酸素透過器が知られている。酸素透過器は、イオン伝導性を有する固体電解質基板の表裏両面に一対の電極を配した電気化学セルを有し、通常、この電気化学セルの固体電解質基板部分が接着材等で支持部材に接着・固定されることにより酸素透過器が構成されている。
ところが、この種の酸素透過器では、作動時に電気化学セルを４００〜８００℃の高温度に昇温させる必要があるため、固体電解質基板と支持部材との接合面に各部材の熱膨張係数の差で生じる熱歪み（熱応力）が発生し、強度が低い固体電解質基板に割れやクラックが発生するいう問題を有していた。
【０００３】
このような、電気化学セルの破損防止技術として、例えば、特許文献１や特許文献２等が提案されている。
特許文献１には、金属泊（支持部材）と固体電解質基板を間に導電性シール材を介して接着する構造が開示され、また、特許文献２には、固体電解質基板を支持部材に移動自在に支持させる構造が開示されており、これらの開示技術によれば、固体電解質基板と支持部材との接合部位に生じる熱応力が緩和され、固体電解質基板の割れやクラックが防止できるが、一方では、これらの支持構造によって酸素透過器の構造が複雑化し、コスト高となるいう問題を有していた。
【特許文献１】特開２００３−１０７０４３号公報
【特許文献２】特開２００５−８９２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑み成されたもので、簡易な構造で熱応力による固体電解質の破損を防止できる安価で耐久性の高い酸素透過器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】
【０００５】
すなわち、請求項１に記載の発明は、イオン伝導性を有する板状の固体電解質およびその表裏両面の中央部に配した表面電極と裏面電極で成る電気化学セルと、開口部が前記裏面電極に対向するように配置されて前記電気化学セルを支持する枠状の基板とを備え、前記固体電解質の裏面側の外周部がシール材にて前記基板に接合されており、且つ、前記裏面電極より前記基板の開口部の内壁と裏面を経て前記基板の外縁部に至る第１厚膜配線が形成されていると共に、前記表面電極より前記基板の表面を経て前記第１厚膜配線とは別方向より前記基板の外縁部に至る第２厚膜配線が形成されていることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の酸素透過器において、前記固体電解質にランタンガレートが用いられ、且つ、前記シール材に結晶化ガラスが用いられることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の酸素透過器において、前記基板は、複数の分割部材をガラス層により接合して構成されていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の酸素透過器において、前記シール材は、角のない枠体状であることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の酸素透過器が支持部材上に複数配置されると共に、各酸素透過器の基板外縁部において前記第１厚膜配線同士および前記第２厚膜配線同士が厚膜配線により接続されて構成されることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の酸素透過器が支持部材上に複数配置されると共に、各酸素透過器の基板外縁部において、前記第１厚膜配線と前記第２厚膜配線が厚膜配線により接続されて構成されることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６の何れかに記載の酸素透過器において、前記第１厚膜配線および前記第２厚膜配線および前記厚膜配線のそれぞれの配線の幅を前記電極の幅と同等以上としたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、固体電解質と基板との接合面に厚膜配線を通過させることなく各電極を基板の外縁部に引き出すことができるため、厚膜配線材料に影響されることなく、接合面における各部材の熱膨張係数を合わせ易くできる。加えて、電気化学セルの支持構造は、枠状の基板に固体電解質の外周部を固定するだけであるから極めて簡易であるため安価な酸素透過器を提供できる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明では、シール材である結晶化ガラスの熱膨張係数は固体電解質（ランタンガレートの熱膨張係数１０．８×１０-6／Ｋ）と近似しているため、固体電解質の接合部位に生じる熱応力を最小限に抑制することができ、固体電解質の破損を防止できる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、固体電解質と基板をシール材で接合する際の熱応力が基板を構成する複数の分割部材の各接合箇所において吸収されるため、固体電解質に割れを生じさせることなく固体電解質と基板の接合が行えるようになる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明では、シール材と固体電解質との熱膨張係数が異なる場合にも、熱応力がシール材の湾曲角部において分散されるため、固体電解質に割れが生じることを防止できる。
【００１６】
また、請求項５、６に記載の発明によれば、複数の酸素透過器の接続（並列接続、或いは直列接続）も支持部材上に単純な接続用の厚膜配線を形成することにより行うことができるため、複数の酸素透過器を用いた大容量の酸素透過器を容易、且つ、簡易な構造で構成することもできる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明によれば、各電極における電流密度を均一にすることができ、その結果、酸素イオンの透過能力を向上できると共に、固体電解質の温度分布を無くすことができ、熱応力によって固体電解質に割れが生じることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１、図２に基づいて本発明に係る酸素透過器の実施形態を説明する。図１は本実施形態による酸素透過器の側面図を示し、図２は、同、酸素透過器の平面図および裏面図を示している。
【００１９】
図１、図２に示すように、本実施形態による酸素透過器２０は、電気化学セル１０と、この電気化学セルの外周部を支持する基板４とを備える。
【００２０】
電気化学セル１０は、酸素イオン伝導性を有する薄板状の固体電解質１と、その表裏両面の中央部に配したアノード電極２（表面電極）とカソード電極３（裏面電極）の一対の電極とで構成されており、これら固体電解質１および一対の電極２、３は何れも矩形状であって、電極２、３の周縁部に固体電解質１が露出した状態となっている。
【００２１】
固体電解質１には、例えば、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｃ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ3等のランタンがレート系材料が用いられ、上記アノード電極２、カソード電極３には、それぞれ（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＢａ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3等の電気伝導性の高い材料が用いられる。
【００２２】
電気化学セル１０は、４００〜８００℃においてアノード電極２とカソード電極３間に直流電圧を印加することにより固体電解質１がその一方の低電位電極面（カソード電極３側）から他方の高電位電極面（アノード電極２側）に向けて酸素含有混合ガス中（空気）から酸素のみを選択的に透過させる酸素透過膜として作用する。
【００２３】
他方、基板４は、上記電気化学セル１０より幾分サイズの大きい枠形矩形状の基板であって、この枠部上に固体電解質１の外周部を支持させた時、枠内（開口部１３）に電極部分が収まるようになっている。
【００２４】
本実施形態では、固体電解質１の外周部と基板４とがシール材８にて接合されている。シール材８として、熱膨張係数が固体電解質１（ランタンガレートの熱膨張係数は約１０．８×１０-6／Ｋ）と近似する結晶化ガラスを用いるのが好ましく、特に、この結晶化ガラスにＬａを含有させると、接合性が向上し、固体電解質１と基板４を強固に密着させることができる。また、基板４は、電気化学セル１０の支持体として十分な機械的強度と絶縁性を有し、且つ、上記固体電解質１や結晶化ガラス８と熱膨張係数が近似するセラミックス材料を用いるのが望ましく、特に、マシナブルセラミックスは機械的加工性にも優れるため好適である。
因みに、結晶化ガラスの熱膨張係数は、１０×１０-6／Ｋ〜１２×１０-6／Ｋであり、マシナブルセラミックスの熱膨張係数は、およそ１０．３×１０-6／Ｋ程である。
【００２５】
そして、図１、図２に示すように、開口部１３に面するカソード電極３上に第１厚膜配線９ａが形成され、この第１厚膜配線９ａがカソード電極３の１辺側から引き出され、基板開口部１３の内壁４ａと裏面４ｂを経て引き出し側の外側面４ｃに至り、この外側面４ｃにおいて外部接続用の第１端子部５が形成されている。この際の第１厚膜配線９ａの幅はカソード電極３の幅と同等としている。
また、アノード電極２上に第２厚膜配線９ｂが形成され、この第２厚膜配線９ｂがアノード電極２の１辺側から上記した第１厚膜配線９ａの引き出し方向と反対方向に引き出され、基板４の表面４ｄを経て引き出し側の外側面４ｅに至り、この外側面４ｅにおいて第２端子部６が形成されている。この際の第２厚膜配線９ｂの幅はアノード電極２の幅と同等としている。
【００２６】
これら厚膜配線９ａ、９ｂの材料としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等が用いられ、例えば、これら金属材料による厚膜ペーストがスクリーン印刷法にて各電極２、３上と基板４上に印刷される。
【００２７】
このように、本実施形態の酸素透過器２０では、上記のような電極引き出し構造とすることにより、固体電解質１と基板４との接合面に厚膜配線９ａ、９ｂを通過させずに各電極２、３を基板４の外縁部に引き出し、外側面４ｃ、４ｅに端子部５、６を形成することができるため、厚膜配線材料に影響されることなく、接合面における各部材の熱膨張係数を合わせ易くできる。
特に、結晶化ガラスや基板の熱膨張係数は固体電解質（ランタンガレート）と近似しているため、固体電解質１の接合面に生じる熱応力を最小限に抑制することができ、固体電解質１の破損を防止できる。
また、基板４の枠部に固体電解質１の外周部をシール材８で固定するだけであるから電気化学セル１０の支持構造は極めて簡易であり、安価な酸素透過器２０を提供できる。
【００２８】
また、上記基板４は、図５（ａ）に示すように、セラミックス材料で成る複数（４点）の分割部材４ａ〜４ｄの組み合わせで枠状に構成しても良い。
本実施形態では、分割部材４ａ〜４ｄとして熱膨張係数が固体電解質１に近似し、且つ、加工性に優れるマシナブルセラミックスを用い、これら分割部材４ａ〜４ｄの各接合箇所１５に接着剤（例えば、樹脂製接着剤）を塗布して接着する。
【００２９】
次に、この基板４と固体電解質１を接合するには、図５（ｂ）に示すように、接着剤で接合された基板４上にシール材８（結晶化ガラス）を枠部内縁に沿って四角状に塗布し、図５（ｃ）に示すように、その上に固体電解質１（電気化学セル１０）を載せて焼成する。
この時、焼成時の高温で先ず各分割部材４ａ〜４ｄの接合箇所１５において接着剤が分解し、次いでシール材８が軟化して固体電解質１と基板４が貼り合わさるため、焼成時に固体電解質１に加わる熱応力が各分割部材４ａ〜４ｄの接合箇所１５において吸収され、固体電解質１に割れを生じさせることなく固体電解質１と基板４の接合が行えるようになる。また、焼成時にシール材８が各分割部材４ａ〜４ｄの接合箇所１５に若干浸入すると、固体電解質１と基板４の接合が強固になるため、より好ましい。
【００３０】
また、図５の場合では、シール材８を四角枠状に塗布したが、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、円形、楕円形、四隅を湾曲させた長方形等のように、シール材８を角のない枠体状にすることにより、熱応力が湾曲状の角部において湾曲ラインに沿って分散されるため、固体電解質１に割れが生じることを防止できる。  この場合、基板４に接合する固体電解質１の形状も、このシール材８の外形と同形状の円形、楕円形、四隅を湾曲させた長方形（図示せず）にすると、固体電解質１の湾曲角部において応力集中を緩和することができるため、より好ましい。
【００３１】
次に、図３、図４は上記構成の酸素透過器２０を複数用いて酸素透過器を構成する場合を示している。
【００３２】
図３は、複数の酸素透過器２０を直列に接続した例であり、図示のように、板状の支持部材１１上に複数（３個）の酸素透過器２０を一列に並べて固定し、それぞれ酸素透過器２０の第１端子部５と第２端子部６を厚膜配線１２により接続したものである。
【００３３】
他方、図４は、複数の酸素透過器２０を並列接続した例であり、図示のように、支持部材１１上に複数（３個）の酸素透過器２０を一列に並べて固定し、それぞれ酸素透過器２０の第１端子部５同士、および第２端子部６同士を厚膜配線１２にて接続したものである。
【００３４】
尚、厚膜配線１２もまた、上記同様、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等を用いたスクリーン印刷法にて形成することができる。第１端子部５および第２端子部６はそれぞれ基板４の対向辺に形成されているから、図示のように厚膜配線１２による端子部同士の接続は極めて容易に行える。
【００３５】
本実施形態では、この厚膜配線１２の幅を電極２、３の幅（すなわち、第１厚膜配線９ａ、第２厚膜配線９ｂの幅）と同等以上としており、これにより、各電極２、３における電流密度を均一にすることができ、その結果、電極における酸素イオンの透過能力を向上できると共に、固体電解質１の温度分布を無くすことができ、熱応力によって固体電解質１に割れが生じることを防止できる。
【００３６】
このように、複数の酸素透過器２０の直列接続や並列接続は支持部材１１上に形成した厚膜配線１２により簡単におこなうことができるため、必要酸素量に応じた様々な用途に対して容易に対応でき、且つ、耐久性の高い酸素透過器を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態による酸素透過器の側面図。
【図２】（ａ）は図１の平面図、（ｂ）は裏面図。
【図３】本発明の酸素透過器を複数直列接続した状態を示す図。
【図４】本発明の酸素透過器を複数並列接続した状態を示す図。
【図５】酸素透過器の組み立て手順を示す図。
【図６】基板の構成例を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１  固体電解質
２  表面電極
３  裏面電極
４  基板
８  シール材（結晶化ガラス）
９ａ  第１厚膜配線
９ｂ  第２厚膜配線
１０  電気化学セル
１１  支持部材
１３  開口部
１５  接合箇所
２０  酸素透過器
【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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