(57)【要約】【課題】電気化学セルの積層体において、各電気化学セル相互の接続構造、および、ガスの流通機構を簡素化し、コンパクト化と性能アップを図る。【解決手段】電解質基板１の表裏両面に一対の電極２、３を形成した電気化学セル１０を、それぞれガス透過側の電極３が対向するように枠状の支持基板４の両面に接合すると共に、この接合体８をスペーサー６を介して複数積層する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質基板の表裏両面に一対の電極を形成した電気化学セルを、それぞれガス透過側の電極が対向するように枠状の支持基板の両面に接合すると共に、この接合体をスペーサーを介して複数積層したことを特徴とする電気化学セルの積層体。
【請求項２】
前記スペーサーが前記接合体の両端に設けられ、当該スペーサーに導電部材が設けられ、当該導電部材により隣接する前記電気化学セルを電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セルの積層体。
【請求項３】
請求項１または請求項２の何れかに記載の電気化学セルの積層体を用いたことを特徴とする酸素富化器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電気化学セルを効率良く利用するための電気化学セルの積層構造、および酸素富化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富化器が知られている。酸素富化器は、イオン伝導性を有する電解質基板の表裏両面にアノード電極およびカソード電極の一対の電極を配した電気化学セルで構成されており、通常、この電気化学セルを多数積層してスタック化することにより、大容量の酸素富化器を構成している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
ところが、このようなスタック構造の酸素富化器の場合、各電気化学セル相互の接続（すなわち、各電極への電力供給機構）、或いは、ガスの給排気構造（酸素含有混合ガスの供給路や透過された酸素の排出路）が複雑化し、スタックが大型化するという問題を有していた。
例えば、特許文献１では、各電気化学セルの電極へ電力を供給するための電気配線が積層体の外側に配設された複雑な配線形態を有し、また、特許文献２では、積層体の外周部分に互いに連通しない複数のガス給排路が設けられた複雑なガス流通機構を有している。
【特許文献１】特開平６−１５０９４５号公報
【特許文献２】特開２００３−３０１２８９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、上記問題に鑑みなされたもので、各電気化学セル相互の接続構造、および、ガスの流通構造を簡素化することによりコンパクトな電気化学セルの積層体を提供することを目的とし、また、係る電気化学セルの積層体を用いたコンパクトで高効率の酸素富化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、電解質基板の表裏両面に一対の電極を形成した電気化学セルを、それぞれガス透過側の電極が対向するように枠状の支持基板の両面に接合すると共に、この接合体をスペーサーを介して複数積層した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に記載の電気化学セルの積層体において、前記スペーサーが前記接合体の両端に設けられ、当該スペーサーに導電部材が設けられ、当該導電部材により隣接する前記電気化学セルを電気的に接続したことを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３に記載の酸素富化器は、請求項１または請求項２の何れかに記載の電気化学セルの積層体を用いたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、両面に一対の電気化学セルが接合された支持基板の枠内空間を透過ガスのガス流路として利用できるため、透過ガスの流通路は極めて簡便な構造となる。
また、スペーサーにより生じる空間部を供給ガスの流通路とすることができるため、供給ガスの流通路も極めて簡便な構造となると共に、この流通路に外部からのガスが流通することにより、積層体内部に熱が籠もることを防止しながら各電気化学セルに効率良くガスを供給することができる。これにより、積層体を構成する複数の電気化学セルを効率的に利用でき、且つ、積層体自体もコンパクトにできる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明によれば、接合体の両端に設けたスペーサーを利用して隣接する電気化学セルを電気的に接続するようにしたので、電気化学セル相互の接続形態は極めて単純なものとなり、これにより、積層体のコンパクト化が可能となる。
【００１０】
また、請求項３に記載の本発明によれば、接合体の積層数により、必要酸素量に応じた様々な用途に対して容易に、且つ、コンパクトに対応できる酸素富化器を構成できる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の酸素富化器の実施形態を説明する。
図１は本実施形態による酸素富化器の外観を示し、図２は酸素富化器の要部構成を示し、図３、図４は電気化学セルの接続形態例を示し、図５は電気化学セルの構成を示している。
【００１２】
図２に示すように、本実施形態による酸素富化器２０は、四角形の電気化学セル１０と、この電気化学セル１０の外周部を支持する支持基板４とを備える。
【００１３】
電気化学セル１０は、図５に示すように、酸素イオン伝導性を有する薄板状の固体電解質１と、その表裏両面に配したアノード電極３とカソード電極２の一対の電極とで構成されている。
固体電解質１には、例えば、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｃ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ3等のランタンガレート系材料が用いられ、アノード電極３およびカソード電極２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。
【００１４】
電気化学セル１０では、４００〜８００℃の高温下においてアノード電極３とカソード電極２間に直流電圧を印加すると、固体電解質１がその一方の低電位電極面（カソード電極２側）から他方の高電位電極面（アノード電極３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。
【００１５】
支持基板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、枠内に電極部分が収まるようになっている。
【００１６】
本実施形態では、この支持基板４の両側にそれぞれガス透過側の電極（アノード電極３）が対向するように、上下一対の電気化学セル１０が配設・支持されていると共に、固体電解質１の外周部分が支持基板４の枠部に導電性のシール材１３（例えば、ガラス含有銀ペースト）にて接合されている。
支持基板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、固体電解質１やシール材１３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、本実施形態では、例えば、機械的加工性に優れるマシナブルセラミックスが用いられている。これにより、熱応力による電気化学セル１０の破損を防止できる。
【００１７】
固体電解質１を支持基板４に接合するには、固体電解質１と支持基板４の接合面に上記したガラス含有銀ペーストをスクリーン印刷し、両者を貼り合わせて約９００℃で焼成する。これにより、支持基板４の両面に電気化学セル１０が強固に密着された接合体８が得られる。
【００１８】
上記接合体８においては、支持基板４の両側に電気化学セル１０が接合されることで形成される枠内の空間部分がアノード電極３からの透過ガスが流通するガス流路５と成されていると共に、このガス流路５内を流通する透過ガスを支持基板４に設けたガス排気路７より枠外に取り出せるようになっている。
すなわち、図２に示すように、このガス排気路７の一端側は支持基板４の枠内に開放され、他端側は支持基板４の端部においてガス排気路７が板厚方向に２股に分岐してその各端部が支持基板４の両面において開放されており、これにより、支持基板４の枠内（ガス流路５内）と外部とを連通させるようになっている。
【００１９】
そして、この接合体８の両端に板状の絶縁性スペーサー６（例えば、マシナブルセラミックス）を対向配置し、これらスペーサー６と接合体８を交互に複数積み重ねることにより、図１に示す積層型の酸素富化器２０を構成することができる。
各スペーサー６には、上記した支持基板４のガス排気路７に連通するガス排気孔９が板厚方向に形成されており、上述のように接合体８とスペーサー６を交互に積層することにより、各接合体８内のガス流路５が各支持基板４のガス排気路７と各スペーサー６のガス排気孔９を介して酸素富化器２０外に連通するようになっている。
【００２０】
次に、この酸素富化器２０における複数の電気化学セル１０相互の接続形態（配線）を図３、図４に基づいて説明する。
【００２１】
図３（ａ）、（ｂ）は、支持基板４の両面に接合される電気化学セル１０同士が並列に接続され、並列接続されたもの同士が直列に接続される接続例を示し、図４（ａ）、（ｂ）は、全ての電気化学セル１０が直列に接続される接続例を示している。
【００２２】
図３（ａ）、図４（ａ）では、何れの場合も、各々電気化学セル１０間（電極間）の接続は、スペーサー６の表面に設けた導電膜１１（銀箔または銀膜）と、これら導電膜１１を接続する導電性の短絡板１２を用いて行われている。
すなわち、各電気化学セル１０において、外側の電極（カソード電極２）は、直接導電膜１１と電気的に接続され、内側の電極（アノード電極３）は支持基板４上に印刷された導電性のガラス含有銀ペースト（シール材１３）を介して導電膜１１に電気的に接続されるようになっている。
【００２３】
また、図３（ａ）、図４（ａ）において、＋を付したスペーサー６には直流電源Ｖの＋端子が接続され、−を付したスペーサー６には直流電源Ｖの−端子が接続される。
各電気化学セル１０の各電極相互の接続と、直流電源Ｖへの接続が上記のように成されることにより、支持基板４を挟んで対向する各電極２、３の内側の電極３を外側の電極２より高電位にすることができ、これにより、内側の電極３をアノード電極、外側の電極２をカソード電極として機能させることができる。
【００２４】
上記構成の酸素富化器２０では、図１に示すように、積層体の下方部より外部空気（酸素含有混合ガス）を流通させると、空気はスペーサー６により積層体内の縦方向に生じた空間部１４を通して上向きに流通し、この流通過程おいて各電気化学セル１０のカソード電極２側に空気が供給される。そして、固体電解質１を通過した透過ガス（酸素）は、各支持基板４内のガス流路５を流通し、スペーサー６のガス排気路７とスペーサー６のガス排気孔９を通して積層体の側部より外部に取り出すことができる。
また、酸素透過作用により酸素を奪われた空気は、スペーサー６による空間部１４を通して積層体の上端より外部に排出される。
尚、空間部１４内での空気の流通は、電気化学セル１０のジュール熱で空気が加熱されることにより生じる煙突効果を利用しても良く、或いは、給気ファン（図示せず）による強制給気としても良い。
【００２５】
以上、本実施形態によれば、両面に一対の電気化学セル１０が接合された支持基板４の枠内空間が透過ガス（酸素）のガス流路５として利用されるため、透過ガスの流通路を極めて簡便な構造にできる。
また、スペーサー６の間の空間部１４を外部供給ガス（空気）の流通路とすることにより、供給ガスの流通路もまた極めて簡便な構造とすることができると共に、この流通路に外部からの低温空気が積層体の下方から上方に流通することにより、各電気化学セルに効率良く空気を供給しながら積層体内部に熱が籠もることを防止することができる。これにより、積層体を構成する複数の電気化学セル１０を効率的に利用して高酸素濃度の空気を得ることができ、且つ、積層体自体もコンパクトにできる。
【００２６】
また、接合体８の両側に設けたスペーサー６を利用し、このスペーサー６部分において導電膜１１や短絡板１２を用いて隣接する電気化学セルを電気的に接続するようにしたので、従来のように、積層体の外部に専用の電気的接続機構を設ける構造に比べて、各電気化学セル１０相互の接続形態は極めて単純化され、これにより、積層体のコンパクト化が可能となる。
【００２７】
また、接合体８の積層数により、必要酸素量に応じた様々な用途に対して容易、且つ、コンパクトに対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による酸素富化器の外観斜視図。
【図２】同、酸素富化器の要部構成を示す分解斜視図。
【図３】（ａ）は電気化学セル相互の接続形態を示す説明図、（ｂ）はその接続回路。
【図４】（ａ）は電気化学セル相互の図３とは別の接続形態を示す説明図、（ｂ）はその接続回路。
【図５】電気化学セルの構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１  電解質基板（固体電解質）
２、３  電極
４  支持基板
６  スペーサー
１０  電気化学セル
１１  導電部材（導電膜）
１２  導電部材（短絡板）
２０  酸素富化器
【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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