(57)【要約】【課題】装置をコンパクトにして、装置の立ち上げに要する予熱時間を短くすることができる電気化学式ガス濃縮器を提供すること。【解決手段】酸素濃縮本体部（５３）は、真空断熱容器（５）の開口部（３５）から、真空断熱容器（５）の内部（凹状部）（６７）に収容されるものであり、その上部のプレート（５５）からは、酸素取り出し管（１３）、空気導入管（１５）、支柱（６１）が突出している。プレート５５とその下部の酸素濃縮スタックとの間には、アルミナ系の円柱状の断熱プレートが配置されており、従って、この断熱プレートにより、真空断熱容器（５）の開口部（３５）側が覆われている構造となっている。【選択図】　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから特定ガスを分離して濃縮するガス濃縮部を備えた電気化学式ガス濃縮器において、
前記ガス濃縮部の少なくとも一部を、真空断熱容器により覆ったことを特徴とする電気化学式ガス濃縮器。
【請求項２】
前記真空断熱容器の壁部の厚み方向における熱伝導率が、０．０５［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］以下であることを特徴とする前記請求項１に記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項３】
前記真空断熱容器の構成材料が、熱伝導率３０［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］以下の金属材料であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項４】
前記ガス濃縮部を、前記真空断熱容器の凹状部内に収容し、前記凹状部の開口部を、断熱部材により覆ったことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項５】
前記断熱部材に、少なくとも、前記原料ガスを供給する供給穴と、前記特定ガスを取り出す取出穴とを設けたことを特徴とする前記請求項４に記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項６】
前記断熱部材は、真空断熱プレート又は断熱プレートであることを特徴とする前記請求項４又は５に記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項７】
前記ガス濃縮部と、前記断熱部材と、前記ガス濃縮部を加熱するヒータと、前記各ガスの流通のための配管とを一体とし、前記一体とした構成を、前記真空断熱容器の凹状部に収容可能としたことを特徴とする前記請求項４〜６のいずれかに記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項８】
前記ガス濃縮部は、前記原料ガスから特定ガスを分離して濃縮するガス濃縮セルを複数備えたガス濃縮スタックであることを特徴とする前記請求項１〜７のいずれかに記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項９】
前記特定ガスが酸素であることを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の電気化学式ガス濃縮器。
【請求項１０】
前記原料ガスが空気であることを特徴とする前記請求項１〜９のいずれかに記載の電気化学式ガス濃縮器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野や半導体製造等の工業用途などに使用できる酸素濃縮器等の電気化学式ガス濃縮器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気化学反応により、複数の成分から成る原料ガス（例えば空気）から、特定の種類のガス（特定ガス、例えば酸素）を取り出す電気化学式ガス濃縮器が知られている。
【０００３】
この電気化学式ガス濃縮器は、例えば、緻密性の固体電解質から成る固体電解質層（セラミック基板）と、その固体電解質層を挟むように両側に設けられた一対の触媒電極層（陽極層及び陰極層）と、一方の触媒電極層（例えば陽極層）を覆うとともに閉塞空間を形成するセパレータとから成る薄板状のセルを備えている。
【０００４】
また、濃縮の効率を高めるために、このセルを多層積層して成るガス濃縮スタックを備えるものもある。
上述した電気化学式ガス濃縮器は、通常２００℃〜１０００℃で作動するため、ガス濃縮スタックを加熱するヒータを備えるとともに、ガス濃縮スタックの周囲は、断熱のためにアルミナ系断熱材で覆われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミナ系断熱材は放熱ロスが大きいため、断熱効率を高めるには、アルミナ系断熱材の形状を大きくする必要があった。
そのため、装置が大型化し、装置の立ち上げに要する予熱時間が長くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、装置をコンパクトにして、装置の立ち上げに要する予熱時間を短くすることができる電気化学式ガス濃縮器を提供すること目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、原料ガス（例えば空気）から特定ガス（酸素ガス）を分離して濃縮するガス濃縮部（例えば酸素濃縮スタック）を備えた電気化学式ガス濃縮器（例えば酸素濃縮器）に関するものであり、本発明では、前記ガス濃縮部の少なくとも一部を、真空断熱容器により覆ったことを特徴としている。
【０００８】
本発明では、ガス濃縮部の少なくとも一部、例えばガス濃縮部の底部側や側部側を、断熱性能に優れた真空断熱容器で覆っているので、従来と比べて、装置をコンパクトにすることができる。
また、装置がコンパクトであるので、ヒータで作動温度に加熱する場合に、速やかに作動温度に達する。そのため、装置の立ち上げに要する予熱時間を短くすることができ、速やかに装置を作動させることができる。
【０００９】
尚、ガス濃縮部の覆う側としては、例えば側方側のみ、側方側及び底部側のみ、ガス濃縮部の周囲全体等が挙げられるが、覆う面積が広い方が、断熱性能が優れ且つ装置をコンパクトにできるので、好適である。
（２）請求項２の発明では、前記真空断熱容器の壁部の厚み方向における熱伝導率が、０．０５［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］以下であることを特徴としている。
【００１０】
本発明は、真空断熱容器の断熱性能を例示したものであり、本発明は、真空断熱容器の壁部の厚み方向における熱伝導率が、０．０５［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］以下であり、優れた断熱性能を有している。
そのため、従来のアルミナ系断熱材を使用した場合と比べて、電気化学式ガス濃縮器の容積を、一層コンパクトにすることができる。
【００１１】
（３）請求項３の発明では、前記真空断熱容器の構成材料が、熱伝導率３０［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］以下の金属材料であることを特徴としている。
本発明は、真空断熱容器の構成材料を例示したものであり、この構成材料としては、ステンレスを使用することができる。
【００１２】
（４）請求項４の発明では、前記ガス濃縮部を、前記真空断熱容器の凹状部内に収容し、前記凹状部の開口部を、断熱部材により覆ったことを特徴としている。
本発明は、ガス濃縮部を真空断熱容器内に収容した状態を例示したものである。本発明では、ガス濃縮部を真空断熱容器の凹状部内に収容し、その開口部を断熱部材で覆っているので、断熱性能が高く装置をより一層コンパクトにできるという利点がある。
【００１３】
（５）請求項５の発明では、前記断熱部材に、少なくとも、前記原料ガスを供給する供給穴と、前記特定ガスを取り出す取出穴とを設けたことを特徴としている。
従って、断熱部材によって開口部を覆った状態で、即ち、断熱性能を低下させることなく、ガス濃縮部に対して、（配管等を用い）供給穴を介して原料ガスを供給でき、また、ガス濃縮部から、（配管等を用い）取出穴を介して特定ガスを取り出すことができる。
【００１４】
（６）請求項６の発明では、前記断熱部材は、真空断熱プレート又は断熱プレートであることを特徴としている。
本発明は、断熱部材を例示したものであり、真空断熱プレートを用いる方が断熱性能に優れている。
【００１５】
尚、真空断熱プレートとは、断熱性の向上のために、内部に真空部分を備えた板状の部材であり、断熱プレートとは、例えば全体がセラミックからなり、内部に真空部分を備えていない板状の部材である。
（７）請求項７の発明では、前記ガス濃縮部と、前記断熱部材と、前記ガス濃縮部を加熱するヒータと、前記各ガスの流通のための配管とを一体とし、前記一体とした構成を、前記真空断熱容器の凹状部に収容可能としたことを特徴としている。
【００１６】
本発明は、ガス濃縮部等をどのように真空断熱容器に収容するかを例示したものである。
本発明では、ガス濃縮部と断熱部材とヒータと配管とを一体としたもの（例えば酸素濃縮本体部）を、真空断熱容器の凹状部に収容するので、装置の組立や分解が容易である。
【００１７】
つまり、別体に製造した真空断熱容器内に、例えば一体の酸素濃縮本体部を収容すれば良いので、製造工程を簡易化することができる。
（８）請求項８の発明では、前記ガス濃縮部は、前記原料ガスから特定ガスを分離して濃縮するガス濃縮セルを複数備えたガス濃縮スタックであることを特徴としている。
【００１８】
本発明は、ガス濃縮部の構成を例示したものであり、この様な構成により、効率よくガス濃縮を行うことができる。
（９）請求項９の発明では、前記特定ガスが酸素であることを特徴とする。
本発明は特定ガスを例示している。本発明では、例えば、原料ガスとして空気を用いて、酸素を濃縮することができる。
【００１９】
（１０）請求項１０の発明では、前記原料ガスが空気であることを特徴とする。
本発明は原料ガスを例示している。本発明では、原料ガスである空気から、例えば、酸素、窒素等を特定ガスとして取り出すことができる。
【００２０】
また、空気は、例えば電気化学式ガス濃縮器の外部から取り込むことができるので、特定ガスの濃縮コストを低減することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の電気化学式ガス濃縮器の実施の形態の例（実施例）を説明する。
（実施例１）
ａ）まず、本実施例の電気化学式ガス濃縮器を用いたガス濃縮システムを図１を用いて説明する。
【００２２】
図１に示すガス濃縮システムでは、ガス濃縮を行う電気化学式ガス濃縮器１として、固体電解質を利用して、空気中から電気化学的に酸素を濃縮して取り出すことができる酸素濃縮器が用いられる。
前記電気化学式ガス濃縮器１は、主要な構成として、酸素の濃縮を行う酸素濃縮スタック３と、酸素濃縮スタック３等を収容する真空断熱容器５と、真空断熱容器５の上部（従って酸素濃縮スタック３の上方）を覆う断熱プレート７とを備えている。尚、このガス濃縮システムでは、更に、酸素濃縮スタック３に電力を供給する電源部８と、真空断熱容器５内の温度を制御するヒータ制御部９とを備えている。
【００２３】
前記酸素濃縮スタック３は、酸素濃縮を行う最小の構成単位であるガス濃縮用セル１１（以下単にセルと記す：図３参照）が１０層積層されたものであり、酸素濃縮スタック３の中心部には、濃縮された酸素を取り出す酸素取り出し管１３が配置され、酸素濃縮スタック３の外周側には、酸素濃縮スタック３に空気を供給する空気導入管１５が配置されている。尚、空気導入管１５は、流量計１７を介して、空気を供給する空気ポンプ１９に接続されている。
【００２４】
前記電源部８は、酸素濃縮のために酸素濃縮スタック３に電力を供給する直流電圧源２１と、電流モニター（電流計）２３とから成る。
前記ヒータ制御部９は、真空断熱容器５内に配置されたヒータ２５（図４参照）を制御するものであり、ヒータ２５の温度の制御回路である温度調整器２７と、ヒータ２５の温度をマニュアルにて設定する操作器２９と、交流電源３１と、印加する電圧波形を表示するオシロスコープ３３とから成る。
【００２５】
ｂ）次に、前記電気化学式ガス濃縮器１の各構成を、図２〜図９を用いて詳細に説明する。
▲１▼まず、酸素濃縮スタック３を収容する真空断熱容器５について説明する。
図２に上面（上図）及び正面（下図）を示す様に、真空断熱容器５は、内径φ１００ｍｍ、外径φ１４０ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、底厚１０ｍｍのステンレス製の容器である。つまり、真空断熱容器５は、壁面及び底面が二重で、その二重壁の間の空間が真空になっており、上部に開口部３５を有する有底の円筒形の容器である。
【００２６】
本実施例では、真空断熱容器５を構成する金属材料として、熱伝導率が３０［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］以下のステンレスを用いており、内外の側壁３７、３９の間隔は２０ｍｍであるので、この真空断熱容器５の例えば側方における熱伝導率は、０．０５［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］以下である。
【００２７】
尚、真空断熱容器５の内外の側壁３７、３９には、真空断熱容器５の強度を増すために環状に凹部４１及び凸部４３が設けられており、外側の壁面３９には、左右一対の取手４５が設けられている。
▲２▼次に、酸素濃縮スタック３について説明する。
【００２８】
図３に断面を示す様に（縦方向の縮尺は拡大してある）、酸素濃縮スタック３は、酸素濃縮を行う最小の構成単位であるセル１１が１０層積層されて構成されたものである。このセル１１は、セラミック基板（固体電解質基板）４５の両側に陽極層４７及び陰極層４９を備えた電気化学素子５１と、セパレータ５２とから構成されている。
【００２９】
▲３▼次に、酸素濃縮スタック３を中心として、真空断熱容器５内に一体に収容される構成（酸素濃縮本体部）について説明する。
図４に酸素濃縮本体部の側面を又図５にヒータを除いた状態を示す様に、酸素濃縮本体部５３は、酸素濃縮スタック３と、断熱プレート７と、ヒータ２５と、１本の酸素取り出し管１３と、４本の空気導入管１５と、鉄製の３枚の円盤状のプレート５５、５７、５９と、各部材を組み付ける４本の支柱６１とを一体に組み付けたものである。
【００３０】
尚、酸素濃縮本体部５３の上部からは、酸素濃縮スタック３から伸びるリード線６３と、ヒータ２５から伸びるリード線７０とが引き出されている。
この酸素濃縮本体部５３は、図６に示す様に、真空断熱容器５の開口部３５から内部（凹状部）６７に収容されるものであり、その上部のプレート５５からは、前記酸素取り出し管１３、空気導入管１５、支柱６１が突出している。尚、空気導入管１５と支柱６１とは、それぞれ中心から９０度間隔で配置されている。
【００３１】
また、前記断熱プレート７は、外径φ９９ｍｍ、高さ５０ｍｍのアルミナからなる円柱状の断熱部材であり、その中央には、酸素取り出し管１３が貫通する１本の貫通孔６５が開けられるとともに、その周囲には、空気導入管１５が貫通す４本の貫通孔６７が開けられている。
【００３２】
更に、前記ヒータ２５は、内径φ９０．５ｍｍ、外径φ９６．５ｍｍのアルミナからなる円筒状の基材６９の外周面に、電熱線７０が複数回巻かれたものであり、このヒータ２５を酸素濃縮スタック３の周囲に配置することにより、酸素濃縮スタック３の加熱を行う。
【００３３】
ｃ）次に、本実施例の電気化学式ガス濃縮器１の動作を簡単に説明する。
▲１▼図１に示す様に、空気ポンプ１９により、空気導入管１５に空気を送り込む。この空気は、流量計１７を介して空気導入管１５を通過し、酸素濃縮スタック３に供給される。
【００３４】
▲２▼それとともに、ヒータ２５を用いて、真空断熱容器３内の温度を７５０°とする。ヒータ２５の発熱量は、ヒータ制御部９により調整する。
▲３▼また、電源部８により、酸素濃縮スタック３に所定の電流（例えば２０Ａ）を流す。つまり、酸素濃縮スタック３を構成する１０個のセル１１のうち、最下層のセル１１の陰極層４９と、最上層のセル１１の陽極層４７との間に電流を流す。
【００３５】
上述した手順▲１▼〜▲３▼により、前記酸素濃縮スタック３において、酸素濃縮が実行される。
つまり、図３に示す様に、それぞれのセル１１の陰極層４９側で、空気導入管１５から供給された空気中の酸素が電気分解されて酸素イオンが発生し、その酸素イオンは、陰極層４９と陽極層４７との間に印加された電圧により、電気化学素子５１を透過して、陽極層４７側（セル内空隙７１側）に至る。陽極層４７において、酸素イオンは再結合して酸素分子となり、セル内空隙７１に濃縮される。
【００３６】
各セル１１のセル内空隙７１は連通しており、酸素取り出し管１３に接続しているので、各セル１１で発生した酸素は、酸素取り出し管１３から取り出される。
ｄ）次に、本実施例の電気化学式ガス濃縮器１の奏する効果を説明する。
【００３７】
本実施例では、酸素濃縮スタック３は、その全体が真空断熱容器５内に収容されているので、従来のアルミナ系断熱容器に収容した場合と比べて、断熱効率が高い。これにより、放熱ロスを抑えることができ、装置をコンパクトにすることができる。その結果、装置の立ち上げに要する予熱時間を短くすることができる。
【００３８】
また、本実施例では、酸素濃縮スタック３の上部、即ち真空断熱容器５の開口部３５は、断熱プレート７で覆われているので、この点からも放熱ロスを低減できるという利点がある。
＜実験例＞
次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例１〜４について説明する。尚、実験例１、２が、前記実施例に相当する本発明例であり、実験例３、４が従来例に相当する比較例である。
【００３９】
▲１▼実験例１
前記実施例と同様に、平板状のセルを１０層積層した酸素濃縮スタックと、アルミナ系断熱材からなる断熱プレートと、ヒータなどとを一体化した酸素濃縮本体部を、真空断熱容器内に収容した。
【００４０】
そして、空気ポンプから出された空気を、４つの経路に分けて各層のセルに供給した。尚、空気供給量は、流量計で５．０Ｌ／ｍｉｎに調整した。
また、ヒータに電流を流して、真空断熱容器内を７００℃に温度に設定した。更に、セルに電圧を印加し、２０Ａの電流を流して、毎分７６０ｍｌの酸素濃縮を行った。
【００４１】
そして、この酸素濃縮時に１０セルに印加されている電圧値（Ｅ）と電流値（Ｉ：２０Ａ）から、セルで消費される電力Ｐ１（＝Ｅ×Ｉ）を求めた。
また、その時にオシロスコープで読み取ったヒータ印加電圧の波形と、ヒータ抵抗値とから、下記式（１）に基づいて、ヒータに要する消費電力Ｐ２を求めた。
【００４２】
【数１】
2004051392.tif 000003
但し：　　Ｔ　　　：時間［秒］
Ｖ（ｔ）：電圧［Ｖ］
Ｒ　　　　　　：抵抗［Ω］
そして、セルで消費される電力Ｐ１とヒータ加熱に要する電力Ｐ２とを加え、電気化学式ガス濃縮器全体の消費電力Ｐ３求めた。
【００４３】
その結果を、下記表１に記す。
▲２▼実験例２
前記実験例１と同様な電気化学式ガス濃縮器を用い、同じ空気供給量で、ヒータに２５０Ｗの電力を供給して、真空断熱容器内の温度が７００℃に達するまでの時間（立ち上がり時間）を測定した。
【００４４】
その結果を、同じく下記表１に記す。
▲３▼実験例３
前記実験例１で用いた真空断熱容器の代わりに、アルミナ系断熱容器を用い、このアルミナ系断熱容器に、前記実験例１と同様な酸素濃縮本体部を収容し、同様な実験条件で、電気化学式ガス濃縮器全体の消費電力Ｐ３求めた。
【００４５】
尚、アルミナ系断熱容器の構成材料として、主成分がアルミナからなる熱伝導率が０．１７［Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１］のものを用いており、上部に開口部を有する有底の円筒形の容器である。
その結果を、同じく下記表１に記す。
【００４６】
▲４▼実験例４
前記実験例３と同様な電気化学式ガス濃縮器を用い、同じ空気供給量で、ヒータに２５０Ｗの電力を供給して、真空断熱容器内の温度が７００℃に達するまでの時間（立ち上がり時間）を測定した。
【００４７】
その結果を、同じく下記表１に記す。
【００４８】
【表１】
2004051392.tif 000004
この表１から明らかな様に、本実施例の構成を有する電気化学式ガス濃縮器（本発明例）は、比較例のものと比べて、装置（容器）がコンパクトである。具体的には、本発明例では、容器の外径における容積が、比較例の２１．７％と小さい。
【００４９】
また、本発明例では、装置がコンパクトであることにより、装置の立ち上がり時間が、比較例の６０分と比べて１２分と極めて短く、好適であることが分かる。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
【００５０】
前記実施例１では、真空断熱容器の開口部を覆う断熱部材として、アルミナ製の断熱プレートを用いたが、本実施例では、それに代えて、真空断熱容器と同様な構造の真空断熱プレートを用いる。
図９に示す様に、本実施例で用いる真空断熱プレート７２とは、外径φ９９ｍｍ、高さ１０ｍｍのステンレス製のプレートであり、真空断熱容器と同様に、上下の壁部７３、７５に挟まれた空間は真空とされている。
【００５１】
この真空断熱プレート７２にも、前記実施例１の断熱プレートと同様に、その中央には、酸素取り出し管が貫通する１本の貫通孔７７が開けられるとともに、その周囲には、空気導入管が貫通する４本の貫通孔７９が開けられている。
本実施例では、真空断熱容器の開口部を覆う断熱部材として、真空断熱プレート７２を用いるので、断熱性能が高く、装置を一層コンパクトにできるという利点がある。
【００５２】
尚、本発明は前記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない限り、種々の態様で実施できることはいうまでもない。
（１）例えば原料ガスは、空気以外のガス（例えば、天然ガス中のメタンを部分酸化した一酸化炭素と水素との混合ガス、水を分解した後の水素と酸素との混合ガス）であってもよい。
【００５３】
（２）また、特定ガスは、例えば、水素であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の電気化学式ガス濃縮器のシステム構成を示す説明図である。
【図２】実施例１の真空断熱容器の上面及び正面を示す説明図である。
【図３】実施例１の酸素濃縮スタックの断面を示す説明図である。
【図４】実施例１の酸素濃縮本体部の正面を示す説明図である。
【図５】実施例１の酸素濃縮本体部からヒータを除いた状態を示す説明図である。
【図６】実施例１の酸素濃縮本体部を真空断熱容器に収容した状態を示す斜視図である。
【図７】実施例１の断熱プレートを示す斜視図である。
【図８】実施例１のヒータを示す斜視図である。
【図９】実施例２の真空断熱プレートを示す斜視図である。
【符号の説明】
１・・・電気化学式ガス濃縮器
３・・・酸素濃縮スタック
５・・・真空断熱容器
７・・・断熱プレート
１１・・・ガス濃縮用セル
１３・・・酸素取り出し管
１５・・・空気導入管
２５・・・ヒータ
５３・・・酸素濃縮本体部
７２・・・真空断熱プレート
【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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【図９】
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