(57)【要約】      （修正有）【課題】空気などの酸素混合ガス中から電気化学セルを用いて酸素を選択的に取り出し酸素濃度の高いガスを生成する酸素富化器に関し、コンパクトで生産性に優れる酸素富化器を提供する。【解決手段】表裏両面に電極を配した複数の電気化学セル１０と、これら電気化学セル１０を支持する支持基板２０とを備える。支持基板２０には、各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせて電気的直列状態に接続した複数の電気化学セル１０が支持されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏両面に電極を配した複数の電気化学セルと、これら電気化学セルを支持する支持基板とを備え、各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせて電気的直列状態に接続した複数の電気化学セルが前記支持基板に支持されていることを特徴とする酸素富化器。
【請求項２】
前記支持基板に、各電気化学セルに対応する複数の位置決め突起を形成すると共に、各位置決め突起に各電気化学セルの一端が支持されてそれぞれ斜め状に配置されており、その支持部分において各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせた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】
前記支持基板に、各電気化学セルに対応する複数の段部を階段状に連設すると共に、各段部に各電気化学セルが階段状に配置されており、その角部において各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせたことを特徴とする請求項１に記載の酸素富化器。
【請求項４】
前記電気化学セルに対向する前記支持基板の部位にガス透過孔を設けた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富化器。
【請求項５】
各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせた箇所において、表面電極と裏面電極の間に金属箔を含む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酸素富化器。
【請求項６】
前記電気化学セルが酸素イオン伝導性固体電解質の表裏両面に電極を配し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酸素富化器。
【請求項７】
前記電気化学セルが水素イオン伝導性固体電解質の表裏両面に電極を配し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用いて構成した酸素富化器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による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。
【０００３】
ところで、この種の酸素富化器では、複数の電気化学セルを同時に使用する場合、各電気化学セルの各電極を並列に接続する使用形態と、各電極を直列に接続する使用形態とがある。
前者の場合は、電極同士を接続するリード線やパターン配線等の導体に大電流が流れるため、その際の電力損失を極力軽減すべく、使用導体の電流容量や電気伝導性を考慮する必要があることから、小電流が故、電力損失が小さくて済む後者の使用形態が採用される場合が多い（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところが、直列接続の場合は、支持基板上に配置された複数の電気化学セルの各々表面電極と裏面電極同士をそれぞれリード線やパターン配線で間接的に接続することから、基板上において接続形態が複雑化すると共に、配線のため各電気化学セル間のクリアランスを十分確保しなければならず、よって、酸素富化器が大型化すると共に、生産性に劣るという問題があった。
【特許文献１】特開２００５−８９２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、コンパクトで生産性に優れる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】
【０００６】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、表裏両面に電極を配した複数の電気化学セルと、これら電気化学セルを支持する支持基板とを備え、各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせて電気的直列状態に接続した複数の電気化学セルが前記支持基板に支持されている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に記載の酸素富化器において、前記支持基板に、各電気化学セルに対応する複数の位置決め突起を形成すると共に、各位置決め突起に各電気化学セルの一端が支持されてそれぞれ斜め状に配置されており、その支持部分において各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせた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１に記載の酸素富化器において、前記支持基板に、各電気化学セルに対応する複数の段部を階段状に連設すると共に、各段部に各電気化学セルが階段状に配置されており、その角部において各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせた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１から請求項３までの何れかに記載の酸素富化器において、前記電気化学セルに対向する前記支持基板の部位にガス透過孔を設けた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酸素富化器において、各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせた箇所において、表面電極と裏面電極の間に金属箔を含む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酸素富化器において、前記電気化学セルが酸素イオン伝導性固体電解質の表裏両面に電極を配し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酸素富化器において、前記電気化学セルが水素イオン伝導性固体電解質の表裏両面に電極を配し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】
本発明によれば、複数の電気化学セルを直列接続する際、各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせて直接的に接続する構成としたので、従来のように、各電極間をリード線やパターン配線で接続する必要がなくなるため、各電気化学セル間に接続配線のためのクリアランスを設ける必要がなくなり、よって、コンパクト化が図れると共に、接続形態も極めて単純であることから、生産性の向上に大いに寄与できるものである。
また、各電気化学セルの接続は、支持基板上において各電気化学セルを斜め状、或いは階段状に支持することにより容易に成し得るものである。
また、電気化学セルに対向する支持基板の部位にガス透過孔を設けることにより、各電気化学セルへの空気等、酸素含有混合ガスの供給機構を簡素化できる。
また、各々表面電極と裏面電極同士を一部重ね合わせる際、表面電極と裏面電極の間に金属箔を介在することにより、各電極に加わる熱応力を低減させることができ、電気化学セルの割れを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１〜図３に基づいて本発明に係る酸素富化器の実施形態を説明する。
図１は、酸素富化器の第１の実施形態を示し、図２は酸素富化器の第２の実施形態を示し、図３、図４は酸素富化器に用いる電気化学セルの構成を示している。
【００１５】
図１に示すように、第１の実施形態の酸素富化器３０は、複数の電気化学セル１０と、それら電気化学セル１０を支持する支持基板２０とを有し、この支持基板２０の一方の面上に上記した複数の電気化学セル１０が電気的に直列に接続された状態で配置される構成となっている。上記支持基板２０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能を有するものであれば、如何なる素材を用いても良く、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できる。
【００１６】
上記電気化学セル１０としては、図３に示すような、酸素イオン伝導性固体電解質１ａの両面に電極２ａ（負極）および電極３ａ（正極）を配した酸素透過セル、或いは、図４に示すような、水素イオン伝導性固体電解質１ｂの両面に電極２ｂ（負極）および電極３ｂ（正極）を配した水素透過セルを用いることができる。
【００１７】
上記構成の各電気化学セル１０は、直流電源Ｖに対して直列に接続され、電圧が印加された時に、全ての電気化学セル１０が同じ方向に酸素を透過させるように電極間の接続が成されている。すなわち、支持基板２０には、各々表面の正極３と裏面の負極２同士を一部重ね合わせて接続した複数の電気化学セル１０が支持されている。
【００１８】
具体的には、図１に示すように、支持基板２０に各電気化学セル１０に対応する数の位置決め突起２１を設け、これら位置決め突起２１に各電気化学セル１０の一端を支持することにより、各位置決め突起２１の間に電気化学セル１０を斜め状に配置し、その支持部分Ａにおいてそれぞれ別の電気化学セル１０の正極３ａ（３ｂ）と負極２ａ（２ｂ）同士を一部重ね合わせるようにしている。尚、正極３ａ（３ｂ）と負極２ａ（２ｂ）の接続は、例えば、金属箔、金属ペースト等により両電極を接着することにより成される。
特に、上記のように正極３ａ（３ｂ）と負極２ａ（２ｂ）の重ね合わせ部分において、正極３ａ（３ｂ）と負極２ａ（２ｂ）の間に金属箔を介在すると、この金属箔が緩衝材として作用し、作動雰囲気下において各電極に加わる熱応力を低減させることができる。これにより、熱応力による電気化学セル１０の割れが防止され、酸素富化器３０の耐久性を向上させることができる。
【００１９】
また、図１（ｂ）に示すように、複数の電気化学セル１０に対向する支持基板２０の部位にガス透過孔２２（貫通孔）が形成されており、支持基板２０の裏側を流通する空気等の酸素含有混合ガスが、このガス透過孔２２を通して基板表側に配置される電気化学セル１０の電極側に供給されるようになっている。
【００２０】
このガス透過孔２２は図１（ｂ）のように、チップ搭載位置の全域に亘る大きな１個の孔としても良く、或いは、図示しないが、多数の小孔の集合としても構わない。何れにしても、このように、電気化学セル１０に対向する支持基板２０の部位にガス透過孔２２を設けることにより、各電気化学セル１０への空気の供給は容易に行える。
【００２１】
上記構成からなる酸素富化器３０において、電気化学セル１０に酸素透過セルを用いた場合は、図３に示すように、直列に接続された各電気化学セル１０に直流電圧（Ｖ）を印加することにより、上述のガス透過孔２２を通過した外部空気が、電気化学セル１０の負極２ａ側から正極３ａ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、正極３ａ側の空間における酸素濃度を高めることができる。
また、電気化学セル１０に水素イオン透過セルを用いた場合は、図４に示すように、直列に接続された各電気化学セル１０に直流電圧（Ｖ）を印加することにより、上述のガス透過孔２２を通過した外部空気（水蒸気を含む）が、電気化学セル１０の正極３ｂ側から負極２ｂ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、正極３ｂ側の空間における酸素濃度を高めることができる。
【００２２】
また、本実施形態の酸素富化器３０は、図２のように構成することもできる。
すなわち、本発明に係る酸素富化器３０の第２の実施形態では、支持基板２０に各電気化学セル１０に対応する複数の段部２０ａを階段状に連設すると共に、各２０ａ段部に各電気化学セル１０を階段状に配置し、その角部Ｂにおいて各々正極３と負極２同士を一部重ね合わせるようにしている。重ね合わせ部分は上記同様に金属箔、金属ペースにより接着される。
尚、本実施形態の場合も、図１と同様に、複数の酸素透過セル１０に対向する支持基板２０の部位にガス透過孔２２（貫通孔）が形成されており、外部を流通する空気等の酸素含有混合ガスが、このガス透過孔２２を通して酸素透過セル１０の負極側に供給されるようになっている。
【００２３】
以上のように、本実施形態では、複数の電気化学セル１０を直列接続する際、各々正極３ａ（３ｂ）と負極２ａ（２ｂ）同士を一部重ね合わせて直接的に接続する構成としたので、従来のように、各電極間をリード線やパターン配線で間接的に接続する必要はなくなるため、各電気化学セル間に接続配線のための十分なクリアランスを設ける必要がなくなり、これによりコンパクト化が図れると共に、電極同士の直接的な接続であるから、接続形態も極めて単純でり、よって、生産性の向上に大いに寄与できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る酸素富化器の第１の実施形態を示す模式図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図。
【図２】同、酸素富化器の第２の実施形態を示す模式図。
【図３】図１、図２の酸素富化器に用いる酸素透過セルの構成を示す断面図。
【図４】図１、図２の酸素富化器に用いる水素透過セルの構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１ａ  酸素イオン伝導性固体電解質
１ｂ  水素イオン伝導性固体電解質
２ａ、２ｂ  裏面電極（正極）
３ａ、３ｂ  表面電極（負極）
１０  電気化学セル
２０  支持基板
２０ａ  段部
２１  位置決め突起
２２  ガス透過孔
３０  酸素富化器
Ａ  支持部分
Ｂ  角部
【図１】
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【図２】
2007100116.tif 000004
【図３】
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【図４】
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