(57)【要約】【課題】電極全面利用して酸素を効率的に透過させることができる電気化学セルを備えた酸素富化器を提供することを課題とするものである。【解決手段】板状の電解質基板１０に、当該電解質基板の表裏面にカソード電極２ｂとアノード電極２ａとを対にして形成した電気化学セル３を複数組配設した酸素富化器とし、かつ上記電極２をそれぞれ細長状に形成するとともに、上記複数組の電気化学セル３を、一の上記電気化学セル３の電極２の一端部と、他の上記電気化学セル３の電極２の他端部とを順次接続することにより、直列に接続した。また、上記複数組の電気化学セル３が配設されてなる酸素透過板１と、この酸素透過板１に対向して配設されるとともに、上記アノード電極２ａに対応する位置に、上記酸素透過板１を透過した酸素が充填される酸素流通部４２を気密的に形成したセパレータ４とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の電解質基板に、当該電解質基板の表裏面にカソード電極とアノード電極とが対になって形成された電気化学セルが複数組配設された酸素富化器であって、
上記電極は、それぞれ細長状に形成されており、かつ上記複数組の電気化学セルは、一の上記電気化学セルの電極の一端部と、他の上記電気化学セルの電極の他端部とが順次接続されることにより、直列に接続されていることを特徴とする酸素富化器。
【請求項２】
上記複数組の電気化学セルが配設されてなる酸素透過板と、この酸素透過板に対向して配設されるとともに、上記アノード電極に対応する位置に、上記酸素透過板を透過した酸素が充填される酸素流通部が気密的に形成されたセパレータとを有してな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】
上記セパレータは、上記酸素流通部の周囲が結晶化ガラスによって上記酸素透過基板と一体化されることにより上記酸素流通部が気密的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の酸素富化器。
【請求項４】
上記結晶化ガラスは、角のない枠体状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の酸素富化器。
【請求項５】
上記複数組の電気化学セルは、上記電解質基板の表面にアノード電極が形成されるとともに、上記電解質基板の裏面にカソード電極が形成された第１の電気化学セル群と、上記電解質基板の表面にカソード電極が形成されるとともに、上記電解質基板の裏面にアノード電極が形成された第２の電気化学セル群とに区分けされ、かつ
上記第２の電気化学セル群のカソード電極と上記第１の電気化学セル群のアノード電極とは、上記電解質基板の表面側において直列に接続されるとともに、上記第１の電気化学セル群のカソード電極と上記第２の電気化学セル群のアノード電極とは、上記電解質基板の裏面側において直列に接続されてなり、
上記セパレータは、上記酸素透過板の表面及び裏面にそれぞれ対向して配設されるとともに、上記上記酸素透過板の対向面において、上記酸素流通部と上記アノード電極に対応する位置に上記酸素含有ガスが流入可能な酸素取込部とが区分けされて形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の酸素富化器。
【請求項６】
上記酸素透過板と上記セパレータとがそれぞれ複数枚積層されてなり、かつ
上記複数枚のセパレータに形成された上記酸素排出部に連通するとともに、上記積層された酸素透過板とセパレータとに貫通するマニホールドと、上記セパレータに形成され、上記マニホールドに連通するとともに、当該マニホールド内の酸素を外部に供給する酸素流通路とが設けられていることを特徴とする請求項５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】
従来から、上記酸素富化器によって電気化学反応により空気等の酸素含有ガス中から酸素を分離し、選択的に取り出すことができることが知られており、近年、エアコンなどの家庭用の電気機器類において、この酸素富化器を用いて、簡易的に室内を酸素富化雰囲気にする試みがなされている。
【０００３】
上述の酸素富化器は、酸素富化雰囲気の形成に際し、一定量以上の酸素が必要となるため、例えば、特許文献１に示すように、支持基板上に複数の正方形状の電気化学セルを配置するとともに、これらの電気化学セルにおける正方形状の表面電極と正方形状の裏面電極とを直列に電気接続することによって構成されている。
【０００４】
しかしながら、上記酸素富化器は、表面電極の中央部から裏面電極の中央部に向けて電流が流れ、電流が電極全面に流れないために、電極全面を利用して酸素を透過させることができず、電気化学セルの酸素透過効率が低下してしまうという重大な欠点がある。
【０００５】
加えて、上記電気接続は、リード線やパターン配線等の導体によって支持基板の表面側と裏面側とに位置する表面電極の中央部と裏面電極の中央部とを間接的に接続することによって行われ、配線接続が複雑化してしまう。このために、上記電気接続による酸素富化器は、生産性に劣るだけでなく、電気化学セルの間に上記配線接続のためのクリアランスが必要になり、装置全体が平面方向に拡大し、大型化してしまうという欠点がある。
【０００６】
さらに、このように複数の電気化学セルを平面上に設置した場合、設置される電気化学セルのセル数にも限界があるため、供給可能な酸素量にも上限があるという問題がある。
【０００７】
【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】
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、電極全面利用して酸素を効率的に透過させることができる電気化学セルを備えた酸素富化器を提供することを課題とするものである。これに加えて、簡易な配線接続を可能にするとともに、複数の電気化学セルを立体的に設置可能にすることにより、コンパクトでありながら必要量の酸素を取り出すことができる酸素富化器を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の発明に係る酸素富化器は、板状の電解質基板に、当該電解質基板の表裏面にカソード電極とアノード電極とが対になって形成された電気化学セルが複数組配設された酸素富化器であって、上記電極は、それぞれ細長状に形成されており、かつ上記複数組の電気化学セルは、一の上記電気化学セルの電極の一端部と、他の上記電気化学セルの電極の他端部とが順次接続されることにより、直列に接続されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、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、上記複数組の電気化学セルが配設されてなる酸素透過板と、この酸素透過板に対向して配設されるとともに、上記アノード電極に対応する位置に、上記酸素透過板を透過した酸素が充填される酸素流通部が気密的に形成されたセパレータとを有してなることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の酸素富化器において、上記セパレータは、上記酸素流通部の周囲が結晶化ガラスによって上記酸素透過基板と一体化されることにより上記酸素流通部が気密的に形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
さらには、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の酸素富化器において、上記結晶化ガラスが角のない枠体状に形成されていることを特徴としている。
【００１３】
さらにまた、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の酸素富化器において、上記複数組の電気化学セルは、上記電解質基板の表面にアノード電極が形成されるととも、上記電解質基板の裏面にカソード電極が形成された第１の電気化学セル群と、上記電解質板の表面にカソード電極が形成されるとともに、上記電解質基板の裏面にアノード電極が成された第２の電気化学セル群とに区分けされ、かつ上記第２の電気化学セル群のカソード電極と上記第１の電気化学セル群のアノード電極とは、上記電解質基板の表面側において直列に接続されるとともに、上記第１の電気化学セル群のカソード電極と上記第２の電気化学セル群のアノード電極とは、上記電解質基板の裏面側において直列に接続されてなり、上記セパレータは、上記酸素透過板の表面及び裏面にそれぞれ対向して配設されるとともに、上記上記酸素透過板の対向面において、上記酸素流通部と上記アノード電極に対応する位置に上記酸素含有ガスが流入可能な酸素取込部とが区分けされて形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の酸素富化器において、上記酸素透過板と上記セパレータとがそれぞれ複数枚積層されてなり、かつ上記複数枚のセパレータに形成された上記酸素排出部に連通するとともに、上記積層された酸素透過板とセパレータとに貫通するマニホールドと、上記セパレータに形成され、上記マニホールドに連通するとともに、当該マニホールド内の酸素を外部に供給する酸素流通路とが設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、電極を細長状に形成するとともに、一の上記電気化学セルの電極の一端部と、他の上記電気化学セルの電極の他端部とを順次接続することにより、複数組の電気化学セルを直列に接続したため、同一電流量を供給した並列接続の場合と異なり、電極対の組数だけ多量の酸素を分離、供給することができるとともに、各電極の一端部から他端部に向けて電流を電極全面に行き渡らせることができる。このため、酸素を電流と逆方向に電極全面を利用して電気化学セルを透過させることができ、酸素富化器によって効率的に酸素含有ガスから酸素を分離、供給することができる。
【００１６】
さらには、電解質基板の表裏面にカソード電極とアノード電極とをそれぞれ対にして形成することにより複数組の電気化学セルを構成したため、電解質基板の表裏面に複数本のカソード電極と複数本のアノード電極をパターン形成することによって、簡易に複数の電気化学セルを設けることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、酸素透過基板及びそれに対向して、アノード電極に対応する位置に酸素流通部が気密的に形成されたセパレータを配設したため、酸素透過基板を透過した酸素を酸素流通部に一時的に充填することができる。
このため、酸素流通部から酸素を外部に供給することによって、外部に酸素富化雰囲気を形成することができる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明によれば、上記セパレータの上記酸素流通部の周囲を、例えば、電解質基板と熱膨張係数が近似する結晶化ガラスを用いて、上記酸素透過板と一体化させることにより、電極反応により４００℃〜８００℃に加熱される際のセパレータと電解質基板との相対的な熱歪みの発生を抑止することができる。
【００１９】
他方、この結晶化ガラスが角を有する枠体状に形成されている場合には、結晶化ガラスと電解質基板との熱膨張係数が異なると、角部を構成する２本の線状方向の両者間の熱応力が角部に集中して作用するため、角部において局部的に電解質基板に割れが生じやすくなってしまう。そこで、請求項４に記載の発明によれば、結晶化ガラスを角のない枠体状に形成することによって、結晶化ガラスと電解質基板との熱膨張係数が異なる場合にも、熱応力が分散して作用するため、熱歪みが部分的に集中し、電解質基板に割れが生じることを防止できる。
【００２０】
さらに、請求項５に記載の発明によれば、複数組の電気化学セルを第１の電気化学セル群と第２の電気化学セルとに区分けすることによって、第２の電気化学セル群の電解質基板の表面に形成されたカソード電極と、第１の電気化学セル群の電解質基板の表面に形成されたアノード電極とを電解質基板の表面側において接続することができ、かつ第１の電気化学セル群の電解質基板の裏面に形成されたアノード電極と、第２の電気化学セル群の電解質基板の裏面に形成されたカソード電極とを電解質基板の裏面側において接続することができる。
このため、電解質基板の表面側から裏面側に配線接続する必要がなく、各電極を電解質基板の表面側又は裏面側において簡易に配線接続することができる。その結果、電極同士を近接させてパターン形成することにより、複数の電気化学セル同士を近接して配設することができるため、単位面積あたりの電気化学セル数を著しく増加させることができるとともに、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２１】
また、酸素透過板の表面及び裏面にそれぞれ対向するようにセパレータを配設し、セパレータにおける第１の電気化学セル群及び第２の電気化学セル群のカソード電極に対応する位置に酸素含有ガスが流入可能な酸素取込部を形成することによって、第１の電気化学セル群及び第２の電気化学セル群のカソード電極側からアノード電極側に酸素を選択的に透過させることができる。
【００２２】
このため、第１の電気化学セル群においては、電解質基板の裏面側のセパレータにおける酸素取込部の酸素を選択的に透過し、電解質基板の表面側のセパレータにおける酸素流通部に供給するとともに、第２の電気化学セル群においては、電解質基板の表面側のセパレータにおける酸素取込部の酸素を選択的に透過し、電解質基板の裏面側のセパレータにおける酸素流通部に供給することができる。
さらには、上述のように、複数の電気化学セルを第１の電気化学セル群と、第２の電気化学セル群とに区分けするとともに、酸素透過板の表面及び裏面に対向して配設したセパレータの酸素透過板の対向面を酸素取込部と酸素流通部とに区分けすることにより、酸素透過板とセパレータとを立体的に積層可能にすることができ、その結果、酸素富化雰囲気の形成に際し、必要となる酸素量を上限なく供給することができる。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明によれば、酸素透過板とセパレータとをそれぞれ複数枚積層させ、酸素透過板とセパレータとに貫通するマニホールドを設け、このマニホールドを複数枚のセパレータに形成された酸素排出部に連通させることによって、各酸素透過板から酸素流通部に供給された酸素を、酸素排出部からマニホールドを通じて外部に供給することができる。その結果、マニホールドに連通する酸素流通路を形成することにより、効率的に多量の酸素を供給することができるとともに、酸素透過板とセパレータとが積層された装置本体の外部に他の配管を設置する必要がないため、装置本体をコンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る酸素富化器について、図１ないし図５を用いて、説明する。
本実施形態の酸素富化器は、図１に示すように、固体電解質（電解質基板）１０の表裏面に一対の電極２が複数形成された矩形板状の複数枚（図では２枚）の酸素透過板１と、これらの酸素透過板１の表面及び裏面にそれぞれ対向して、上記酸素透過板１よりも外回り寸法の大きい矩形板状の複数枚（図では３枚）のセパレータ４とがそれぞれ交互に積層されることにより概略構成されている。
【００２５】
この酸素透過板１は、固体電解質１０及びその表裏面に形成された一対の電極２により構成される電気化学セル３が偶数組（図では１０組）設けられている。この偶数組の電気化学セル３は、図２に示すように、固体電解質１０の表面にアノード電極２ａが形成されるとともに、固体電解質１０の裏面にカソード電極２ｂが形成された第１の電気化学セル群３１と、固体電解質１０の表面にカソード電極２ｂが形成されるとともに、固体電解質１０の裏面にアノード電極２ａが形成された第２の電気化学セル群３２とに区分けされる。そして、図中左側に第１の電気化学セル群３１が形成されるとともに、所定幅の間隔をおいて図中右側に第２の電気化学セル群３２が形成されている。
【００２６】
この第１の電気化学セル群３１は、図３に示すように、固体電解質１０の表面に、５本の細長矩形状のアノード電極２０ａ〜２８ａがそれぞれ図中上下方向に向けて形成されており、各アノード電極２０ａ〜２８ａが順次外周部から中央部に向けて一定の間隔をおいて横一列に平行に並べて形成されている。また、固体電解質１０の裏面に、各アノード電極２０ａ〜２８ａと対になる５本の細長矩形状のカソード電極２０ｂ〜２８ｂが形成されており、各カソード電極２０ｂ〜２８ｂが順次外周部から中央部に向けて一定の間隔をおいて横一列に平行に並べて形成されている。
同様に、第２の電気化学セル群３２は、固体電解質１０の表面に、５本の細長矩形状のカソード電極２１ｂ〜２９ｂがそれぞれ図中上下方向に向けて形成されており、各電極２１ｂ〜２９ｂが順次外周部から中央部に向けて一定の間隔をおいて横一列に平行に形成されている。また、固体電解質１０の裏面に、各カソード電極２１ｂ〜２９ｂと対になる５本の細長矩形状のアノード電極２１ａ〜２９ａが順次外周部から中央部に向けて一定の間隔をおいて横一列に平行に形成されている。
【００２７】
そして、固体電解質１０の表面外周部に直流電源の電極端子が設けられ、この電極端子のプラス極は、固体電解質１０の表面において第１の電気化学セル群３１の第１のアノード電極２０ａの長手方向の一端部（図中下側）に配線接続されている。また、第１のアノード電極２０ａと対になっている第１のカソード電極２０ｂは、その長手方向の他端部（図中上側）が固体電解質１０の裏面の図中上側において、第２の電気化学セル群３２の第２のアノード電極２１ａの一端部（図中上側）に接続されている。次いで、この第２のアノード電極２１ａと対になっている第２のカソード電極２１ｂは、その長手方向の他端部（図中下側）が固体電解質１０の表面の図中下側において、第１の電気化学セル群３１の第３のアノード電極２２ａの一端部（図中下側）に接続されている。同様に、第３のカソード電極２２ｂの他端部（図中上側）が第４のアノード電極２３ａの一端部（図中上側）に接続され、第４のカソード電極２３ｂの他端部（図中下側）が第５のアノード電極２４ａの一端部（図中下側）に接続され、次いで、電極２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ、２９ａ及び、第２の電気化学セル群３２の第１０のカソード電極２９ｂに接続された後、当該カソード電極２９ｂの他端部（下側）が固体電解質１０の表面において電極端子の−極に接続されている。
【００２８】
換言すると、第１の電気化学セル群３１のカソード電極２ｂの他端部（図中上側）が固体電解質１０の裏面の図中上側において、第２の電気化学セル群３２のアノード電極２ａの一端部（図中上側）に接続されるとともに、第２の電気化学セル群３２のカソード電極２ｂの他端部（図中下側）が固体電解質１０の表面の図中下側において、第１の電気化学セル群３２のアノード電極２ａの一端部（図中下側）に接続されている。
また、全ての電気化学セル３は、上述のように、第１のカソード電極２０ｂの他端部が第２のアノード電極２１ａの一端部に接続されることにより、すなわち一の上記電気化学セル３のアノード電極２ａの一端部と、他の上記電気化学セル３のカソード電極２ｂの他端部とが順次接続されることにより、直列に接続されている。
【００２９】
これにより、アノード電極２ａの一端部からカソード電極２ｂの他端部に向けて細長状の電極全面に電流が行き渡るとともに、電極全面を利用して酸素が電流と逆方向に効率的に透過するようになっている。このため、第１の電気化学セル群３１においては、酸素が固体電解質１０の裏面から表面に透過するとともに、第２の電気化学セル群においては、酸素が固体電解質１０の表面から裏面に透過するようになっている。
【００３０】
ここで、上記アノード電極２ａ及びカソード電極２ｂは、それぞれ幅に対する長さが１：１５〜１：２０（例えば、幅０．３ｃｍに対する長さが５ｃｍ）の範囲にある細長矩形状に形成されている。このため、例えば幅０．３ｃｍ、長さ５ｃｍ（面積１．５ｃｍ2）の電極２が１０組形成された酸素透過基板１は、各電極２ａ、２ｂに１Ａの電流を供給した場合、電気化学セル３の１ｃｍ2辺りの酸素透過量が３ｃｃ／ｍｉｎになるため、３ｃｃ／ｍｉｎ×１．５（面積）×１０（電極組数）＝４５ｃｃ／ｍｉｎの酸素が透過することとなる。よって、酸素富化器として、この酸素透過板１が２枚積層された場合には、９０ｃｃ／ｍｉｎの酸素が供給され、外部に酸素雰囲気を形成するようになっている。
【００３１】
上記アノード電極２ａ及びカソード電極２ｂは、図４に示すように、それぞれ固体電解質１０上に形成された反応電極１１ａ、１１ｂと、その外側に形成された給電電極１２ａ、１２ｂとの２層構造になっており、それぞれスクリーン印刷等によって固体電解質１０の上に形成される。なお、反応電極１１ａ、１１ｂは、電気化学反応の場となる電極２（カソード、アノード）となり、給電電極１２ａ、１２ｂは、外部から電流を供給するための電極２となるものである。
【００３２】
ここで、上記反応電極１１ａ、１１ｂとしては、（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＢａ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3等が用いられるとともに、上記給電電極１２ａ、１２ｂとしては、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の多孔質体が用いられている。また、上記固体電解質１０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ている。
【００３３】
他方、上記セパレータ４は、その酸素透過板１の対向面において、図５（ａ）に示すように、図中右側半分であって、第２の電気化学セル群３２のカソード電極２ｂに対応する位置に、カソード電極２ｂの長手方向に沿って形成された溝（酸素取込部）４１を有している。同様に、図５（ｂ）に示すように、図中左側半分であって、第１の電気化学セル群３１のカソード電極２ｂに対応する位置に、カソード電極２ｂの長手方向に沿って形成された溝（酸素取込部）４１を有している。これらの溝４１は、その長手方向の両端部が上記セパレータ４の外周部において開口しており、外界の空気（酸素含有ガス）が流入可能になっている。
【００３４】
また、上記セパレータ４は、酸素透過板１の対向面において、図５（ａ）に示すように、図中左側半分の中央部であって、第１の電気化学セル群３１のアノード電極２ａに対応する位置に、断面矩形状の凹部（酸素流通部）４２が形成されている。同様に、図５（ｂ）に示すように、図中右側半分の中央部であって、第２の電気化学セル群３２のアノード電極２ａに対応する位置に、断面矩形状の凹部（酸素流通部）４２が形成されている。
さらに、これらの凹部４２に連通する酸素の流出口（酸素排出部）４２ａが上記凹部４２と上記溝４１との間に形成されている。
さらに、セパレータ４は、その外周に、上記酸素透過板１の電極端子に対応するように凹部４３が形成されており、その四隅に、位置合わせ用のピンの挿通孔４４が穿設されている。
【００３５】
次いで、上記セパレータ４は、上記凹部４２の周囲がＬａを含有し、かつランタンガレート系材料からなる固体電解質１０と熱膨張係数（ランタンガレートの熱膨張係数１０．８１０-6／Ｋ）が近似する結晶化ガラス４５によって上記固体電解質１０に気密的に一体化される。この凹部４２の周囲の結晶化ガラス４５は、各角部が湾曲状に形成された矩形枠状に形成されている。同様に、この結晶化ガラス４５によって、溝４１の近傍のセパレータ４の外周部が固体電解質１０に一体化される。
【００３６】
この結晶化ガラス４５として、Ｌａを含有するものを用いることにより、セパレータ４と固体電解質１０とが強固に密着、一体化されるとともに、固体電解質１０に熱膨張係数が近似するものを用いることにより、電極反応によって４００℃〜８００℃に加熱される際のセパレータ４と固体電解質１０との熱歪みを抑止する。また、各角部を湾曲状に形成したため、熱応力が各角部において湾曲ラインに沿って分散して作用し、局部的に熱歪みが生じ、固体電解質１０に割れが生じることが防止される。
【００３７】
これにより、２枚の酸素透過板１及び３枚のセパレータ４は、それぞれ上記セパレータ４に形成された流出口４２ａが平面方向において同一位置に配設されるように積層されている。また、酸素透過板１を構成する固体電解質１０にも、第１の電気化学セル群３１と第２の電気化学セル群３２との間であって、かつ上記流出口４２ａに対応する位置に、酸素流通口１０ａが形成されている。
このため、流出口４２ａと酸素流通口１０ａとにより、酸素透過板１とセパレータ４とを貫通するマニホールド５が形成される。
【００３８】
さらに、上記積層方向の中央部に位置するセパレータ４には、上記流出口４２ａから当該セパレータ４の外周に向けて酸素流通路５０が形成されており、この酸素流通路５０に連通する酸素取出管６が設けられている。
なお、上記セパレータ４間には、上記固体電解質１０の外周部に対応する位置であって、かつ上記凹部４３を除く位置に金属膜からなる起動用ヒータ（図示を略す）が介装されている。
【００３９】
また、本発明の酸素富化器は、上述の実施の形態によって何ら限定されるものではない。例えば、図６に示すように、中央部に空洞（酸素流通部）８０が形成されたセパレータ８の表裏面にそれぞれ酸素透過板７が配設されていてもよい。この場合には、酸素透過板７は、それぞれアノード電極７ａが内面に形成されるとともに、カソード電極７ｂが外面に形成されており、酸素透過板７及びセパレータ８には、それぞれ板厚方向に配線用の孔７８、８８が形成されている。そして、一方の酸素透過板７のカソード電極７０ｂに対になって形成されたアノード電極７０ａの一端部に接続された配線が、上記孔７８、８８を介して他方の酸素透過板７のカソード電極７１ｂの他端部に接続され、同様に、カソード電極７１ｂと対になっているアノード電極７１ａの一端部に接続された配線が上記孔７８、８８を介してカソード電極７２ｂの他端部に接続されており、これらの電気化学セル７は、電極の端部同士において相互に接続されることにより、電極の両端部において直列に接続されている。また、シール材４５を、角が取られ、各角部が湾曲状に形成された矩形状の固体電解質１０の外周に沿って矩形枠状に形成してもよい。
【００４０】
次に、上述の酸素富化器の作用について、説明する。
【００４１】
まず、起動用ヒータを作動させ、固体電解質１０を４００℃〜８００℃に加熱する。次いで、各酸素透過板１の直流の電極端子に直流電源（図示を略す）を接続する。
【００４２】
すると、溝４１に外界の空気が流通することにより、カソード電極２ｂにおいて空気中の酸素が酸素イオン（Ｏ2-）となり、この酸素イオンが固体電解質１０を透過し、この固体電解質１０を透過した酸素イオンがアノード電極２ａにおいて電子を放出し、酸素として放出される。その際、酸素イオンは、各電極２ａ、２ｂの一端部から他端部に向けて細長状の電極全面に電子が流れるため、電極全面を利用して電流と逆方向に効率的に透過される。
【００４３】
このため、第１の電気化学セル群３１においては、固体電解質１０の裏面側から表面側に効率的に酸素が分離、供給されるとともに、第２の電気化学セル群３２においては、固体電解質１０の表面側から裏面側に効率的に酸素が分離、供給される。これにより供給された酸素は、それぞれ凹部４２に供給され、流出口４２ａを通じて、全てマニホールド５に供給される。
【００４４】
次いで、マニホールド５内の酸素は、積層方向の中央部に設置されたセパレータ４に形成された酸素流通路５０を通じて、酸素取出管６から排出され、周囲に酸素富化雰囲気を形成する。
【００４５】
上述の実施の形態によれば、１０組の電極２をそれぞれ細長矩形状に形成し、かつ一の上記電気化学セル３のアノード電極２ａの一端部と、他の上記電気化学セル３のカソード電極２ｂの他端部とを順次接続することにより、複数組の電気化学セル３を直列に接続したため、同一電流量を供給した並列接続の場合と異なり、１組の電極２の場合と比較して１０倍の酸素量を分離、供給することができるとともに、電極２の一端部から他端部に向けて電流を電極全面に行き渡らせることができる。このため、酸素が電極全面を利用して電気化学セルを電流と逆方向に透過し、酸素富化器によって効率的に酸素含有ガスから酸素を分離、供給することができる。
【００４６】
また、固体電解質１０及びそれに対向して、アノード電極２ａに対応する位置に凹部４２が気密的に形成されたセパレータ４を配設したため、酸素透過板１を透過した酸素を凹部４２に一時的に充填することができる。このため、凹部４２から酸素を外部に供給することによって、外部に酸素富化雰囲気を形成することができる。
【００４７】
さらに、セパレータ４の凹部４２の周囲を、Ｌａを含有し、かつランタンガレート系材料からなる固体電解質１０と熱膨張係数（ランタンガレートの熱膨張係数１０．８×１０-6／Ｋ）が近似する結晶化ガラス４５を用いて、上記固体電解質１０に気密的に一体化することによって、固体電解質１０に強固に密着させることができるとともに、セパレータと固体電解質との熱歪みを抑止することができる。加えて、凹部４２の周囲の結晶化ガラス４５の各角部を湾曲状に形成したため、熱応力が各角部において湾曲ラインに沿って分散して作用し、局部的に熱歪みが生じ、固体電解質１０に割れが生じることを防止できる。特に、図６に示すように、シール材４５を、角が取られて、各角部が湾曲状に形成された矩形状の固体電解質１０の外周に沿って矩形枠状に形成した場合には、熱応力が固体電解質１０の各角部の湾曲ラインにも沿って分散されるため、固体電解質１０の割れを一層防止することができる。これにより、酸素富化器は、運転時に固体電解質１０が４００℃〜８００℃に加熱されても、凹部４２の気密性を担保することができ、アノード電極２ａ側に供給された酸素を流出口４２ａを介して、酸素取出管６から供給することができる。
【００４８】
さらにまた、１０組の電気化学セル３の半組ずつを、第１の電気化学セル群３１と第２の電気化学セル群３２とに区分けすることによって、第２の電気化学セル群３２のカソード電極２ｂと第１の電気化学セル群３１のアノード電極２ａとを固体電解質２の表面側において接続することができ、かつ第１の電気化学セル群３１のアノード電極２ａと第２の電気化学セル群３２のカソード電極２ｂとを固体電解質１０の表面側において接続することができる。このため、固体電解質１０の表面側から裏面側に配線接続する必要がなく、各電極２を固体電解質１０の表面側又は裏面側において簡易に接続することができるとともに、固体電解質１０の表裏面にそれぞれ１０本の電極２をパターン形成することによって簡易に１０組の電気化学セル３を設けることができる。その結果、電極２同士を近接させてパターン形成することにより、容易に１０組の電気化学セル３同士を近接して配設することができ、単位面積辺りの電気化学セル３数を著しく増加させることができるとともに、装置全体を著しくコンパクトにすることができる。
【００４９】
一方、酸素透過板１の表面及び裏面にそれぞれ対向するようにセパレータ４を配設し、セパレータ４における第１の電気化学セル群３１及び第２の電気化学セル群３２のカソード電極２ｂに対応する位置に酸素含有ガスが流入可能な溝４１を形成することによって、第１の電気化学セル群３１及び第２の電気化学セル群３２のカソード電極２ｂ側からそれぞれ酸素を選択的に透過させることができる。
このため、第１の電気化学セル群においては、電解質基板の裏面側のセパレータにおける酸素取込部の酸素を選択的に透過し、電解質基板の表面側のセパレータにおける酸素流通部に供給するとともに、第２の電気化学セル群においては、電解質基板の表面側のセパレータにおける酸素取込部の酸素を選択的に透過し、電解質基板の裏面側のセパレータにおける酸素流通部に供給することができる。
【００５０】
さらには、複数組の電気化学セル１０を第１の電気化学セル群３１と、第２の電気化学セル群３２とに区分けするとともに、酸素透過板１の表面及び裏面に対向して配設したセパレータ４の酸素透過板１の対向面を、溝部４１と凹部４２とに区分けすることによって、酸素透過板１とセパレータ４とを立体的に積層可能にすることができ、その結果、酸素富化雰囲気の形成に際し、必要となる酸素量を上限なく供給することができる。
【００５１】
加えて、複数枚の酸素透過板１と複数枚のセパレータ４とをそれぞれ交互に積層させるとともに、積層された酸素透過板１とセパレータ４とに貫通するマニホールド５を設け、このマニホールド５を複数枚のセパレータ４に形成された凹部４２の流出口４２ａに連通させることにより、複数の電気化学セル３によって選択的に透過される酸素を、マニホールド５を通じて、効率的に供給することができる。このため、装置本体の外部に配管等を設ける必要がなく、装置本体をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る酸素富化器を示す斜視図である。
【図２】図１の酸素富化器の断面模式図である。
【図３】図１の酸素富化器の酸素透過板１の説明図であって、（ａ）は平面図（ｂ）は底面図である。
【図４】図１の酸素富化器の酸素透過板１の断面模式図である。
【図５】図１の酸素富化器のセパレータ４の説明図であって、（ａ）は平面図（ｂ）は底面図である。
【図６】その他の酸素富化器を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
２  電極
２ａ、７ａ  アノード電極
２ｂ、７ｂ  カソード電極
３、７  電気化学セル
４、８  セパレータ
１０  固体電解質（電解質基板）
３１  第１の電気化学セル群
３２  第２の電気化学セル群
４１  溝（酸素取込部）
４２  凹部（酸素流通部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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