(57)【要約】【課題】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。【解決手段】気体を気密的に貯留可能な貯留部５１が形成された板状の貯留セパレータ５と、外部から酸素含有ガスが流入可能な酸素含有ガス流入部４１が形成された板状の酸素含有ガス取込セパレータ４とが当該板厚方向に交互に配設されるとともに、この酸素含有ガス取込セパレータ４と上記貯留セパレータ５との間に、複数の電気化学セルが設けられた板状の酸素透過板１が配設した酸素富化器とした。上記電気化学セルは、板状の電解質基板１０と、この電解質基板の上記酸素含有ガス取込セパレータの対向面に形成された細長状のカソード電極２ｂと、上記電解質基板の上記貯留セパレータの対向面に、上記カソード電極と対になるように形成された細長状のアノード電極２ａとにより構成し、かつ上記カソード電極及び上記アノード電極をそれぞれ並列的に複数配設した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を気密的に貯留可能な貯留部が形成された板状の貯留セパレータと、外部から酸素含有ガスが流入可能な酸素含有ガス流入部が形成された板状の酸素含有ガス取込セパレータとが当該板厚方向に交互に配設されるとともに、この酸素含有ガス取込セパレータと上記貯留セパレータとの間に、複数の電気化学セルが設けられた板状の酸素透過板が配設されてなり、
上記電気化学セルは、板状の電解質基板と、この電解質基板の上記酸素含有ガス取込セパレータの対向面に形成された細長状のカソード電極と、上記電解質基板の上記貯留セパレータの対向面に、上記カソード電極と対になるように形成された細長状のアノード電極とにより構成されており、かつ上記カソード電極及び上記アノード電極がそれぞれ長手方向と交差する方向に並列的に複数配設されていることを特徴とする酸素富化器。
【請求項２】
上記複数の電気化学セルは、一の上記電気化学セルのカソード電極の一端部と、他の上記電気化学セルのアノード電極の他端部とが順次接続されることにより、直列に電気的接続されてい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】
上記貯留セパレータの表裏面に対向してそれぞれ配設される酸素透過板は、順次、上記貯留セパレータの裏面に対向して配設される上記酸素透過板の上記電気化学セルと、上記貯留セパレータの表面に対向して配設される上記酸素透過板の上記電気化学セルとが電気的に接続されて設けら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】
上記酸素含有ガス取込セパレータは、上記酸素含有ガス流入部の周囲が結晶化ガラスによって上記酸素透過板と一体化されており、かつ上記貯留セパレータは、上記貯留部の周囲が結晶化ガラスによって上記酸素透過板と一体化されることにより上記酸素が気密的に貯留されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の酸素富化器。
【請求項５】
上記貯留部の周囲に形成された結晶化ガラスは、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４に記載の酸素富化器。
【請求項６】
上記貯留セパレータには、上記酸素流通部に連通する酸素排出部が形成されるとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータには、上記酸素含有ガス流入部の外方であって、上記酸素排出部に臨む位置に、当該板厚方向に貫通する酸素流路が形成されており、かつ上記貯留セパレータ及び上記酸素含有ガス取込セパレータの間には、上記酸素透過板の外方において、上記酸素排出部及び上記酸素流路に臨む位置にシールリングが設けられており、
上記貯留セパレータ、上記酸素含有ガス取込セパレータ及び上記酸素透過板により構成される装置本体は、少なくとも上記貯留セパレータ及び上記酸素透過板がそれぞれ複数枚設けられ、上記酸素排出部、上記酸素流路及び上記シールリングによって、上記酸素排出部から排出された酸素を外部に供給するマニホールドが構成されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の酸素富化器。
【請求項７】
上記貯留セパレータには、上記酸素流通部に連通する酸素排出部が形成されるとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータの上記酸素含有ガス流入部の外方及び上記酸素透過板には、上記酸素排出部に臨む位置に、それぞれ当該板厚方向に貫通する酸素流路が形成されており、かつ
上記貯留セパレータ、上記酸素含有ガス取込セパレータ及び上記酸素透過板により構成される装置本体は、少なくとも上記貯留セパレータ及び上記酸素透過板がそれぞれ複数枚設けられ、上記酸素排出部、上記酸素含有ガス取込セパレータに形成された酸素流路及び上記酸素透過板に形成された酸素流路によって、上記酸素排出部から排出された酸素を外部に供給するマニホールドが構成されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の酸素富化器。
【請求項８】
上記貯留セパレータには、上記酸素流通部に連通する酸素排出部が形成されるとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータの上記酸素含有ガス流入部の外方には、上記酸素排出部に臨む位置に、それぞれ当該板厚方向に貫通する酸素流路が形成されており、かつ
上記貯留セパレータと酸素含有ガス取込セパレータとは、少なくとも上記貯留セパレータ又は酸素含有ガス取込セパレータの何れか一方の上記酸素透過板の対向面に、上記電解質基板の外回りに沿って窪みが形成されることにより、この窪みの外方において対向表面同士が接するようにして設けられるとともに、
上記貯留セパレータ、上記酸素含有ガス取込セパレータ及び上記酸素透過板により構成される装置本体は、少なくとも上記貯留セパレータ及び上記酸素透過板がそれぞれ複数枚設けられ、上記酸素排出部及び上記酸素含有ガス取込セパレータに形成された酸素流路によって、上記酸素排出部から排出された酸素を外部に供給するマニホールドが構成されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項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、支持基板に固体電解質の表裏面に電極が形成されてなる矩形状の電気化学セルを複数配置するとともに、これらの電気化学セルの表面電極と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と裏面電極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。
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には、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重大な欠点がある。
【０００５】
そこで、特許文献２に示すように、矩形状の固体電解質基板を当該板厚方向に積層するとともに、各固体電解質基板の表裏面にそれぞれ電極膜を全面的に形成し、複数の電気化学セルを設けた酸素富化器とすることが考えられる。
この酸素富化器によれば、複数の電気化学セルを立体的に設置することができ、積層枚数分だけ電気化学セル数を増加させ、供給可能な酸素量を増加させることができるだけでなく、配線接続を簡易にすることができる。
しかしながら、上記積層された各固体電解質基板は、その表裏面に一対の電極が形成され、それぞれ一組の電気化学セルを構成するのみである。このため、上記固体電解質基板を板厚方向に積層して、立体的に構成した上記酸素富化器によっても、酸素供給量を格段に増加させることができないため、必要に応じて、酸素供給量を増加させることができないという問題がある。
【０００６】
これに対し、酸素供給量を増加させるために、例えば、積層された各固体電解質基板に複数組の矩形状の電気化学セルを配置した場合には、上述の電気化学セルと同様に、各固体電解質基板の平面内における配線接続が複雑化してしまうために、生産性に劣るだけでなく、電気化学セル間に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必要以上に拡大し、大型化してしまうという欠点がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−８９２３４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】
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、平面内における複数組の電気化学セルの配線接続を簡易化するとともに、これらの電気化学セルを立体的に設置可能にすることにより、多数の電気化学セルを三次元的に配設し、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に記載の酸素富化器は、気体を気密的に貯留可能な貯留部が形成された板状の貯留セパレータと、外部から酸素含有ガスが流入可能な酸素含有ガス流入部が形成された板状の酸素含有ガス取込セパレータとが当該板厚方向に交互に配設されるとともに、この酸素含有ガス取込セパレータと上記貯留セパレータとの間に、複数の電気化学セルが設けられた板状の酸素透過板が配設されてなり、上記電気化学セルは、板状の電解質基板と、この電解質基板の上記酸素含有ガス取込セパレータの対向面に形成された細長状のカソード電極と、上記電解質基板の上記貯留セパレータの対向面に、上記カソード電極と対になるように形成された細長状のアノード電極とにより構成されており、かつ上記カソード電極及び上記アノード電極がそれぞれ長手方向と交差する方向に並列的に複数配設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、上記複数の電気化学セルは、一の上記電気化学セルのカソード電極の一端部と、他の上記電気化学セルのアノード電極の他端部とが順次接続されることにより、直列に電気的接続されてい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、上記貯留セパレータの表裏面に対向してそれぞれ配設される酸素透過板は、順次、上記貯留セパレータの裏面に対向して配設される上記酸素透過板の上記電気化学セルと、上記貯留セパレータの表面に対向して配設される上記酸素透過板の上記電気化学セルとが電気的に接続されて設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
さらにまた、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の酸素富化器において、上記酸素含有ガス取込セパレータは、上記酸素含有ガス流入部の周囲が結晶化ガラスによって上記酸素透過板と一体化されており、かつ上記貯留セパレータは、上記貯留部の周囲が結晶化ガラスによって上記酸素透過板と一体化されることにより上記酸素が気密的に貯留可能とされることを特徴とするものである。
【００１３】
さらには、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の酸素富化器において、上記貯留部の周囲に形成された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するものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の酸素富化器において、上記貯留セパレータには、上記酸素流通部に連通する酸素排出部が形成されるとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータには、上記酸素含有ガス流入部の外方であって、上記酸素排出部に臨む位置に、当該板厚方向に貫通する酸素流路が形成されており、かつ上記貯留セパレータ及び上記酸素含有ガス取込セパレータの間には、上記酸素透過板の外方において、上記酸素排出部及び上記酸素流路に臨む位置にシールリングが設けられており、上記貯留セパレータ、上記酸素含有ガス取込セパレータ及び上記酸素透過板により構成される装置本体は、少なくとも上記貯留セパレータ及び上記酸素透過板がそれぞれ複数枚設けられ、上記酸素排出部、上記酸素流路及び上記シールリングによって上記酸素排出部から排出された酸素を外部に供給するマニホールドが構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の酸素富化器において、上記貯留セパレータには、上記酸素流通部に連通する酸素排出部が形成されるとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータの上記酸素含有ガス流入部の外方及び上記酸素透過板には、上記酸素排出部に臨む位置に、それぞれ当該板厚方向に貫通する酸素流路が形成されており、かつ上記貯留セパレータ、上記酸素含有ガス取込セパレータ及び上記酸素透過板により構成される装置本体は、少なくとも上記貯留セパレータ及び上記酸素透過板がそれぞれ複数枚設けられ、上記酸素排出部、上記酸素含有ガス取込セパレータに形成された酸素流路及び上記酸素透過板に形成された酸素流路によって上記酸素排出部から排出された酸素を外部に供給するマニホールドが構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１項に記載の酸素富化器において、上記貯留セパレータには、上記酸素流通部に連通する酸素排出部が形成されるとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータの上記酸素含有ガス流入部の外方には、上記酸素排出部に臨む位置に、それぞれ当該板厚方向に貫通する酸素流路が形成されており、かつ上記貯留セパレータと酸素含有ガス取込セパレータとは、少なくとも上記貯留セパレータ又は酸素含有ガス取込セパレータの何れか一方の上記酸素透過板の対向面に、上記電解質基板の外回りに沿って窪みが形成されることにより、この窪みの外方において対向表面同士が接するようにして設けられるとともに、上記貯留セパレータ、上記酸素含有ガス取込セパレータ及び上記酸素透過板により構成される装置本体は、少なくとも上記貯留セパレータ及び上記酸素透過板がそれぞれ複数枚設けられ、上記酸素排出部及び上記酸素含有ガス取込セパレータに形成された酸素流路によって、上記酸素排出部から排出された酸素を外部に供給するマニホールドが構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発明によれば、酸素含有ガス取込セパレータと、貯留セパレータとの間に、電解質基板の酸素含有ガス取込セパレータの対向面にカソード電極、貯留セパレータの対向面にアノード電極をそれぞれ形成した酸素透過板を配設することによって、上記酸素含有ガス取込セパレータ側に流入する酸素含有ガスから酸素を選択的に上記貯留セパレータに供給することができる。
【００１８】
また、カソード電極及びアノード電極をそれぞれ細長状に形成するとともに、それぞれ長手方向と交差する方向に並列的に複数配設することにより、各電気化学セルは、例えば、カソード電極とアノード電極とを、長手方向の端部において配線接続することによって、その間に配線接続のためのクリアランスを設けることなく、近接して配設することができる。このため、装置全体が平面方向に拡大して、大型化することを防止できる。
【００１９】
また、板状の貯留セパレータと板状の酸素含有ガス取込セパレータとを当該板厚方向に交互に配設したため、上記酸素透過板を、この貯留セパレータと酸素含有ガス取込セパレータとの間に配設することにより電気化学セルを立体的に配置可能とすることができる。
その結果、多数の電気化学セルを三次元的に配設することができ、コンパクトな酸素富
器によって、必要量の酸素を供給することができる。
【００２０】
これに加えて、貯留部が形成された貯留セパレータと酸素含有ガス流入部が形成された酸素含有ガス取込セパレータとを別途設けたため、貯留セパレータ及び酸素含有ガス取込セパレータは、各セパレータに貯留部及び酸素ガス流入部を形成する場合と異なり、構造を簡易にすることができる。このため、装置本体の組み立てを容易にすることができ、装置本体の生産性を向上させることができる。
【００２１】
また、請求項２に記載の発明によれば、一の上記電気化学セルのカソード電極の一端部と、他の上記電気化学セルのアノード電極の他端部とを順次接続して、複数の電気化学セルを直列に電気的接続することによって、同一電流量を並列の電気的接続において供給する場合と異なり、電極対数分だけ多量の酸素を透過、供給することができる。
【００２２】
また、一の上記電気化学セルにおける細長状のカソード電極の一端部と、他の上記電気化学セルにおける細長状のアノード電極の他端部とを順次接続したため、各細長状の電気化学セルにおけるアノード電極の他端部からカソード電極の一端部に向けて、電流を電気化学セルの全面に行き渡らせることができる。このため、電気化学セルの全面を利用して、酸素を酸素イオンとして透過させることができ、効率的に酸素を分離、供給することができる。
【００２３】
特に、請求項３に記載の発明によれば、上記貯留セパレータの裏面に対向して配設される上記酸素透過板の上記電気化学セルと、上記貯留セパレータの表面に対向して配設される上記酸素透過板の上記電気化学セルとを電気的に接続したため、貯留セパレータの表裏面に対向配置された２枚の酸素透過板に形成された電極対数分だけ多量の酸素を透過させることができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、上記酸素含有ガス取込セパレータの酸素含有ガス流入部の周囲又は貯留セパレータの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。
【００２５】
特に、酸素を気密的に貯留する貯留セパレータの酸素流通部の周囲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５に記載の発明によれば、酸素を気密的に貯留する貯留部の周囲の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。
【００２６】
また、請求項６に記載の発明によれば、上記貯留セパレータに上記酸素流通部に連通する酸素排出部を形成するとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータの上記酸素含有ガスの流入部の外方であって、上記酸素排出部に臨む位置に、板厚方向に貫通する酸素流路を形成し、かつ上記貯留セパレータ及び酸素含有ガス取込セパレータの間には、上記酸素透過板の外方において、上記酸素排出部及び上記酸素流路に臨む位置にシールリングを設け、上記酸素排出部、上記酸素流路及び上記シールリングによってマニホールドを構成したため、上記酸素排出部を通じて、上記酸素透過板を選択的に透過する酸素を効率的に供給することができる。また、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。
【００２７】
他方、請求項７に記載の発明によれば、上記貯留セパレータに上記酸素流通部に連通する酸素排出部を形成するとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータの上記酸素含有ガスの流入部の外方及び上記酸素透過板には、それぞれ上記酸素排出部に臨む位置に当該板厚方向に貫通する酸素流路を形成し、これらの酸素排出部及び酸素流路によってマニホールドを構成したため、請求項６の場合と同様に、上記酸素排出部を通じて、上記酸素透過板を選択的に透過する酸素を効率的に供給することができる。また、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。
これに加えて、シールリング等の介装部材を配設する場合と異なり、例えば、酸素透過板が位置する中央部と介装部材が位置する外周部との段差や介装部材とセパレータとの熱歪みによって生じたマニホールドの隙間から酸素が流出することを防止できる。
【００２８】
さらに、請求項８に記載の発明によれば、上記貯留セパレータに上記酸素流通部に連通する酸素排出部を形成するとともに、上記酸素含有ガス取込セパレータの上記酸素含有ガスの流入部の外方には、上記酸素排出部に臨む位置に当該板厚方向に貫通する酸素流路を形成することによりこれらの酸素排出部及び酸素流路によってマニホールドを構成したため、請求項６及び７の場合と同様に、上記酸素排出部を通じて、上記酸素透過板を選択的に透過する酸素を効率的に供給することができる。また、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。
さらにまた、請求項７と同様に、シールリング等の介装部材を配設する場合と異なり、例えば、酸素透過板が位置する中央部と介装部材が位置する外周部との段差や介装部材とセパレータとの熱歪みによって生じたマニホールドの隙間から酸素が流出することを防止できる。
【００２９】
これに加えて、少なくとも上記貯留セパレータ又は酸素含有ガス取込セパレータの何れか一方の上記酸素透過板の対向面に、上記電解質基板の外回りに沿って窪みを形成することにより、この窪みの外方において上記貯留セパレータと酸素含有ガスとを対向表面同士が接するようにして設けたため、酸素透過板にマニホールドを構成する酸素流路を形成する必要がなく、上記貯留セパレータと酸素含有ガス取込セパレータとを位置合わせすることによって、容易に酸素排出部及び酸素流路によるマニホールドを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明に係る酸素富化器の一実施形態について、図１ないし図７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、外部から酸素含有ガスが流入可能な矩形板状の酸素含有ガス取込セパレータ４と、この酸素含有ガス取込セパレータ４と外回り寸法が同一である板状の酸素貯留セパレータ（貯留セパレータ）５とが当該板厚方向に交互に配設されるとともに、この酸素含有ガス取込セパレータ４と酸素貯留セパレータ５との間に、これらのセパレータ４、５よりも外回り寸法の小さい矩形板状の酸素透過板１が配設されることにより概略構成されている。
【００３１】
この酸素含有ガス取込セパレータ４は、酸素透過板１の対向面の中央部に、後述する電極２の長手方向に沿って溝（酸素含有ガス流入部）４１が形成されている。この溝４１は、上記電極２の長手方向の両端部に対応する位置が当該酸素含有ガス取込セパレータ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。また、上記流路５２の開口に臨む位置に、溝４１の外方において当該板厚方向に貫通する流路（酸素流路）４２が形成されている。
【００３２】
他方、上記酸素貯留セパレータ５は、酸素透過板１の対向面の中央部に、上記酸素透過板１に形成された複数の電極２の外回りを囲む断面矩形状の凹部（貯留部）５１が形成されている。また、凹部５１の外周部に、凹部５１に連通する流路（酸素排出部）５２が形成されている。
さらに、上記セパレータ４、５は、それぞれ各外周角部に位置合わせ用ピンの挿入孔４４が形成されている。
【００３３】
一方、上記酸素透過板１は、図２に示すように、固体電解質１０の上記酸素含有ガス取込セパレータ４の対向面に複数本のカソード電極２ｂが所定幅の間隔をおいて並列的に配設されるとともに、固体電解質１０の上記酸素貯留セパレータ５の対向面に、複数本のアノード電極２ａがそれぞれカソード電極２ｂと対になるように配設されている。
【００３４】
これらのアノード電極２ａ及びカソード電極２ｂは、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、それぞれ細長矩形状であり、当該長手方向を上下方向に向けて配設されている。そして、各アノード電極２０ａ〜２９ａ及び各カソード電極２０ｂ〜２９ｂが一定の間隔をおいて、上記長手方向に直交する方向に向けて横一列に平行に並べて形成されている。
【００３５】
そして、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、その長手方向の一端部（図中上側）が第１のアノード電極２０ａに隣接している第２のアノード電極２１ａの他端部（図中下側）に固体電解質１０に形成されたスルーホールを通じて配線接続されている。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、その長手方向の一端部（図中下側）が第３のアノード電極２２ａの他端部（図中上側）にスルーホールを通じて接続されている。同様に、第３のカソード電極２２ｂの一端部（図中上側）が第４のアノード電極２３ａの他端部（図中下側）に接続され、第４のカソード電極２３ｂの一端部（図中下側）が第５のアノード電極２４ａの他端部（図中上側）に接続され、次いで、電極２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ、２９ａ及び第１０のカソード電極２９ｂに接続された後、このカソード電極２９ｂの一端部（図中下側）が固体電解質１０の上記酸素含有ガス取込セパレータ４側表面外周部において直流電源のマイナス極の電極端子に接続されている。他方、第１のアノード電極２０ａの他端部（図中上側）は、上記酸素貯留セパレータ５の対向面の外周部において、プラス極の電極端子に接続されている。
これを換言すると、順次、一の電気化学セルにおけるカソード電極２ｂの一端部と、この一の電気化学セルに隣接する他の電気化学セルにおけるアノード電極２ａの他端部とが直列的に配線接続されている。
【００３６】
これにより、固体電解質１０、その表裏面に形成されたアノード電極２ａ及びカソード電極２ｂにより構成される電気化学セルは、アノード電極２ａの他端部からカソード電極２ｂの一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、上記酸素含有ガス取込セパレータ４側から上記酸素貯留セパレータ５側に酸素を選択的に透過させるようになっている。
【００３７】
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）の範囲内になるように形成されている。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。
【００３８】
また、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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、上記アノード電極２ａ及びカソード電極２ｂの配線接続における他の実施形態としては、図５に示すように、酸素貯留セパレータ５の表面に対向して配設された第１の酸素透過板１８の電極２と酸素貯留セパレータ５の裏面に対向して配設された第２の酸素透過板１９の電極２とを配線接続してもよいものである。
【００４１】
この場合には、第２の酸素透過板１９における第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の一端部を、酸素貯留セパレータ５の外周部に形成された貫通孔５５を介して、第１の酸素透過板１８における第１のアノード電極２０ａの他端部に接続し、この第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の一端部を、貫通孔５５を介して、第２の酸素透過板１９における第２のアノード電極２１ａの他端部に接続する。同様に、第２の酸素透過板１９の電極２１ｂ、第１の酸素透過板１８の電極２１ａ、２１ｂ、第２の酸素透過板１９の電極２２ａ、２２ｂ、第１の酸素透過板１８の電極２２ａ、２２ｂ、第２の酸素透過板１９の電極２３ａ、２３ｂから第１の酸素透過板１８における第９のカソード電極２９ｂに順次接続する。これにより、一の電気化学セルにおけるカソード電極２ｂの一端部と、他の電気化学セルにおけるアノード電極２ａの他端部とを直列的に配線接続する。
【００４２】
ところで、上記酸素含有ガス取込セパレータ４は、上記溝４１の縁に沿って形成された結晶化ガラス４５によって上記固体電解質１０に一体化されており、酸素貯留セパレータ５は、上記凹部５１の周囲が結晶化ガラス４５を用いて、気密的に上記固体電解質１０に一体化されている。この凹部５１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。
【００４３】
この結晶化ガラス４５としては、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）が近似するものが用いられている。これは、Ｌａを含有することによって、セパレータ４、５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ことによって、電極反応により４００℃〜８００℃に加熱される際のセパレータ４、５と固体電解質１０との熱歪みが抑止されるためである。
さらに、凹部５１の周囲の結晶化ガラス４５は、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。
【００４４】
これにより、酸素含有ガス取込セパレータ４及び酸素貯留セパレータ５は、酸素貯留セパレータ５の流路５２の開口に対応する位置に、流路４２が位置するように組み立てられており、酸素含有ガス取込セパレータ４及び酸素貯留セパレータ５の間には、酸素透過板１の外方に、シールリング７が介装されている。このシールリング７は、その高さが酸素透過板１の厚さよりも小さいものが用いられるとともに、上述の結晶化ガラス４５によって、上記流路５２の開口と流路４２とに連通するようにセパレータ４、５に一体化されている。これにより、流路４２、５２及びシールリング７によって気密的なマニホールドが構成される。
【００４５】
また、このマニホールドは、他の実施形態として、図６に示すように、固体電解質１０の電極２ａ、２ｂが形成されていない外周部に、当該板厚方向に向けて流路１７を形成し、これらの流路１７、４２、５２によって構成してもよいものである。また、上記酸素含有ガス取込セパレータ４若しくは酸素貯留セパレータ５の上記酸素透過板１の対向面に、固体電解質１０の外回りに沿って上記電解質基板１０の板厚と同一深さの窪みを形成することにより、又は酸素含有ガス取込セパレータ４若しくは酸素貯留セパレータ５の酸素透過板１の対向面に、合わせて固体電解質１０の板厚と同一深さになるように、それぞれ固体電解質１０の外回りに沿って窪みを形成することにより、この窪みの外方に位置する流路４２、５２によってマニホールドを構成してもよい。
【００４６】
このように、シールリング７を設けることなく、マニホールドを構成した場合には、装置本体において、酸素透過板１が位置する中央部とシールリング７が位置する外周部との段差や各セパレータ４、５又は固体電解質１０とシールリング７との熱歪みによって生じたマニホールドの隙間から酸素が流出することが防止される。
さらには、セパレータ４、５の上記酸素透過板１の対向面に、固体電解質１０の外回りに沿って窪みを形成し、この窪みの外方に位置する流路４２、５２によってマニホールドを構成した場合には、酸素透過板１の位置合わせを必要とせずに、挿入孔４４に位置合わせ用ピンを挿入することによって容易にマニホールドの位置合わせを行うことが可能となる。
【００４７】
特に、図７に示すように、酸素含有ガス取込セパレータ４の両面に、固体電解質１０の外回りに沿って固体電解質１０の板厚と同一深さの溝４５を形成することにより上記窪みを形成することが好ましい。この場合には、溝４１の両側方に電極２の長手方向に沿って溝４１よりも浅い溝４５を形成することによって、２段の溝５１、４５を形成することにより簡易に固体電解質１０を配置する上記窪みが形成される。このため、簡易にセパレータ４、５が形成可能であり、かつセパレータ５に窪みを形成する場合と異なり、凹部５１の外周部から酸素が流出する危険性を伴わずに、窪みが形成可能とされる。
なお、本発明は、図５に示すように、マニホールドを設けずに、凹部５１から直接酸素を取り出してもよいものである。
【００４８】
ところで、上記積層方向の中段部に位置するセパレータ４、５には、酸素取出管８が設けられており、この酸素取出管８には、マニホールドに連通し、外部に酸素を供給する供給路が形成されている。
また、上記セパレータ４、５間には、上記酸素透過板１の外方に、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。
【００４９】
なお、本発明は、上述の実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、アノード電極２ａ及びカソード電極２ｂの配線接続は、スルーホールを形成することなく、固体電解質１０の側部を介してなされてもよいものである。
【００５０】
次に、上述の酸素富化器の作用について、説明する。
【００５１】
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の電極端子に直流電源（図示を略す）を接続する。
【００５２】
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、電流がアノード電極２ａの他端部からカソード電極２ｂの一端部に向けて細長状の電極全面に行き渡るため、カソード電極２ｂの一端部からアノード電極２ａの他端部に向けて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。
【００５３】
このため、酸素含有ガス取込セパレータ４の溝４１に供給された空気中の酸素は、選択的に酸素貯留セパレータ５に向けて効率的に分離、供給される。これにより供給された酸素は、それぞれ凹部５１に供給され、流路５２を通じて、全てマニホールドに供給される。
【００５４】
次いで、マニホールド内の酸素は、積層方向の中段部に設置されたセパレータ４の流路４２を通じて、酸素取出管８から排出され、周囲に酸素富化雰囲気を形成する。
【００５５】
上述の実施の形態によれば、酸素含有ガス取込セパレータ４と酸素貯留セパレータ５との間に、酸素含有ガス取込セパレータ４の対向面にカソード電極２ｂを形成するとともに、酸素貯留セパレータ５の対向面にアノード電極２ａを形成した酸素透過板１を配設することによって、酸素含有ガス取込セパレータ４側に流入する酸素含有ガスから酸素を選択的に酸素貯留セパレータ５に供給することができる。
【００５６】
また、各酸素透過板１は、固体電解質１０の両面に、それぞれ複数の細長矩形状のアノード電極２ａとカソード電極２ｂとを長手方向に直交する方向に向けて横一列に平行に並べて形成し、かつ、順次、カソード電極２ｂの一端部とアノード電極２ａの他端部とを配線接続したため、各固体電解質１０、アノード電極２ａ及びカソード電極２ｂにより構成される各電気化学セルを、その間に配線接続のためのクリアランスを設けることなく、近接して配設することができる。このため、装置全体が平面方向に拡大して、大型化することを防止できる。
【００５７】
また、順次、カソード電極２ｂの一端部とアノード電極２ａの他端部とを配線接続したため、電流をアノード電極２ａの他端部からカソード電極２ｂの一端部に向けて細長矩形状の電気化学セルの全面に行き渡らせることができる。このため、電気化学セルの全面を利用して、酸素を酸素イオンとして透過させることができ、効率的に酸素を分離、供給することができる。
【００５８】
さらに、酸素含有ガス取込セパレータ４と、酸素貯留セパレータ５との間に、複数の電気化学セルが設けられた酸素透過板１を配設することにより電気化学セルを立体的に配置することができ、その結果、多数の電気化学セルを三次元的に配設することができ、コンパクトな酸素富化器によって、必要量の酸素を供給することができる。
【００５９】
これに加えて、セパレータ４、５は、溝４１が形成された酸素含有ガス取込セパレータ４と、凹部５１が形成された酸素貯留セパレータ５とを別途設けることによって、それぞれ溝４１又は凹部５１の何れか一方を形成すれば足りるため、その構造を簡易にすることができる。
【００６０】
さらにまた、セパレータ５の凹部５１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１０との熱歪みを抑止することができる。その上、凹部５１の周囲における結晶化ガラス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。その結果、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、確実に固体電解質１０の割れを防止するとともに、凹部５１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路４２から排出することができる。
【００６１】
さらには、酸素貯留セパレータ５の流路５２の開口と、酸素含有ガス取込セパレータ４の流路４２と、酸素含有ガス取込セパレータ４及び酸素貯留セパレータ５の間に介装したシールリング７とによってマニホールドを構成したため、流路５２の開口を通じて、酸素透過板１を選択的に透過する酸素を効率的に酸素取出管８から供給することができる。また、酸素透過板１とセパレータ４、５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。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る酸素富化器の一実施形態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の酸素富化器における酸素透過板１の説明図であって、酸素透過板１の断面模式図である。
【図５】本発明に係る酸素富化器の電極の配線接続における他の実施形態を説明するため酸素富化器の斜視図である。
【図６】本発明に係る酸素富化器におけるマニホールドの他の実施形態を説明するための酸素富化器の断面模式図である。
【図７】本発明に係る酸素富化器におけるマニホールドの他の実施形態を説明するための酸素富化器の断面模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  酸素透過板
２  電極
２ａ  アノード電極
２ｂ  カソード電極
４    酸素含有ガス取込セパレータ
５    酸素貯留セパレータ（貯留セパレータ）
１０  固体電解質（電解質基板）
４１  溝（酸素取込部）
５１  凹部（貯留部）
【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】
2007308359.tif 000007
【図６】
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【図７】
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