(57)【要約】【課題】簡単な製法と品質管理で製造できる小型熱交換器を使用して、加熱に必要な消費電力などのエネルギー低減をはかった固体電解質型電気化学装置を提供すること。【解決手段】イオン導電性固体電解質１３を形成したカソード電極１４とアノード電極１５の電気化学素子１６と、この加熱をおこなう加熱体１７と、熱交換器２３を備えている。熱交換器２３は、カソード側空間１９の内部空間またはこれに併接した空間に配置されており、流体通過空隙部２４、２５を有する熱交換板２６を主な構成部材として用いて積層して、カソード側空間１９への屈曲流路２９と屈曲流路３０を形成した構造体である。簡単な製法と品質管理で製造できる小型の熱交換器を使用することで、コンパクト構造にしてその容積が小さく、電気化学素子１６を加熱する加熱体１７の消費電力低減を図る。【選択図】図１
2007317373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性固体電解質の両面に形成したカソード電極とアノード電極を有する電気化学素子と、前記電気化学素子のカソード側空間とアノード側空間を区画する区画手段と、前記電気化学素子の加熱をおこなう加熱体と、前記カソード側空間またはこれに通じる併接空間に配置して前記カソード側空間への流入空気を高温流体で加熱するための熱交換器を有し、前記熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板の複数枚を積層し、流入空気と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成した構造体である固体電解質型電気化学装置。
【請求項２】
熱交換器は、カソード側空間に対峙しており、その最外側部の熱交換板に設けられた流入空気とその高温ガスが各々通過する流体通過空隙部を有する請求項１記載の固体電解質型電気化学装置。
【請求項３】
各々の流体通過空隙部が、最外側部の熱交換板の略端部に設けられている請求項２記載の固体電解質型電気化学装置。
【請求項４】
各々の流体通過空隙部が、カソード側空間に配置された加熱体の略端部と対峙して配置されている請求項２記載の固体電解質型電気化学装置。
【請求項５】
熱交換器は、２つの流体通過空隙部を少なくとも略端部に有する熱交換板を複数枚積層することにより、２つの屈曲流路が形成された構造体である請求項１記載の固体電解質型電気化学装置。
【請求項６】
熱交換器は、流体通過空隙部を有する複数枚の熱交換板を、筐体の内部空間に配置した構造体である請求項１記載の固体電解質型電気化学装置。
【請求項７】
熱交換器は、入口部と出口部が筐体の最外部の熱交換板に略垂直に配置された構造体である請求項６記載の固体電解質型電気化学装置。
【請求項８】
熱交換器は、流入空気を高温流体の温水によって加湿温するための、水分通過性フィルムを設けた伝熱性の熱交換板を配置した構造体である請求項１記載の固体電解質型電気化学装置。
【請求項９】
請求項８記載の積層型熱交換器を、水素イオン導電性固体電解質に形成したカソード電極に通じる空間に配置して、加湿温された空気を前記カソード電極に供給する固体電解質型電気化学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素イオン導電性や酸素イオン導電性の固体電解質の持つ電気化学的作用を利用した燃料電池や酸素富加装置などの固体電解質型電気化学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素イオン導電性または酸素イオン導電性固体電解質の両側電極に空気と水素を各々供給して発電を行う燃料電池が、省資源や環境保護の観点より最近注目されている。これら燃料電池システムは、酸素と水素を電気化学的に反応させてその化学エネルギーを電気エネルギーに変換させる固体電解質型電気化学装置であり、空気熱交換器を介して流入空気を、燃焼器などの発熱手段で加熱された高温流体で予め温めて供給することで、発電効率を高めている。このようなイオン導電性固体電解質を用いた燃料電池に熱交換器を搭載した固体電解質型電気化学装置は、種々の例が有る。
【０００３】
図５は、この従来の固体電解質型電気化学装置の１例である燃料電池の一部分解斜視図である。複数枚の偏平板を積層した熱交換器を搭載した燃料電池システムとなっており、コンパクトな構造になり設置面積が小さくなる利点がある（例えば、特許文献１参照）。この装置は、積層された４枚の熱交換板１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとセパレータ２からなる空気熱交換器３と、燃焼電池４を備えている。セパレータ２、第１熱交換板１ａ、第２熱交換板１ｂ、第３熱交換板１ｃ、第４熱交換板１ｄは、略同一の形状と寸法を有しており、それぞれの配置に対抗して開けられた連通する２個の燃料ガスが通過する孔と、連通する２個の空気が通過する孔を有する。この孔は、使用前の低温の燃料ガスが通過する給気孔５ｓ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと、使用後の高温の燃料ガスが通過する排気孔６ｓ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、使用前の低温空気が通過する貫通孔７ｓ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、使用後の高温空気を通過する貫通孔（ＩI）８ｓ、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄである。
【０００４】
セパレータ２は、使用前の低温空気を導入する貫通孔７ｓと、使用後の高温空気が通過する貫通孔（ＩI）８ｓを備えている。また、第１熱交換板１ａは、使用前の低温空気を導入する貫通孔７ａと、使用後の高温空気が通過する貫通孔（ＩI）８ａと、貫通孔７ａから流入した低温空気を通すために表面に設けた凹み９ａを備えている。さらに、第２熱交換板１ｂは、使用前の低温空気を導入する貫通孔７ｂと、使用後の高温空気が通過する貫通孔（ＩI）８ｂと、流入した高温空気を通すための凹み９ｂを備えている。以下、第３熱交換板１ｃおよび第４熱交換板１ｄも同様に、貫通孔７ｃ、７ｄと、貫通孔（ＩI）８ｃ、８ｄと、凹み９ｃ、９ｄを備えている。
【０００５】
セパレータ２の貫通孔（ＩI）８ｓは、第１熱交換板１ａの貫通孔（ＩI）８ａと、第２熱交換板２ｂの表面上凹み９ｂの端部の配置に対抗して開けられており、使用後の高温空気が、貫通孔（ＩI）８ｓから８ａさらに凹み９ｂを経由する空気流れが形成されている。そして、この高温空気の流れは、貫通孔（ＩI）８ｂから８ｃさらに凹み９ｄを経由して８ｄから流出する。第４熱交換板１ｄの貫通孔７ｄは、第３熱交換板１ｃの凹み９ｃの端部に位置する貫通孔７ｃに対抗して開けられており、使用前の低温空気が、貫通孔７ｄから７ｃさらに凹み９ｃを経由する空気流れが形成されている。そして、この低温空気の流れは、貫通孔７ｂから７ａさらに凹み９ａを経由して７ｓから流出する。この流れによって例えば、凹み９ｄを流れる低温空気と、凹み９ｃを流れる高温空気との熱交換が、第３熱交換板１ｃの下面との間で行われる。
【０００６】
他の例として、燃料電池システムの空気極への空気流路に熱交換器を配置して、燃焼器
での発生熱を空気極に供給される室温空気に熱伝達して、応力を低減させ耐久信頼性を向上させる例も有る。（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
次に、複数枚の板を積層した構造の熱交換器について説明する。例えば、片面に１次側流体が流れる流路溝と貫通孔を有する１次側流路隔壁板と、これとほぼ同じ形状であり片面に２次側流体が流れる流路溝と貫通孔を有する２次側流路隔壁板とを１組として複数組積み上げた積層熱交換器は、流路圧力損失が低い利点が有る（例えば、特許文献３参照）。さらに、１個以上の連通部と中空部とを備えた複数の熱交エレメントを所定間隔で対向させてその連通部を接合した積層型の熱交換器は、小型にして伝熱性能の優れた利点が有る（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
またさらに、酸素イオン導電性固体電解質を用いて酸素濃度を高めた酸素富加装置とした、固体電解質型電気化学装置の提案がある（例えば、特許文献５参照）。この装置は、酸素イオン導電性固体電解質の両面に形成した第１電極と第２電極に、直流電源により数Ｖの電圧を印加して、酸素分子を第１電極から酸素イオン導電性固体電解質を経由して第２電極に移動させ、第２電極の側に１００％の酸素ガスを生成する電気化学素子を構成している。電気化学素子は、接着材料を介して取り付けられた区画手段により、第１電極の側の空間と第２電極の側の空間に区画されている。また、この酸素生成の電気化学反応を効果的におこなうため、電気化学素子の近くには、これを加熱するためのヒータが配置されており、通電により発熱して６００℃前後まで昇温されている。電気化学素子と区画手段とヒータは、その周囲を通気性の断熱材で外包し、さらにその周囲を開口部を設けた筐体で外包して放熱低減を図り、ヒータの電力を低減させている。電気化学素子とヒータが、通気性の断熱材によって、直接に大気と接触しないようにしているので、ヒータによる電気化学素子への熱効率が向上し、電気化学素子の加熱に必要な消費電力を小さくすることができる。また、電気化学素子の保持も同時におこなう区画手段が、熱膨張係数が略同一の鉄―クロム合金の金属箔で構成されているため、電気化学素子は、弾力的に保持されており、断熱材との相乗効果と合せて均一な温度分布とすることができ、温度差を原因とするクラック破損が防止される。
【特許文献１】特開平７−１７６３１５号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６４３９号公報
【特許文献３】特開平９−２９２１９４号公報
【特許文献４】特開２０００−２０５７６８号公報
【特許文献５】特開２００３−２１５０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来例１の燃料電池システムとして用いる固体電解質型電気化学装置は、熱交換器が、表面に凹みを形成した偏平な熱交換板を複数枚積層した構成であるため、表面への凹み形成に複雑な製法と厳密な品質管理で熱交換器を製造しなければならない課題があった。また、従来例２の燃料電池システムとして用いる固体電解質型電気化学装置は、汎用構成の熱交換器を使用するため、装置が大型になる課題があった。さらに、従来例３の熱交換器は、片面に流体が流れる流路溝と貫通孔を有する流路隔壁板を複数枚積層した構成であるため、表面への溝形成に複雑な製法と厳密な品質管理を必要とする課題があった。またさらに、従来例４の熱交換器は、１個以上の連通部と中空部とを備えた複数の熱公エレメントを所定間隔で対向させてその連通部を接合した構成であるため、複雑な製法と厳密な品質管理で製造しなければならない課題があった。
【００１０】
一方、従来５の酸素富加装置としての固体電解質型電気化学装置は、加熱に必要な電力を小さくするために、電気化学素子と区画手段とヒータの周囲を通気性の断熱材で外包して放熱低減を図る構成であるため、酸素発生能力が大型化すると、ヒータの消費電力が期
待したほど低減しないという課題があった。これは、酸素発生能力が増大すると、多量の空気の供給補充を必要とし、この多量の空気供給補充を円滑にするには、断熱材の通気性を積極的に高める必要性が生じて断熱材の厚みを薄くしなければならないのだが、このことは結果的に断熱性能の低下となり電気化学素子の温度低下を招いてしまうので、このことを防止する目的で、ヒータの電力量を増大して電気化学素子を所定温度に維持して対処するためである。つまり、従来の固体電解質型電気化学装置における電気化学素子とヒータは、通気性の断熱材によって直接に大気と接触しないようにされている構成であるため、酸素発生濃縮能力が小さいと少量の空気供給補充で済むのでこの構成で対応できるのだが、酸素発生濃縮能力が大きくなると多量の空気供給補充を必要とするので断熱材が空気の供給補充を妨げてしまう。このため、従来の断熱構成をそのまま使用して酸素発生能力を向上させると、断熱材の厚みを薄くするなどしてその通気性を積極的に高める必要があり、このことがヒータの消費電力増大を招いていたのである。
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するものであり、簡単な製法と品質管理で製造できる小型の熱交換器を使用することで、コンパクトな構造にしてその容積を小さくするとともに、イオン導電性固体電解質などを加熱する加熱体などの消費電力低減をはかった固体電解質型電気化学装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、イオン導電性固体電解質の両面に形成したカソード電極とアノード電極を有する電気化学素子と、前記電気化学素子のカソード側空間とアノード側空間を区画する区画手段と、前記電気化学素子の加熱をおこなう加熱体と、前記カソード側空間またはこれに通じる併接空間に配置して前記カソード側空間への流入空気を高温流体で加熱するための熱交換器を有し、前記熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板の複数枚を積層し、流入空気と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成した構造体である固体電解質型電気化学装置とした。
【００１３】
熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板を、構成部材として用いて複数枚積層した構造体とすることで、その内部に流入空気と高温流体が通過する２種類の屈曲流路が形成できるため、簡単な製法と品質管理で製造できる。また、熱交換器が略平板状の熱交換板を積層した構造体であるため小型となり、これを使用した固体電解質型電気化学装置は、コンパクトな構造となりその容積が小さくなる。さらに、熱交換器は、カソード側空間の内部空間内またはこれに通じる併接空間に配置して、電気化学素子のカソード電極に供給される流入空気を、出口部から排出される高温流体の熱で加熱しているため、イオン導電性固体電解質からなる電気化学素子を加熱する加熱体などの消費電力低減がはかれる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、簡単な製法と品質管理で製造できる積層構造の小型の熱交換器を使用することで、コンパクトでその容積が小さく、加熱に要する消費電力を低減した固体電解質型電気化学装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１の発明の固体電解質型電気化学装置は、イオン導電性固体電解質の両面に形成したカソード電極とアノード電極を有する電気化学素子と、前記電気化学素子のカソード側空間とアノード側空間を区画する区画手段と、前記電気化学素子の加熱をおこなう加熱体と、前記カソード側空間またはこれに通じる併接空間に配置して前記カソード側空間への流入空気を高温流体で加熱するための熱交換器を有し、前記熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板の複数枚を積層し、流入空気と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成した構造体である固体電解質型電気化学装置とした。
【００１６】
熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板を主な構成部材として用いて複数枚積層した構造体とすることで、その内部に流入空気と高温流体が通過する２つの屈曲流路を形成しているため、簡単な製法と品質管理で製造できる。また、熱交換器が略平板状の熱交換板の積層構造体であるため小型となり、これを使用した固体電解質型電気化学装置は、コンパクトな構造となりその容積が小さくなる。さらに、熱交換器は、カソード側空間の内部空間内またはこれに通じる併接空間に配置して、電気化学素子のカソード電極に供給される流入空気を、出口部から排出される高温流体の熱で加熱しているため、固体電解質からなる電気化学素子を加熱する加熱体などの消費電力低減がはかれる。
【００１７】
第２の発明の固体電解質型電気化学装置は、第１の発明に用いる熱交換器が、カソード側空間に対峙しており、その最外側部の熱交換板に設けられた流入空気とその高温ガスが各々通過する流体通過空隙部を有する固体電解質型電気化学装置とする。
【００１８】
この構成にすると、カソード側空間から流出する高温の排出ガス熱が、そこに流入する室温空気に効果的に熱を伝達できるため、固体電解質型電気化学装置は、熱交換器が高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して加熱体の消費電力を一層低減する効果が生じる。
【００１９】
第３の発明の固体電解質型電気化学装置は、第２の発明に用いる熱交換器の２つの流体通過空隙部が、最外側部の熱交換板の略端部に設けられているとした。この構成にすると、カソード側空間から流出する高温の排出ガス熱が、流入する室温空気にさらに効果的に熱を伝達できるため、固体電解質型電気化学装置は、熱交換器がさらに高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して加熱体の消費電力をさらに一層低減する効果が生じる。
【００２０】
第４の発明の固体電解質型電気化学装置は、第２の発明のカソード側空間に配置された加熱体の略端部と、熱交換器の最外側部の熱交換板に設けられた２つの流体通過空隙部が、対峙して配置されているとした。この構成にすると、カソード側空間から流出する高温の排出ガス熱が、流入する室温空気にさらに効果的に熱を伝達できるため、固体電解質型電気化学装置は、熱交換器がさらに高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して加熱体の消費電力をさらに一層低減する効果が生じる。
【００２１】
第５発明の固体電解質型電気化学装置は、第１の発明に用いる熱交換器が、流体通過空隙部を少なくとも略端部に有する熱交換板を複数枚積層することにより、２つの屈曲流路が形成された構造体とした。流体通過空隙部が少なくとも略端部に有する構成にすると、屈曲流路（流入空気用）と屈曲流路（高温排出ガス用）が熱交換にとって効果的な配置となり、高い熱交換効率が得られる。また、略平板状の熱交換板を複数積層した構造体が主な構成部材であるため、コンパクト構造の熱交換器が簡単な製法と品質管理で製造できる。
【００２２】
第６発明の固体電解質型電気化学装置は、第１の発明に用いる熱交換器が、流体通過空隙部を有する複数枚の熱交換板を、筐体の内部空間に配置した構造体であるとした。この構成にすると、熱交換板を筐体の内部空間に圧入したりバネ材で支持したりして固定できるので、熱交換効率の高いコンパクト構造の熱交換器が、簡単な製法と品質管理で製造できる。
【００２３】
第７発明の固体電解質型電気化学装置は、第６の発明に用いる熱交換器が、入口部と出口部が筐体の最外部の熱交換板に略垂直に配置された構造体であるとした。この構成にす
ると、２つの流体通過空隙部が熱交換にとって効果的な配置となり、高い熱交換効率が得られる。また、コンパクト構造の熱交換器となり簡単な製法と品質管理で製造できる。
【００２４】
第８発明の固体電解質型電気化学装置は、第１の発明に用いる熱交換器が、流入空気を高温流体の温水によって加湿温するための、水分通過性フィルムを設けた伝熱性の熱交換板を配置した構造体であるとした。この構成にすると、流入空気が、高温流体の温水によって効果的に加湿温される。
【００２５】
第９発明の固体電解質型電気化学装置は、請求項８記載の熱交換器を、水素イオン導電性固体電解質に形成したカソード電極に通じる空間に配置して、加湿温された空気を前記カソード電極に供給するとした。この構成にすると、水分を多く含む空気がカソード電極に供給されるため、その耐久信頼性が向上する。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１である固体電解質型電気化学装置の構成図である。イオン導電性固体電解質として、酸素を酸素イオンとして導電させる酸素イオン導電性固体電解質を使用し、酸素濃度を高める酸素富加装置として使用する場合の構成図である。イオン導電性固体電解質１３は、その両面にカソード電極１４とアノード電極１５が形成されると、酸素分子がその内部を酸素イオンとなって移動する電気化学素子１６となる。電気化学素子１６は、その片側の電極の近くに対向して配置されたヒータなどの加熱体１７により５００〜９００℃前後まで加熱され、直流電源（記載せず）により数Ｖの電圧を印加されると、空気中の酸素分子がカソード電極１４から酸素のイオン導電性固体電解質１３を経由してアノード電極１５に移動し、アノード電極１５の側に１００％の酸素ガスを生成する。また、電気化学素子１６は、区画手段１８により、カソード電極１４の側の空間（以下、カソード側空間と称す）１９と、アノード電極１５の側の空間（以下、アノード側空間と称す）２０に区画されており、生成した１００％の酸素ガスが空気と混合されることなく高純度で得られるようにしている。
【００２８】
カソード側空間１９もしくはアノード側空間２０は、その片側もしくは両方の内部空間またはこれら空間に併接した空間に加熱体１７を配置しており、これらの周りを断熱材２１で外包している。区画手段１８は、イオン導電性固体電解質１３と熱膨張係数が略同一（±２０％以内で同一）の金属やセラミックで構成された部材であり、その一部に配置される電気絶縁性の接合材２２を介してイオン導電性固体電解質１３を保持している。
【００２９】
熱交換器２３は、カソード側空間１９の内部空間内またはこれに併接した空間に配置されており、少なくとも流体通過空隙部２４（流入空気用）と２５（高温流体用）を有する略平板状の熱交換板２６を主な構成部材として用いて積層して、流入空気が通過する屈曲流路（流入空気側）２９と高温排出ガスが通過する屈曲流路（高温流体側）３０を形成した構造体である。空気は、熱交換器２３の入口部２７から流入して屈曲流路（流入空気側）２９を経由して、カソード側空間１９に流入して加熱された電気化学素子１６や加熱体１７の熱を受熱しその後、屈曲流路（高温流体側）３０を経由して出口部２８から排出される。その際に、屈曲流路（流入空気側）２９と屈曲流路（高温流体側）３０において、その排出ガス熱を入口部２７からの流入空気に熱伝達して、加熱体１７の消費電力を低減させる。
【００３０】
酸素イオン導電性固体電解質を用いて酸素濃度を高めた酸素富加装置とした場合の使用材料と構成について説明する。酸素イオン導電性固体電解質体１３は、酸素イオンを伝導
するセラミックであり、ＺｒＯ２の９７〜８５モル％にＹ２Ｏ３やＣａＯなどを３〜１５モル％固溶させたジルコニア系複合金属酸化物、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）（Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５）Ｏ３−  δやＬａＧａＯ３等のランタンガレード系複合金属酸化物、（Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａ）２（Ｉｎ１−ｘＹｘ）２ＯＹの欠陥ペロブスカイト型複合酸化物を使用する。これらは、熱膨張係数が９〜１１×１０−６／℃の材料であるが、ランタンガレード系複合金属酸化物は、酸素イオン導電性に優れており、色が黒色であるため、加熱体１７から発する赤外線を吸収する特性に優れる利点が有る。
【００３１】
カソード電極１４およびアノード電極１５は、酸素欠陥性構造もしくはペロブスカイト構造または両方の金属酸化物を主成分とする金属酸化物系電極または、貴金属を主成分とする貴金属電極または、これら金属酸化物系電極の上にさらに貴金属電極を積層した積層電極のいずれかである。酸素欠陥性構造金属酸化物は、化学量論的にみて酸素分子の枚数が不足した化学式で表現される金属酸化物であり、ペロブスカイト構造金属酸化物は、Ａ金属とＢ金属と酸素とからなりその化学式がＡＢＯ３と表現される複合金属酸化物である。金属酸化物系電極は、具体的には、ＬａＣｏ３、ＳｍＳｒＣｏｘ、（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）（Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８）Ｏ３、（Ｓｒ０．１０Ｃｅ０．０１）Ｚｒ０．８９Ｏ２、（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４）ＭｎＯ３―δ、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ＣｏＯ３―δを使用する。貴金属電極は、白金、パラジウム、金、銀、銀、ロジウム、イリジウム、ルテニウムの単独成分もしくはこれらの複数成分であり、必要により酸化ビスマスを１〜６ｗｔ％さらに混合してもよい。金属酸化物系電極は、酸素分子の良好な吸脱着性を有する金属酸化物であり、酸素イオン導電性固体電解質体１３との密着性を高めてその酸素イオン導電性を高める。また、電気導電性を向上させる目的で金属酸化物系電極の上にさらに貴金属電極を積層した積層電極にすると、さらに酸素イオン導電性が高まる利点があり電気化学の用途に最適となる。
【００３２】
加熱体１７は、鉄―ニッケル合金やニッケルークロム合金を使用した電気ヒータであり、赤外線を多く発する。加熱体１７は、電気化学素子１６の片側電極の近くに対向して配置して、発せられる熱や赤外線をできるだけ多く電気化学素子１６が受熱できるようにすることが望ましいのだが、電気絶縁性確保のためやむを得ず両者の中間位置に電気絶縁膜を配置する場合は、その膜厚をできるだけ薄くして、加熱体１７から発せられる熱や赤外線を多く電気化学素子１６が受熱できるように工夫した。加熱体１７は、カソード側空間１９に配置されると、酸素濃度が大気と同等もしくはそれ以下のガスに曝されるため、酸素による材料劣化が低減されてその耐久信頼性が向上する効果が生じて、安価な汎用材料で充分対応できる利点がある。一方、加熱体１７をアノード側空間２０に配置すると、大気より高酸素濃度の環境に曝されるため、酸素による材料劣化を防止する観点より耐酸化性に優れて高価な材料を使用する必要性が生じた。
【００３３】
断熱材２１は、シリカやアルミナの単独もしくは複合物を主成分とした材料であり、この実施の形態１では電気化学素子１６と加熱体１７を外包するカソード側空間１９、さらにはアノード側空間２０を外包する構成としたため、放熱抑制性を有するようにしている。
【００３４】
区画手段１８は、通気性が全くない金属やセラミックであり、これら材料でカソード電極１４およびアノード電極１５の周囲を囲むことで、カソード側空間１９とアノード側空間２０との区画をおこなう。区画手段２０の一部は、電気化学素子１６を構成する酸素イオン導電性固体電解質１３を、ガラスやセラミックの電気絶縁性の接合材２２を介して保持する。そのため、区画手段１８は、酸素イオン導電性固体電解質１３と熱膨張係数が略同一（±２０％以内で同一）である金属材料の板や箔を使用する。具体的には、酸素イオン導電性固体電解質１３の熱膨張係数が９〜１１×１０−６／℃であることより、保持板２２は、これより±２０％以内の熱膨張係数を有する鉄―クロム系合金であるフェライト
系ステンレス、ニッケルを主成分とするニッケル系合金である。特に、鉄―クロム系合金は、鉄を主成分としてクロムを１８ｗｔ％含有したＳＵＳ４３０を例に挙げると熱膨張係数が１０．４×１０−６／℃と酸素イオン導電性固体電解質１３とほぼ同じであり、高温焼成によりその表面に酸化クロムや酸化鉄の超微薄膜が生成して赤外線吸収性が増す利点があるので最適であった。電気絶縁性の接合材２２は、酸素イオン導電性固体電解質１３を電気絶縁しながら区画手段１８に接合する役割があるので、熱膨張係数がこれらと略同一（±２０％以内で同一）であるガラスや結晶化ガラスさらにはセラミックを使用した。これら材料の電気絶縁性の接合材２２は、区画手段１８に予め設けた貫通穴の周辺部に塗布し、その上部に電気化学素子１６の端部周辺を積層して高温で焼成して、接合性と電気絶縁性を確保している。また、電気化学素子１６は小面積を有する小型素子を多数使用し、一枚の大面積の金属箔からなる区画手段１８に配置して保持する構成とすることで、酸素分子の移動能力向上と耐久信頼性の向上をはかった。
【００３５】
熱交換器２３は、流体通過空隙部２４（流入空気用）および２５（高温流体用）を予め形成してあるフェライト系ステンレス板などの複数枚の熱交換板２６が主な構成材料である。そして、この複数枚の熱交換板２６を積層して、流入空気が通過する屈曲流路（流入空気側）２９と高温排出ガスが通過する屈曲流路（高温流体側）３０が形成された積層物の構成品としている。カソード側空間１９の内部空間に併接して配置されており、入口部２７と出口部２８の途中に設けた屈曲流路（流入空気側）２９と屈曲流路（高温流体側）３０において熱交換して、加熱された電気化学素子１６や加熱体１７からの高温排出ガス熱を、流入空気に熱伝達する。
【００３６】
この固体電解質型電気化学装置を試作して効果の確認をおこなった。電気化学素子１６は、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）（Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５）Ｏ３−  δのランタンガレード系複合金属酸化物からなる酸素イオン導電性固体電解質体１３の両面に、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ＣｏＯ３―δの金属酸化物系電極の上部に金の貴金属電極を積層した積層電極のカソード電極１４とアノード電極１５を形成した構成である。区画手段１８は、フェライト系ステンレスの箔であり、多数の貫通穴が設けられている。区画手段１８に設けられた貫通穴の周辺部は、ガラスからなる電気絶縁性接合材２２が厚膜印刷法を用いて塗布されておりその上部に、小面積の電気化学素子１６の端部周辺を各々積層し９００℃で焼成して、両者のシール接合性と電気絶縁性を確保した。多数の電気化学素子１６を保持する区画手段１８の近くには、電気ヒータの加熱体１７が近接して配置されている。そして、これらの廻りは、シリカやアルミナの複合物を主成分とした断熱材２１で外包されている。
【００３７】
熱交換器２３は、ガスが通過するための空隙部２４（流入空気用）と２５（高温流体用）を有するフェライト系ステンレス製の略平板状の熱交換板２６を複数枚積層した部材を主な構成部材とした物であり、このことで、流入空気と高温排出ガスが通過する２つの屈曲流路、すなわち屈曲流路（流入空気側）２９と屈曲流路（高温流体側）３０を形成している。そのため、簡単な製法と簡素な品質管理で製造できた。また、熱交換器２３が略平板状の熱交換板２６を積層した構造体であるため、これを使用した固体電解質型電気化学装置は、コンパクトな構造となりその容積が小さくなった。またさらに、加熱された電気化学素子１６や加熱体１７からの高温排出ガス熱が、流入空気に熱伝達されるため、加熱体１７の消費電力が、熱交換器のない従来品と比較して、１．５割低減できた。
【００３８】
なお、熱交換板２６に形成される２つの流体通過空隙部（流入空気用）２４と流体通過空隙部（高温流体用）２５および、これに形成される２つの屈曲流路（流入空気用）２９と屈曲流路（高温流体用）３０は、２つに限定する必要はなく用途に応じて２以上の多数とした。また、熱交換板２６の枚数も用途に応じて限定のない多数とした。
【００３９】
この固体電解質型電気化学装置は、酸素濃縮装置の用途以外に、酸素イオン導電性固体電解質１３を用いた燃料電池として使用することもできる。その場合、カソード電極１４は、空気極となるので、酸素欠陥性構造もしくはペロブスカイト構造または両方の金属酸化物を主成分とする金属酸化物系電極の単独電極もしくは、この上に積層した貴金属を主成分とする貴金属電極との積層電極を用いて対応した。また、アノード電極１５は、燃料極となるので、酸化ニッケルもしくはニッケルの混合電極を用いて対応した。また、加熱体１７は、燃焼排ガスがその内部空間を通過するステンレスの金属製筒の構成体として、カソード側空間１９やアノード側空間２０に配置した。熱交換器２３は、ステンレスなどの金属で熱交換板２６を構成し、カソード電極１４に流入する室温空気をカソード電極１４から排出する高温ガスで熱交換して加熱する用途、カソード電極１４に流入する室温空気を燃焼排ガスから排出する高温ガスで熱交換して加熱する用途に利用した。
【００４０】
また、水素イオンを導電させるイオン導電性固体電解質１３を用いた燃料電池として使用することもできる。その場合、イオン導電性固体電解質１３は、スルホン化したフッ素高分子などを用いて対応した。カソード電極１４やアノード電極１５は、白金などの貴金属を用いて対応した。また、加熱体１７は、温水がその内部空間を通過するステンレスなどの金属製筒の構成体として、カソード側空間１９やアノード側空間２０またはこれらの空間に併設した空間に配置した。熱交換器２３は、樹脂やステンレスなどの金属で熱交換板２６を構成し、カソード電極１４に流入する室温空気を温水流体で熱交換して加熱もしくは加熱加湿する用途、カソード電極１４に流入する室温空気を燃焼排ガスから排出する高温ガスで熱交換して加熱する用途として使用した。例えば、カソード電極１４に流入する室温空気を温水流体で熱交換して加温加湿する用途の場合、水分が通過するフィルム状薄膜を伝熱体として用いた４個の流体通過空隙部を有する熱交換板Ａと、４個の流体通過空隙部を有する熱交換板Ｂとを、凸状や平板状の外周シール材を介在させて適宜積層して締結させた構造体として使用した。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態２は、固体電解質型電気化学装置に熱交換器２３を高い熱交換効率で配置するための構成を検討した内容である。図１に示すように、熱交換器２３は、その最外側部の熱交換板２６に設けられており空気流入とその高温ガス排出が各々通過する流体通過空隙部２４（流入空気用）と２５（高温流体用）が、固体電解質型電気化学装置のカソード側空間１９に対峙して設けられている。そのため、カソード側空間１９から流出する高温の排出ガス熱が、そこに流入する室温空気に効果的に熱を伝達でき、この構成の固体電解質型電気化学装置は、熱交換器２３が高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して、加熱体１７の消費電力を２割低減する効果が生じた。
【００４２】
（実施の形態３）
実施の形態３は、固体電解質型電気化学装置に熱交換器２３を高い熱交換効率で配置するための構成を検討した内容である。図１に示すように、熱交換器２３は、２つの流体通過空隙部２４（流入空気用）と２５（高温流体用）が、その最外側部の熱交換板２６の略端部に配置されしかも固体電解質型電気化学装置のカソード側空間１９に対峙して設けられていると、カソード側空間１９から流出する高温の排出ガス熱が、流入する室温空気にさらに効果的に熱を伝達できる。そのため、この構成とした固体電解質型電気化学装置は、熱交換器２３がさらに高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して、加熱体１７の消費電力を２．５割低減する効果が生じた。
【００４３】
（実施の形態４）
実施の形態４は、固体電解質型電気化学装置に熱交換器２３を高い熱交換効率で配置するための構成を検討した内容である。図１に示すように、カソード側空間１９に配置された加熱体１７の略端部が、熱交換器２３の最外側部の熱交換板２６に設けられた流体通過
空隙部２４（流入空気用）および２５（高温流体用）と、対峙して設けられていると、加熱体１７から流出する高温の排出ガス熱が、流入する室温空気に効果的に熱を伝達できる。そのため、この構成とした熱交換器２３は、さらに一層高い熱交換効率を有する利点が生じる。この構成とした固体電解質型電気化学装置は、熱交換器２３が高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して、加熱体１７の消費電力を３割低減する効果が生じた。
【００４４】
（実施の形態５）
実施の形態５は、本発明の固体電解質型電気化学装置に用いる熱交換器２３の構成についてさらに検討した内容であり、検討した熱交換器の構成を図２に示す。
【００４５】
熱交換器２３ａは、少なくとも略端部に流体通過空隙部２４ａ〜２４ｅ（流入空気用）と、２５ａ〜２５ｅ（高温流体用）が配置された、略平板状のフェライト系ステンレスの熱交換板２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅを複数積層した構造体が主な構成部材である。各々の熱交換板２６ａ〜２６ｅは、ロウ材で接着されており、流体通過空隙部（流入空気用）２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅと、流体通過空隙部（高温流体用）２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅが、少なくとも略端部に各々配置されている。そして、流体通過空隙部（流入空気用）２４ａ〜２４ｅを連通して配置することにより、屈曲流路（流入空気側）２９が形成されている。また、流体通過空隙部（高温流体用）２５ａ〜２５ｅを連通して配置することにより、屈曲流路（高温流体側）３０が形成されている。そして、最外側の熱交換板２６ａは、その平板方向に対して、入口部２７と出口部２８が略垂直に配置されている。
【００４６】
流体通過空隙部（流入空気用）２４ａ〜２４ｅと流体通過空隙部（高温流体用）２５ａ〜２５ｅが、各々の熱交換板２６ａ〜２６ｅの少なくとも略端部に各々配置されているため、屈曲流路（流入空気用）２９と屈曲流路（高温流体用）３０が熱交換にとって効果的な配置となり、高い熱交換効率が得られる。また、略平板状の熱交換板２６ａ〜２６ｅを複数積層した構造体が主な構成部材であるため、コンパクト構造の熱交換器が簡単な製法と品質管理で製造できる。
【００４７】
（実施の形態６）
実施の形態６は、熱交換器２３の構成についてさらに検討した内容であり、検討した熱交換器の構成を図３に示す。図２との相違は、筐体３１の内部空間３２に、流体通過空隙部２４ｂ〜２４ｅ（流入空気用）と２５ｂ〜２５ｅ（高温流体用）を予め形成してある熱交換板２６ｂ〜２６ｅを配置した構造体とした点である。熱交換板２６ｂ〜２６ｅが、筐体３１の内部空間３２に圧入したりバネ材で支持したりして固定できるので、その固定が簡素化できた。
【００４８】
（実施の形態７）
実施の形態７は、本発明の固体電解質型電気化学装置に用いる熱交換器２３の構成についてさらに検討した内容であり、その構成を図３に示す。実施の形態６との相違は、筐体３１の底には、平板方向に対して入口部２７と出口部２８が略垂直に配置されている点である。入口部２７と出口部２８が、筐体３１の底に対して略垂直に配置されているため、流体通過空隙部（流入空気用）２４ｂ〜２４ｅと流体通過空隙部（高温流体用）２５ｂ〜２５ｅが熱交換にとって効果的な配置となり、高い熱交換効率が得られる。また、コンパクト構造の熱交換器となり簡単な製法と品質管理で製造できる。
【００４９】
（実施の形態８）
実施の形態８は、積層型熱交換器の構成についてさらに検討した内容であり、その構成を図４に示す。図２および図３との相違は、水分通過性フィルム３３ｏ、３３ｐ、３３ｑ
、３３ｒを中央部分に設けた伝熱性の熱交換板を、非水分通過性であり枠体の役割をはたす熱交換板２６ｉ、２６ｊ、２６ｋ、２６ｌ、２６ｍの間に配置した点である。そして例えば、室温空気の屈曲流路（流入空気用）２９に、水分通過性フィルム３３ｏを介して、温水の屈曲流路（高温流体の温水用）３０から温水が加湿されるように、積層型熱交換器２３ｃを構成している。
【００５０】
例えば、熱交換板２６ｉに流体通過空隙部（流入空気用）２４ｉを配置して屈曲流路（流入空気用）２９が形成され、熱交換板２６ｊに流体通過空隙部２５ｊ（高温流体の温水用）を配置して屈曲流路（高温流体の温水用）３０が形成されているように、熱交換板２６ｉ〜２６ｍは、各々に流体通過空隙部（番号付与せず）を配置してこの２種類の屈曲流路が形成されている。
【００５１】
室温空気は、入口部２７ｘから流入し例えば、屈曲流路（流入空気用）２９を経由して、水分通過性フィルム３３ｏと接触する。一方、温水は、入口２７ｙから流入し例えば、屈曲流路（高温流体の温水用）３０を経由して、水分通過性フィルム３３ｏと接触する。そして例えば、水分通過性フィルム３３ｏを介して、温水から空気に向かって、熱移動と水分加湿が行なわれて、空気は加湿温風となる。この熱移動と水分加湿は、他の水分通過性フィルム３３ｐ〜３３ｒを介しても行なわれ、加湿温風となった空気が出口２８ｘから、冷えた水が出口２８ｙから各々流出する。
【００５２】
この流体流れを円滑におこなうため、水分通過性フィルム３３ｏ〜３３ｒを設けた伝熱性の熱交換板と、非水分通過性の熱交換板２６ｉ〜２６ｍには、室温空気が流れる２個の流体通過空隙部（１個は記載し、他１個は記載せず）と、温水が流れる２個の流体通過空隙部（１個は記載し、他１個は記載せず）を各々の板に形成した。なお、各々のこれら２個の流体通過空隙部は、開口部とこれに連通する分岐路で構成されている。またさらに、各々の熱交換板は、ゴムおよびエラストマの凸状外周シール材３４（代表例は番号記載し、他は番号記載せず）を挟んで積層し、入口部２７ｘと出口部２８ｙを有する熱交換板２６ｈと、入口部２７ｙと出口部２８ｘを有する熱交換板２６ｎを両側に配置し、最後は締結材（記載せず）で締結して加圧保持した。このことで、室温空気が流れる屈曲流路は、水分通過性フィルムを介して熱移動と水分加湿をおこなう２９のような流路と、種々の熱交換板を通過して空気の流出入をおこなう２９ｘの流路が形成されている。また同様に、温水が流れる屈曲流路は、水分通過性フィルムを介して熱移動と水分加湿をおこなう３０のような流路と、種々の熱交換板を通過して温水の流出入をおこなう３０ｘのような流路が形成されている。これらのことで、小型となる積層型熱交換器２３ｃが、簡単な製法と品質管理で製造できるようにした。なお、水分通過性フィルム３３ｏ〜３３ｒは、フッ素高分子をスルホン化した材料組成物を使用したが、この材料は水素イオン導電性固体電解質でもあるので、このような水素イオン導電性固体電解質を使用しても良い。
【００５３】
（実施の形態９）
実施の形態９は、実施の形態８の積層型熱交換器２３ｃを効果的に使用するために、水素イオン導電性固体電解質を使用した燃料電池などの固体電解質型電気化学装置への応用を検討した内容であり、その構成を図４に示す。積層型熱交換器２３ｃは、高温の水分を多く含む加温された空気が、水素イオン導電性固体電解質３５のカソード電極１４に供給される様に、カソード電極１４の前流側に配置した。この固体電解質型電気化学装置は、アノード電極１５から水素イオン導電性固体電解質３５を経由してカソード電極１４に移動する水素と、カソード電極１４に供給される空気中の酸素が反応して得られる化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出して活用する装置である。カソード電極１４で行なわれるこの水素と酸素の化学反応は、発熱をともなうためこの発熱によって、カソード電極１４を劣化し易くしがちである。カソード電極１４に供給される空気が積層型熱交換器２３ｃによって加湿される構成としているため、加湿空気がカソード電極１４の劣化を抑
制し、その耐久信頼性を向上させる利点がある。
【００５４】
なお、積層型熱交換器２３ｃの屈曲流路（高温流体の温水用）３０を流れる温水は、カソード電極１４と水素イオン導電性固体電解質３５とアノード電極１５からなる電気化学素子１６が発電する際の熱を、水を貯めている槽である加熱体１７に貯温して得ている。加熱体１７は、区画手段１８により電気化学素子１６を、カソード電極１４側のカソード１９もしくは、アノード電極１５の側のアノード側空間２０のいずれかに配置されており、このことで効果的に電気化学素子１６からの受熱と加温ができるようにした。そして、貯温層である加熱体１７と、屈曲流路（高温流体の温水用）３０とを接続し、ポンプ（記載せず）により温水が循環する構成とした。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のポンプ装置は、水素イオンや酸素イオン導電性固体電解質を用いた燃料電池システムや酸素濃縮装置などの用途に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１〜４の固体電解質型電気化学装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態５の固体電解質型電気化学装置に用いる熱交換器の分解斜視図
【図３】本発明の実施の形態６、７の固体電解質型電気化学装置に用いる熱交換器の分解斜視図
【図４】本発明の実施の形態９の固体電解質型電気化学装置および実施の形態８に示すこれに用いる熱交換器の断面図
【図５】従来の固体電解質型電気化学装置の分解斜視図
【符号の説明】
【００５７】
１３  イオン導電性固体電解質
１４  カソード電極
１５  アノード電極
１６  電気化学素子
１７  加熱体
１８  区画手段
１９  カソード側空間
２０  アノード側空間
２１  断熱材
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、熱交換器
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ  流体通過空隙部（流入空気用）
２４ｉ  流体通過空隙部（流入空気用）
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ  流体通過空隙部（高温流体用）
２５ｊ  流体通過空隙部（高温流体用）
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ  熱交換板
２６ｈ、２６ｉ、２６ｊ、２６ｋ、２６ｌ、２６ｍ、２６ｎ  熱交換板
２７、２７ｘ  入口部（流入空気用）
２７ｙ  入口部（高温流体用）
２８ｘ  出口部（流入空気用）
２８、２８ｙ  出口部（高温流体用）
２９、２９ｘ  屈曲流路（流入空気用）
３０、３０ｘ  屈曲流路（高温流体用）
３１  筐体
３２  内部空間
３３ｏ、３３ｐ、３３ｑ、３３ｒ  水分通過性フィルム
３５  水素イオン導電性固体電解質
【図１】
2007317373.tif 000003
【図２】
2007317373.tif 000004
【図３】
2007317373.tif 000005
【図４】
2007317373.tif 000006
【図５】
2007317373.tif 000007