(57)【要約】 【課題】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】同一電解質基板２１の表裏両面に一対の電極を複数形成して電気化学セル集合体１を構成すると共に、間に枠状の支持部材２を介し、ガス透過側の電極が対向するように電気化学セル集合体１を対向配置する。支持部材２の枠内は透過ガスが流通するガス流路５となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質基板の表裏両面に一対の電極を形成した複数の電気化学セルを、ガス透過側の電極が同一方向に向くように平面的に配設して電気化学セル集合体を構成すると共に、前記電気化学セル集合体をガス透過側の電極が対向するように所定の隙間をおいて対向配置し、当該隙間を透過ガスが流通するガス流路とすることを特徴とする酸素富化器。
【請求項２】
同一電解質基板の表裏両面に一対の電極を複数形成して電気化学セル集合体を構成すると共に、間に枠状の支持部材を介し、ガス透過側の電極が対向するように前記電気化学セル集合体を対向配置し、前記支持部材の枠内を透過ガスが流通するガス流路とすることを特徴とする酸素富化器。
【請求項３】
前記支持部材と前記電気化学セル集合体とをシール材にて一体的に接合す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】
前記シール材は、角のない枠体状であ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】
前記電気化学セル集合体の電気化学セルを電気的接続手段により全て直列に接続する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】
前記電気化学セルの電極を細長矩形状とすると共に、上下対向するように配置し、対向する各電極を交互に接続することを特徴とする請求項５に記載の酸素富化器。
【請求項７】
前記電極間の接続を電極の長手両端部において行うことを特徴とする請求項６に記載の酸素富化器。
【請求項８】
請求項１から請求項７までの何れかに記載の酸素富化器を複数積層して構成することを特徴とする酸素富化器。
【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、電気化学反応により空気等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いる。近年、このような電気化学セルの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、複数の電気化学セルを用いてこの種の酸素富化器を構成する場合は、各電気化学セルの各電極を並列に接続して使用する構成と、各電極を直列に接続して使用する構成とがある。
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、抵抗ロスが小さくて済む後者の構成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、後者（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必要があることから、基板上において接続形態が複雑化すると共に、配線のため隣接する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ないという欠点があり、このため、直列構成の酸素富化器では、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を抱えていた。
【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に記載の発明は、電解質基板の表裏両面に一対の電極を形成した複数の電気化学セルを、ガス透過側の電極が同一方向に向くように平面的に配設して電気化学セル集合体を構成すると共に、前記電気化学セル集合体をガス透過側の電極が対向するように所定の隙間をおいて対向配置し、当該隙間を透過ガスが流通するガス流路とすることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、同一電解質基板の表裏両面に一対の電極を複数形成して電気化学セル集合体を構成すると共に、間に枠状の支持部材を介し、ガス透過側の電極が対向するように前記電気化学セル集合体を対向配置し、前記支持部材の枠内を透過ガスが流通するガス流路とすることを特徴としている。
【０００８】
また、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、前記支持部材と前記電気化学セル集合体とをシール材にて一体的に接合することを特徴としている。
【０００９】
また、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、前記シール材は、角のない枠体状であることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、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、前記電気化学セル集合体の電気化学セルを電気的接続手段により全て直列に接続することを特徴としている。
【００１１】
また、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、前記電気化学セルの電極を細長矩形状とすると共に、上下対向するように配置し、対向する各電極を交互に接続することを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の酸素富化器において、前記電極間の接続を電極の長手両端部において行うことを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７までの何れかに記載の酸素富化器を複数積層して構成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１、２に記載の発明によれば、酸素透過側の電極が互いに向き合うように複数の電気化学セルを対向配置することにより、同数の電気化学セルを同一平面状に配置する場合に比べて、酸素富化器をコンパクトに構成することができる。特に、請求項２の構成では、一対の電気化学セル集合体にて塞がれた支持部材の枠内空間をそのまま透過ガスのガス流路として利用するため、構造も極めて簡便である。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明によれば、支持部材と電気化学セル集合体とをシール材にて接合して一体化することにより、ガス流路内のガスシール性が向上すると共に、両面の電気化学セル集合体が、この支持部材に堅固に支持されるため、酸素富化器の機械的強度を向上できる。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明によれば、シール材の角部形状を湾曲状とすることにより、電解質基板とシール材との熱膨張係数が異なる場合にも、シール材の湾曲角部において熱応力が分散されるため、熱応力により電解質基板に割れが生じることを防止できる。
【００１７】
また、請求項５、６に記載の発明によれば、全ての電気化学セルを直列接続することにより、単位セル当たりの電流量を少なくでき、その分、各電気化学セル内の抵抗ロスが小さくなり、性能を向上できる。特に、請求項６の構成では、支持部材を挟んで対向する細長矩形状の電極同士を直列に接続するため、同一平面上の接続のように隣接セルとの接続を無くすことができ、接続形態を単純化して生産性を向上できると共に、隣接セル間に配線のためのクリアランスを確保する必要がないことから、コンパクト化の促進に大いに寄与できる。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明によれば、電極を細長矩形状に形成して、その長手両端部において電極間の接続を行い、電流を電極の一端部から他端部に亘って電極全体に流すことにより、電極の電流密度を均一にすることができるため、性能を向上できる。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明によれば、必要酸素量に応じた酸素富化器アッセンブリを構成することにより、様々な用途に対して容易、且つ、コンパクトに対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図１〜図４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。
【００２１】
図１は本実施形態による酸素富化器の構成を示し、図２は同、酸素富化器の外観を示し、図３は酸素富化器に用いる複数の電気化学セルの接続形態を示し、図４は同、電気化学セルの構成を示している。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態による酸素富化器は、ランタンガレート系材料で成る一基板（２１）上に多数（本実施形態では４個）の電気化学セル２０が併設された上下一対の電気化学セル集合体１、１と、これら電気化学セル集合体１、１を両側に支持する四角形枠状の支持部材２とで構成されている。電気化学セル集合体１と支持部材２の外形は、ほぼ同形、同サイズとされ、この支持部材２と一対の電気化学セル集合体１、１がシール材（図示せず）にて接合され一体化されて、図２に示すような薄箱形の酸素富化器が構成される。
【００２３】
支持部材２は、電気化学セル集合体１の支持体として十分な機械的強度と絶縁性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、ジルコニア製の基板）を用いることができる。また、この支持部材２の一枠部に、リブ４を設けた補強板３が橋架されていると共に、枠内と枠外を連通する管状のガス排気部６が配設されている。
尚、基板２１と支持部材２との接合にあっては、シール材として、熱膨張係数が基板２１（ランタンガレートの熱膨張係数１０．８×１０-6／Ｋ）と近似する結晶化ガラスを用いるのが好ましく、この結晶ガラスにＬａを含有させると、強固に密着させることができる。
【００２４】
他方、電気化学セル集合体１は、図４に示すように、酸素イオン伝導性を有する電解質基板２１の表裏両面に一対の電極２２、２３が複数対向配置されたもので、一対の電極２２、２３毎に上記した電気化学セル２０が構成されようになっている。
【００２５】
これら電極２２、２３は細長矩形状に形成されており、電解質基板２１の外側の反応電極２２ａ（２３ａ）と、その外側の給電電極２２ｂ（２３ｂ）との２層構造と成されており、この一対の電極２２、２３が電解質基板２１上に一定の間隔をおいて、且つ、長辺側が隣接する状態で横一列に配設されている。尚、反応電極とは、電気化学反応の場となる電極（カソード、アノード）で、給電電極とは、外部から電流を供給するための電極である。
【００２６】
そして、図示のように、これら電極２２、２３間に直流電圧Ｖを印加することにより、上記電解質基板２１が、その一方の低電位電極面（カソード電極２３側）から他方の高電位電極面（アノード電極２２側）に向けて酸素含有混合ガス中（空気）から酸素のみを選択的に透過させる酸素透過膜として作用し、これにより、アノード電極２２側の雰囲気を酸素富化状態にすることができる。
【００２７】
ここで、上記電解質基板２１には、例えば、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｃ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ3等が用いられ、上記反応電極２２ａ（２３ａ）には（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＢａ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3等が用いられ、上記給電電極２２ｂ（２３ｂ）にはＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の多孔質体が用いられている。
【００２８】
ところで、本実施形では、上記構成の電気化学セル集合体１の電気化学セル２０が全て直列に接続され、且つ、この電気化学セル集合体１が間に支持部材２を介して対向配置された時、それぞれ対向する電極がガス透過側の電極、即ち、後述する内側電極がアノード電極２２として作用するように、各々電極２２、２３の相互間の接続、および末端部電極の直流電源Ｖへの接続が成されている。
そして、支持部材２とその両側の電気化学セル集合体１、１が接合・一体化されることにより形成される枠内空間部分がアノード電極２２からの透過ガス（酸素）が流通するガス流路５と成されていると共に、このガス流路５内の酸素を支持部材２に設けたガス排気部６より外部に取り出せるようになっている。
【００２９】
次ぎに、本実施形態による電気化学セルの接続形態を、図３を参照して説明する。
本実施形態では、図３に示すように、支持部材２を挟んで上下に配設される各電気化学セル２０の内側電極（支持部材２側の電極）と支持部材２と反対側の外側電極が電気的接続手段１０（配線１０）により、各電極の長手両端部において交互に接続される接続形態が採られている。
【００３０】
更に詳しく説明すれば、図３において、各電気化学セル集合体１、１の右端より、側下側の第１電気化学セル２０−１の外側電極と上側の第２電気化学セル２０−２の内側電極とが電極後端部において接続され、この第２電気化学セル２０−２の外側電極と下側の第３電気化学セル２０−３の内側電極とが電極前端部において接続され、この第３電気化学セル２０−３の外側電極と上側の第４電気化学セル２０−４の内側電極とが電極後端部において接続される。
以下、このような接続を順次繰り返すことにより、支持部材２を挟んで上下に位置する全ての各電気化学セル２０−１〜２０−８が直列に接続される。
【００３１】
尚、支持部材２と電解質基板２１には、上下方向に対応する配線穴７、８が設けられており、上述した上下電極間の配線１０による接続は、これら配線穴７、８を通して最短距離にて行われる。そして、右端の第１電気化学セル２０−１の内側電極は接続端子１１を介して直流電源Ｖの（＋）端子に接続されると共に、左端の第８電気化学セル２０−８の外側電極は接続端子１２を介して直流電源Ｖの（−）端子に接続される。
各電極相互の接続と直流電源Ｖへの接続が上記のように成されることにより、支持部材２を挟んで対向する各電極の内側電極をその外側電極より高電位することができ、よって、内側電極をアノード電極として作用させることができる。
尚、上記配線１０の材料として、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等を用いることができ、これらの材料によるペーストが配線穴７、８にスルーホール印刷されている。
【００３２】
以上、本実施形態では、酸素透過側であるアノード電極が向き合うように複数の電気化学セル２０を立体的に対向配置することにより、同数の電気化学セルを同一平面状に配置する従来構成に比べて酸素富化器をコンパクトに構成することができる。
また、支持部材２の枠内空間をそのままガス流路５として利用することにより、流路形成のための別部材を必要としないため、酸素富化器の構造を極めて簡便にでき、よって、コンパクトでありながら、多量の透過ガス（酸素）を効率良く得ることができる。
【００３３】
また、全ての電気化学セル２０を直列接続することにより、単位セル当たりの電流量を少なくでき、その分、各電気化学セル２０内の抵抗ロスが小さくなり、性能を向上できる。
加えて、本実施形態では、支持部材２を挟んで配置される電気化学セル２０同士を直列に接続していく接続形態を採ることから、同一平面上の接続のように、隣接セルとの接続を無くすことができ、接続形態を単純化して生産性を向上できると共に、隣接セル間に配線のための十分なクリアランスを確保する必要がないことから、コンパクト化の促進に大いに寄与できるものである。
特に、電極２２、２３を細長矩形状に形成して、その長手両端部において電極間の接続を行うことにより、電流を各電極の一端部から他端部に亘って電極全体に流すことができ、これにより、電極の電流密度を均一化することが可能となり、性能を向上させることができる。
【００３４】
また、支持部材２と電気化学セル集合体１とは、シール材（結晶化ガラス）にて接合されているため、ガス流路５内のガスシール性は良好であり、かつ、電気化学セル集合体１（即ち、電解質基板２１）が、この支持部材２にて確実に支持されるため、酸素富化器の機械的強度が向上し、熱応力による電気化学セル２０の破損も防止できる。
【００３５】
特に、図５に示すように、シール材１５を角のない枠体状にすると、熱応力がシール材１５の湾曲角部において湾曲ラインに沿って分散されるため、電解質基板２１に割れが生じることを防止できる。この場合、電解質基板２１の形状もこのシール材１５の外形に合わせ、図５に示すように四隅を湾曲形状にすると、電解質基板２１の湾曲角部において応力集中を緩和することができるため、より好ましい。尚、シール材１５の形状として、この他、円状、楕円状等とすることもできる。
【００３６】
また、図示しないが、係る構成の酸素富化器を複数積層してアッセンブリ化することも可能であり、これにより、必要酸素量に応じた様々な用途に対して容易、且つ、コンパクトに対応できる酸素富化器を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る酸素富化器の構成を示す分解斜視図。
【図２】同、酸素富化器の外観斜視図。
【図３】電気化学セルの接続形態を示す説明図。
【図４】電気化学セルの構成を示す断面図。
【図５】電解質基板の形状を示す平面図。
【符号の説明】
【００３８】
１  電気化学セル集合体
２  支持部材
５  ガス流路
１０  電気的接続手段（配線）
１５  シール材
２１  電解質基板
２２、２３  電極
【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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