(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる電極が表裏両面に形成された板状の固体電解質電極板と前記固体電解質電極板の端部を挟み前記電極に電力を供給するための挟着電極板とを有する固体電解質セルと、
前記固体電解質電極板の表裏両側に配置されたガス分離・分配板と、
前記ガス分離・分配板の一方の側に配置され、熱源となるヒータ板と、を積層した少なくとも１つの積層体を有し、
前記積層体における前記固体電解質セル、前記ガス分離・分配板、及び前記ヒータ板の各々の外周部分を積層方向に貫通してガスが流通する複数個のガス給排路が形成され、前記ガス給排路が互いに連通しない２系統形成され、それぞれの系統の前記ガス給排路に異なる電極が配置されており、
前記固体電解質セル、前記ガス分離・分配板、及び前記ヒータ板の各々の外周部分における、前記ガス給排路の形成位置と異なる位置に積層方向に貫通する複数の開孔部が形成されており、前記開孔部のそれぞれを貫通する電気伝導性を有する複数の棒状体が設けられ、当該棒状体により、前記固体電解質セルの表裏両面の各電極と前記ヒータ板のヒータ部のそれぞれに電力を供給するよう構成されたことを特徴とする酸素ポンプ。
【請求項２】
２系統のうちの一方のガス給排路が前記固体電解質電極板の一方の電極面にガス流を送り、他方のガス給排路が前記固体電解質電極板の他方の電極面にガス流を送るよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
２系統のガス給排路において、前記固体電解質電極板の一方の電極面上のガス流の方向と、前記固体電解質電極板の他方の電極面上のガス流の方向が直角方向に流れるよう構成されていることを特徴とする請求項２に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
前記ヒータ板は、金属箔により形成された抵抗体パターンをその両側より耐熱性絶縁性部材により挟着して構成されており、前記耐熱性絶縁性部材が前記抵抗体パターンの一部を露出する少なくとも１個以上の開口を有し、前記耐熱性絶縁性部材の外周部分に２系統のガス給排路となる２つ以上の開口を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
積層体若しくは前記積層体が複数積層された積層構成体の積層方向における両側最外部にガスを分流して当該積層体を保温するガス分離・分配・保温板と、ガス給排口を有する金属板とがそれぞれ積層されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
複数の固体電解質セルを有する積層構成体において、対向して配置された固体電解質電極板の電極が同じ極となるよう構成されていることを特徴とする請求項５に記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
前記挟着電極板が、前記固体電解質電極板の一方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の一方の面に形成された電極と電気的に接触する第１の挟着電極板と、
前記固体電解質電極板の他方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の他方の面に形成された電極と電気的に接触する第２の挟着電極板と、を有し、前記第１の挟着電極板と前記第２の挟着電極板のそれぞれが異なる電極に電力を供給するよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項８】
前記固体電解質電極板が矩形状を有し、当該固体電解質電極板の表裏両面に形成された異なる電極が膜体で構成され、一方の電極膜が前記固体電解質電極板の一方の端部に延設されて前記第１の挟着電極板と電気的に接触するよう構成され、他方の電極膜が前記固体電解質電極板の他方の端部に延設されて前記第２の挟着電極板と電気的に接触するよう構成されていることを特徴とする請求項７に記載の酸素ポンプ。
【請求項９】
前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板のそれぞれが固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板により構成されており、
前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ２組の前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板において、
一方の組の前記第１の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の電極膜を圧接し、当該一方の組の前記第１の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
他方の組の前記第２の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の前記第２の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の電極膜を圧接するよう構成されていることを特徴とする請求項７に記載の酸素ポンプ。
【請求項１０】
前記固体電解質電極板は、異なる電極が表裏両面に形成された複数の固体電解質基板と、
前記固体電解質基板がその表裏の電極を露出するよう配設される耐熱性絶縁性基板と、
前記耐熱性絶縁性基板の表裏両面のそれぞれに形成され、前記固体電解質基板の表裏両面の電極のそれぞれを電気的に接続する導電パターンと、有して構成され、
前記導電パターンが前記挟着電極板により圧接されて、前記固体電解質基板の表裏両面の各電極に電力を供給するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項１１】
前記導電パターンが形成された前記耐熱性絶縁性基板は複数の開口を有し、当該複数の開口を塞ぎ表裏両面の電極が露出するよう前記固体電解質基板が配設され、前記固体電解質基板の表裏両面の電極と前記導電パターンは互いの同一面が同一電極となるよう接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の酸素ポンプ。
【請求項１２】
前記挟着電極板が、前記固体電解質電極板の一方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の一方の面に形成された前記導電パターンと電気的に接触する第１の挟着電極板と、
前記固体電解質電極板の他方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の他方の面に形成された導電パターンと電気的に接触する第２の挟着電極板と、を有し、前記第１の挟着電極板と前記第２の挟着電極板のそれぞれが異なる前記電極に電力を供給するよう構成されたことを特徴とする請求項１１に記載の酸素ポンプ。
【請求項１３】
前記固体電解質電極板の表裏両面に形成された前記導電パターンの一方が、前記固体電解質電極板の一方の端部に延設されて前記第１の挟着電極板と電気的に接触するよう構成され、他方が前記固体電解質電極板の他方の端部に延設されて前記第２の挟着電極板と電気的に接触するよう構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の酸素ポンプ。
【請求項１４】
前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板のそれぞれが固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板により構成されており、
前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ２組の前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板において、
一方の組の前記第１の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の導体パターンを圧接し、当該一方の組の前記第１の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の導電パターンに接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
他方の組の前記第２の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の導電パターンに接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の前記第２の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の導電パターンを圧接するよう構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の酸素ポンプ。
【請求項１５】
挟着電極板が、熱膨張係数が４×１０−６〜２０×１０−６の範囲にある金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項１６】
挟着電極板が、鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金、或いはステンレス鋼板よりなることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項１７】
挟着電極板の片面或いは両面の全面或いは一部分に、金、銀、ニッケル、或いはアルミニウムの皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項１８】
前記積層体が複数積層された積層構成体において、一方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の一方の電極膜に接触するガス流、及び他方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の他方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して並列に流れるよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項１９】
前記積層体が複数積層された積層構成体において、一方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の一方の電極膜に接触するガス流、及び他方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の他方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して順次接触し直列に流れるよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項２０】
前記積層体が複数積層された積層構成体において、一方の系統のガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の一方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して並列に流れるよう構成されており、及び他方の系統のガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の他方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して順次接触し直列に流れるよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項２１】
前記積層体が複数積層された積層構成体において、前記固体電解質電極板の一方の電極膜或いは他方の電極膜に接触するガス流の方向を切り換えて、それぞれの電極膜を並列又は直列に流れるよう切り換える構造を有することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項２２】
前記積層構成体の積層方向に形成されたガス供排路の給排口となる開口部にガス流変更ブロックを挿入することにより、積層された前記電極膜に対してガス流を並列又は直列に流れるよう変更できる構造を有することを特徴とする請求項２１に記載の酸素ポンプ。
【請求項２３】
前記ガス分離・分配板、前記ガス分離・分配・保温板、及び前記ヒータ板の材料の熱膨張係数が、５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある耐熱性・絶縁性材料であることを特徴とする請求項５に記載の酸素ポンプ。
【請求項２４】
前記ガス分離・分配板、前記ガス分離・分配・保温板、及び前記ヒータ板が、マイカ、セラミックス素材、或いはガラス素材で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の酸素ポンプ。
【請求項２５】
前記ヒータ板において、ヒータ部が薄板状の鉄合金或いはニッケル合金で形成されたパターンがマイカ板で挟み込まれて構成され、前記ヒータ部に複数個の開口を有し、前記ヒータ部より外側の部分に複数個のガス給排路が各々独立してそれぞれ形成されており、前記ガス給排路以外の外周部分からヒータ用の電力が供給される構造を有することを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項２６】
前記積層体若しくは前記積層体が複数積み重ねられた積層構成体を貫通する前記棒状体が、ねじを有するビスよりなり、且つその材質が鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、或いはステンレス鋼で形成されており、前記固体電解質セルの電極に電気的に接続された前記挟着電極板及び前記ヒータ板のヒータ部の端子部が各々締結手段で締め付けられるよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至２５のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項２７】
前記積層構成体の最外層に配置される金属板が、鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金、或いはステンレス鋼板よりなる剛直な材料で形成されており、前記金属板に前記ガス給排路に連通するガス供給口及びガス排出口が形成されており、前記金属板を前記棒状体で締め付けて固着するよう構成されていることを特徴とする請求項５に記載の酸素ポンプ。
【請求項２８】
前記固体電解質電極板は、結晶構造がペロブスカイト型のバリウム・セリウム・ガドリニウム系酸化物セラミックス材料、バリウム・セリウム・ガドリニウム・ジルコニウム系酸化物材料、或いはバリウム・セリウム・ガドリニウム・アルミニウム系酸化物で形成されていることを特徴とする請求項１乃至２７のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【請求項２９】
前記固体電解質電極板の片面或いは両面に、少なくとも１個以上の緻密質或いは多孔質の耐熱性材料により構成されたスペーサ或いは補強板を取りつけた構造を有することを特徴とする請求項１乃至２８のいずれか一項に記載の酸素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板状の固体電解質を用いた積層構造の酸素ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸素の製造方法には種々の方法が実用化されており、純粋な酸素の製造方法としては、空気を液化し沸点の違いを利用して取り出す方法、水を電気分解して取り出す方法等がある。ガス或いは空気中の酸素を濃縮する方法としては、選択的に酸素を透過する膜を用いる方法が実用化されている。また、有機物質或いは無機酸化物よりなるイオン伝導性材料を用い、その両面にアノード電極及びカソード電極を形成して電圧を印加し、イオン伝導性材料における電解質内の酸素イオンの移動を利用して一方の側に濃縮酸素を作る方法等が知られている。このようなイオン伝導性材料を用いたものとしては、酸化物系の板状固体電解質材料を用いて空気中の酸素或いは各種ガス中の酸素を濃縮或いは除去する装置がある。
【０００３】
従来の固体電解質セルを用いた酸素ポンプとしては、種々の発明が公開されているが、その構造に関する発明としては少なく、その中で板状固体電解質を用いたものとしては次のようなものが公開されている。
特表平１−５０２９９３号公報に開示されている酸素ポンプにおいては、イットリウム安定化ジルコニウムセラミックス板を用い、その片面にハニカム構造の酸素電極と空気電極とを形成した構成体を複数積層した構造である。前記ハニカム構造の隣同士の開口において、一方が濃縮された酸素電極側であり、他方が酸素が減少する空気電極側になっている。当該ハニカム構造のセル構成素子の製造方法は、グリーンシート工法であり、平面状固体電解質グリーンシートの両面にアノード電極及びカソード電極の膜体を形成する。この平面状固体電解質グリーンシート上に波形シートを積層し、それらの積層体をさらに積み重ねることにより、この酸素ポンプのハニカム構造は構成されている。
【０００４】
また、特開平６−１５０９４５号公報に開示されている酸素ポンプは、固体電解質板をスペーサーを介して積層した構造を有している。図２８は特開平６−１５０９４５号公報に開示された酸素ポンプの積層構造の詳細を示す斜視図である。図２８において、各固体電解質板４３１，４３２，４３３，４３４の両面には異なる電極が形成されており、一方の面にアノード電極膜４３５ａ，４３５ｂ、他方の面にカソード電極膜４３６ａ，４３６ｂが形成されている。積層された固体電解質板４３１，４３２，４３３，４３４において、対向する面が同じ電極となるよう交互に配置されている。固体電解質板４３１，４３２，４３３，４３４は、これらの固体電解質板４３１，４３２，４３３，４３４と同じ材料で形成したＵ字形スペーサー４３７ａ，４３７ｂと左右一対のＩ字型スペーサー４３８ａ，４３８ｂとを交互に介して順次積層されている。Ｕ字形スペーサー４３７ａ，４３７ｂによる開口部４４１ａ，４４１ｂと、対向して配置された一対のＩ字形スペーサー４３８ａ，４３８ｂによる開口部４４２ａ，４４２ｂとは、水平面において９０゜回転した位置に配置されている。Ｕ字形スペーサー４３７ａ，４３７ｂにより形成された空間は、一箇所しか開口していない空間であり、この空間に面する固体電解質板４３１，４３２，４３３，４３４より酸素を取り出すよう電圧が各電極に印加される。一対のＩ字形スペーサー４３８ａ，４３８ｂで形成された空間は、両側に開口部４４２ａ、４４２ｂが形成されており、空気を供給する空気電極側になっている。これらの固体電解質板４３１，４３２，４３３，４３４に対して、Ｕ字形スペーサー４３７ａ，４３７ｂ、及びＩ字形スペーサー４３８ａ，４３８ｂは高温度で溶着されている。
【０００５】
固体電解質板４３１，４３２，４３３，４３４の四隅は、角を有する部分４４５ａ，４４５ｂと角を切り取った部分４４６ａ、４４６ｂで構成されている。角を有する部分４４５ａ，４４５ｂには、アノード電極及びカソード電極に接続される導電体４４７、４４８が形成され、積層体における同じ電極同士が上下で電気的に接続されている。これらの積層体のＵ字形スペーサー４３７ａ，４３７ｂの各開口部側４４１ａ，４４１ｂには、酸素を取り出すためのマニホールドが密封封着される構造を有している。
また、特開平１０−１５０６８号公報に開示されている酸素ポンプは、固体電解質の表面に形成した電極において、通電する電極面積を可変できる構造を有するものであり、酸素濃縮量を可変できる構成である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の酸素ポンプにおいて、空気を液化し沸点の差を利用する方法は純粋な酸素を多量に製造するには最適の方法であるが、装置が大型で非常に高価となるため、少量の酸素を製造する場合には不向きな装置であった。また、水の電気分解を利用する方法は、簡単な構成で低コストにより純粋な酸素を製造することが可能である。しかし、この製造方法は、電気分解中に発生する水素の処置に課題があり、誤って空気と混じり引火すると爆発する危険性があるため、取扱い上及び安全上において大きな問題があった。また、酸素を選択的に透過する膜を使用する方法は、簡便で安全な方法であるが、空気を加圧して装置に供給する構成であるため、空気加圧用ポンプが設けられており、騒音が生じるという問題があった。特に、病院等の騒音を嫌う場所では、このような酸素製造装置としての酸素ポンプは敬遠されるものであった。
【０００７】
また、特表平１−５０２９９３号公報に開示された酸素ポンプは、板状固体電解質を用いたものであるが、濃縮された酸素ガス及び空気を供給するための流路にハニカム構造の構成体が用いられており、このようなハニカム構造の構成体を形成することはコストアップにつながり安価な酸素ポンプを製造することが困難であった。また、この従来の酸素ポンプは、複雑な構造のハニカム構造におけるアノード電極及びカソード電極に電源を供給する構成であるため、その構成の構築は非常に困難であった。
【０００８】
さらに、特開平６−１５０９４５号公報に開示された酸素ポンプは、小型に形成された構造を有しているが、次のような問題を有していた。その一つは、アノード電極及びカソード電極のそれぞれに電力を供給するため、導電性ペーストを用いて積層体の外側で導体部分を接続する構成である。この接続方法は導体部分が薄いため傷がつけば導体抵抗がすぐに上昇し、極端な場合断線する危険性があった。また、濃縮された酸素を取り出すために、酸素取り出し用マニホールドを酸素ポンプに封着する構造であるが、その封着部分がポンプ作動中に高温度となるため、従来の酸素ポンプの封着部分においてガス漏れの心配があり、信頼性の点で大きな問題を有していた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の問題を解決して、小型で信頼性の高い酸素ポンプを提供することを目的とするものである。
本発明の酸素ポンプは、異なる電極が表裏両面に形成された板状の固体電解質電極板と前記固体電解質電極板の端部を挟み前記電極に電力を供給するための挟着電極板とを有する固体電解質セルと、
前記固体電解質電極板の表裏両側に配置されたガス分離・分配板と、
前記ガス分離・分配板の一方の側に配置され、熱源となるヒータ板と、を積層した少なくとも１つの積層体を有し、
前記積層体における前記固体電解質セル、前記ガス分離・分配板、及び前記ヒータ板の各々の外周部分を積層方向に貫通してガスが流通する複数個のガス給排路が形成され、前記ガス給排路が互いに連通しない２系統形成され、それぞれの系統の前記ガス給排路に異なる電極が配置されており、
前記固体電解質セル、前記ガス分離・分配板、及び前記ヒータ板の各々の外周部分における、前記ガス給排路の形成位置と異なる位置に積層方向に貫通する複数の開孔部が形成されており、前記開孔部のそれぞれを貫通する電気伝導性を有する複数の棒状体が設けられ、当該棒状体により、前記固体電解質セルの表裏両面の各電極と前記ヒータ板のヒータ部のそれぞれに電力を供給するよう構成されている。このように構成された本発明の酸素ポンプは、固体電解質セルが積層された積層構造において互いに連通しない２系統のガス給排路が形成されているため、小型で高効率の酸素ポンプを実現することができ、従来のマニホールドを後付する酸素ポンプに比べて気密性に優れ、小型化を実現できる。
【００１０】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、２系統のうちの一方のガス給排路が前記固体電解質電極板の一方の電極面にガス流を送り、他方のガス給排路が前記固体電解質電極板の他方の電極面にガス流を送るよう構成してもよい。
また、本発明の酸素ポンプは、２系統のガス給排路において、前記固体電解質電極板の一方の電極面上のガス流の方向と、前記固体電解質電極板の他方の電極面上のガス流の方向が直角方向に流れるよう構成してもよい。
また、本発明の酸素ポンプにおいて、ヒータ板は、金属箔により形成された抵抗体パターンをその両側より耐熱性絶縁性部材により挟着して構成されており、前記耐熱性絶縁性部材が前記抵抗体パターンの一部を露出する少なくとも１個以上の開口を有し、前記耐熱性絶縁性部材の外周部分に２系統のガス給排路となる２つ以上の開口を有するよう構成してもよい。
また、本発明の酸素ポンプにおいて、積層体若しくは前記積層体が複数積層された積層構成体の積層方向における両側最外部にガスを分流して当該積層体を保温するガス分離・分配・保温板と、ガス給排口を有する金属板とをそれぞれ積層するよう構成してもよい。
また、本発明の酸素ポンプにおいて、複数の固体電解質セルを有する積層構成体において、対向して配置された固体電解質電極板の電極が同じ極となるよう構成してもよい。
【００１１】
本発明の酸素ポンプにおいて、前記挟着電極板が、前記固体電解質電極板の一方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の一方の面に形成された電極と電気的に接触する第１の挟着電極板と、
前記固体電解質電極板の他方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の他方の面に形成された電極と電気的に接触する第２の挟着電極板と、を有し、前記第１の挟着電極板と前記第２の挟着電極板のそれぞれが異なる電極に電力を供給するよう構成してもよい。このように構成された酸素ポンプは、挟着電極板により固体電解質電極板を両側から挟み込んで電極膜に電力を供給する構成であるため、実質的な同一平面面内において各電極に電力を供給する構成が実現でき、固体電解質セルを積層した時、固体電解質電極板に締め付け力が働かないので、固体電解質電極板として抗折強度の小さい材料が選定でき、振動や衝撃に強い酸素ポンプとなる。
【００１２】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記固体電解質電極板が矩形状を有し、当該固体電解質電極板の表裏両面に形成された異なる電極が膜体で構成され、一方の電極膜が前記固体電解質電極板の一方の端部に延設されて前記第１の挟着電極板と電気的に接触するよう構成され、他方の電極膜が前記固体電解質電極板の他方の端部に延設されて前記第２の挟着電極板と電気的に接触するよう構成してもよい。
【００１３】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板のそれぞれが固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板により構成されており、
前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ２組の前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板において、
一方の組の前記第１の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の電極膜を圧接し、当該一方の組の前記第１の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
他方の組の前記第２の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の前記第２の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の電極膜を圧接するよう構成してもよい。
【００１４】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記固体電解質電極板は、異なる電極が表裏両面に形成された複数の固体電解質基板と、
前記固体電解質基板がその表裏の電極を露出するよう配設される耐熱性絶縁性基板と、
前記耐熱性絶縁性基板の表裏両面のそれぞれに形成され、前記固体電解質基板の表裏両面の電極のそれぞれを電気的に接続する導電パターンと、有して構成され、
前記導電パターンが前記挟着電極板により圧接されて、前記固体電解質基板の表裏両面の各電極に電力を供給するよう構成してもよい。
【００１５】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記導電パターンが形成された前記耐熱性絶縁性基板は複数の開口を有し、当該複数の開口を塞ぎ表裏両面の電極が露出するよう前記固体電解質基板が配設され、前記固体電解質基板の表裏両面の電極と前記導電パターンは互いの同一面が同一電極となるよう接続してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記挟着電極板が、前記固体電解質電極板の一方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の一方の面に形成された前記導電パターンと電気的に接触する第１の挟着電極板と、
前記固体電解質電極板の他方の端部を挟み弾性力により圧接して前記固体電解質電極板の他方の面に形成された導電パターンと電気的に接触する第２の挟着電極板と、を有し、前記第１の挟着電極板と前記第２の挟着電極板のそれぞれが異なる前記電極に電力を供給するよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記固体電解質電極板の表裏両面に形成された前記導電パターンの一方が、前記固体電解質電極板の一方の端部に延設されて前記第１の挟着電極板と電気的に接触するよう構成され、他方が前記固体電解質電極板の他方の端部に延設されて前記第２の挟着電極板と電気的に接触するよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板のそれぞれが固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板により構成されており、
前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ２組の前記第１の挟着電極板及び前記第２の挟着電極板において、
一方の組の前記第１の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の導体パターンを圧接し、当該一方の組の前記第１の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の導電パターンに接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
他方の組の前記第２の挟着電極板の表面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の表面側の導電パターンに接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の前記第２の挟着電極板の裏面側の金属薄板が前記固体電解質電極板の裏面側の導電パターンを圧接するよう構成してもよい。
【００１６】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、挟着電極板が、熱膨張係数が４×１０−６〜２０×１０−６の範囲にある金属材料で形成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、挟着電極板が、鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金、或いはステンレス鋼板より構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、挟着電極板の片面或いは両面の全面或いは一部分に、金、銀、ニッケル、或いはアルミニウムの皮膜が形成されてもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記積層体が複数積層された積層構成体において、一方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の一方の電極膜に接触するガス流、及び他方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の他方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して並列に流れるよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記積層体が複数積層された積層構成体において、一方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の一方の電極膜に接触するガス流、及び他方の系統の前記ガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の他方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して順次接触し直列に流れるよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記積層体が複数積層された積層構成体において、一方の系統のガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の一方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して並列に流れるよう構成されており、及び他方の系統のガス給排路を通り、前記固体電解質電極板の他方の電極膜に接触するガス流が、積層された前記電極膜に対して順次接触し直列に流れるよう構成してもよい。
【００１７】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記積層体が複数積層された積層構成体において、前記固体電解質電極板の一方の電極膜或いは他方の電極膜に接触するガス流の方向を切り換えて、それぞれの電極膜を並列又は直列に流れるよう切り換えるよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記積層構成体の積層方向に形成されたガス供排路の給排口となる開口部にガス流変更ブロックを挿入することにより、積層された前記電極膜に対してガス流を並列又は直列に流れるよう変更できるよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記ガス分離・分配板、前記ガス分離・分配・保温板、及び前記ヒータ板の材料の熱膨張係数が、５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある耐熱性・絶縁性材料で構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記ガス分離・分配板、前記ガス分離・分配・保温板、及び前記ヒータ板が、マイカ、セラミックス素材、或いはガラス素材で形成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記ヒータ板において、ヒータ部が薄板状の鉄合金或いはニッケル合金で形成されたパターンがマイカ板で挟み込まれて構成され、前記ヒータ部に複数個の開口を有し、前記ヒータ部より外側の部分に複数個のガス給排路が各々独立してそれぞれ形成されており、前記ガス給排路以外の外周部分からヒータ用の電力が供給されるよう構成してもよい。
【００１８】
また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記積層体若しくは前記積層体が複数積み重ねられた積層構成体を貫通する前記棒状体が、ねじを有するビスよりなり、且つその材質が鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、或いはステンレス鋼で形成されており、前記固体電解質セルの電極に電気的に接続された前記挟着電極板及び前記ヒータ板のヒータ部の端子部が各々締結手段で締め付けられるよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記積層構成体の最外層に配置される金属板が、鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金、或いはステンレス鋼板よりなる剛直な材料で形成されており、前記金属板に前記ガス給排路に連通するガス供給口及びガス排出口が形成されており、前記金属板を前記棒状体で締め付けて固着するよう構成してもよい。また、本発明の酸素ポンプにおいて、前記固体電解質電極板は、結晶構造がペロブスカイト型のバリウム・セリウム・ガドリニウム系酸化物セラミックス材料、バリウム・セリウム・ガドリニウム・ジルコニウム系酸化物材料、或いはバリウム・セリウム・ガドリニウム・アルミニウム系酸化物で形成してもよい。さらに、本発明の酸素ポンプにおいて、前記固体電解質電極板の片面或いは両面に、少なくとも１個以上の緻密質或いは多孔質の耐熱性材料により構成されたスペーサ或いは補強板を取りつけた構造としてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸素ポンプの好適な実施例について、添付の図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
《実施例１》
図１は本発明に係る実施例１の酸素ポンプの基本的な部分である酸素ポンプモジュールの構成を示す斜視図である。実施例１における酸素ポンプモジュールは板状の固体電解質を用いた積層構造を有している。以下の説明において固体電解質板の表裏両面に電極膜を形成したものを固体電解質電極板と称す。図２は実施例１における固体電解質電極板の斜視図である。図３は実施例１における固体電解質電極板の他の構成を示しており、円形形状の固体電解質電極板を絶縁性基板に取り付ける構成を示す分解斜視図である。図４は図３の円形形状の固体電解質電極板を絶縁性基板に取り付けた状態を示す完成斜視図である。図５は固体電解質電極板への挟着電極板の取付構造の一部を示す分解斜視図である。図６は図５の完成斜視図である。図７は図６のVII−VII線による断面図である。図８は実施例１における別の構成の固体電解質セル構造を示す分解斜視図である。図９は実施例１における更に別の構成の固体電解質セル構造を示す斜視図である。図１０は実施例１におけるガス分離・分配板を示す斜視図である。図１１は実施例１におけるヒータ板を示す分解斜視図である。図１２は図１の実施例１の酸素ポンプモジュールの主要部分におけるXII−XII線による断面図であり積層構造体におけるガス流を示している。図１３は実施例１の酸素ポンプモジュールの積層構造体の組立状態を示す斜視図である。図１４は酸素ポンプモジュールの完成状態を示す斜視図である。全ての図面において、同一の機能、構成を有するものには同一の符号を付している。
【００２１】
以下、図を参照しつつ本発明に係る実施例１の酸素ポンプモジュールの構成について説明する。
先ず、図１から説明する。図１は実施例１の酸素ポンプモジュールにおける主要部分の一部を分解して示す斜視図である。図１の分解斜視図において、酸素ポンプの積層構成体における上部となる２つの固体電解質セル１０，１１を積層構成体から分解して示している。以下の説明において、一方を上側の固体電解質セル１０、そして他方を下側の固体電解質セル１１と称する。また、上側の固体電解質セル１０において、上面がカソード電極（−極）、下面がアノード電極（＋極）とする。また、下側の固体電解質セル１１においては、上面がアノード電極（＋極）、下面がカソード電極（−極）とする。
上側の固体電解質セル１０には矩形形状をした固体電解質基板２２が設けられており、その上面にはカソード電極膜２０、下面にはアノード電極膜（図示なし）が形成されている。また、下側の固体電解質セル１１には矩形形状をした固体電解質基板１９が設けられており、その上面にはアノード電極膜２１、下面にはカソード電極膜（図示なし）が形成されている。このように、酸素ポンプモジュールの積層構成体において、各固体電解質基板１９，２２の表裏には反対極の電極膜が形成されている。
【００２２】
上側の固体電解質セル１０の固体電解質基板２２の外縁部分には、２組の挟着電極板２３，２４が設けられている。一方の挟着電極板２３は、固体電解質基板２２の外縁部分における２辺部分を挟み込むよう、２枚の薄い金属板により構成されている。他方の挟着電極板２４は、固体電解質基板２２の外縁部分における他の２辺部分を挟み込むよう、２枚の薄い金属板により構成されている。
挟着電極板２３は、固体電解質基板２２の表面に形成されたカソード電極膜２０の一部に接触するよう上下２枚の挟着電極板２３を数カ所でスポット溶接して固体電解質基板２２に固定したものである。このように上下２枚の金属板である挟着電極板２３により固体電解質基板２２の２辺部分を挟み込んで固定したとき、一方の挟着電極板の端部はカソード電極膜２０に接触しているが、他方の挟着電極板はアノード電極膜（固体電解質基板２２の下面に形成された電極）に接触してない状態で挟み込み固定されている。
一方、挟着電極板２４は、固体電解質基板２２の裏面に形成されたアノード電極膜の一部に接触するよう上下２枚の金属板である挟着電極板２４を数カ所でスポット溶接して固体電解質基板２２に固定したものである。このように上下２枚の挟着電極板２４で固体電解質基板２２の２辺部分を挟み込んで固定したとき、一方の挟着電極板の端部はアノード電極膜（固体電解質基板２２の下面に形成された電極）の端部に接触しているが、他方の挟着電極板はカソード電極膜２０に接触してない状態で挟み込み固定されている。これらの挟着電極板２３，２４による挟着構造の詳細については図２〜７を用いて後述する。
【００２３】
固体電解質基板２２と、この固体電解質基板２２の両面に設けられた電極膜と、挟着電極板２３，２４とにより構成された上側の固体電解質セル１０の四隅には、開孔部２５ａ，２５ｂ及び２６ａ，２６ｂが互いに対向する位置に形成されている。一方の対角線上の開孔部２５ａ，２５ｂの直径は小さく、他方の対角線上の開孔部２６ａ，２６ｂは大きな形状である。図１に示すように、大きな開孔部２６ａ，２６ｂを形成する挟着電極板２３と２４は開孔部２６ａ，２６ｂの中心線上（固体電解質セル１０の対角線上）で切り離された構造を有している。したがって、挟着電極板２３，２４においては、カソード電極膜２０と接触している挟着電極板２３とアノード電極膜と接触している挟着電極板２４とは、間隙を有して組み立てられており、互いに電気的絶縁が保たれている。
【００２４】
挟着電極板２３，２４にはガス給排路となるガス路開口部が形成されている。挟着電極板２３には酸素が濃縮される空気が流れるガス路開口部３１ａ（ｉｎ側）と酸素が減少する空気が流れるガス路開口部３０ｂ（ｉｎ側）が形成されている。また、挟着電極板２４には酸素が減少した空気が流れるガス路開口部３０ａ（ｏｕｔ側）と酸素が濃縮された空気が流れるガス路開口部３１ｂ（ｏｕｔ側）が形成されている。したがって、四角形の上側の固体電解質セル１０の外周部近傍、すなわち一方の対向する辺の近傍には酸素が濃縮される空気が流れるガス路開口部３１ａ，３１ｂが形成されており、他方の対向する辺の近傍には酸素が減少する空気が流れるガス路開口部３０ａ，３０ｂが形成されている。
固体電解質セル１０の上下にはガス分離・分配板１４，１５が配置され積層されている。ガス分離・分配板１４において、酸素が減少する空気がながれる固体電解質セル１０のガス路開口部３０ａ，３０ｂと対応する位置に開放ガス路部３５ａ，３５ｂが形成されている。これらの開放ガス路部３５ａ，３５ｂは中央部分に形成された大きな開口に含まれており連通状態である。したがって、酸素が減少する空気が流れる開放ガス路部３５ａ，３５ｂは、固体電解質セル１０の上面に形成されたカソード電極膜２０の上部空間と実質的につながっており、酸素が減少する空気がガス分離・分配板１４の中央部分に形成された大きな開口を流れるよう構成されている。
ガス分離・分配板１４において、酸素が減少する空気が流れる開放ガス路部３５ａ，３５ｂの配設位置に対して、水平面で９０゜回転した位置に、酸素が濃縮される空気の流れるガス路開口部３６ａ，３６ｂが対向して形成されている。これらのガス路開口部３６ａ，３６ｂは、酸素が濃縮される空気の流れる固体電解質セル１０のガス路開口部３１ａ（ｉｎ側），３１ｂ（ｏｕｔ側）と対応する位置に形成されている。したがって、酸素が濃縮される空気の流れるガス路開口部３６ａ，３６ｂは、固体電解質セル１０の上面に形成されたカソード電極膜２０の上部空間とは隔離されており、それぞれが独立した貫通孔により構成されている。
【００２５】
図１に示すように、上側の固体電解質セル１０と下側の固体電解質セル１１との間には、ガス分離・分配板１５、ヒータ板１７、及びガス分離・分配板１６が配置されて積層されている。ガス分離・分配板１５、ヒータ板１７、及びガス分離・分配板１６には、固体電解質セル１０のガス路開口部３０ａ（ｏｕｔ側），３０ｂ（ｉｎ側）と対応する位置にガス路開口部４７ａ，４７ｂとして貫通孔が形成されており、酸素が減少する空気が流れるよう構成されている。したがって、固体電解質セル１０のカソード電極膜２０の上部空間と連通したガス分離・分配板１４の開放ガス路部３５ａ，３５ｂは、固体電解質セル１０の下方に配置されたガス分離・分配板１５，ヒータ板１７，及びガス分離・分配板１６の外周部近傍に独立して形成された各貫通孔と連通している。すなわち、酸素が減少する空気は、ガス分離・分配板１５のガス路開口部４２ａ，４２ｂと、ヒータ板１７のガス路開口部４５ａ，４５ｂ、及びガス分離・分配板１６のガス路開口部４７ａ，４７ｂを流れるよう構成されている。これらの貫通孔は下側の固体電解質セル１１のガス路開口部４８ａ（ｏｕｔ側），４８ｂ（ｉｎ側）と連通している。
【００２６】
下側の固体電解質セル１１の下方にはガス分離・分配板２が配置されており、このガス分離・分配板２における開放ガス路部４０ａ，４０ｂは、固体電解質セル１１の下面に形成されたカソード電極膜（図示せず）下の空間と連通している。したがって、下側の固体電解質セル１１のガス路開口部４８ａ，４８ｂを通った空気は、ガス分離・分配板２の開放ガス路部４０ａ，４０ｂを通り、固体電解質セル１１の下面に形成されたカソード電極膜の表面空間に流れる。
【００２７】
上側の固体電解質セル１０の上部に配置されたガス分離・分配板１４において酸素が濃縮される空気が流れるガス路開口部３６ａ，３６ｂは、酸素が減少する空気が流れる前述の開放ガス路部３５ａ，３５ｂとは隔離されている。ガス路開口部３６ａ，３６ｂは、固体電解質セル１０の下部に配置されたガス分離・分配板１５の開放ガス路部４１ａ，４１ｂに通じており、当該開放ガス路部４１ａ，４１ｂを介して固体電解質セル１０の下面のアノード電極膜面に接する空間と連通している。更に、ガス路開口部３６ａ，３６ｂは、ガス分離・分配板１６の開放ガス路部５０ａ，５０ｂと通じており、当該開放ガス路部５０ａ，５０ｂを介して下側の固体電解質セル１１の上面のアノード電極膜面に接する空間に連通している。
【００２８】
前述のように、固体電解質セル１０の上下に配置されたガス分離・分配板１４とガス分離・分配板１５における構造上の違いは、ガス分離・分配板１４における中央部分の開口から独立したガス路開口部３６ａ，３６ｂの配設位置と、ガス分離・分配板１５における中央部分の開口から独立したガス路開口部４２ａ，４２ｂの配設位置が水平面上において９０゜回転している点である。この位置関係は、全ての固体電解質セルの上下に配置されたガス分離・分配板において共通したことである。図１において、下側の固体電解質セル１１の下方に配置される積層体ブロック１８については、上記と同様に構成されているためその説明を省略する。なお、図１に示した積層体ブロック１８において、下側の固体電解質セル１１の下方には、２枚のガス分離・分配板２，３、固体電解質セル１２、ガス分離・分配板３２、ヒータ板３３、ガス分離・分配板３４、固体電解質セル１３、及びガス分離・分配板４が順番に配設されている。
【００２９】
上記のように、複数の固体電解質セルを積層した構造において、対向して配置された固体電解質セルの対向面には同じ極を有して積層されている。このような構成とすることにより、実質的な四角形状の固体電解質セルの４辺近傍に形成されたガス給排路において、酸素が濃縮される空気のｉｎ側、ｏｕｔ側の流路と、酸素が減少する空気のｉｎ側、ｏｕｔ側の流路の２系統のガス給排路が形成できる。
また、上記のように構成することにより、後述する電力供給方式において、２つの金属導体で複数の固体電解質セルのアノード電極膜同士及びカソード電極膜同士を連結することが可能となり、コンパクトな酸素ポンプモジュールを実現することができる。
【００３０】
本発明に係る実施例１の酸素ポンプにおいては、積層体の中にヒータ板が設けられている。図１に示した実施例１の酸素ポンプモジュールにおいては、符号１７で示したヒータ板がガス分離・分配板１５，１６の間に設けられている。
ヒータ板１７にはその中央部分に複数個の開口部４３が形成されており、その開口部４３に複数の金属抵抗箔であるヒータ部４４が配設されている。ヒータ板１７の四つの片の外周部近傍には、それぞれが独立した４つのガス路開口部４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂがそれぞれ形成されている。これらのガス路開口部４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂは、積層体における固体電解質セルのガス路開口部とガス分離・分配板のガス路開口部と開放ガス路部と対応する鉛直線上の位置に形成されており、鉛直線上のガス給排路が連通するよう形成されている。
【００３１】
さらに、ヒータ板１７の四隅には開孔５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂが形成されており、一方の対角線上の２つの開孔５１ａ，５１ｂには熱源であるヒータ部４４のヒートパターンに接続された端子部が露出している。これらの端子部には外部電源が接続されて電源が供給される構成である。また、対角線上の他の２つの開孔５２ａ，５２ｂは固体電解質セル１０上に形成されたカソード電極膜及びアノード電極膜への電力供給ラインが通るよう構成されている。したがって、ヒータ板１７の開孔５１ａ，５１ｂの配設位置は、電力供給ラインが接続される固体電解質セル１０の開孔２５ａ，２５ｂの配設位置とは水平面において９０゜回転している。すなわち、実質的に四角形状のヒータ板１７において、一方の対角線上の隅に形成された開孔５１ａ，５１ｂに対して、他の対角線上の隅に開孔５２ａ，５２ｂが形成されている。これらの開孔５２ａ，５２ｂには固体電解質セル１０のカソード電極膜及びアノード電極膜に電力を供給するための金属棒が通るよう構成されている。なお、上側の固体電解質セル１０及び下側の固体電解質セル１１の隅に形成された開孔２６ａ，２６ｂ及び５３ａ，５３ｂにはヒータ板１７のヒータ部４４に電力を供給するための導電体である金属棒が挿入されるが、この金属棒が固体電解質セル１０及び固体電解質セル１１に対して接触しないよう電気的に絶縁状態とするために、それぞれの開孔２６ａ，２６ｂ及び５３ａ，５３ｂは大きく形成されている。
【００３２】
次に、実施例１における固体電解質セル（積層体ブロック１８にある固体電解質セル１２，１３を含む）のカソード電極膜とアノード電極膜、及びヒータ板１７のヒータ部４４への電力供給構造について説明する。
図１に示した酸素ポンプモジュールの固体電解質セル１０，１１，１２，１３及び実施例１の酸素ポンプにおける全ての固体電解質セルは、上下２枚の金属板で構成された挟着電極板により挟まれている。これらの挟着電極板には、各固体電解質セルの対角線上の２つの隅に相当する部分に小さな開孔が形成されている。上下方向に積層された各固体電解質セルにおける上下方向の小さな開孔は、その中心が一直線上に穿たれている。
図１においては、固体電解質セル１０の上面にカソード電極膜２０を形成した例で説明したので、固体電解質セル１０の開孔２５ａに挿入されて接続される金属棒はカソード極であり、開孔２５ｂに挿入されて接続される金属棒はアノード極である。したがって、実施例１において、カソード電極膜に対する電力供給は、次のように構成して行われる。
【００３３】
図１において、ネジが切られ外部電源（−極）に接続したた金属棒は、ガス分離・分配板１４の大きな開孔５５ａ→固体電解質セル１０の小さな開孔２５ａ→ガス分離・分配板１５の開孔（図示なし）→ヒータ板１７の大きな開孔５２ａ→ガス分離・分配板１６の大きな開孔（図示なし）→固体電解質セル１１の小さな開孔５６ａ→ガス分離・分配板２（積層体ブロック１８）の開孔（図示なし）→（積層体ブロック１８における各開孔）の順に挿入される。この金属棒は固体電解質セル１０の開孔２５ａと、固体電解質セル１１の開孔５６ａの部分において、締結手段であるナットにより締め付け固定される。なお、ガス分離・分配板１４，１６の大きな開口には金属棒を固定するためのナットが収納される
【００３４】
同様に、アノード電極膜に対する電力供給は、次のように構成して行われる。ネジが切られ外部電源（＋極）と接続した金属棒は、ガス分離・分配板１４の大きな開孔５５ｂ→固体電解質セル１０の小さな開孔２５ｂ→ガス分離・分配板１５の開孔５４ｂ→ヒータ板１７の大きな開孔５２ｂ→ガス分離・分配板１６の大きな開孔５７ｂ→固体電解質セル１１の小さな開孔５６ｂ→ガス分離・分配板２（積層体ブロック１８）の開孔５８ｂ→（積層体ブロック１８における各開孔）の順に挿入される。この金属棒は固体電解質セル１０の開孔２５ｂと、固体電解質セル１１の開孔５６ｂの部分において、ナットにより締め付け固定される。なお、ガス分離・分配板１４，１６の大きな開孔には金属棒を固定するためのナットが収納される。
上記のように設けられたそれぞれの金属棒は、積層体における上下の両端部まで突き出すよう挿入され、積層体の下に導出した金属棒にはナットが装着されて締め付け固定される。また、それぞれの金属棒の上の部分には、各外部リード線が取付けられて電力が供給される。
【００３５】
実施例１における酸素ポンプモジュールにおけるヒータ板１７への電力供給は、前述の固体電解質セルの電極膜への電力供給と同様な構造を有している。
ヒータ板１７の開孔５１ａ，５１ｂに形成されたヒータ端子に対してネジが切られた金属棒を積層体の各開孔に貫通させて電力供給を行っている。すなわち、電力供給用の金属棒がガス分離・分配板１４の開孔７１ａと７１ｂにそれぞれ挿入され、積層体ブロック１８の最下部においてナットにより締め付けられている。また、ヒータ板１７の開孔５１ａ、５１ｂのヒータ端子においても当該金属棒がナットにより締め付けられて、金属棒とヒータ端子とは電気的に接続状態となる。金属棒の上の部分には、外部リード線が取付けられて電力が供給される。
【００３６】
実施例１の酸素ポンプモジュールにおいては、上記のような電力供給構造を有しているため、矩形形状を有する積層体の４隅において積層体内部を連通する開孔を形成し、これらの開孔に金属棒を挿入して、固体電解質セルの各電極、及びヒータ板の各電極に電力を簡単に供給することができる。実施例１における電力供給の接続構造は金属棒と金属端子を物理的に締め付けて固定する方式である。したがって、実施例１における電力供給方式を用いることにより、従来のように導電性ペースト等を用いて接続する方法に較べて、振動や衝撃或いは使用材料間の熱膨張の差による破断等の心配のない信頼性の高い電力供給接続を提供することができる。
【００３７】
次に、実施例１の酸素ポンプモジュールの積層体における空気の流れについて説明する。
図１に示したように、酸素ポンプモジュールの積層体に対して矢印７２ｂの方向（図１の上方向）にガスが挿入される。そのガスは固体電解質セル１０のガス路開口部３０ｂを通り、カソード電極膜２０のカソード面上に分流して、対向する位置に形成されたガス路開口部３０ａに入り、矢印７２ａの方向（図１の下方向）に流れて排出される。矢印７２ｂと矢印７２ａで示したガスの流れは、酸素が減少するガスの流れであり、酸素の少ないガス流となっている。
一方、固体電解質セル１０のアノード電極膜（図示なし）に関しては、酸素ポンプモジュールの積層体に対して矢印７３ａの方向（図１の下方向）にガスが挿入され、そのガスが固体電解質セル１０のガス路開口部３１ａを通り、アノード電極膜の面上に分流されて、対向する位置に形成されたガス路開口部３１ｂに入り、矢印７３ｂの方向（図１の上方向）に流れて排出される。矢印７３ａと矢印７３ｂで示したガスの流れは、酸素が濃縮されるガスの流れであり、酸素の多いガス流となっている。
【００３８】
なお、実施例１においては、酸素が減少したガスの出口と酸素が濃縮されたガスの出口を反対方向となるよう構成した例で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、同じ方向にそれぞれの出口を設けるよう構成することも可能である。また、実施例１においては、ガス給排路となる開口部を一つの開口とした例で説明したが、複数個の開口として構成してもその機能は全く変わらない。
【００３９】
次に、実施例１における固体電解質セルの詳細な構成について、図２〜図９を用いて説明する。図２は固体電解質セル１０における略四角状の固体電解質電極板９１の斜視図であり、この固体電解質電極板９１は固体電解質基板２２と、この固体電解質基板２２の一方の面（表面）に形成した略四角状のカソード電極膜２０と、他方の面に形成した略四角状のアノード電極膜９２により構成されている。図２に示すように、カソード電極膜２０はその隣接する２辺側（図２における奥側の２辺）が固体電解質基板２２の端部近傍から形成されており、対向する２辺側（図２における手前側の２辺）が固体電解質基板２２の端部から広い間隔を有して形成されている。
また、固体電解質セル１０において、他方の面（裏面）に形成されたアノード電極膜９２は、前述のカソード電極膜２０とは反対に手前側の２辺が固体電解質基板２２の端部近傍から形成されており、奥側の２辺は固体電解質基板２２の端部から広い間隔を有して形成されている。すなわち、固体電解質基板２２の両面に形成されたカソード電極膜２０とアノード電極膜９２とは反転した位置関係になるように配設されている。
【００４０】
実施例１において用いた固体電解質基板２２の材料及びその製造方法は次の通りである。  （１）固体電解質の材料は、ＢａＣｅ０．３５Ｚｒ０．５Ｇｄ０．１５Ｏ３−α    となるように各材料を秤量し、有機溶剤を加えてボールミルで２４時間混合する。
（２）（１）の混合の後、乾燥して、成形後１３００℃空気雰囲気中で仮焼する。
（３）（２）の仮焼後、有機溶剤、可塑剤、分散剤をそれぞれ加えて、ボールミルで４８時間粉砕・混合後、シリコーン処理したＰＥＴフィルム上にドクターブレード法でシート成形して、乾燥する。
（４）（３）の乾燥後、そのシートを複数枚重ねて加熱しながら加圧し、一体化させた後に必要サイズに切断する。
（５）（４）の切断後、多孔質のセッター上に乗せ５００℃の電気炉中空気雰囲気で脱バインダー処理を行い、最後に電気炉中空気雰囲気で１６５０℃で１０時間焼成し、薄いペロブスカイト型バリウム−セリウム−ガドリニウム−ジルコニウム系酸化物固体電解質基板を作製した。
【００４１】
上記のように製造した固体電解質基板（７０×７０×０．５ｍｍｔ）の両面に、図２で示した位置に金ペースト、例えば、田中貴金属販売（株）製の金ペーストＴＲ−１３０１を両面にスクリーン印刷法で形成し、空気雰囲気中８５０℃１０分間焼成して、アノード電極膜或いはカソード電極膜とした。電極材料は上記金ペーストに限定するものではなく、白金ペースト等を使用することができる。また、金ペーストも金の微粉末を用いたものでなく、有機金化合物を用いてペースト状にしたものを用いれば、薄い導電膜が形成でき材料コストの削減が可能となる。
【００４２】
次に、別の構成の固体電解質電極板について図３及び図４を用いて説明する。前述の図２に示した固体電解質電極板は、矩形状の固体電解質基板をそのまま用いて固体電解質セルを構成したが、図３及び図４で説明する固体電解質電極板は小さいサイズの固体電解質基板を用いて固体電解質電極板を構成した例である。
図３において、円形形状の固体電解質基板９２ａ〜９２ｅの表面にカソード電極膜９３ａ〜９３ｅ、他方の面にアノード電極膜（図示なし）をスクリーン印刷法で形成して複数の固体電解質電極板を作製する。この固体電解質電極板の電極として使用した材料は、田中基貴金属販売（株）の金ペーストＴＲ−１３０１である。この金ペーストをスクリーン印刷法で印刷した後、乾燥し、８５０℃で焼成した。
【００４３】
絶縁性のセラミックス基板９４には、固体電解質基板９２ａ〜９２ｅの外径サイズよりわずかに小さい径を持つ開口部９５ａ〜９５ｅが形成されている。このセラミックス基板９４の両面には、銀−パラジウム粉末を含有するペースト、例えば、田中貴金属販売（株）のＡｇ／ＰｄペーストＴＲ−４８４６を印刷し、焼成して導体パターン９７を形成した。また、セラミックス基板９４の開口部９５ａ〜９５ｅの周囲には、熱膨張係数が５〜１５×１０−６の範囲内にあるガラス材を含有したペースト、例えば、日本電気硝子（株）のガラスペーストＰＬＳ−３１７９（熱膨張係数；１０×１０−６）をスクリーン印刷法で形成した。この開口部９５ａ〜９５ｅの上に、カソード電極膜とアノード電極膜とを形成した円板形状の固体電解質電極板を密着させ、その状態で焼成し、固体電解質基板９２ａ〜９２ｅをガラス９６ａ〜９６ｅによりセラミックス基板９４に接合した。
本発明の酸素ポンプにおいて、使用できる絶縁性の基板としては、本発明に使用する固体電解質材料の熱膨張係数が１０〜１２×１０−６であるため、その前後の熱膨張係数の材料が使用可能である。具体的には、熱膨張係数が５〜１５×１０−６の範囲内であり、絶縁性を有し、緻密な材料が使用可能である。このような条件に該当するものとしては、各種セラミックス材料、例えば、９４〜９６％アルミナ、ステアタイト、フォルステライト等やガラス（結晶化ガラスを含む）材料がある。
【００４４】
図４は図３に示した固体電解質電極板９１Ａの完成状態を示す斜視図である。図４に示すように、固体電解質基板９２ａ〜９ｅのカソード電極膜を導体パターン９７に接続するため、その接続部分に例えば銀−パラジウム粉末を含有するペースト９８（前述のＡｇ／ＰｄペーストＴＲ−４８４６と同じもの）を塗布し焼成して接続した。固体電解質基板９２ａ〜９ｅの裏面にあるアノード電極膜についても同様に接続した。このようにして複数の固体電解質基板９２ａ〜９２ｅを有する固体電解質電極板９１Ａを形成した。
図４に示すように、セラミックス基板９４における四角状の導体パターン９７は、その導体パターンの隣接する２辺（図４における奥側）が、セラミックス基板９４の端部近傍から形成されており、導体パターン９７における他の対向する２辺（図４における手前側）がセラミックス基板９４の端部から大きな間隔を有して形成されている。
【００４５】
また、図２に示した固体電解質基板２２におけるカソード電極膜２０とアノード電極膜９２の位置関係と同様に、セラミックス基板９４の裏面の導体パターンは、その表面の導体パターン９７とは、反転した位置になるように形成されている。即ち、この固体電解質電極板９１Ａをその表面から透視するように見ると、表面の導体パターン９７は奥側の隣接する２辺がセラミックス基板９４の端部に近接しており、裏面の導体パターンは手前側の隣接する２辺がセラミックス基板９４の端部に近接して形成されている。
導体パターンの導体材料としては、前述のＡｇ−Ｐｄ系ペースト以外に、Ａｇ系ペースト、Ａｇ／Ｐｔ系ペースト、Ａｌ系ペーストをＡｇ−Ｐｄ系ペーストと同様に使用することが可能である。また、固体電解質基板を接合する材料としてはガラス系材料以外に、ゾルゲルで形成した材料、コロイド状の無機系材料を含む接合剤、例えば東亜合成（株）製のアロンセラミック等も同じ目的で使用可能である。特に、常温〜５００℃における熱膨張係数が、固体電解質材料の熱膨張係数に近い材料を選択することが重要である。
【００４６】
なお、図３及び図４に示した例においては、円形形状の固体電解質基板を有する固体電解質電極板について説明したが、本発明は円形形状に制限されるものではなく、矩形や多角形の固体電解質基板を用いて構成しても勿論何等問題はない。特に、酸素ポンプの酸素を濃縮する能力或いは取り出す能力は、固体電解質基板の全面積に比例するので、正方形或いは長方形の形状の方が矩形状の積層体において効率的には優れている。
【００４７】
次に、前述の製造方法により作製された各種固体電解質電極板を用いて、その固体電解質電極板に薄い金属板である挟着電極板を取りつける方法及びその構成について図５を用いて説明する。図５においては、図面を見やすくするため挟着電極板２３の一方の極だけを示し、他方の挟着電極極２４（図１）は省略している。また、図５を用いた以下の説明では図２に示した固体電解質電極板９１を用いた場合について説明するが、図４に示した固体電解質電極板９１Ａについても同様に構成することができるため、その説明は省略する。なお、以下の説明においては、図１の上側の固体電解質セル１０に基づいて説明する。
【００４８】
図２において説明したように、固体電解質基板２２の表面にはカソード電極膜２０が形成されており、このカソード電極膜２０の奥側２辺の電極パターンがほぼ固体電解質基板２２の端部近くまで形成されている。一方、対向する手前側２辺のカソード電極膜２０の電極パターンの端部と固体電解質基板２２の端部との間は広い間隔を有している。
上記のように配置されたカソード電極膜２０の電極パターンにおいて、固体電解質基板２２の端部近傍から形成された２辺側が２枚のＬ字形の挟着電極板１０１，１０２により上下から挟み込むように取り付けられている。これらの両挟着電極板１０１，１０２はその数カ所においてスポット溶接され接合されている。
【００４９】
図５に示すように、Ｌ字形の挟着電極板１０１，１０２には、その内側に段差部１０７，１０９及び１０８，１１０が形成されており、その間に配置される固体電解質基板２２を挟着できるよう構成されている。したがって、２枚の挟着電極板１０１，１０２がスポット溶接により接合されたとき、それぞれの段差部１０７，１０９及び１０８，１１０は固体電解質基板２２の表面を圧接するように成形加工されている。即ち、両挟着電極板１０１，１０２が固体電解質基板２２を挟み込んでスポット溶接により接合されることにより、挟着電極板１０１の段差部１０７，１０９が固体電解質基板上のカソード電極膜２０を圧接する。この結果、段差部１０７，１０９は固体電解質基板２２に形成されたカソード電極膜２０と電気的に接続され、挟着電極板１０１とカソード電極膜２０との間は電気的に良好な接続状態が形成される。
【００５０】
一方、固体電解質基板２２の裏面に取り付けられる挟着電極板１０２の段差部１０８、１１０においては、固体電解質基板２２の裏面に形成されたアノード電極膜が固体電解質基板２２の端部から広い間隔を有して形成されているため、固体電解質基板２２に圧接されてもアノード電極膜９２の電極パターンに接触することがない。したがって、挟着電極板１０２とアノード電極膜とは電気的に絶縁状態となっている。
以上のように、２枚の挟着電極板１０１，１０２が固体電解質基板２２を挟着してスポット溶接されても、挟着電極板１０１，１０２はカソード電極膜２０にのみ電気的に接続され、アノード電極には接続されない構造となっている。
なお、図５においては省略している手前側の２枚の挟着電極板２４は、前述の挟着電極板１０１，１０２と構造的には同じであるが、その接続先が異なる。手前側の挟着電極板２４が固体電解質基板２２を挟着してスポット溶接された場合には、奥側の挟着電極板１０１，１０２とは反対に、手前側の挟着電極板２４の段差部はカソード電極膜２０と絶縁状態であり、固体電解質基板２２の裏面に形成されたアノード電極膜とのみ電気的に接続状態となる。
【００５１】
スポット溶接により固体電解質基板を挟み込ん固着された挟着電極板１０１，１０２と、図５において図示してない手前側の挟着電極板２４とは電気的に絶縁されており、図５の挟着電極板１０１，１０２の端部１１１ａ、１１１ｂにおいて手前側の挟着電極板２４とすき間を有して配置されている。また、１組の挟着電極板１０１，１０２において、ガス給排路となる挟着電極板１０１の開口１０３ａ，１０５ａと挟着電極板１０２の開口１０３ｂ，１０５ｂは、スポット溶接して接合したとき、同じ位置となるよう配設されている。
また、１組の挟着電極板１０１，１０２において、一方の挟着電極板１０１に形成された開孔２５ａと他方の挟着電極板１０２に形成された開孔（図示なし）は、その位置が合致するように配置されて溶接される。この開孔２５ａには電力供給用の金属棒が挿入される。なお、手前側の挟着電極板２４においても上記の奥側の挟着電極板２３と同様な構造を有している。
【００５２】
以上のように、実施例１の酸素ポンプモジュールにおいては、実質的に同一平面内において固体電解質セルに取り付けた２組の挟着電極板によりアノード電極膜及びカソード電極膜に電力を供給することができる構造を有している。
なお、実施例１において用いたペロブスカイト型バリウム−セリウム−ガドリニウム−ジルコニウム系酸化物固体電解質材料が４００〜５００℃の温度で駆動する材料であるため、この温度範囲の温度で極端な酸化が起こらず、かつ、固体電解質基板の両面に形成されたアノード電極膜及びカソード電極膜に接している金属部分が、上記温度で長時間作動させてもバネ性が劣化しない材料であれば、挟着電極板として用いることが可能である。実施例１の酸素ポンプで用いた挟着電極板は、６００℃以下であればバネ性を保持する材料である。実施例１の酸素ポンプにおいて用いた固体電解質材料以外で駆動温度（実用的イオン伝導度）が６００℃以下のものであれば、固体電解質材料の種類に関係なく本発明の接続方法が適用可能である。
【００５３】
図６は、図５に示した固体電解質セル１０の完成斜視図である。図６の固体電解質セル１０において、四角状の固体電解質基板２２の４辺の端部には２組の挟着電極板２３，２４が固着されており、一方の挟着電極板２３にはカソード電極膜２０が接続しており、他方の挟着電極板２４にはアノード電極膜が接続している。挟着電極板２３，２４が取り付けられた固体電解質セル１０には、その外周部分にガス路開口部３１ａ，３１ｂ，３０ａ，３０ｂが形成され、固体電解質セル１０の４隅の対角線上の位置に小さな開孔２５ａ，２５ｂと大きな開孔２６ａ，２６ｂが形成されている。小さな開孔２５ａ，２５ｂにはカソード電極とアノード電極に電力を供給する金属棒が挿入されて電気的に接続される。一方、大きな開孔２６ａ，２６ｂはヒータ板１７のヒータ部４４に電力を供給する金属棒が挿入される貫通孔であり、電力供給のための金属棒に接触しないよう大きく形成されている。
図６に示すように、２つの挟着電極板２３，２４により形成された隙間１２１，１２２は、カソード電極とアノード電極が短絡しないよう最適な間隔を保持して取り付けられている。図６において、電極の四隅近傍で細かいハッチングで示した斜線部１２３ａ，１２３ｂ，１２４ａ，１２４ｂには、固体電解質基板２２の表裏間を直接流れる空気流の発生を防止するために、耐熱性無機系接着剤が塗布され硬化している。
【００５４】
なお、本発明において前記のように用いる耐熱性無機系接着剤としては、高温（常温〜約５００℃）で変化せず、接着力と気密性を保持しつつ、硬化後の材料の熱膨張係数が５〜１５×１０−６  の範囲内の材料であればよい。具体的には、東亜合成化学工業（株）の耐熱性無機系接着剤アロンセラミック（主成分がジルコニア・シリカ系、シリカ系、アルミナ系）、品川白煉瓦（株）の各種金属アルコキシド（Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌなど）を用いた耐熱性無機接着剤、例えばＳＩＭ＃５００シリーズ等やニチアス（株）のＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎａ２Ｏ系の接着剤などが有用である。
また、前述のような気密性を保持するためには、実施例１で説明したような耐熱性無機系接着剤を用いることに本発明は制限されるものではなく、柔軟性のある耐熱性材料で密封する材料や、気密性を保持するための方法を用いても何等問題はない。
【００５５】
図７は、実施例１の固体電解質セル１０の構造をよりわかりやすく説明するために図６のVII−VII線による断面図である。図７に示すように、固体電解質基板２２の両面にはカソード電極膜２０とアノード電極膜９２が形成されており、固体電解質基板２２の対称位置の２辺に挟着電極板１０１，１０２及び１３２，１３３がそれぞれ挟み込む状態で配設されている。図７において、右上側にある挟着電極板１０１の段差部１０７はカソード電極膜２０の端部を圧接している。一方、右下側にある挟着電極板１０２の段差部１０８は、アノード電極膜９２と隙間を有して配置されており、固体電解質基板２２に直接圧接接合されている。
図７の固体電解質セル１０における左上側に示した挟着電極板１３２の段差部１３０は、固体電解質基板２２に直接圧接され、カソード電極膜２０とは隙間を有して配置されている。一方、左下側にある挟着電極板１３３の段差部１３１は、アノード電極膜９２の端部を圧接している。
【００５６】
以上にように、実施例１の固体電解質セル１０においては、実質的な同一平面内で固体電解質基板２２の両面に形成されたカソード電極膜２０及びアノード電極膜９２に挟着電極板をそれぞれが短絡することなく各電極膜に接合されている。本発明に係る実施例１において説明した挟着電極板の挟み込みによる挟着電極板接合方法は、長時間運転においても接合部にマイクロクラックが発生することがなく、優れた接合状態を長期間維持することができる。
従来の貴金属ペーストなどによる接合方法においては、大きな温度差が常時発生する固体電解質セルを用いた酸素ポンプの場合、わずかな熱膨張係数の違いでも長時間運転すると接合部にマイクロクラックが発生し、最終的に接合部が破断するという問題がある。しかし、本発明における挟着電極板接合方法は、前述のように従来の接合方法における問題を解決し、接合部の接合状態が長期間破断することなく確実に維持される。
【００５７】
前述のように、本発明における酸素ポンプの電極の接続構造は、挟着電極板の材料のバネ性を用いて固体電解質基板を圧接接続する構造である。したがって、固体電解質基板と挟着電極板との熱膨張係数の違いがあっても、挟着電極板のバネ性により、固体電解質基板と挟着電極板との間の接合部分がずれたり、滑ることにより互いの熱膨張差を吸収して克服できる。この結果、本発明の酸素ポンプにおける固体電解質基板と挟着電極板との接合部分は、長期間安定した確実な接合状態が保証される。
本発明に用いたバリウム−セリウム−ガドリニウム系酸化物、或いはバリウム−セリウム−ガドリニウム−ジルコニウム系酸化物、或いはバリウム−セリウム−ガドリニウム−アルミニウム系酸化物は、駆動する温度が５００℃以下であるため、本発明における接合方法、即ち金属のバネ性を利用する接合方法が適用できる。また、従来の酸化ジルコニウム系酸化物は、８００℃以上の温度が必要であるため、その温度領域においてもバネ性を示す金属材料を用いることにより、本発明の接合方法が直ちにこの酸化ジルコニウム系酸化物に対しても適用出来ることは勿論のことである。
【００５８】
図４に示した固体電解質電極板に対する挟着電極板の接合構造は、前述の図５及び図６に示したものと全く同じであるため、その説明は省略する。
実施例１における固体電解質電極板と挟着電極板との接合方法においては、前述した効果以外に挟着電極板が固体電解質電極板に対してその圧接部において移動できる構造であるため、組立時や使用する材料間での熱膨張係数の違いによるねじれや反り、或いは圧縮或いは引っ張り等のストレスが固体電解質電極板に加わることが、圧接部分の滑りにより緩和できる。この結果、本発明における酸素ポンプにおいては、薄い板厚の固体電解質電極板でも容易に組立ができるとともに、破損することがなく長期間使用できるという優れた効果を有している。
【００５９】
実施例１においては、固体電解質電極板の隣接する２辺における一組の挟着電極板を用いた接合構造について説明したが、本発明のこのような構成に限定されるものではなく、他の接合構造を用いても良い。その一例を図８を用いて説明する。
図８は実施例１における別の固体電解質セルの構造を示す斜視図である。図８において、固体電解質基板２２の表面には一方の電極膜１４０が、裏面には他方の電極膜１４１が前述した材料、印刷方法により形成されている。ただし、図８の表面の電極膜１４０において、その奥側左辺は固体電解質基板２２の端部に近い所まで形成されている。一方、電極膜１４０の手前側右辺は固体電解質２２の端部から広い隙間を有して形成されている。
【００６０】
図８に示すように、固体電解質基板２２の奥側左辺には上下２枚の挟着電極板１４３ａ，１４３ｂが挟み込むよう取り付けられており、手前側右辺は上下２枚の挟着電極板１４４ａ，１４４ｂが挟み込むよう取り付けられている。挟着電極板１４３ａ，１４３ｂ及び１４４ａ，１４４ｂには、前述の図５で説明したように、段差部１４５ａ，１４５ｂ及び１４６ａ，１４６ｂが形成されている。これらの段差部１４５ａ，１４５ｂ及び１４６ａ，１４６ｂにより固体電解質基板２２の奥側左辺と手前側右辺が挟み込まれて、各挟着電極板１４３ａ，１４３ｂ及び１４４ａ，１４４ｂの複数箇所でスポット溶接されて固定される。このとき、奥側左辺の表面の挟着電極板１４３ａの段差部１４５ａは一方の電極膜１４０に電気的に接触し、手前側右辺の裏面の挟着電極板１４４ｂの段差部１４６ｂは他方の電極膜１４１に電気的に接触する。またこのとき、奥側左辺の裏面の挟着電極板１４３ｂの段差部１４５ｂは固体電解質基板２２に直接接触した状態で固定され、手前側右辺の表面の挟着電極板１４４ａの段差部１４６ａは固体電解質基板２２に直接接触した状態で固定される。すなわち、奥側左辺の裏面の挟着電極板１４３ｂは、裏面の電極膜１４１に接しておらず、手前側右辺の表面の挟着電極板１４６ａは表面の電極膜１４０に接触していない。
【００６１】
図８に示す固体電解質セルにおいては、前述の挟着電極板１４３ａ，１４３ｂ及び１４４ａ，１４４ｂと実質的に同じ構造を有する挟着板１４２ａ，１４２ｂ及び１４７ａ，１４７ｂが固体電解質基板２２の奥側右辺と手前側左辺の端部を挟み込み、互いが溶接固定されている。挟着板１４２ａ，１４２ｂ及び１４７ａ，１４７ｂは、固体電解質基板２２の保持が目的であり、電極膜１４０，１４１とは電気的に接続されない。
前述の挟着電極板１４３ａ，１４３ｂ及び１４４ａ，１４４ｂには、図６に示したガス路開口部３０ｂ及び３０ａと同じ目的のため、それぞれに開口部１５２ａ，１５２ｂ及び１５３ａ，１５３ｂが形成されている。また、挟着板１４２ａ，１４２ｂ及び１４７ａ，１４７ｂには、図６に示したガス路開口部３１ａ及び３１ｂと同じ目的のため、それぞれに開口部１５０ａ，１５０ｂが形成されている。
さらに、図８の固体電解質セルの四隅部分にはマイカ板１５５ａ，１５５ｂ，１５５ｃ，１５５ｄが取り付けられており、挟着電極板１４３ａ，１４３ｂ及び１４４ａ，１４４ｂと、挟着板１４２ａ，１４２ｂ及び１４７ａ，１４７ｂとの間のすき間が埋められている。なお、図６で説明したように挟着電極板間及び挟着板間のすき間には、無機系接着剤が塗布されており、そのすき間の気密性が確保されている。
【００６２】
なお、図８に示した固体電解質セルの説明において、外部電源への接続構造は省略したが、前述の図１に示した実施例の接続構造と同じであり、挟着電極板１４３ａ，１４３ｂ及び１４４ａ，１４４ｂの適当な位置に開孔を形成し、電力供給のための金属棒を挿入して電気的に接続する。
上記説明においては、挟着電極板１４３ａ，１４３ｂ及び１４４ａ，１４４ｂの寸法が四角形の固体電解質基板２２の一辺の長さとほぼ等しい寸法の形状について説明したが、挟着電極板は固体電解質基板の一辺の長さより小さい寸法、即ち、電極膜の一部と接続する構成であっても何等問題なく本発明の機能を有する。このことは、本発明者が実験により確認した。極端な方法としては、挟着電極板として高温でもバネ性や耐酸化性を有する金属線を用いて電極膜を圧接しても、前述の実施例１で説明した接続構造のものと全く同様な効果を発揮することができる。
なお、図８に示した固体電解質セルにおいては、固体電解質基板２２の保持が目的の挟着板１４２ａ，１４２ｂ及び１４７ａ，１４７ｂを省略しても何等問題はない。但し、挟着板を省略した場合にはその部分の気密構造が必要である。このように構成することにより、金属材料の使用面積が少なくなり、材料削減が可能となる。
【００６３】
図９は実施例１における更に別の固体電解質セルの構造を示す斜視図である。図９に示した固体電解質基板１６０の形状は前述したものと異なり、この固体電解質基板１６０自体の周辺部にガス路開口部１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ及び外部電源への接続用金属棒が挿入される開孔１６２ａ，１６２ｂ，１６３ａ，１６３ｂが形成されている。また、固体電解質基板１６０の中央部分には、電極膜１６５（図９において裏面は省略）が前述した材料、印刷方法で形成されている。
四角状の固体電解質基板１６０における隣接する２辺には、前述の図５に示した挟着電極板１０１，１０２と同じ構造を有する挟着電極板１０１，１０２が上下から挟み込むよう固着されている。また、挟着電極板１０１，１０２には段差部１０７，１０９が形成されており、これらの段差部１０７，１０９が電極膜１６５の端部と接触するよう固定されている。なお、裏面の挟着電極板１０２の段差部１０８，１１０は裏面の電極膜には接触していない。このように一方の挟着電極板のみが電極膜に接触する構成が可能なのは、前述の実施例と同様に固体電解質基板の両面に形成した電極膜の配置が両面で異なっているためである。図９において、手前側に固着される挟着電極板については奥側の挟着電極板１０１，１０２と同じ構造を有しているため、その図示及び説明は省略する。また、図９において、その他構成の詳細は図５で説明した構成と同様であるため、それらの説明は省略する。
【００６４】
図９に示した固体電解質セルの構造においては、固体電解質基板１６０で上下間が隔離されているため、固体電解質基板１６０の両面間のガスの気密性が確保されている。図９に示した構造は、特に気密性を重視する酸素ポンプ（純度の高い酸素を必要とする場合等）には非常に有効な構造である。なお、図９における電極膜の配置、電極膜と挟着電極膜との接続等については前述の実施例と同じであるため省略する。図９に示した固体電解質基板１６０は、グリーンシート工法で作製した。
【００６５】
次に、本発明の酸素ポンプに係る実施例１におけるガス分離・分配板について図１０を用いて説明する。図１０は実施例１の酸素ポンプモジュールにおけるガス分離・分配板１４を示す斜視図である。
矩形状（水平断面が略正方形）のガス分離・分配板１４において、対向する２辺近傍にはそれぞれが独立したガス路開口部３６ａ，３６ｂが形成されており、他の２辺近傍には、前記ガス路開口部３６ａ，３６ｂの配設位置と水平面において９０゜回転した配設位置に開放ガス路部３５ａ，３５ｂが形成されている。これらの開放ガス路部３５ａ，３５ｂは、図１０に示すように、ガス分離・分配板１４の中央部分に形成された大きな開口に含まれている。また、ガス分離・分配板１４の四隅には、開孔５５ａ，５５ｂ，７１ａ，７１ｂが形成されており、対向線上の２つの開孔５５ａ，５５ｂ及び７１ａ，７１ｂが同じ大きさとなっている。大きな径を有する開孔５５ａ，５５ｂには、その下側に配置される固体電解質セル１０の接続部に電力を供給するための金属棒を固着するための締結手段であるナットが配置される。また同様に、ヒータ板１７の上に配置されるガス分離・分配板１４にも大きな径を有する開孔２７ａ，２７ｂが形成されており、その開孔２７ａ，２７ｂにはヒータ板１７の端子部と金属棒とを接続するためのナットが配置される。これらの大きな開孔は、ナットを収納できるようナットのサイズよりやや大きく形成されている。
【００６６】
本発明において用いられるガス分離・分配板は剛性のある耐熱性の材料により平面度が高く形成されており、ガス分離・分配板とともに積層される固体電解質セルを平面状態で確実に保持する役目を有している。もし、ガス分離・分配板が柔軟であったり平面度が低い場合には、固体電解質セルにおいてゆがみが生じ、固体電解質セルの固体電解質基板が破損するおそれがある。
【００６７】
次に、本発明の酸素ポンプに係る実施例１におけるヒータ板について図１１を用いて詳細に説明する。図１１は実施例１の酸素ポンプにおけるヒータ板１７を示す斜視図である。
実施例１におけるヒータ板１７の発熱体である金属抵抗箔であるヒータ部４４は、ステンレス鋼系の金属箔、例えば日本金属工業（株）のステンレス鋼（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系）の板厚５０〜７０μｍの材料を用いて形成されている。図１１に示すように、ヒータ部４４はジグザグパターンを有しており、このジグザグパターンはエッチング法やレーザー加工法或いはプレス成形法等で形成されている。ヒータ部４４の両端部の各中央部分には、開孔１８３ａ，１８３ｂを有する端子部１８１，１８２が形成されている。ヒータ部４４の両面は略四角形状のマイカ板材で形成されたマイカ板１７１，１７２により挟み込まれて、ヒータ板１７が形成されている。これらのマイカ板１７１，１７２の各辺の近傍には、ガス給排路となるガス路開口部１７１ａ〜１７１ｄ，１７２ａ〜１７２ｄが形成されている。また、それぞれのマイカ板１７１又は１７２の中央部分には４つの開口１７３ａ〜１７３ｄ、又は開口１７４ａ〜１７４ｄが形成されている。ヒータ部４４のジグザグパターンは、ガス給排路となるガス路開口部１７１ａ〜１７１ｄ，１７２ａ〜１７２ｄの内側に配置されるよう構成されている。
【００６８】
マイカ板１７１及び１７２において、一方の対角線上の隅（図１１においては左右の隅）には、開孔１７８ａ，１７８ｂ及び１８０ａ，１８０ｂが形成されている。これらの開孔１７８ａ，１７８ｂ，１８０ａ，１８０ｂにおいて、開孔１７８ａと１８０ａ、又は１７８ｂと１８０ｂの中心点は、ヒータ部４４の端子部１８１又は１８２の開孔１８３ａ又は１８３ｂのそれぞれの中心点の鉛直線上となるよう作製されている。
マイカ板１７１における開孔１７８ａ，１７８ｂ（図１１においてマイカ板１７１の左側と右側の開孔）は大きな直径を有している。これは、電力供給用の金属棒を端子部１８１，１８２に締め付けるためのナットがこれらの開孔１７８ａ，１７８ｂの中に収納されるためである。
マイカ板１７１において、他方の対角線上の開孔１７５ａ，１７６ａ（図１１においてマイカ板１７１の奥側と手前側の開孔）は固体電解質セルの電力供給用の金属棒が挿入される貫通孔である。
【００６９】
上記のように構成された実施例１のヒータ板１７は、薄く平面度の高い形状であり、主要な部材が耐熱性を有する部材で形成されている。また、ヒータ板１７の周辺部をビス止めしても破損することがない材料で構成されており、本発明の酸素ポンプの固体電解質電極板を加熱するのに最適な発熱体となる。なお、本発明の酸素ポンプにおいて、ヒータ板の材料としてはフラットな形状を有して耐熱性があり、周辺部をビス止めしても破壊しない堅い材料であれば、上記の実施例１の構成に制限されるものではない。
【００７０】
次に、本発明に係る実施例１の酸素ポンプモジュールにおけるガスの流れについて図１２を用いて説明する。図１２は酸素ポンプモジュールの固体電解質セル、ガス分離・分配板、ヒータ板のそれぞれを所定枚数積層した積層構成体におけるガスの流れを示す断面図であり、図１に示した酸素ポンプモジュールの主要部分におけるXII−XII線による断面構造を示したものである。図１２において、前述した図面中と同じ機能、構成のものには同じ番号を付してある。
【００７１】
前述の図１を用いて説明したように、固体電解質セル１０のカソード電極膜２０の面上を通過するガスは、酸素が減少するガスであり、図１２においてはこのガス流を矢印７２ａ，７２ｂで示している。図１２に示す積層体においては、前述の図１に示した積層体の最外層にガス分離・分配・保温板１８５ａ，１８５ｂと金属板１８６ａ，１８６ｂを更に取り付けた構造である。ガス分離・分配・保温板１８５ａ，１８５ｂはガスの流れを案内するとともに積層構成体における保温の機能を有している。積層構成体における最外層の金属板１８６ａ，１８６ｂはその間に配置された積層体を締め付け、各層間での気密性を保つために設けられている。実施例１において用いられる金属板１８６ａ，１８６ｂとしては、耐酸化性を有する材料であれば良く、熱膨張係数は使用する固体電解質の材料に近いものであれば良い。例えば、実施例１においては、固体電解質の熱膨張係数が１０〜１２×１０−６の範囲であるため、その前後の範囲、即ち、４〜２０×１０−６の範囲内であれば問題ない。この膨張係数の範囲については発明者が実験により確認している。金属板１８６ａ，１８６ｂの具体的の材料としては、ステンレス鋼、ニッケル合金、コバルト合金、ニッケル−コバルト合金或いは鉄合金等が最適である。
【００７２】
図１２において、カソード電極側に流れるガスは、左側の矢印７２ｂａの方向に流入し、４つのガス分離・分配板１４，２，３，４において各固体電解質セルのカソード電極面の方へ分流される。分流されたガスは、各固体電解質セルのカソード電極面の面上を通過して、酸素を取られながら右側の矢印７２ａの方向に流出する。
一方、酸素が濃縮されるガスは、積層構成体に流入して紙面と垂直な方向に流れ、ガス分離・分配板１５，１６，３２，３４において各固体電解質セルのアノード電極面１８８，１８９，１９３，１９４の面上を通過して、酸素が濃縮されたガスをこの積層構成体から流出する。
なお、図１２の積層構成体においてガスの流れは下部から流入し、下部へ流出する構成で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、流入方向と流出方向は上部や下部の何れの方向でも可能である。
【００７３】
次に、本発明に係る実施例１の酸素ポンプにおける積層構成体の構造について図１３を用いてさらに詳細に説明する。図１３は実施例１の酸素ポンプにおける積層構成体の構造を示す斜視図である。
図１３において、符号２０１で示す部分が図１に示した積層体であり、この積層体２０１の上下にガス分離・分配・保温板２０２ａ，２０２ｂが配設されている。また、ガス分離・分配・保温板２０２ａ，２０２ｂの外側には積層構成体を締め付けるための金属板２０３ａ，２０３ｂが設けられている。
上側のガス分離・分配・保温板２０２ａの対向する２辺近傍に設けた両側の開口部２０４ａ，２０４ｂはガス給排路である。一方、下側のガス分離・分配・保温板２０２ｂには、上側のガス分離・分配・保温板２０２ａの開口部２０４ａ，２０４ｂの配設位置と水平面において９０゜回転した配設位置にガス給排路（図示していない）が形成されている。
【００７４】
図１３に示すように、上側の金属板２０３ａにはその四隅に切り欠き部２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃ，２０５ｄが形成されており、アノード電極、カソード電極、及び発熱体に電力を供給するための金属棒及びその金属棒に取り付けられる端子と接触しないように構成されている。また、下側の金属板２０３ｂにも同様にその四隅に切り欠き部２０６ａ，２０６ｃ，２０６ｄ（図１３においては図面の関係上１つの切り欠き部が表示されていない）が形成されている。なお、各金属板２０３ａ，２０３ｂの縁近傍には複数の孔２０７が穿設されており、上下の金属板２０３ａ，２０３ｂの間をビス止めするためのビス挿入孔となる。
図１３においては省略しているが、各積層間の気密性をさらに増大させるために、耐熱性を有し柔軟性を持つガスケットを各層間に配置して金属板２０３ａ，２０３ｂの間を締め付けている。なお、ある程度の気密性が保持される材料により構成されていればガスケットを挿入せずに構成することも可能である。
【００７５】
図１４は本発明に係る実施例１の酸素ポンプの外観を示す斜視図である。
図１４において、奥側と手前側の対角線上に設けたビス２１１ａ，２１１ｂは、積層構成体（２０２ａ，２０１，２０２ｂ）を貫通しており、この積層構成体の内部において各固体電解質セルのアノード電極及びカソード電極に電気的に接続している。これらのビス２１１ａ，２１１ｂは、その上部でリード線接続用端子２１３ａ，２１３ｂが取り付けられており、その下部においてナットにより締め付けられている。
また、図１４において、右側と左側の対角線上に設けたビス２１２ａ，２１２ｂは、積層構成体（２０２ａ，２０１，２０２ｂ）を貫通しており、この積層構成体の内部においてヒータ板のヒータパターンに接続した端子部に電気的に接続されている。これらのビス２１２ａ，２１２ｂは、その上部でリード線接続用端子２１４ａ，２１４ｂが取り付けられており、その下部においてナットにより締め付けられている。
【００７６】
図１４において、上部の金属板２０３ａに取り付けられている複数のビス２１５にはワッシャ２１６がそれぞれ取り付けられており、ビス２１５は積層構成体（２０２ａ，２０１，２０２ｂ）を貫通して、その下部でナットが締め付けられて積層構成体（２０２ａ，２０１，２０２ｂ）を一体化している。
図１４において、矢印７３ａにより酸素が濃縮されるガスのガス導入部を示し、矢印７３ｂにより酸素が濃縮されたガスの流出口を示している。図１４に示した酸素ポンプの構成では、酸素が濃縮されたガスは積層構成体の上側から取り出す構成の例であるが、勿論、両方のガスが片側において流入、流出する構成であっても何等問題なく製造することができる。
上記の実施例１においては、酸素ポンプモジュールについて説明したが、この酸素ポンプモジュールは酸素ポンプの基本構成部分であり、酸素ポンプそのものである。以下の実施例においても同様である。
本発明に係る実施例１の酸素ポンプは、小型の積層構成体内にガス給排路、電力供給ラインを有する構造であり、非常にコンパクトに形成されている。
【００７７】
《実施例２》
次に、本発明に係る実施例２の酸素ポンプモジュールについて図１５〜図２０を用いて説明する。実施例２の酸素ポンプモジュールは、前述の実施例１の酸素ポンプモジュールにおける固体電解質セル、ガス分離・分配板、ヒータ板等を積層した構成は実質的に同じであるが、その積層構成体の中におけるガス流の方向を変更したものである。図１〜図１４において説明した酸素ポンプモジュールにおいては、酸素が濃縮されるガスの流れと酸素が減少するガスの流れが、複数の固体電解質セルの各面上を同一方向に流れる構造（並列方式）について説明した。図１５に示した酸素ポンプモジュールは、酸素が濃縮されるガスと酸素が減少するガスの両方とも、固体電解質セルの各面上を互い違いに、即ち、ガスが各固体電解質セルの面上を異なる方向に順番に流れる構造（直列方式）を有している。この酸素ポンプの直列方式の構造について以下説明する。
なお、図１５に示した実施例２の酸素ポンプモジュールにおける、大部分の構成は前述の図１に示した実施例１の構成と同じであるが、固体電解質セル、ガス分離・分配板、ヒータ板等においてガス給排路を形成するガス路開口部の位置が異なっている。
【００７８】
先ず、積層構成体の上部から流入するガス流２１９について説明する。
図１５に示すように、最上層に配置されたガス分離・分配板２２３において、開放ガス路部２３１ａ，２３１ｂは、その中央部分に形成された開口部分に含まれている。これにより、積層構成体の上部から流入したガスは、開放ガス路部２３１ａを通り、固体電解質セル２２１の上面に沿って流れる。
固体電解質セル２２１の上面に沿って流れたガスは、固体電解質セル２２１の１辺近傍（図１５における手前右側の辺近傍）に形成されたガス路開口部２３２ａを流れる。固体電解質セル２２１において、ガス路開口部２３２ａと対向する位置にはガス給排路となる開口部は形成されていない。
固体電解質セル２２１の真下に配置されたガス分離・分配板２２４には、その１辺近傍（図１５における手前右側の辺近傍）に独立したガス路開口部２３３ａが形成されている。このガス路開口部２３３ａと対向する位置には、ガス給排路となる開口部は形成されていない。
【００７９】
ガス分離・分配板２２４の真下に配置されたヒータ板２２７には、その１辺近傍（図１５における手前右側の辺近傍）に独立してガス路開口部２３４ａが形成されており、対向する位置にはガス給排路となる開口部は形成されていない。
ヒータ板２２７の真下に配置されたガス分離・分配板２２５においては、その１辺近傍（図１５における右手前側の辺近傍）にガス路開口部２３５ａが独立して形成されており、対向する位置にはガス給排路となる開口部は形成されていない。
【００８０】
ガス分離・分配板２２５の真下に配置された固体電解質セル２２２には、その１辺近傍（図１５における手前右側の辺近傍）にガス路開口部２３６ａが独立して形成されている。このガス給排路開口部２３６ａと対向する位置には、ガス給排路となる開口部は形成されていない。
固体電解質セル２２２の真下に配置されたガス分離・分配板２２６には、その対向する２辺近傍（図１５における手前右側と奥左側の辺近傍）にガス給排路となる開放ガス路部２３７ａ，２３７ｂが中央部分の開口に含まれるように形成されている。したがって、対向する開放ガス路部２３７ａ，２３７ｂは互いに連通状態である。
【００８１】
上記のように構成されて積層された積層構成体においては、最上層のガス分離・分配板２２３の開放ガス路部２３１ａからガスが流入すると、図１５においてガス流２１９で示した経路でしかガスは流れず、積層構成体において必ず上から順番に１つの経路でガスが流れるよう構成されている（以下、直列方式と呼ぶ）。
また、図１５に示した積層構成体の下側から流入するガス流２２０は、各層において前述のガス流２１９の方向と水平面において９０゜回転した方向に流れるよう構成されている。この積層構成体内部を流れるガス流２２０においても、図１５に示したように、積層構成体において必ず下から順番に１つの経路でガスが流れるよう直列方式で構成されている。
【００８２】
ガス分離・分配板２２３におけるガス路開口部２３８ａは１辺近傍（図１５における右奥側の辺近傍）にのみに独立して形成されている。固体電解質セル２２１の１辺近傍（図１５における奥右側の辺近傍）にはガス路開口部２３２ｂが形成されており、このガス路開口部２３２ｂと対向する位置にはガス給排路となる開口部は形成されていない。ヒータ板２２７においては対向する２辺近傍（図１５における手前左側と奥右側のそれぞれの近傍）にガス路開口部２３４ｂが形成されている。固体電解質セル２２２の１辺近傍（図１５における手前左側の辺近傍）にはガス路開口部２３６ｂが形成されており、このガス路開口部２３６ｂと対向する位置にはガス給排路となる開口部は形成されていない。さらに、固体電解質セル２２２の真下に配置されたガス分離・分配板２２６には、その１辺近傍（図１５における手前左側の辺近傍）にガス路開口部２３７ｂが形成されている。このガス路開口部２３７ｂと対向する位置にはガス給排路となる開口部は形成されていない。
【００８３】
上記のように、各層の外周部分近傍に形成するガス給排路の位置を変更することにより、積層構成体内を流れるガス流の方向を並列方式又は直列方式に簡単に変更することが可能となる。
ガス流が直列方式の積層構成体の場合には、ガスの流入側と流出側が積層構成体における反対側になる。しかし、並列方式の積層構成体では、ガスの流入側と流出側を同じ側或いは反対側に自由に設計することができる。
【００８４】
図１６は実施例２における酸素ポンプモジュールの全体構成を示す斜視図である。図１６に示した酸素ポンプモジュールには、図１５に示した積層構成体の上下にガス分離・分配・保温板２４１ａ，２４１ｂと、２つのガス給排口２４４，２４５を有する上側金属板２４３ａと、２つのガス給排口２４６（もう一つのガス給排口は図示していない）を有する下側金属板２４３ｂとを設けたものである。上下のガス分離・分配・保温板２４１ａ，２４１ｂは、ガス流の方向を決めるとともに、固体電解質セル内の保温及び上下に取り付けられる金属板２４３ａ，２４３ｂに対する断熱材として機能している。上側のガス分離・分配・保温板２４１ａに形成される開口部２４２ａ，２４２ｂはガス分離・分配板２２３のガス路開口部２３８ａ，２３１ａと同一位置になるように形成されている。同様に、下側のガス分離・分配・保温板２４１ｂに形成される開口部はその上のガス分離・分配板のガス路開口部と同一位置になるように形成されている。
【００８５】
図１７は図１６の酸素ポンプモジュールにおけるXVII−XVII線による断面図である。
図１７に示すように、酸素ポンプモジュールの上部のガス給排口２４５から流入したガスは、ガス流２１９に示すように、固体電解質電極板２６１の上部空間２５１、２枚の固体電解質基板２６２，２６３に囲まれた空間２５２、固体電解質板２６４の下面の空間２５３を連続的に流れ、下部のガス給排口２４６から流出する。
図示していない他方のガス流２２０（図１６）は、紙面と垂直な方向に流れ、２枚の固体電解質板２６１，２６２に囲まれた空間２５４，２５５（ヒータ板２６５ａの配置空間を含む）、そして２枚の固体電解質板２６３，２６４に囲まれた空間２５６，２５７（ヒータ板２６５ｂの配置空間を含む）を連続的に流れる。
【００８６】
上記のように構成された実施例２の酸素ポンプモジュールの構成によれば、ガスは１経路において連続的に順次各固体電解質板の表面を通過して流れ、ガス給排口より流出する構成であるため、濃縮した酸素或いは減少した酸素を含むガスを確実に取り出すことができる。
【００８７】
図１８は実施例２における酸素ポンプモジュールの他の構成を示す断面図である。図１８に示した酸素ポンプモジュールは、ガス流を直列方式（図１８の（ａ））又は並列方式（図１８の（ｂ））に切り換えられる構造を有しており、その一例を示したものである。
図１８に示した酸素ポンプモジュールにおいて、各層の対向する２辺の近傍に形成された開口部が上下に連通するよう構成されている。図１８においては、この上下に連通する空間（以下、連通空間と呼ぶ）を符号２８３にて示している。
【００８８】
図１８の（ｂ）に示すように、酸素ポンプモジュールにおいてガス流が並列方式の場合には、ガス給排口２７１から流入したガスが連通空間２８３を通り、各固体電解質セルのアノード電極膜或いはカソード電極膜の表面に接するように同一方向に平行に流れてガス給排口２７２から流出する。このように並列方式で流れるガス流の方向を直列方式のガス流に変更するためには、図１８の（ａ）に示すように、連通空間２８３にガス流変更ブロック２７３ａ，２７４ａを装着する。このように連通空間２８３にガス流変更ブロック２７３ａ，２７４ａを装着することにより、並列方式におけるガス給排路の一部が閉鎖され、ガスが各固体電解質セルの各アノード電極膜或いは各カソード電極膜の表面を積層毎に異なる方向に流れて直列方式のガス流となる。図１８に示した連通空間２８３に装着される直列方式用のガス流変更ブロック２７３ａ，２７４ａと並列方式用のガス流変更ブロック２７３ｂ、２７４ｂは、耐熱性絶縁性材料で形成されており、連通空間２８３に嵌合するよう形成されている。
【００８９】
図１９は直列方式のガス流を形成するための１つのガス流変更ブロック２７３ａを示す斜視図である。図１９において、ガス流変更ブロック２７３ａの中間部分には溝部２８３が形成されており、この溝部２８３が連通部分のガスが通過する部分である。このガス流変更ブロックの寸法は、酸素ポンプモジュールの連通空間２８３（図１においてはガス分離・分配板１４のガス路開口部３６ａ等による空間）に確実に挿入されて嵌合でできる寸法である。図１９において、ガス流変更ブロック２７３ａにおける幅２８１と長さ２８２の寸法は、積層構成体における各層のガス給排路となるガス路開口部の寸法よりわずかに小さく形成されている。
なお、図１８及び図１９に示した実施例はガス流の向きを変更するための一つの方法を示したものであり、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
【００９０】
以上のように、図１８と図１９に示したような構成のガス流変更ブロックを用いることにより、酸素ポンプモジュールのガス給排路を変更でき、直列方式のガス流や並列方式のガス流を生じさせることができる酸素ポンプを提供できる。このように構成された酸素ポンプは、所望の形状を有するガス流変更ブロックを積層構成体の連通空間（ガス給排路）に差し込むだけで簡単にガス流の方向を変更することができ、使用目的に応じた積層型酸素ポンプを容易に提供することができる。
【００９１】
《実施例３》
次に、本発明に係る実施例３の酸素ポンプについて図２０〜図２５を用いて説明する。実施例３は、２つの固体電解質電極板を有する固体電解質セルを４層積層して構成された酸素ポンプモジュールに関するものである。実施例３の酸素ポンプモジュールにおいて、前述の実施例１の酸素ポンプモジュールにおいて説明した固体電解質セル、ガス分離・分配板、ヒータ板の機能については実質的に同じであり、これらの基板を積層して構成されている。したがって、実施例３の酸素ポンプモジュールの説明においては、前述の実施例と異なる点について説明する。
【００９２】
図２０は実施例３の酸素ポンプモジュールの積層構造を示す分解斜視図である。図２１は実施例３における固体電解質セルの斜視図であり、図２２は実施例３におけるガス分離・分配板の斜視図であり、図２３は実施例３におけるヒータ板の分解斜視図である。また、図２４は積層構成体の組立途中を示す斜視図であり、図２５は実施例３の酸素ポンプモジュールの完成状態を示す斜視図である。
【００９３】
図２０において、各固体電解質セル３０４，３０５には２枚の固体電解質電極板３０７，３０８，３８７，３８８が各々並列に配設されている。上部の固体電解質セル３０４の上側には、ガス分離・分配板３０１が配置されており、２組の対向する開放ガス路部３３５ａ，３３５ｂ及び３３５ｃ，３３５ｄが形成されている。各組の開放ガス路部３３５ａ，３３５ｂ及び３３５ｃ，３３５ｄは、左右の中央部分に独立して形成された大きな開口に含まれており、それぞれが連通している。
固体電解質セル３０４の下側にはガス分離・分配板３０２が配置されおり、上側の前記ガス分離・分配板３０１の開放ガス路部３３５ａ，３３５ｂ及び３３５ｃ，３３５ｄとはその配設方向が水平面で９０゜回転した位置（図２０において奥右側と手前左側の対向する位置に開放ガス路部３４１ａ，３４１ｂが形成されている。これらの開放ガス路部３４１ａ，３４１ｂは連通しており、中央部分に形成された１つの大きな開口に含まれている。
【００９４】
ガス分離・分配板３０２の下側には、２つのヒータ部を直列に接続して並置したヒータ板３０６が配置されている。このヒータ板３０６の下側には、前述のガス分離・分配板３０２と実質的に同じ構成のガス分離・分配板３０３（ただし、固体電解質セル３０５を接続固定するためのナットが配置される開孔３０３ａのみが開孔３０２ａと大きさが異なる）、固体電解質セル３０５、そして最上層に配置されたガス分離・分配板３０１と実質的に同じ構成のガス分離・分配板３１０（ただし、開孔３１０ａのみガス分離・分配板３０１の開孔３１８と大きさが異なる）が配置されて積層されている。
上記のように構成された積層構成体（ガス分離・分配板３０１−固体電解質セル３０４−ガス分離・分配板３０２−ヒータ板３０６−ガス分離・分配板３０３−固体電解質セル３０５−ガス分離・分配板３１０）を一つの積層ブロックとして考え、その積層ブロックを複数個積み重ねることにより実施例３の酸素ポンプモジュールの積層構造が構成されている。
【００９５】
図２０に示した積層構成体において、上側の固体電解質セル３０４では並列に配置された固体電解質電極板３０７，３０８の同一面側の電極、例えば図２０の上面側の電極は同一極を有する構造である。また、上下に配置された固体電解質セル３０４，３０５において、対向する面の電極は同一極になるように配設されている。即ち、アノード電極にはアノード電極がカソード電極にはカソード電極が対向するように配置されている。
固体電解質セル３０４，３０５において、固体電解質電極板の周辺部にはこの固体電解質電極板の両面に形成されたアノード電極膜或いはカソード電極膜を圧接する２枚の挟着電極板が上下から挟着固定されている。これらの挟着電極板には複数の開孔３１１，３１２，３１３及び３１４，３１５，３１６が形成されている。これらの開孔３１１，３１２，３１３及び３１４，３１５，３１６は電力供給のための接続端子となり、開孔３１１，３１２，３１４，３１５は同一極であり、開孔３１３，３１６は反対の極が接続されるように構成されている。
【００９６】
上下の固体電解質セル３０４，３０５における開孔３１１，３１４の中心線を結ぶ線上に積層構成体の各基板（例えば、ガス分離・分配板３０１，３０２，３０３及びヒータ板３０６）の対応する位置に形成された開孔（３１９等）が配設されている。同様に、開孔３１２，３１５の中心線を結ぶ線上に積層構成体の各基板の対応する位置に形成された開孔（３１７等）が配設されている。さらに、開孔３１３，３１６の中心線を結ぶ線上に積層構成体の各基板の対応する位置に形成された開孔（３１８，３０２ａ，３０６ａ，３０３ａ，３１０ａ等）が配設されている。なお、上記説明した以外の下側の積層構成体についても同様な構成になっており、その説明は省略する。
【００９７】
上記のように配設された上下の固体電解質セル３０４，３０５における開孔３１１，３１４と開孔３１２，３１５のそれぞれには固体電解質セル用電力供給導電体である金属棒が挿入されて電気的に接続されており、それぞれに外部電源が供給される。なお、開孔３１１，３１４と開孔３１２，３１５に挿入される金属棒は同一電極である。また開孔３１３，３１６にも異なる電極の金属棒が挿入されて外部電源が供給される。
ヒータ板３０６の四隅において、前記固体電解質セル３０４の開孔３１１，３１２が形成された位置と異なる２つの位置（図２０において奥隅と左端隅）に開孔３２１，３２２が形成されている。ヒータ板３０６における開孔３２１（図２０において奥側２つの隅に形成されている開孔）は上側のガス分離・分配板３０１の開孔３２３の同一鉛直線上に配置されており、同様に開孔３２２（図２０において左端隅）はガス分離・分配板３０１の開孔３２４の同一鉛直線上に配置されている。これらの開孔３２１，３２２には金属棒が挿入されて電気的に接続されており、この金属棒により外部電源からの電力がヒータ板３０６に供給されている。なお、固体電解質セル３０４，３０５において、ヒータ板３０６へ電力を供給するための金属棒が挿入される開孔は当該金属棒と接触しないように大きく形成されている。
【００９８】
図２０に示すように、固体電解質セル３０４，３０５において、対向する２短辺近傍（図２０における奥右側と手前左側の２辺近傍）で挟着電極板の周辺部分にはガス路開口部３２３ａ，３２３ｂ，３２４ａ，３２４ｂが形成されている。これらのガス路開口部３２３ａ，３２３ｂ，３２４ａ，３２４ｂにおいて、奥右側と手前左側のガス路開口部３２３ａ，３２４ａ及び３２３ｂ、３２４ｂはそれぞれが連通しており、図２０においてはガスが上から下へ流入するよう構成されておりそれぞれが同一のガス給排路になっている。
また、固体電解質セル３０４，３０５の中央部分には連通したガス路開口部３２６，３２７が形成されており、流入したガスの下から上への流出路となっている。
【００９９】
更に、固体電解質セル３０４において、対向する２長辺近傍（図２０における手前右側と奥左側の２長辺近傍）には各々に二つずつのガス路開口部３３０ａ〜３３０ｄが形成されている。また、固体電解質セル３０５において、対向する２長辺近傍（図２０における手前右側と奥左側の２長辺近傍）には各々に二つずつのガス路開口部３３１ａ〜３３１ｄが形成されており、各々が前記ガス路開口部３３０ａ〜３３０ｄと上下方向で同一鉛直線上に配置されている。このように同一鉛直線上に形成されたガス路開口部（３３０ａ−３３１ａ，３３０ｂ−３３１ｂ，３３０ｃ−３３１ｃ，及び３３０ｄ−３３１ｄ）は連通状態である。ガス路開口部３３０ａ〜３３０ｄ，３３１ａ〜３３１ｄにより構成されるガス流のガス給排路は、奥右側と手前左側とその間に形成されたガス路開口部３２３ａ，３２３ｂ，３２６，３２４ａ，３２４ｂ，３２７とは別のガス流のガス給排路を形成している。これら２系統のガス給排路は互いに隔離された構造を有している。
【０１００】
図２０に示すように、固体電解質セル３０４の上側に配置されたガス分離・分配板３０１における２組の開放ガス路部３３５ａと３３５ｂ，３３５ｃと３３５ｄは各々が左右に形成された大きな開口部に含まれており連通構造を有している。また、ガス分離・分配板３０１には、３つのガス路開口部３３６ａ，３３６ｂ，３３７が互いに独立して形成されており、左右に形成された大きな２つの開口からもそれぞれ隔離され独立している。
固体電解質セル３０４の下側に配置されたガス分離・分配板３０２は前述のガス分離・分配板３０１と異なり、対向する２短辺近傍に形成された開放ガス路部３４１ａ，３４１ｂが中央部分に形成された１つの大きな開口に含まれており連通状態である。また、ガス分離・分配板３０２において、対向する２長辺近傍に２つずつ形成されたガス路開口部３４２ａ，３４２ｂ（図２２参照），３４２ｃ，３４２ｄは互いに独立し、中央部分に形成された大きな開口からも隔離されている。したがって、固体電解質セル３０４の上下両面に接して配置されたガス分離・分配板３０１，３０２において、ガス給排路がその間に形成された大きな開口と連通しているか独立しているかの配置関係は、水平面において９０゜回転した配設方向において同じである。この位置関係は他の固体電解質セルに対する上下のガス分離・分配板においても同様の関係である。また、２つの固体電解質セル３０４，３０５の間に配設されたガス分離・分配板３０２，３０３におけるガス路開口部は同一鉛直線上に形成されており、連通状態である。
上記の構成は他のブロックにおいても同じように構成されている。
【０１０１】
次に、実施例３の酸素ポンプモジュールにおけるガス流について説明する。実施例３の酸素ポンプは並列方式のガス流の構成であるが、前述の実施例２のようにガス流の方向を切り換えるガス流変更ブロックを用いることにより直列方式のガス流に構成することが可能である。以下、並列方式のガス流について説明する。
酸素が濃縮されるガス又は酸素が減少するガスのうち、一方のガスは白抜き矢印で示すガス流３４８ａ，３４９ａのように、下から流入してガス給排路を流れ、上部でＵターンする。上部でＵターンしたガスは、白抜き矢印で示すガス流３４８ｂ，３４９ｂのように、下方に向かってガス給排路を流れる。
他方のガスは斜線の矢印で示すガス流３４５ａ、３４５ｂのように、両側の上部から流入してガス給排路を流れ下側でＵターンする。下側でＵターンしたガスは、斜線の矢印で示すように中央に形成されたガス給排路を上向きに流れるガス流３４６となって、酸素ポンプモジュールから流出する。
なお、ガス流の流入方向と流出方向は図２０に示した方向に限定されるものではなく、自由に選択できる。
【０１０２】
また、前述のようにガス流の並列方式を直列方式に変更することは、ガス給排路に図１９に示したような所望の形状を有するガス流変更ブロックを装着することにより、容易に変更することが可能である。
実施例３の酸素ポンプモジュールにおいては、１枚の固体電解質セルに２枚の固体電解質板を組み込んだ構成の例を説明したが、より多量の濃縮酸素を必要とする場合には複数枚の固体電解質板を１枚の固体電解質セルに組み込んで積層構成体を形成することにより対応可能である。このように構成することにより、本発明の酸素ポンプは濃縮酸素を多量に排出することが可能となり、コンパクトで大容量の酸素ポンプを提供することができる。
また、１枚の固体電解質セルの中に複数の固体電解質を搭載することにより、全ての積層体における必要面積が少なくなるとともに、固体電解質セルの中に配置される電力供給用金属板などの部品点数が少なくなり、作業工数も少なくなり、大幅なコストダウンを図ることが可能となる。また、複数の固体電解質を搭載した固体電解質セルは、単葉の固体電解質を搭載した固体電解質セルに比して、固体電解質セルにおける外部に接する面積が少ないため、熱の放散が少なく、酸素ポンプ内に設ける加熱用ヒータの省エネルギーを図ることができる。
【０１０３】
図２０を用いて実施例３の酸素ポンプについて説明したが、以下個々の構成基板の詳細について図面を用いて説明する。
図２１は実施例３における固体電解質セル３０４を示す斜視図である。図２１において、左右に設けられた固体電解質電極板３０７，３０８の固体電解質基板３５１，３５２の両面には電極膜が形成されており、符号３５３，３５４は固体電解質基板３５１，３５２の片面に形成された同一極の電極膜である。
各電極膜は、前述の実施例１で説明した材料、方法により形成されている。その電極膜３５３，３５４の電極パターンは左右の固体電解質基板３５１，３５２の隣接する２辺側（短辺側）に片寄って配置されており、長手方向の両端となる対向する２辺側には電極パターンが存在しない部分が形成されている。また、前述の実施例と同様に、固体電解質基板３５１，３５２における裏面の電極パターンは、表面の配置と反転した配置となるよう形成されている。
【０１０４】
図２１に示した固体電解質セル３０４において、固体電解質電極板３０７，３０８を取り囲むように３つの挟着電極板３５５，３５６ａ，３５６ｂが設けられている。中央の挟着電極板３５５はＴ字形状を有しており、両側の挟着電極板３５６ａ、３５６ｂはＬ字形状を有している。それぞれの挟着電極板３５５，３５６ａ，３５６ｂは、前述の実施例１で説明したように、同一形状を有する上下２枚で構成され、固体電解質電極板３０７，３０８を上下から挟み込むように固定される。
図２１において、Ｔ字形状の挟着電極板３５５は、この挟着電極板３５５に形成された段差部３５７，３５８が固体電解質電極板３０７の表面に形成された電極膜３５３に電気的に接触するよう圧接されている。また、挟着電極板３５５に形成された他の段差部３５９，３６０が固体電解質電極板３０７の表面に形成された電極膜３５４にそれぞれ電気的に接触するよう圧接されている。即ち、Ｔ字形状の挟着電極板３５５は左右に配置された２つの電極膜３５３，３５４に電気的に接続している。なお、Ｔ字形状の挟着電極板３５５は裏面に形成された電極膜とは接触していない。
図２１において、奥右側に配置されたＬ字形状の挟着電極板３５６ａは固体電解質３０７の裏面に形成された電極膜に電気的に接触しており、手前左側に配置されたＬ字形状の挟着電極板３５６ｂは固体電解質板３０８の裏面に形成された電極膜に電気的に接触している。即ち、Ｔ字形状の挟着電極板３５５が一方の電極に接続されており、Ｌ字形状の挟着電極板３５６ａ，３５６ｂが他方の電極に接続されている。
【０１０５】
実施例に３において、挟着電極板３５５，３５６ａ，３５６ｂのそれぞれが上下２枚で構成され、固体電解質電極板３０７，３０８を上下から挟んで固定する挟み込み構造は、挟着電極板３５５，３５６ａ，３５６ｂのバネ性を利用した電気的接続方法であり、この電気的接続方法は前述の実施例１で詳しく説明したのでここでは省略する。
固体電解質電極板３０７，３０８の電極膜３５３，３５４への電力の供給は挟着電極板３５５に形成された開孔３１３に接続された金属棒により行われ、裏面の電極膜への供給は挟着電極板３５６ａ，３５６ｂに形成された開孔３１１，３１２に接続された金属棒により行われる。
Ｔ字形状の挟着電極板３５５とＬ字形状の挟着電極板３５６ａ，３５６ｂは、それぞれの対向する端部に隙間３６１ａ，３６１ｂ，３６２ａ，３６２ｂが形成されており、それぞれが電気的に絶縁されている。
【０１０６】
また、積層構成体におけるガスに対する気密性を確保するため、ガスが漏れるおそれのある部分である固体電解質電極板３０７，３０８の四隅近傍３６５ａ，３６５ｂ，３６５ｃ，３６５ｄ，及び３６６ａ，３６６ｂ，３６６ｃ，３６６ｄには、前述の実施例１で説明した無機系材料により構成された接着剤が塗布されて、それぞれの表裏間が隔絶されている。
実施例３においては、２枚の固体電解質電極板３０７，３０８を有する固体電解質セル３０４について説明したが、より多くの固体電解質電極板を固体電解質セルに配列して、ガスの供給量を多くすることが可能である。
また、実施例３においては、挟着電極板と電極膜との接続を隣接するＬ字形状の２辺において行う構成で説明したが、この接続は１辺において行う構成でもよく、更に１辺の１部分だけを接続する構成でも問題はない。なお、電極膜への電力供給は金属線による接続により行うことも可能である。ただし、前述したように、使用する金属線はその金属特有の熱処理を施すことのよりバネ性を生じさせて、固体電解質電極板を挟着できる材料を用いる必要がある。
【０１０７】
図２２は実施例３における２種類のガス分離・分配板３０１，３０２を示した斜視図である。上側のガス分離・分配板３０１において、長手方向の辺近傍に形成されたガス給排路となる開放ガス路部３３５ａ，３３５ｂ及び３３５ｃ，３３５ｄはそれぞれが左右の大きな開口に含まれており連通状態である。この連通した開口をガスが流れるとき、そのガスが固体電解質電極板の電極膜面に接触するよう構成されている。
一方、下側のガス分離・分配板３０２においては、上側のガス分離・分配板３０１の開放ガス路部３３５ａ，３３５ｂ及び３３５ｃ，３３５ｄと水平面で９０°回転した位置、すなわち長手方向と直角な方向の短辺近傍の位置に開放ガス路部３４１ａ，３４１ｂが形成されており、これらの開放ガス路部３４１ａ，３４１ｂは中央部分に形成された大きな開口に含まれており連通状態である。この連通した開口をガスが流れるとき、ガスが２つの電極膜の表面に接触するよう構成されている。
図２０に示すように、固体電解質セルの上下をガス分離・分配板３０１，３０２により挟み、さらにガス分離・分配板３０１，３０２が積層され、２つの固体電解質セルの間にヒータ板３０６を挟み、同じように積層していくことにより、複数の固体電解質セルを有する酸素ポンプモジュールを製造することができる。
【０１０８】
図２３は実施例３におけるヒータ板３０６の詳細を示す分解斜視図である。図２３において、ヒータ部３６１は金属薄膜により形成されており、ジグザグ状態の２つの発熱パターン部を有している。２つの発熱パターン部は高温度になるよう構成されている。ヒータ部３６１の両端部には開孔３６２ａ，３６２ｂが形成されており、これらの開孔３６２ａ，３６２ｂを有する端子部３６３，３６４が連設されている。ヒータ板３０６は、ヒータ部３６１の発熱パターンが耐熱絶縁基板３６５ａ，３６５ｂにより上下から挟み込まれて構成されている。
耐熱絶縁基板３６５ａ，３６５ｂには、発熱体パターン部に対応する位置に複数の開口３６６が形成されており、ヒータ部３６１からの熱が直接固体電解質板に放射されるよう構成して、発熱効率の向上が図られている。
【０１０９】
耐熱絶縁基板３６５ａ，３６５ｂの外周部分には、ガス給排路用のそれぞれが独立した開口３６７ａ〜３６７ｆ、３６８及び３６９ａ〜３６９ｆ、３７０が形成されている。
ヒータ部３６１の材質としては、ステンレス系の金属薄膜、特にアルミニウムを含有するステンレス系材料が有効である。即ち、高温でアルミニウムが酸化物を形成し、その酸化物が安定な状態なので、抵抗箔の酸化の進行を抑制する働きを有し、長時間使用しても抵抗値変動の少ない発熱体部が実現できる。また、発明者の実験によれば、ヒータ部３６１における抵抗体としての厚みは、３０μｍ〜２００μｍが好ましくは、特に５０μｍ〜１００μｍの厚みのものが本発明の酸素ポンプの抵抗体として最適であった。
【０１１０】
図２４は実施例３における酸素ポンプモジュールの組立途中の状態を示す分解斜視図である。図２４において、符号３７５で示した積層体の部分が図２０に示した積層構成体である。図２４に示した酸素ポンプモジュールにおいては、積層構成体３７５の上下にガス分離・分配・保温板３７６，３７７及びその外側に金属板３７８，３７９が配設されている。
図２４に示すように、酸素ポンプに流入するガス３９０ａ，３９０ｂは、上側の金属板３７８の両側の開孔から入り、ガス分離・分配・保温板３７６の両側にある開口部３９１ａ，３９１ｂを通って、酸素ポンプ内を下方向に流れる。そして、反対側（裏面側）にある下側のガス分離・分配・保温板３７７の内面で跳ね返ったガスは、ガス分離・分配・保温板３７６の中央にある開口部３９２を通り上側の金属板３７８の中央にある開孔３９３から流出する。
【０１１１】
上側のガス分離・分配・保温板３７６の開口部３９１ａ、３９１ｂ（短辺位置）に対向する下側のガス分離・分配・保温板３７７の位置（短辺位置）には開口が形成されておらず、水平面で９０゜回転した位置（長辺位置）の両側にガスが流れる開孔が形成されている。そのときのガスの流れを符号３９５ａ，３９５ｄで示す。図２４において、ガス流３９５ａ，３９５ｄと対向する位置（長辺位置近傍）にも同様に開孔を通るガス流が下向きに生じている。
ガス分離・分配・保温板３７６，３７７は、酸素ポンプ内を保温するとともに、その外側の金属板３７８，３７９が高温になるのを防止する断熱機能を有している。
上側の金属板３７８にはその四隅と中央部分に５つの切り欠き部３９７ａ，３９７ｂ，３９７ｃ，３９７ｄ，３９８が形成されており、下側の金属板３７９にも同様にその四隅と中央部分に５つの切り欠き部（図２４においてはこれらの切り欠き部を符号４０１ａ、４０１ｃ、４０１ｄ、４０２で示し、奥右側の切り欠き部は図示の関係上省略している。）が形成されている。これらの切り欠き部には各固体電解質電極板の電極膜及び各ヒータ板のヒータ部に電力を供給するための接続端子が配置され、これらの接続端子との電気的絶縁を図るために形成されている。
【０１１２】
図２５は実施例３の酸素ポンプモジュ−ルとしての完成状態を示す斜視図である。図２５において、２箇所の隅に設けたビス４１１，４１２は各固体電解質電極板に形成された一方の電極膜に電気的に接続されており、中央部分に設けたビス４１３が他方の電極膜に電気的に接続されている。また、酸素ポンプモジュールの２箇所の他の隅に設けたビス４１４，４１５は各ヒータ板のヒータ部の端子部に電気的に接続されている。
図２５に示すように、各ビス４１１，４１２，４１３，４１４，４１５には各々リード線を接続するための接続端子４１６，４１７，４１８，４１９，４２０が取り付けられている。図２５において示したビスは、酸素ポンプモジュールの積層構成体の下端まで貫通しており、その下部においてナットにより締め付け固定されている。
実施例３の酸素ポンプは、固体電解質セルにおいて固体電解質電極板を２枚並列に組み込んでおり、このように構成された固体電解質セルを４枚用いた酸素ポンプモジュールである。したがって、前述の実施例１の酸素ポンプモジュールに較べて２倍の能力を有している。
なお、実施例３において用いた金属板やビスの材料は、前述の実施例１で説明した材料を用い、且つ金属板に対しては表面処理を施すことにより、より信頼性の高い酸素ポンプモジュールを提供することができる。
【０１１３】
本発明に係る前述の実施例１から実施例３において説明した酸素ポンプモジュールは、積層構成体の両側の最外層部に剛直な金属板を配設し、その金属板を含む積層構成体を貫通するビスにより締め付け固定する構造であるため、積層構成体の積層基板間に隙間がなく密着しており、ガス漏れのほとんど生じない酸素ポンプである。特に、積層構成体の積層基板にマイカ板を用いているため、このマイカ板が柔軟性を有して圧接されるため、ガス漏れの無い積層型の酸素ポンプモジュールを提供できる。さらに機密性を高める場合には、各積層基板間に柔軟性があり、電気絶縁性のガスケットを挿入すれば、さらに優れた効果が得られる。
【０１１４】
《実施例４》
次に、本発明に係る実施例４の酸素ポンプモジュールについて図２６と図２７を用いて説明する。実施例４は薄くて抗折強度の小さい固体電解質板のための破損防止機構に関するものである。実施例４の酸素ポンプモジュールにおいて、前述の実施例１の酸素ポンプモジュールにおいて説明した固体電解質セル、ガス分離・分配板、ヒータ板の機能については実質的に同じであり、これらの基板が積層されて構成されている。したがって、実施例４の酸素ポンプモジュールの説明においては、前述の実施例と異なる点について説明する。
【０１１５】
図２６に示すように、実施例４において、一辺の長さが７０ｍｍ×７０ｍｍで厚みが０．５ｍｍである正方形の固体電解質電極板４３３の表面に形成されている電極膜４３４及び裏面に形成されている電極膜（図示してない）のほぼ中央部分には、直径１０ｍｍのスペーサ４３５が接合されている。このスペーサ４３５は、固体電解質電極板４３３の上下に配置されて積層される他の積層基板との間隔をほぼ等しい寸法（高さ）とするものである。
本発明の酸素ポンプにおいて、使用できる絶縁性の材料としては、前述の実施例１において説明したように、固体電解質基板の熱膨張係数が１０〜１２×１０−６であるため、その前後の熱膨張係数の材料が使用可能である。具体的には、熱膨張係数が５〜１５×１０−６の範囲内であり、絶縁性を有する材料が使用可能である。したがって、スペーサ４３５の材質としては、その熱膨張係数が５〜１５×１０−６の範囲内にある材料であれば材質を制限するものではない。スペーサ４３５の具体的な材料としては、９４〜９６％アルミナ、ステアタイト、フォルステライト、ガラス（結晶化ガラスを含む）等の絶縁性材料或いは熱膨張係数が前述の範囲内にある金属材料等が使用できる。各材料は緻密なものでもよいが、さらに好適には多孔質の材料がよい。
実施例４において、スペーサ４３５の接合は、前述の実施例１において説明した各種導体ペーストやガラスペースト或いは前述のアロンセラミック等の各種無機系接着剤で行った。
【０１１６】
なお、実施例４におけるスペーサ４３５の形状は円柱形状で説明したが、本発明では円柱形状に限定されるものではなく、例えば四角柱や樽形状など各種形状を用いることが可能である。
また、実施例４におけるスペーサ４３５の個数は、固体電解質電極板４３３の中央部分に一個を設けた例で説明したが、さらに複数個設けてより確実性を追求してもよく、使用する固体電解質電極板の寸法に応じて個数を決定すればよい。
上記のように、図２６に示したようにスペーサを固体電解質電極板の両側に設けることにより、酸素ポンプに対して過度の振動や衝撃が加わった場合でも、スペーサによりその振動が吸収され固体電解質電極板の破損の発生を防止することが可能となる。
本発明におけるスペーサは円柱や角柱に限定されず、固体電解質電極板の電極とほぼ等しいサイズの矩形状多孔質板がより好適である。その材質としては、例えば、三菱マテリアル（株）のジルコニア発泡材料や同社の発泡金属材料等が好適である。
【０１１７】
図２７は、実施例４における固体電解質電極板４３３の他の破損防止機構を説明するための斜視図である。
図２７において、固体電解質電極板４３３の両面に抗折強度の大きな材料により形成された補強材４３７，４３８を取り付けたものである。図２７においては両面に補強材を取り付けたものを示したが、片面のみに補強材を取り付けた構成も可能である。
補強材４３７，４３８としては、９４〜９６％アルミナや結晶化ガラス或いは前述したニッケル合金、コバルト合金、ニッケル−コバルト合金、鉄合金等が最適である。補強材４３７，４３８の寸法は、発明者の実験によれば、セラミックス材では５ｍｍ幅で０．６３５〜１ｍｍ厚み、金属材では５ｍｍ幅で０．３〜０．５ｍｍ厚みが好適であった。特に金属材の場合には、Ｌ字形に加工して使用するとより効果的であった。
補強材４３７，４３８の取付場所は固体電解質電極板の中央線上で露出する基板全長に施し、固体電解質電極板の表裏で直交するクロス形状が効果的であった。なお、片面の場合には補強材を固体電解質電極板の中央部分の中心線上で露出する基板全長に施した。なお、補強材の取り付け角度としては、四角形状の固体電解質セルの各辺と平行か直交する方向、又は４５度の角度を有する斜めの方向でもよい。
上記のように構成された実施例４の酸素ポンプによれば、過度の振動や衝撃が加わっても、固体電解質電極板が破損することが防止されており、信頼性の高い酸素ポンプを提供することができる。
【０１１８】
以上のように、本発明の酸素ポンプは、固体電解質電極板を複数枚積層した積層構造を有し、その積層構造における積層基板間にヒータ板が配置されている。このように構成された本発明の酸素ポンプは、比較的低い温度にて作動し、危険な副産物を発生させることがなく、比較的高濃度の酸素を発生させることが可能である。特に、本発明の酸素ポンプは、病院等の騒音を嫌う場所での酸素濃縮装置として、冷蔵庫等の食品保管で酸素を嫌う装置における酸素除去装置として、魚介類等の生きたままで輸送する装置における酸素補給装置として、或いは、その他の酸素濃度の高いガスを必要とする場所や反対に酸素濃度の低いガスを必要とする場所置等に用いる装置として、有効に使用することができる。
【０１１９】
本発明において、ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板、或いはヒータ板の材料としては、耐熱性があり電気的絶縁性があれば材料の種類を制限するものではない。例えば、セラミックス材料については、アノード電極膜面及びカソード電極面の付近温度と外周部分の温度に大きな温度差が生じるので、熱膨張係数の極端に大きい材料は材料内の温度差により破壊されるおそれがあるため使用できない。しかし、熱膨張係数が５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある材料、例えば、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）熱膨張係数；５×１０−６、或いはステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ２）熱膨張係数；７〜９×１０―６、或いはフォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ２）熱膨張係数；９〜１１×１０−６、或いはアルミナ（９２〜９６Ａｌ２Ｏ３）熱膨張係数；７〜８×１０−６、或いはマイカ材料，熱膨張係数；１０〜１２×１０−６、或いはその他のガラスやセラミックス材料で熱膨張係数が５〜１５×１０−６の範囲内の材料等が最適材料として使用できる。特に好ましくは、マイカ材料である。マイカ材料は、曲げ力に強く、耐熱性があり、電気絶縁性が優れているので有効な材料である。
【０１２０】
また、電力供給用のネジを有する金属棒や締め付け用ナットの材料は、高温酸化雰囲気中で使用されるので、優れた耐酸化性を有する材料に制限される。例えば、その材料としては、前述した積層構成体の最外層となる金属板と同じ材料であるステンレス鋼、ニッケル合金、コバルト合金、ニッケル−コバルト合金、又は鉄合金等が有効である。特に好ましくは、優れた耐酸化性を有し熱膨張係数が小さい、ハステロイ、インコネル、インコロイ、インバー等のニッケル、コバルト系合金、ニッケル−コバルト合金等が有効である。また、高温酸化性雰囲気において使用されるため、金属棒やナットの表面には白金、金、銀、アルミニウム、ニッケル、パラジウム等の酸化されにくい材料を表面に被覆することにより電気的な接続部分の信頼性を大幅に高めることができる。
【０１２１】
また、固体電解質電極板を挟む挟着電極板や挟着板である金属板の材料としては、高温酸化性雰囲気で使用でき、加えて高温状態でもバネ性、即ちアノード電極膜とカソード電極膜とを圧接する力が劣化しない材料が要求される。このような使用に耐える金属材料としては、ニッケル合金、例えば三菱マテリアル（株）のハステロイＸ（Ｆｅ；１８％、Ｃｒ；２２％、Ｍｏ；９％，Ｎｉ；Balance）熱膨張係数；１４．７×１０−６やＭＡ７５０（Ｆｅ；７％、Ｃｒ；１５％、Ａｌ；０．７％、Ｎｉ；Balance）熱膨張係数；１４×１０−６やＭＡ２６３（Ｃｏ；２０％、Ｃｒ；２０％、Ｍｏ；５．９％、Ａｌ；０．５％）熱膨張係数；１３．３×１０−６など、別名インコネルといわれている材料、或いはコバルト合金、例えば三菱マテリアル（株）のヘインズアロイNo.２５（Ｎｉ；１０％、Ｃｒ；２０％、Ｗ；１５％、Ｃｏ；Balance）熱膨張係数；１３．９×１０−６等や、鉄合金、例えば三菱マテリアル（株）のＭＡ８００Ｈ（Ｎｉ；３２．５％、Ｃｒ；２１％、Ａｌ；０．５％）熱膨張係数；１６．６×１０−６やＭＡ１５５Ｎ（Ｎｉ；２０％、Ｃｏ；２０％、Ｃｒ；２１％、Ｍｏ；３％、Ｗ；２．５％）１５．６×１０−６等の材料、或いはニッケル−コバルト合金、例えばインバー（別名；アンバー）材で４２インバー〔（Ｎｉ＋ｃｏ）；４１〜４３％、Ｍｏ；０．９〜１．３％、Ｆｅ；Balance〕熱膨張係数；４．５〜６×１０−６の低熱膨張係数の材料、或いはステンレス鋼、例えばＳＵＳ３１０Ｓ（Ｎｉ；１９〜２２％、Ｃｒ；２４〜２６％、Ｆｅ；Balance）熱膨張係数；１６．９×１０−６の材料が最適であった。なお上記の含有量は重量％、熱膨張係数は常温〜５００℃のときの値である。即ち、各材料特有の熱処理条件で熱処理したとき、常温〜６００℃でバネ性を示し、電気伝導性を有して且つ上記の温度領域での熱膨張係数が、４×１０−６〜２０×１０−６の範囲内の材料であれば、本発明の金属板の材料として上記の材料に制限するものではなく如何なる材料でも使用出来る。
【０１２２】
また、固体電解質電極板を挟む挟着電極板や挟着板である金属板の板厚は、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであれば良く、好適には０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍである。金属板の板厚が前記範囲より薄いとバネ圧が小さすぎて電気的接触に不安定要素が生じ、反対に前記範囲より厚いとバネ圧が強すぎて上下２枚の金属板の溶接接合時に固体電解質電極板にダメージを与えるおそれがあり、最悪の場合には固体電解質電極板を破損させることがある。
上記のような材料により挟着電極板及び挟着板を構成することにより、固体電解質電極板との熱膨張係数の違いによる材料の伸び縮みの差が小さく、その伸び縮みは挟着電極板と固体電解質電極板との間の接触部分における滑りにより吸収することができる。このことは、発明者が実験により確認した。
【０１２３】
以上のように、挟着電極板の材料は高温時のバネ性を持たせるために、各材料特有の熱処理を行って使用する必要があり、。特に好ましくは、優れた耐酸化性を有し、熱膨張係数が固体電解質板の材料に近く、バネ性が高温でも劣化しにくい、ハステロイ、インコネル、インコロイ、インバー等のニッケル、コバルト系合金が有効である。また、挟着電極板は高温酸化性雰囲気で使用されるため、挟着電極板の表面の全面或いは一部の必要な部分に白金、金、銀、アルミニウム、ニッケル、パラジウム等の酸化されにくい材料を表面に被覆することのより、電気的接続部分の信頼性が大幅に向上する。特に好ましくは、被覆材として金メッキが有効である。発明者の実験によれば、金メッキの場合、メッキ厚みは、０．５〜１．０μｍ程度で十分な酸化防止膜の機能を示した。
なお、前述の実施例１においては、積層構成体にヒータ板を設けた例で説明したが、積層構成体に流入されるガスを予め加熱することによりヒータ板の不要な酸素ポンプを提供することが可能となる。
【０１２４】
また、本発明に係る前述の実施例においては、正方形の固体電解質電極板を用いた酸素ポンプの構造について説明したが、固体電解質電極板を挟着電極板により挟着して電力を供給する方式を適用すれば、固体電解質電極板の形状は正方形に制限されるものではなく、例えば、長方形やその他の多角形にも何等問題なく適用できる。
また、本発明に係る前述の実施例においては、固体電解質セルを４枚積層した酸素ポンプについて説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、固体電解質セルを１枚でも或いは５枚以上の場合でも適用できることは言うまでもない。
【０１２５】
更に、本発明に係る前述の実施例においては、挟着電極板と固体電解質電極板による面での接触による電気的接続構造について説明したが、バネ性のある金属線を用いて電極膜に圧接する接続方法も可能であり、この金属線の接続部分における気密性を確保すれば直ちに実用化できる。
更に、本発明に係る上記の実施例においては、固体電解質セルのアノード電極膜及びカソード電極膜への電力供給のための電気的接続を積層構成体の４隅の部分で行う構造について説明したが、本発明は４隅に限定されるものではなく、その他の部位でもガス流路を一部位置変更すれば直ちに実現可能である。
【０１２６】
また、本発明に係る前述の実施例においては、固体電解質セルの２箇所で電気的に接続して電力を供給する方式について説明したが、本発明はこのような２箇所接続による電力供給方式にのみ制限されるものではなく、例えば、３箇所接続方式を用いるとすれば、全体の固体電解質に通電できるように２箇所接続し、残り１箇所を固体電解質の一部に接続することにより、全ての固体電解質セルを駆動させたり、一部の固体電解質セルのみを駆動させることができる酸素ポンプを実現できる。このように構成することにより、酸素ポンプの能力を選択できる酸素ポンプを提供することが可能となる。
また、本発明に係る前述の実施例においては、固体電解質セルの電極面が水平方向である酸素ポンプについて説明したが、その方向は如何なる方向でも何等問題が無いことを発明者は実験により確認した。
【０１２７】
また、本発明に係る前述の実施例においては、アノード電極或いはカソード電極が共に密封されたガス給排路構造について説明したが、本発明は密封構造に限定されるものではなく、例えば酸素濃度の低い空気が必要な場合にはアノード電極側のガス給排路を積層構成体の外側の空間と連通した構造とすることが可能であり、また酸素濃度の高い空気が必要な場合にはカソード電極側のガス給排路を積層構成体の外側の空間と連通した構造にすることができる。このように構成することにより、空気を送るためのガス供給ポンプが必要なくなり、酸素ポンプを容量の小さい送風機で十分な構成することが可能となる。
【０１２８】
また、前述の実施例においては、酸素ポンプを主体として説明したが、実際に酸素ポンプを使用する場合には、酸素ポンプに熱交換器を接続して使用するのが好ましい。酸素ポンプに熱交換器を接続して、酸素ポンプから流出した高温度ガスを熱交換器に導き、酸素ポンプへ流入するガスを熱交換器において暖めることにより、固体電解質セルの温度低下を防止することが可能となり、酸素濃縮或いは酸素除去の能力を向上させることができるとともに、ヒータ部の負担を削減することができ、省エネルギー効果を図ることができる。ここで用いる熱交換器に制限はなく、同一角度で交互に角度を変えて構成されたアルミハニカム構造体のものや、熱伝導性の管に熱伝導性の高い放熱フィンを取り付けた形式のもの等、一般的な熱交換器を用いることができる。
本発明の酸素ポンプは、ペロブスカイト型Ｂａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ｏ系酸化物、或いはＢａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ｚｒ−Ｏ系酸化物、或いはＢａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ａｌ−Ｏ系酸化物セラミックスの薄板状固体電解質を用いた酸素ポンプについて説明してきたが、本発明は前記組成にこだわるものではなく、その他の組成の固体電解質を用いて本発明の酸素ポンプを構成することは勿論の可能である。即ち、固体電解質の駆動温度が、使用する挟着電極板のバネ性を保持できる限度内であれば、如何なる固体電解質を用いた酸素ポンプにも適用できる。
【０１２９】
以上のように、本発明の構成においては固体電解質セルを積層する構造であるため、小型で高効率の酸素ポンプモジュールが実現でき、酸素ポンプモジュール内にガスの給排路を内蔵しているので従来のマニホールドを後付する方式より気密性に優れ、小型化を実現できる。
【０１３０】
本発明の構成によれば、固体電解質セルに２系統のガス流のガス給排路が形成されており、固体電解質セルの両側に積層して配置されたガス分離・分配板を設けて、酸素が濃縮されるガス流と酸素が除去されたガス流とを単純な構成で隔離できる酸素ポンプである。特に、本発明は空気中の酸素を濃縮したり除去したりする装置として有効である。本発明によれば、固体電解質セルやガス分離・分配板は薄い板状であるので、複数枚の積層構造に構成しても酸素ポンプモジュールはコンパクトに作製することができる。
【０１３１】
本発明の酸素ポンプは、積層型酸素ポンプであり、ヒータ板を内蔵している。酸素ポンプにおいては、固体電解質とカソード電極との界面で酸素が電子を受け取りＯ２−イオンとなり固体電解質内を移動し、固体電解質とアノード電極界面で電子を放出し酸素ガスとなる反応は、固体電解質の伝導度が重要であり、一般的な固体電解質であるイットリウム安定化ジルコニアでは、８００℃以上に加熱しないと実用に供する酸素ポンプはできない。即ち、酸素ポンプモジュールを作製しても当該酸素ポンプモジュール内の固体電解質を如何にして動作温度まで加熱するかが実用化の鍵となる。特に、小型で可搬性の酸素ポンプモジュールの提供を目的とする場合には大きな課題であった。本発明の酸素ポンプにおいては、板状のヒータ板を固体電解質セルの近傍に、固体電解質セルに平行に配置しているので、固体電解質を動作温度まで簡単に昇温できる。特に新規な固体電解質であるバリウム−セリウム−ガドリニウム系酸化物を用いた本発明の酸素ポンプでは、４００℃程度に加熱すると実用的動作温度となるので、本発明の構成により十分に目的を達成することができる。
【０１３２】
本発明の酸素ポンプにおいては、固体電解質電極板、固体電解質電極板間を分離し、２つのガス流を隔離し、且つガス漏れを防止するガス分離・分配板、ヒータ板の全ての基板がシート状を有し、各々の外周部にはガス給排路が独立した開口部或いは開放ガス路部として連通した開口により形成されており、ガス或いは空気の流入路、酸素が濃縮或いは除去されたガス或いは空気を排出するための流出路を一体化したコンパクトな酸素ポンプが提供できる。
【０１３３】
本発明の酸素ポンプは、複数枚の固体電解質電極板が積層された状態において、同じ極同士が向かい合って配設されているので、ガス給排路につながる連通した空間部が共通して使える。このため、ガス分配・分離板の使用枚数が最小限度枚数ですみ、コンパクトに構成されている。また、挟着電極板を用いて電極膜に電力を供給する方法を使用しているため、同じ極が向かい合った構成であれば、積層した状態で金属棒を貫通させそれに挟着電極板を接続する方法により全てのアノード電極膜、カソード電極膜に電力が供給できる。
【０１３４】
本発明の酸素ポンプは、固体電解質電極板の両面に形成された電極膜の位置をずらして形成しているので、２枚の挟着電極板により固体電解質電極板を挟み込み電力を供給する構成が可能となっている。すなわち、一方の挟着電極板は電極膜の端部に接触しているが、他方の挟着電極板は、電極膜に接触しない状態が実現できる。この結果、固体電解質電極板の同一平面内で各々が絶縁状態でアノード電極膜とカソード電極膜のそれぞれに電力を供給することができる。
【０１３５】
本発明の酸素ポンプは、小面積の円形或いは矩形形状の固体電解質電極板を絶縁性基板に貼り付けて固体電解質板として構成できるので、固体電解質電極板の作製が容易である。即ち、大きな面積で且つフラットな固体電解質電極板を作製する事は難度の高い技術が必要である。さらに、固体電解質をより低温度で動作させる目的で板厚を薄くして伝導度を高めるように作製するのが一般的であり、実際には板厚を０．５ｍｍ程度まで薄くして使われる。より薄くするために多孔質で電子伝導性を有する支持基材上に数十μｍの固体電解質膜を形成する方法も採られているが、支持基材を用いないで大きな面積の固体電解質板の作製は困難であるが、本発明のように小さい面積の固体電解質板を複数個並べる構成にすれば容易に大きな基板を作製することができる。勿論、電子伝導性多孔質支持体に薄い固体電解質を形成したものを本発明に適用することも可能である。
【０１３６】
本発明の酸素ポンプは、２枚の挟着電極板を両側から挟み込んでアノード電極膜或いはカソード電極膜に電力を供給する構成であり、固体電解質基板の両面の導体膜パターンの位置が異なり、一方は端部から広い間隔を有し、その裏面は端部から狭い間隔を有して導体膜パターンが形成されているので、挟着電極板で挟み込んでも間隔の広い側では挟着電極板に導体が接触しないので、同一面内でアノード電極及びカソード電極に電力を供給する構成が実現できる。また、本発明においては、耐熱性絶縁性基板は抗折強度の大きな材料が選定できるので、振動や衝撃に強い固体電解質セルが実現できる。
【０１３７】
本発明の酸素ポンプは、固体電解質基板自体の外周部にガス給排路用の開口部を形成して、その中央部分の両面に互いに位置をずらしたアノード電極及びカソード電極を形成し、この固体電解質基板を挟着電極板で両面から圧接する構造を有している。この構成によれば、圧接した２枚の挟着電極板の間に固体電解質電極が配設されているので、酸素が濃縮される側と酸素が取られる側が完全に隔離でき、気密性の高い酸素ポンプを提供できる。
【０１３８】
本発明の酸素ポンプは、高温においてもバネ性を保持する２枚の挟着電極板の一方の挟着電極板の一端部を固体電解質電極板の一方の面に形成したアノード電極膜或いはカソード電極膜に接触するように挟み込んで接続し、他方の挟着電極板の一端部を固体電解質電極板の他方の面に形成したカソード電極膜或いはアノード電極膜に接触するように挟み込んで取りつけた構造である。この構成によれば、高温でもバネ性を有する挟着電極板の圧接により電気的に接続状態が保持され、材料の熱膨張係数の違いにより接続部がはずれることが無い。熱膨張の差は接触部がずれることにより吸収されて接触を保つており、接続部の内部応力がほとんど無い状態が実現できる。また、本発明によれば、両挟着電極板をスポット溶接で接合する方式であり、接続が物理的方法であるため機械的方法による組立工法が実現し、製造コストの削減に大きく寄与できる。
【０１３９】
本発明の酸素ポンプにおいては、固体電解質電極板の対向する辺の両端に取り付けられた挟着電極板が電気的絶縁性を保ちながら固体電解質電極板の両面の電極膜に接続することができ、アノード電極及びカソード電極が短絡することが無い信頼性の高い構造が実現できる。
【０１４０】
本発明の酸素ポンプにおいて、電力供給用の挟着電極板は、熱膨張係数が４×１０−６〜２０×１０−６の範囲にある金属材料を用いた固体電解質セルを用いている。本発明の電力供給方式は、金属板のバネ性を用いそのバネ力で押さえつけ電気的接触を保つ構造であるため、材料間の熱膨張係数の違いがあっても接触部分で滑るため、接続状態が外れることがない。このことの最大の利点は、常温〜５００℃での耐酸化性及びバネ性の保持性を有する材料であれば基本的には大きな問題なく本発明に用いることができ、材料選択の幅が広くとれることである。本発明に用いることができる金属材料の熱膨張係数の範囲は、前述の如く４×１０−６〜２０×１０−６  の範囲で耐熱性を有し、高温でのバネ性を保持する材料であれば何等問題なく使用できる。それ以上或いはそれ以下の熱膨張係数の材料では、積層する他の材料との熱膨張差が大きくなりすぎ、加熱−冷却を繰り返すと酸素ポンプモジュール自体に変形の応力が溜まり積層部にすき間が生じガス気密性に悪影響を及ぼす。但し、挟着電極板を小片の金属板や金属線で上下から接触する構成にした場合には、さらに広い熱膨張係数の金属材料が使用可能となる。
【０１４１】
本発明の酸素ポンプは、電力供給用金属板が、鉄合金板、或いはニッケル合金板、或いはコバルト合金板、或いはニッケル−コバルト合金、或いはステンレス鋼板により形成された固体電解質セルである。本発明者が、所望の熱膨張係数の範囲内で且つ、耐酸化性、バネ性の保持性等を考慮して検討した結果、前記合金材料が最適であることが判明した。また、本発明においては挟着電極板が熱膨張係数が他の金属板より小さく、且つ高温酸素雰囲気中においても酸化の進行が少ないものを用いているので、信頼性の高い電力供給手段が実現できる。また、挟着電極板は、所望の環境において金属薄板を成形し、その金属材料に最適な温度で熱処理を施すことにより、高温におけるバネ性を維持することができる。このような金属材料を用いて挟着電極板を形成することにより、接触部の接触圧が劣化しない、言い換えれば、電気的接合状態が良好に維持できる。
【０１４２】
本発明の酸素ポンプは、電力供給用金属板の片面又は両面において、全面或いは一部分に、金、銀、ニッケル或いはアルミニウム皮膜が形成された固体電解質セルである。上記電力供給用金属板は金属薄板の表面に酸化しにくい金属被膜を形成しているので、高温酸化性雰囲気においても接触部の電気抵抗が増大することのない信頼性の高い装置を提供でき、特に膜厚０．５μ以上の金メッキ被膜が安定して使用できることを発明者は確認した。
【０１４３】
本発明の酸素ポンプにおいて、積層体内の酸素濃縮側及び酸素除去側に流されるガス流は、各固体電解質セルに並列又は直列に導入する方式に構成することが可能であり、並列方式の特徴は複数枚の固体電解質セルにより低温のガスが導入されたとき、各固体電解質セルがほぼ同じように温度低下が生じるので、各固体電解質の温度コントロールが容易である。また、酸素濃縮側と酸素除去側の流入側（ｉｎ側）、或いは流出側（ｏｕｔ側）を同一側或いは対向する側に取りつけることが自由に選択でき、この並列方式の酸素ポンプを用いて各種装置を設計する場合設計が容易となる。
【０１４４】
本発明の酸素ポンプにおいて、直列方式でガスを流す場合、各固体電解質セルを順番にガスが流れるので、確実に濃縮された酸素或いは減少した酸素が取り出すことができる。並列方式では、各固体電解質セルに同一量のガスを分配、或いは回収するのがガス給排路の開口面積と固体電解質セルに流入する開口部の面積比を適切に選択しないと、一部の固体電解質セルのみに多くのガスが流入し、アンバランスが生じ１００％生成した酸素が取り出せなくなるとともに、ガスが多く流入する固体電解質セルはより冷却されるので固体電解質の能力が減少する。
【０１４５】
本発明の酸素ポンプは、ガス流のどちらか一方を並列方式で他方を直列方式で流すことにより、並列方式のガス流と直列方式のガス流の併用方式を構成することが可能であり、並列方式と直列方式との中間的特徴を有しており、特に必要とするガス流入側に直列方式を導入すればほぼ直列方式に近い性能が得られる。
【０１４６】
本発明の酸素ポンプは、ガス流を並列方式又は直列方式に切り換えるよう構成することができ、ガス流の流入方向、流出方向を簡単に変更できる。その結果、本発明の酸素ポンプを使った酸素濃縮装置或いは酸素除去装置のガス流出方向を変えることができ装置の設計が容易となる。
本発明の酸素ポンプにおいては、ガス流路の開口形状と実質的に同一の形状を有する耐熱性板状体を挿入することにより、ガス流を並列方式或いは直列方式に容易に変更出来る構造を有している。
【０１４７】
本発明の酸素ポンプは、ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板及び、ヒータ板用材料の熱膨張係数が、５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある耐熱性・絶縁性材料を用いて形成している。上記のように、本発明の酸素ポンプに使用する固体電解質材料の熱膨張係数が、１０〜１２×１０−６なので、発明者は熱膨張係数の耐熱性絶縁性材料を用いれば、熱的衝撃が頻繁に加わっても問題なく酸素ポンプとして機能することを確認した。なお、前記の熱膨張係数の範囲より小さかったり大きかったりすると、固体電解質に無理な応力が生じ最悪の場合は固体電解質板が破損するおそれがある。
【０１４８】
本発明の酸素ポンプは、ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板、及びヒータ板が、マイカ或いは／又はセラミックス素材或いは／又はガラス素材を用いて形成している。常温〜５００℃間での熱膨張係数は、マイカ材料が１１×１０−６、大多数のセラミック材料が前記の熱膨張係数の範囲内にあり、使用出来る。その中で特に優れた材料は、マイカ、９０〜９５％アルミナ、フォルステライト及びステアタイトであった。特にマイカ板は、積層体を上下から剛直な金属板を介してネジで締め付けることが可能となり、ガス漏れの少ない酸素ポンプの構造体が簡単に構築できる。
【０１４９】
一般に固体電解質を用いた酸素ポンプでは、ヒータ板により固体電解質が駆動できる、即ち、イオン伝導が生じる温度まで加熱する必要があり、その温度は、固体電解質の材料により決定する。一般的に用いられているイットリウムで安定化したジルコニア系材料では、その温度が８００℃以上である。本発明の酸素ポンプに用いた固体電解質は、従来のジルコニア系材料より低い温度で十分なイオン伝導性を示す材料であり、加熱温度は３００℃〜５００℃で十分である。従って、本発明においてはヒータ板がパターンニングした金属抵抗箔をマイカ板で挟み込んだ構造で、その外周部にガス給排路を有し、外周部の別の位置から電力を供給するよう構成されており、前述の固体電解質構成セルと合わせて積層して、ヒータ内蔵のコンパクトな酸素ポンプを実現できる。しかし、本発明はヒータ板の材料としてマイカ板に制限するものではなく、前述の熱膨張係数の範囲内の材料で耐熱性絶縁性を有する材料であれば使用することができる。ただ、特に、優れた材料はマイカ板であった。
【０１５０】
本発明の酸素ポンプにおいては、矩形形状を有する積層体の４辺或いは、４隅より積層体を貫通して金属製の棒状体を介し各固体電解質のアノード電極及びカソード電極及びヒータ板のヒータ端子部に電力を供給する構造であるので、非常にコンパクトで信頼性の高い電力供給構造を実現できる。本発明においては、電力供給する部分の材料を全て金属材料を用いた構造であるため、組立が容易で信頼性の高い接続構造を実現できる。
【０１５１】
本発明の酸素ポンプにおいては、電気伝導性材料により形成された棒状体が積層体を貫通して挿入され、固体電解質に接続された電力供給用の金属板及びヒータ部の各々の端子部がナットにより締め付けられて接続されるため、確実な電気的接続が保証される。また、本発明によれば、棒状体の材質が鉄合金、或いはニッケル合金、或いはコバルト合金、或いはステンレス鋼で形成されているため、積層体に使われている材料と熱膨張係数が近く、酸素ポンプ全体の熱的歪みが生じず、積層部界面からのガス漏れのない酸素ポンプを実現できる。特に、使用するビスやナットに金、銀、ニッケル、或いはアルミニウムを被覆したものを用いることにより接続部の電気抵抗が増加せず安定した接続が長期にわたった保証できる。
【０１５２】
本発明の酸素ポンプは、酸素ポンプの最外層のガス給排口金属板が鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金、或いはステンレス鋼板よりなる剛直な材料で形成されており、ガス給排口金属板を積層体の最外層の両面に配設して、且つガス給排口金属板の両端部に積層体のガス給排路に連通する位置にガス供給口及び排出口が形成されている。このように構成された酸素ポンプは、積層体を剛直な金属板で上下からビスで締め付ける構造であるため、積層部界面かなガスが洩れることがなく、且つ、ガス給排口金属板にガスの流入口及び排出口を形成しているので、耐熱性パイプ等を接続するだけで酸素が濃縮されたガス或いは減少したガスを容易に取り出すことができる。また、本発明においては、ガス給排口金属板として使用する材料がセラミックス材料や固体電解質材料の熱膨張係数に近似しているので、各材料間で熱的歪みによる内部ストレスがたまりにくく、積層体の変形が少い信頼性の高い酸素ポンプを提供できる。
【０１５３】
本発明の酸素ポンプは、固体電解質が、結晶構造がペロブスカイト型のバリウム・セリウム・ガドリニウム系酸化物セラミックス材料、或いはバリウム・セリウム・ガドリニウム・ジルコニウム系酸化物材料、或いはバリウム・セリウム・ガドリニウム・アルミニウム系酸化物で形成されている。本発明の酸素ポンプに用いた固体電解質材料は、固体電解質が駆動する温度、即ちイオン伝導が生じる温度が３００℃以上あるので、本発明における挟着電極板での挟み込み接続方式やマイカ板等が使用可能となりコンパクトな酸素ポンプが実現可能となる。
【０１５４】
本発明の酸素ポンプにおいては、固体電解質電極板の片面或いは両面に、少なくとも１個以上のスペーサー或いは補強板を取りつけた構造とすることにより、固体電解質電極板の振動或いは衝撃を吸収して破壊を防止することができる。ここで用いるスペーサーは、積層したときの固体電解質電極板の両面に接するガス分離・分配・保温板、或いはヒータ板、或いは他の固体電解質電極板との間隔を所望の間隔を有するように取り付けたものである。なお、固体電解質電極板の両面に１個以上のスペーサーを備えてもよい。また、補強材とは、固体電解質電極板の片面或いは両面に補強用材料を取り付けた構造のものである。このように構成された本発明の酸素ポンプは、固体電解質電極板に振動或いは衝撃が加わってもスペーサや補強材が固体電解質電極板の振動を抑えて、固体電解質電極板の破壊を防止することができる。
【０１５５】
【発明の効果】
以上、実施例について詳細に説明したところから明らかなように、本発明は次の効果を有する。
本発明の酸素ポンプにおいては、前述の実施例で説明したように固体電解質電極板の両面に形成した電極膜に電極を接続することにより、従来のペースト材の固着方法等とは異なり、耐熱耐酸化性を有する金属板のバネ性を利用して、金属板の先端部が固体電解質電極板の電極膜を圧接する構造を有している。固体電解質セラミックス板を用いた酸素ポンプにおいては、高温状態で酸素ポンプを駆動する構成であるため、酸素ポンプの使用材料には熱膨張係数の近いものを選択し、熱歪みによる破壊や電気的接触不良を防止する必要がある。本発明の酸素ポンプにおいては、その電極接続構造が金属板のバネ性を用いて電極面を圧接する構成であるため、各部品の材料間に熱膨張の差が生じていても、各部品間の接触部分におけるずれにより熱膨張の差を吸収している。この結果、本発明の酸素ポンプによれば、各部品における歪みを緩和することができるため、固体電解質セルの電極膜部と電力供給部との接続部分において破壊や接触不良などが発生することがなく、信頼性の高い電極接続構造を有する酸素ポンプを提供することができる。
【０１５６】
また、本発明の酸素ポンプにはＢａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ｏ系酸化物、或いはＢａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ｚｒ−Ｏ系酸化物、或いはＢａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ａｌ−Ｏ系酸化物のセラミックス板を用いているため、酸素ポンプは５００℃以下の温度で駆動できる。この結果、本発明の酸素ポンプにおいては実施例において説明した電極接続構造を用いることが可能となり、信頼性の高い酸素ポンプを提供することができる。
また、本発明の酸素ポンプにおいては、固体電解質電極板を挟着電極板により挟着して１枚の固体電解質セルを構成し、その固体電解質セルの上下にガス分離・分配板及びヒータ板の各基板を積層しているので非常にコンパクトな酸素ポンプを提供することができる。
【０１５７】
さらに、本発明の酸素ポンプにおいては、固体電解質セル、ガス分離・分配板、及びヒータ板の各基板の外周部分にガス給排路を形成し、これらのガス給排路に酸素が濃縮される空気や酸素が減少する空気のそれぞれが独立して流れ、固体電解質セルの電極面に供給される構造である。したがって、本発明の酸素ポンプは、従来の酸素ポンプにおいて用いていたガス給排路用マニホールド部が不要となるため、取付け接合部が少なくなり、気密構造の構築が容易となる利点がある。
【０１５８】
さらに、本発明の酸素ポンプにおいては、固体電解質セルの両面の電極膜に挟着電極板を接続する構造であるため、この挟着電極板と電極膜との接続箇所以外の挟着電極板の外周部分を電力供給用の部位として使用することができ、且つ、酸素ポンプの構造が積層構造であるため、その積層体に対して積層方向に金属棒を挿入して、この金属棒に挟着電極板を固着することにより簡単に電力供給を行うことが可能となり、簡単な構成でコンパクトな酸素ポンプを提供することができる。
【０１５９】
さらに、本発明の酸素ポンプにおいては、金属板である挟着電極板の材料としてステンレス鋼やＮｉ-Ｍｏ-Ｃｒ-Ｆｅ-Ｗ合金のハステロイ、Ｎｉ（Ｎｉ-Ｃｏ）-ＣｒＦｅ合金のインコネルやＮｉ（Ｃｏ）-Ｆｅ-Ｃｒ合のインコロイやＮｉ-Ｃｏ-Ｆｅ合金のインバー等のニッケル合金、コバルト合金、Ｆｅ-ＮｉＣｒ合金やＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏ-Ｃｒ合金等の鉄系合金を用いている。これにより、本発明における挟着電極板は優れた耐酸化性を有し熱膨張係数が固体電解質セラミックス板に近い値を有しているので、本発明においては挟着電極板と固体電解質セルとの間の接続状態の信頼性が大きく向上している。特に、挟着電極板の材料としては、ハステロイ、インコネル、インコロイ、インバー等のニッケル、コバルト系合金が有効である。また、本発明における挟着電極板の表面には白金、ニッケル、銀、金、アルミニウム、パラジウム等の耐酸化性のコーティングを施しているので、接続部の信頼性がさらに向上している。
【０１６０】
さらに、本発明の酸素ポンプにおいては、実施例において詳細に説明したように固体電解質セルの端部を挟着電極板により挟着する電極接続構造であり、複数の基板を積層した積層構造であるため、一つの固体電解質セルに複数個の固体電解質板を並置し、そのように構成された固体電解質セルを積層することにより、大容量の酸素ポンプをコンパクトに構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例１の酸素ポンプを示す分解斜視図である。
【図２】本発明に係る実施例１の酸素ポンプにおける固体電解質板の斜視図である。
【図３】本発明に係る実施例１の酸素ポンプにおける固体電解質板の別の構成を示す分解斜視図である。
【図４】図３の固体電解質板の完成状態を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る実施例１における挟着電極板の接合構造を示す分解斜視図である。
【図６】本発明に係る実施例１における固体電解質セルを示す斜視図である。
【図７】図６の固体電解質セルのVII−VII線による断面図である。
【図８】本発明に係る実施例１における固体電解質セルの別の構造を示す分解斜視図である。
【図９】本発明に係る実施例１における固体電解質セルのさらに別の構造を示す分解斜視図である。
【図１０】本発明に係る実施例１におけるガス分離・分配板を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係る実施例１におけるヒータ板の構成を示す分解斜視図である。
【図１２】本発明に係る実施例１の酸素ポンプの積層構造を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る実施例１の酸素ポンプの組立状態を示す分解斜視図である。
【図１４】本発明に係る実施例１の酸素ポンプの完成状態を示す斜視図である。
【図１５】本発明に係る実施例２の酸素ポンプを示す分解斜視図である。
【図１６】本発明に係る実施例２の酸素ポンプの組立状態を示す分解斜視図である。
【図１７】本発明に係る実施例２の酸素ポンプにおける積層構造を示す断面図である。
【図１８】本発明に係る実施例２の酸素ポンプにおける別の積層構造を示す断面図である。
【図１９】図１８に示した酸素ポンプにおいて用いるガス流の切換を行うガス流変更ブロックを示す斜視図である。
【図２０】本発明に係る実施例３の酸素ポンプを示す分解斜視図である。
【図２１】本発明に係る実施例３の酸素ポンプにおける固体電解質セルを示す斜視図である。
【図２２】本発明に係る実施例３の酸素ポンプにおけるガス分離・分配板の斜視図である。
【図２３】本発明に係る実施例３の酸素ポンプにおけるヒータ板を示す斜視図である。
【図２４】本発明に係る実施例３の酸素ポンプの組立状態を示す分解斜視図である。
【図２５】本発明に係る実施例３の酸素ポンプの完成状態を示す斜視図である。
【図２６】本発明に係る実施例４の酸素ポンプにおける固体電解質セルを示す斜視図である。
【図２７】本発明に係る実施例４の酸素ポンプにおける別の固体電解質セルを示す斜視図である。
【図２８】従来の酸素ポンプを示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０、１１、１２、１３  固体電解質セル
１７                    ヒータ板
１４、１５、１６        ガス分離・分配板
２２、９２              固体電解質基板
２０、２１、９２        電極膜
４４                    ヒータ部
２３、２４              挟着電極板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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