(57)【要約】【課題】セル作動時の高温雰囲気下における各電極膜の剥離を防止し、高濃度の透過ガスを安定して得ることができる信頼性の高い電気化学セルを提供する。【解決手段】イオン伝導性の電解質基板１の表裏両面に電極２、３を配して成る電気化学セルであって、上記電極２、３が、上記電解質基板上に形成されたガス透過部分となる反応電極膜２１、３１と、この反応電極膜を覆うように形成された給電用の多孔質電極膜２２ａ、３２ａと、上記反応電極膜外において上記多孔質電極膜より引き出された配線用の緻密質電極膜２２ｂ、３２ｂとで構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性を有する電解質基板の表裏両面に電極を配して成る電気化学セルであって、
上記電極が、上記電解質基板上に形成されたガス透過部分となる反応電極膜と、この反応電極膜を覆うように形成された給電用の第１電極膜と、この第１電極膜に電気的に接続され、上記反応電極膜外において上記第１電極膜より引き出された配線用の第２電極膜とで構成されていることを特徴とする電気化学セル。
【請求項２】
上記第１電極膜は多孔質電極膜で形成され、上記第２電極膜は緻密質電極膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
上記電極膜の角部に面取り加工が施されて成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
上記電気化学セルは、酸素イオン伝導性を有する電解質基板の表裏両面に電極を配して成る酸素透過セルであることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の電気化学セル。
【請求項５】
請求項４に記載の電気化学セルを用いて成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、酸素富化器等に用いられ、電子の授受に伴って電気化学反応を行う電気化学セルに関し、特に、電気化学セルの電極構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電気化学反応によって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酸素富化器が知られており、近年、エアコン等の家電機器に上記酸素富化器を搭載して室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みが為されている。
【０００３】
酸素富化器は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質の表裏両面に正極と負極の一対の電極を配した電気化学セル（酸素透過電気化学セル）を備え、所定の高温雰囲気下において、この電気化学セルの正負極間に直流電圧を印加することにより、上記固体電解質が、その一方の面（負電圧が印加される負極側）から他方の面（正電圧が印加される正極側）に酸素を透過させる酸素透過膜として機能することを利用している。
すなわち、上記構成の電気化学セルでは、負極側に酸素含有混合ガス（例えば、空気）を供給することにより、負極側において空気中の酸素分子（Ｏ2）が電子を受け取って酸素イオン（Ｏ2-）にイオン化され、この酸素イオン（Ｏ2-）が電流として固体電解質中を正極側に移動し、正極側において電子を放出して再び酸素分子に戻る現象が生じている。
このような固体電解質の性質を利用して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により、高酸素濃度の空気を得ることができる。
【０００４】
図３は、電気化学セルの一般的な電極構造を示し、各電極（正極、負極）は、イオン伝導性の電解質基板１上に形成され、電気化学反応の場となる反応電極膜２１と、給電用としてこの反応電極膜２１上に形成された多孔質電極膜２２ａと、配線用としてこの多孔質電極膜２２ａ上から電解質基板１に引き出された緻密質電極膜２２ｂとで構成されている。
ここで、電解質基板１には、例えば、ＬＳＧＭＣ：（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3が用いられ、反応電極２１には、例えば、ＳＳＣ：（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ3が用いられ、多孔質電極膜２２ａおよび緻密質電極膜２２ｂには、例えば、Ａｇ粒が用いられている。
【０００５】
ところで、図３に示すように、上記電気化学セルの電極部分は、それぞれ熱膨張係数の異なる電極膜が３層に重なり合う構造を有するため、セル作動時の高温雰囲気下において各電極膜の熱膨張係数の差で生じる熱応力による歪み（熱歪み）が積層方向の同じ位置に集中し易いという欠点がある。
電極膜の一カ所に熱歪みが集中すると、特に、大粒径のＡｇ粒で成る多孔質電極膜が反応電極膜より剥離し、反応電極膜への給電に支障を来すことになる。給電が確実に行われないと電極部分の電気化学反応が不安定になり、ガス透過能力が低下するため、高酸素濃度の空気を安定して得られなくなるという問題が生じる。  
【０００６】
尚、電気化学セルの電極構造として、例えば、特許文献１、特許文献２が開示されている。特許文献１には、第１電極膜の上に第２電極膜を配し、これら電極膜の隣に結線用のリード膜を配した構造が記載され、特許文献２には、ガス検出基板上に多孔質電極と結線用の緻密質電極を配した構造が記載されている。
【特許文献１】特開２００７−２１２２８０号公報
【特許文献２】特開２０００−２２７４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み為されたもので、熱応力による電極膜の剥離を防止し、高濃度の透過ガスを安定して得ることができる信頼性の高い電気化学セルおよび、これを用いた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】
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の電気化学セルは、イオン伝導性を有する電解質基板の表裏両面に電極を配して成る電気化学セルであって、上記電極が、上記電解質基板上に形成されたガス透過部分となる反応電極膜と、この反応電極膜を覆うように形成された給電用の第１電極膜と、この第１電極膜に電気的に接続され、上記反応電極膜外において上記第１電極膜より引き出された配線用の第２電極膜とで構成されていることを特徴としている。
ここで、電気化学セルとは、電子の授受に伴って電気化学反応を行うセルを意味し、酸素透過セルの他に酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する発電セルや、水を電気分解する電解セルを含むものとする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気化学セルにおいて、上記第１電極膜は多孔質電極膜で形成され、上記第２電極膜は緻密質電極膜で形成されていることを特徴としている。
ここで、上記多孔質電極膜には、平均粒径１０〜２０μｍの大粒径の貴金属材料が用いられ、上記緻密質電極膜には、平均粒径０．５〜２．０μｍの小粒径の貴金属材料が用いられている。なお、上記各電極膜の平均粒径はＭｉｃｒｏｔｒａｃ法によるものである。
貴金属材料としてＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ等が使用可能である。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電気化学セルにおいて、上記電極膜の角部に面取り加工が施されて成ることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の電気化学セルにおいて、上記電気化学セルは、酸素イオン伝導性を有する電解質基板の表裏両面に電極を配して成る酸素透過セルであることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項５に記載の酸素富化器は、請求項４に記載の電気化学セルを用いて成ることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜４に記載の発明によれば、ガス透過部分となる反応電極膜上に給電用の第１電極膜が形成され、ガス非透過部分となる反応電極膜外において第１電極膜上より配線用の第２電極膜が引き出される構成としたので、従来、これらの電極膜の一部が積層方向に３層に重なる構造であったものを、各電極膜の一部が積層順に２層づつに重なるような電極構造にすることができる。
係る電極構造により、セル作動時の高温雰囲気下において各電極膜の熱膨張係数の差で生じる熱応力の発生位置を２層ごとに分散させることができるため、熱歪みによる各電極膜の剥離を防止でき、セルへの給電は確実に行われるようになる。その結果、常に安定した電気化学反応（電極反応）により、高濃度の透過ガス（請求項４に記載の酸素透過セルでは高酸素濃度の空気）を安定して得ることができるようになる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明のように、ガス透過部分となる第１電極膜を多孔質電極膜で形成したので、電子伝導性とともに十分なガス透過性を確保することができ、且つまた、この多孔質電極膜への給電経路となる第２電極膜を緻密質電極膜で形成したので、緻密質電極膜を細長い電極パターンに形成しても高い電流密度で給電することができ、この面からも、安定した電気化学反応により、高酸濃度の透過ガスが安定して得られるようになる。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明によれば、電極膜の角部に面取り加工を施すことで、熱応力が電極膜の角部に集中するのを防止できるため、熱歪みによる電極膜の剥離をより確実に防止できる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明によれば、上記構成の酸素透過電気化学セルを用いることにより、高酸素濃度の空気が長期間に渡って安定して得られる高性能で信頼性の高い酸素富化器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図１、図２に基づいて本発明に係る電気化学セルの実施の形態を説明する。
図１は本実施形態による電気化学セルを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図を示し、図２は図１の電極部分の構造を示す要部縦断面図を示している。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態による電気化学セルは、酸素イオン伝導性を有する薄板状の電解質基板１（固体電解質）と、その表裏両面に形成された一対の電極２、３とで構成される酸素透過セルである。
各々電極２、３は電解質基板１の外側の反応電極膜２１（３１）と、その外側の給電電極膜２２（３２）とで構成され、給電電極膜２２（３２）は、反応電極膜２１（３１）を覆うように形成された給電用の多孔質電極膜２２ａ（３２ａ）と、反応電極膜２１（３１）外において上記多孔質電極膜２２ａ（３２ａ）と電気的に接続され、且つ、電解質基板１に引き出された配線用の緻密質電極膜２２ｂ（３２ｂ）とで構成されている。
尚、反応電極膜２１（３１）は、電気化学反応の場となる電極で、セル作動時に酸素が透過する電極である。
【００１９】
ここで、上記電解質基板１には、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ3 、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ3等のランタンガレート系材料が用いられ、上記反応電極膜２１（３１）には、（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＢａ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3等の電子伝導性とイオン伝導性を有する複合金属酸化物材料が用いられ、上記給電電極膜２２（３２）には、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の耐熱性に優れる貴金属粒が用いられる。
この内、多孔質電極膜２２ａ（３２ａ）には、大粒径の上記貴金属材料が用いられ、緻密質電極膜２２ｂ（３２ｂ）には、小粒径の上記貴金属材料が用いられている。
【００２０】
これらの各電極膜は、厚さ３０〜２００μｍ程の電解質基板１上に、それぞれの電極材料粉末に溶剤やバインダを混練りして調製したペーストを順番に、例えばスクリーン印刷法等で塗布し、焼成することで形成することができる。各電極２、３の厚さは１０〜２０μｍ程度である。
【００２１】
そして、上記構成の電気化学セルは、４００〜８００℃の高温雰囲気下において、電極２、３間に直流電圧を印加することにより、電解質基板１が、その一方の低電位電極面（負極３）側から他方の高電位電極面（正極２）側に向けて酸素含有混合ガス（例えば、空気）中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、正極２側より高酸素濃度の空気を得ることができる。
【００２２】
この場合、図１（ａ）に示すように、直流電源Ｖの＋端子は、リード線８により正極２側の緻密質電極膜２２ｂに接続され、この緻密質電極膜２２ｂを介して多孔質電極膜２２ａに接続される。他方、直流電源Ｖの−端子は、リード線９により負極３側の緻密質電極膜３２ｂに接続され、この緻密質電極膜３２ｂを介して多孔質電極膜３２ａに接続される。
【００２３】
また、図示しないが、上記構成の電気化学セルをガス透過側の電極が全て同一方向を向くような状態で絶縁性の支持基板上に複数併設することで任意容量の酸素富化器を構成することができる。この場合、上記緻密質電極膜２２ｂ（３２ｂ）を電気化学セル相互間の接続用電極パターンとしても使用することができる。
【００２４】
以上、本実施形態によれば、給電電極膜２２（３２）については、酸素透過部分を多孔質電極膜２２ａ（３２ａ）で構成し、その他のガス非透過部分を緻密質電極膜２２ｂ（３２ｂ）で構成したので、従来、反応電極膜２１（３１）と多孔質電極膜２２ａ（３２ａ）と緻密質電極膜２２ｂ（３２ｂ）の一部がそれぞれ積層方向に３層に重なる構造であったものを、各電極膜の一部が積層順に２層づつ重なる電極構造にすることができる。
これにより、セル作動時の高温雰囲気下において各電極膜の熱膨張係数の差で生じる熱応力の発生箇所を各層毎に分散させることができるため、熱歪みによる電極膜の剥離（特に、多孔質電極膜２２ａ、３２ａの剥離）を防止でき、セルへの給電が確実に行われるようになる。その結果、常に安定した電気化学反応（電極反応）により、高酸素濃度の空気を安定して得ることができるようになる。
さらには、図１（ａ）、図２に示すように、各電極膜の角部に面取り加工（Ｃ加工やＲ加工）を施すことで、熱応力が電極膜の角部に集中するのを防止できるため、熱歪みによる電極膜の剥離をより確実に防止することができる。
【００２５】
また、直流電源Ｖの電流経路となる給電電極膜２２（３２）の内、ガス透過部分を多孔質電極膜２２ａ（３２ａ）で形成することで、電子伝導性とともに十分なガス透過性を確保することができ、且つ、この多孔質電極膜２２ａ（３２ａ）への給電を行う電極パターンを緻密質電極膜２２ｂ（３２ｂ）で形成することで、緻密質電極膜２２ｂ（３２ｂ）を配線用の細長い電極パターンに形成しても、高い電流密度で給電することができ、この面からも、安定した電気化学反応により、高酸素密度の空気が安定して得られるようになる。
【００２６】
従って、係る構成の酸素透過電気化学セルを用いることにより、長期間に渡って高酸素濃度の空気が安定して得られる高性能で信頼性の高い酸素富化器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る電気化学セルを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図。
【図２】図１の要部縦断面図。
【図３】従来の電気化学セルの要部縦断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１  電解質基板
２  正極
３  負極
２１、３１  反応電極膜
２２、３２  給電電極膜
２２ａ、３２ａ  第１電極膜（多孔質電極膜）
２２ｂ、３２ｂ  第２電極膜（緻密質電極膜）
【図１】
2009122093.tif 000003
【図２】
2009122093.tif 000004
【図３】
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