(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから特定ガスを分離して濃縮するガス濃縮用セルにおいて、
固体電解質を用いたセラミック基材と、
前記セラミック基材に設けられた一対の電極と、
前記セラミック基材に設けられた一方の電極を覆うとともに、前記セラミック基材と相まって所定空間を区分するセパレータと、
前記セパレータを貫いて前記一方の電極に接触する耐酸化性金属製の導電部材と、
を備えるとともに、
前記セパレータと前記セラミック基材との熱膨張の差を所定範囲に調整したことを特徴とするガス濃縮用セル。
【請求項２】
前記セパレータの材料として、熱膨張の異なる少なくとも２種の材料を混合して用いることを特徴とする前記請求項１に記載のガス濃縮用セル。
【請求項３】
前記固体電解質として、ジルコニア、セリア、ランタンガレートを主成分とする材料のうち、いずれかを用いることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のガス濃縮用セル。
【請求項４】
前記セパレータの材料として、アルミナ、ジルコニア、マグネシアのうち、少なくとも２種を混合して用いることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のガス濃縮用セル。
【請求項５】
前記セラミック基材と前記セパレータとの熱膨張の差が、温度の変化が５００〜１０００℃の範囲において、−０．０１〜＋０．０５％の範囲内であることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のガス濃縮用セル。
【請求項６】
前記耐酸化性金属は、Ａｇ、Ａｕ、及びＰｔから選ばれる少なくとも１種の貴金属、該貴金属の合金、及び耐酸化性合金のうちのいずれかであることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のガス濃縮用セル。
【請求項７】
前記セパレータに前記導電部材が貫挿されるスルーホールを設けるとともに、前記導電部材が貫挿されたスルーホールを、ガラス又は無機接着剤でシールすることを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載のガス濃縮用セル。
【請求項８】
前記導電部材の前記電極との接触部分を、平坦に研磨したことを特徴とする前記請求項１〜７のいずれかに記載のガス濃縮用セル。
【請求項９】
前記特定ガスが酸素であることを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載のガス濃縮用セル。
【請求項１０】
前記原料ガスが空気であることを特徴とする前記請求項１〜９のいずれかに記載のガス濃縮用セル。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０のいずれかに記載のガス濃縮用セルを複数積層して形成したガス濃縮スタックを用いたことを特徴とするガス濃縮器。
【請求項１２】
前記セパレータを貫く耐酸化性金属製の導電部材により、異なるガス濃縮用セルの電極間を電気的に接続したことを特徴とする前記請求項１１に記載のガス濃縮器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野や半導体製造等の工業用途などに使用できるガス濃縮用セル及びガス濃縮器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気化学反応により、複数の成分から成る原料ガス（例えば空気）から、特定の種類のガス（特定ガス、例えば酸素）を取り出す電気化学式ガス濃縮器が知られている。
【０００３】
このガス濃縮器は、緻密性の固体電解質から成る固体電解質層（セラミック基板）と、その固体電解質層を挟むように両側に設けられた一対の触媒電極層（陽極層及び陰極層）と、一方の触媒電極層（例えば陽極層）を覆うとともに閉塞空間を形成するセパレータとから成る薄板状のセルを備えている。
【０００４】
また、濃縮の効率を高めるために、このセルを多層積層して成るガス濃縮スタックを備えるものもある。
そして、前記薄板状のセルを多数積層するタイプのガス濃縮スタックでは、従来、セパレータ材料として、電気伝導性を持つセラミック材料（例えばランタンクロマイトなど）が用いられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセパレータ材料は、材料の性質上緻密化が困難なために、製作コストが高いという問題がある。
また、この対策として、セパレータ材料として、耐熱金属材料を用いることが考えられるが、この材料の場合には、熱膨張の程度を精密にセラミック基板に整合させることが困難であり、接着時に割れやたわみが生じてしまう。
【０００６】
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、容易に製造が可能で、しかもセラミック基板に割れやたわみが生じることを防止できるガス濃縮用セル及びガス濃縮器を提供すること目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明（ガス濃縮用セル）では、原料ガスから特定ガスを分離して濃縮するガス濃縮用セルにおいて、固体電解質を用いたセラミック基材と、前記セラミック基材に設けられた一対の電極と、前記セラミック基材に設けられた一方の電極を覆うとともに、前記セラミック基材と相まって所定空間を区分するセパレータと、前記セパレータを貫いて前記一方の電極に接触する耐酸化性金属製の導電部材と、を備えるとともに、前記セパレータと前記セラミック基材との熱膨張の差を所定範囲に調整したことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、固体電解質を用いたガス濃縮セルに関するものであり、本発明では、セパレータとセラミック基材との熱膨張の差を所定範囲に調整し、セパレータとセラミック基材との熱膨張の差を小さくしている。これにより、セパレータとセラミック基材との接着時の割れやたわみを防止することができる。
【０００９】
・尚、本発明において、ガス濃縮用セルとは、特定ガスを濃縮することが可能な要素（固体電解質や電極）を備えた構成単位のことである。
・固体電解質とは、（例えば酸素イオン等の）イオン伝導性を有する物質のことである。
【００１１】
・前記特定ガスとは、原料ガスに含まれる成分のうち、濃縮しようとする成分をいう。
・前記原料ガスとしては、例えば、空気、天然ガス中のメタンを部分酸化した一酸化炭素と水素との混合ガス、水を分解した後の水素と酸素との混合ガスがある。
【００１２】
・特定ガスとしては、例えば、酸素、水素がある。例えば原料ガスが空気の場合には、酸素が挙げられる。
・セラミック基材としては、セラミック基板が挙げられる。
（２）請求項２の発明では、前記セパレータの材料として、熱膨張の異なる少なくとも２種の材料を混合して用いることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、前記セパレータの材料として、熱膨張の異なる少なくとも２種の材料を混合して用いるので、セパレータとセラミック基材との熱膨張の差を容易に小さくすることができる。
また、従来の電気伝導性を持つセラミック材料と比べて、その緻密化も容易であるので、製造コストを低減することができる。
【００１４】
（３）請求項３の発明では、前記固体電解質として、ジルコニア、セリア、ランタンガレートを主成分とする材料のうち、いずれかを用いることを特徴とする。
本発明は、固体電解質の材料を例示したものである。
【００１５】
ここで、ジルコニアを主成分とする材料としては、ジルコニアに希土類などを添加した部分安定化ジルコニア（例えば３モル％部分安定化ジルコニア）や、安定化ジルコニアを採用できる。また、セリアとしては、サマリウムやガドリニウムなどの希土類又はストロンチウムなどのアルカリ土類金属元素により安定化されたセリアを採用できる。尚、ジルコニアのうち、部分安定化ジルコニアは高強度であるので好ましい。
【００１６】
（４）請求項４の発明では、前記セパレータの材料として、アルミナ、ジルコニア、マグネシアのうち、少なくとも２種を混合して用いることを特徴とする。
本発明は、セパレータの材料である混合材料を例示したものである。
つまり、これらの酸化物材料は、その熱膨張が異なるので、それらを混合する割合を選択することにより、セラミック基材の熱膨張に近づけることができる。尚、熱膨張は、大きいものから順に、マグネシア、ジルコニア、アルミナである。
【００１７】
ここで、ジルコニアとしては、ジルコニアに希土類などを添加した部分安定化ジルコニア（例えば３モル％部分安定化ジルコニア）や、安定化ジルコニアを採用できる。
（５）請求項５の発明では、前記セラミック基材と前記セパレータとの熱膨張の差が、温度の変化が５００〜１０００℃の範囲において、−０．０１〜＋０．０５％の範囲内であることを特徴とする。
【００１８】
本発明では、前記温度変化において、セラミック基材とセパレータとの熱膨張の差（熱膨張差）が、−０．０１〜＋０．０５％の範囲内であるので、即ち熱膨張差が極めて小さいので、セパレータとセラミック基材との接着時の割れやたわみを防止することができる。
【００１９】
ここで、熱膨張とは、下記式（１）で定義することができる。
熱膨張（％）＝（温度変化における試料の伸び）÷（温度変化前における試料の長さ）×１００・・（１）
従って、セラミック基材とセパレータとの熱膨張差が、−０．０１〜＋０．０５％とは、セパレータの熱膨張からセラミック基材の熱膨張差を引いたものである。
【００２１】
（６）請求項６の発明では、前記耐酸化性金属は、Ａｇ、Ａｕ、及びＰｔから選ばれる少なくとも１種の貴金属、該貴金属の合金、及び耐酸化性合金のうちのいずれかであることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、好ましい耐酸化性金属を例示したものである。
ここで、前記貴金属の合金としては、例えばＡｇ−Ｐｄ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金、Ａｇ−Ａｕ合金が挙げられる。また、耐酸化性合金としては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｍｎからなる合金であるインコネルが挙げられる。
【００２３】
（７）請求項７の発明では、前記セパレータに前記導電部材が貫挿されるスルーホールを設けるとともに、前記導電部材が貫挿されたスルーホールを、ガラス又は無機接着剤でシールすることを特徴とする。
本発明では、導電部材が貫挿されたスルーホールをガラスや無機接着剤でシールするので、スルーホールからガスが漏れることがない。
【００２４】
（８）請求項８の発明では、前記導電部材の前記電極との接触部分を、平坦に研磨したことを特徴とする。
本発明は、導電部材の形状を例示したものであり、導電部材の電極との接触部分を、平坦に研磨することにより、電極との導通を確実に行うことができる。
【００２５】
（９）請求項９の発明では、前記特定ガスが酸素であることを特徴とする。
本発明は特定ガスを例示している。本発明では、例えば、原料ガスとして空気を用いて、酸素を濃縮することができる。
【００２６】
（１０）請求項１０の発明では、前記原料ガスが空気であることを特徴とする。
本発明は原料ガスを例示している。本発明では、原料ガスである空気から、例えば、酸素、窒素等を特定ガスとして取り出すことができる。
【００２７】
また、空気は、例えばガス濃縮セルの外部から取り込むことができるので、特定ガスの濃縮コストを低減することができる。
（１１）請求項１１の発明（ガス濃縮器）では、前記請求項１〜１０のいずれかに記載のガス濃縮用セルを複数積層して形成したガス濃縮スタックを用いたことを特徴とする。
【００２８】
本発明では、ガス濃縮用セルを複数積層して形成したガス濃縮スタックを用いることにより、効率よくガス濃縮を行うことができる。
（１２）請求項１２の発明では、前記セパレータを貫く耐酸化性金属製の導電部材により、異なるガス濃縮用セルの電極間を電気的に接続したことを特徴とする。
【００２９】
本発明では、複数のガス濃縮セルが積層されているので、各ガス濃縮セルの電極間の導通を導電部材により確保することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明のガス濃縮用セル及びガス濃縮器の実施の形態の例（実施例）を説明する。
（実施例）
ａ）まず、本実施例のガス濃縮用セルを用いた電気化学式ガス濃縮器の全体構成を図１を用いて説明する。
【００３１】
本実施例１の電気化学式ガス濃縮器（以下単にガス濃縮器と記す）は、空気中から酸素を濃縮して取り出すことができる酸素ガス濃縮器であり、主要な構成として、酸素の濃縮を行う酸素濃縮スタック１と、酸素濃縮スタック１を収容する真空断熱器３と、真空断熱器３の上部を覆う断熱材４と、酸素濃縮スタック１に電力を供給する電源部５と、真空断熱器３内の温度を制御するヒータ制御部７とを備えている。
【００３２】
前記酸素濃縮スタック１は、酸素濃縮を行う最小の構成単位であるガス濃縮用セル（以下単にセルと記す）９が１０層積層して構成されている。この酸素濃縮スタック１の中心部には、濃縮された酸素を取り出す酸素取り出し管１１が配置され、酸素濃縮スタック１の左右（図１における左右）両側には、酸素濃縮スタック１に空気を供給する一対の空気導入管１３が配置されている。
【００３３】
この空気導入管１３には、供給する空気を加温するために空気予熱ヒータ１５が巻かれており、空気予熱ヒータ１５には、その電源である空気予熱用ヒータ印加電源１７が接続されている。また、空気導入管１３は、流量計１９を介して、空気を供給する空気ポンプ２１に接続されている。
【００３４】
前記電源部５は、直流電圧源２３と、電流モニター（電流計）２５と、電圧モニター（電圧計）２７と、この電圧モニター２７の数値が所定の上限値を超えた場合に警報を発する警報音発生装置２９とから成る。
前記ヒータ制御部７は、真空断熱器３内に配置された炉内ヒータ３１を制御するものであり、炉内ヒータ３１の温度の制御回路である温度調整器３３と、炉内ヒータ３１の温度をマニュアルにて設定する操作器３５と、交流電源３７とから成る。
【００３５】
ｂ）次に、前記酸素濃縮スタック１の構成を、図２〜図７を用いて更に詳細に説明する。
i)まず、酸素濃縮スタック１を構成するセル９について説明する。
▲１▼セル９は、図２〜４に示す様な円盤状の形状を有する電気化学素子３９と、図５〜７に示す様な円盤状の形状を有するセパレータ４１とを貼り合わせることにより成る。
【００３６】
尚、図２は、電気化学素子３９を上側（図１における上側）から見た図であり、図３は、電気化学素子３９を下側から見た図であり、図４は、図２及び図３におけるＡ−Ａ断面での断面図である。
また、図５は、セパレータ４１を上側（図１における上側）から見た図であり、図６は、下側から見た図であり、図７は、セパレータ４１の、図５及び図６のＢ−Ｂ断面における断面図である。
【００３７】
▲２▼前記電気化学素子３９は、図２〜図４に示す様に、中心に円形の孔である中心孔４３を有する円盤状の部材であるセラミック基板（固体電解質基板）４５と、セラミック基板４５の上側（図１における上側）に形成された陽極層４７と、セラミック基板４５の下側に形成された陰極層４９とから成る。
【００３８】
前記セラミック基板４５の直径は７５ｍｍ、厚みは０．１８ｍｍであり、中心孔４３の直径は４ｍｍである。また、陽極層４７は、図２に示す様に、セラミック基板４５の上側において、中心からの距離が７．５ｍｍ〜３２．５ｍｍの領域に形成され、陰極層４９は、図３に示す様に、セラミック基板４５の下側において、中心からの距離が７．５ｍｍ〜３２．５ｍｍの領域に形成される。
【００３９】
▲３▼前記セパレータ４１は、図５〜図７に示す様に、直径７５ｍｍ円盤状の本体部５１と、この本体部５１に取り付けられた８本のＡｇワイヤ（導電部材）５３とから成る。
前記本体部５１は、中心部に直径４ｍｍの中心孔５５を備えており、上側（図１における上側）には、中心孔５５を囲むように設けられた高さ２ｍｍのリング状突起である上側内周突出部５７と、外周に沿って、等間隔に、４箇所に設けられた高さ２ｍｍの突起である上側外周突出部５９とを備えている。
【００４０】
また、本体部５１の下側には、切り欠き部６１において切り欠かれつつ、中心孔５５を囲むように設けられた高さ０．５ｍｍの突起である下側内周突出部６３と、外周に沿って、連続的に設けられた高さ０．５ｍｍのリング状突起である下側外周突出部６５とを備えている。更に、本体部５１には、中心部から２７．５ｍｍの位置に、放射状に８箇所に貫通孔（スルーホール）６７が設けられている。
【００４１】
前記Ａｇワイヤ５３は、図７に示す様に、貫通孔６７に中程まで挿入された状態で、本体部５１の中心に向けて折り曲げられている。そして、Ａｇワイヤ５３のうち、本体部５１の上側に露出している部分の高さは、上側内周突出部５７及び上側外周突出部５９と等しくなるように調整されている。また、Ａｇワイヤ５３のうち、本体部５１の下側に露出している部分の高さは、下側内周突出部６３及び下側外周突出部６５と等しくなるように調整されている。
【００４２】
▲４▼前記セル９は、図８に示す様に、電気化学素子３９の上面とセパレータ４１の下面とを、電気化学素子３９の中心孔４３とセパレータ４１の中心孔５５とが一致するように接合することにより形成されている。この時、セパレータ４１の下側外周突出部６５は、電気化学素子３９の上面の外周部に接合され、セパレータ４１の下側内周突出部６３は、電気化学素子３９の上面において、中心孔４３の周囲に接合される。
【００４３】
このセル９においては、電気化学素子３９とセパレータ４１とにより囲まれる空間であるセル内空隙６９が形成される。このセル内空隙間６９は、下側内周突出部６３の切り欠き部６１によってのみ、外部と連通しているが、その他は密閉されている。また、このセル内空隙間６９の下面には、陽極層４７が露出している。
【００４４】
また、電気化学素子３９の陽極層４７は、Ａｇワイヤ５３と電気的に導通しており、陽極層４７と陰極層４９とは、固体電解質であるセラミック基板４５を介して、電気的に導通している。従って、セル９において、Ａｇワイヤ５３と陰極層４９とは電気的に導通している。
【００４５】
ii)次に、セル９を１０個連結して成る酸素濃縮スタック１について図９を用いて説明する。
図９に示す様に、セル９を１０個積層して接合することにより、酸素濃縮スタック１が形成されている。
【００４６】
セル９同士の接合は、下側に位置するセル９の上側外周突出部５９を、上側に位置するセル９の電気化学素子３９における外周部に合わせ、また、下側に位置するセル９の上側内周突出部５７を、上側に位置するセル９の電気化学素子３９における中心孔４３周辺に合わせるようにして行われる。
【００４７】
この酸素濃縮スタック１においては、最上層のセル９の中心孔５５は、酸素取り出し管１１に接続しており、最下層のセル９の中心孔４３は、蓋７１により密閉されている。更に、上下に接しているセル９のセル内空隙６９同士は、切り欠き部６１、中心孔５５、及び中心孔４３を介して連通している。
【００４８】
従って、酸素濃縮スタック１の内部には、各セル９のセル内空隙６９が連通して成る１つの連通空隙７３が形成されている。この連通空隙７３は、酸素取り出し管１１においてのみ、外部とつながっており、その他は密閉されている。
また、酸素濃縮スタック１において、各セル９のＡｇワイヤ５３は、その上側に位置するセル９の陰極層４９と接触し、電気的に導通している。
【００４９】
更に、各セル９の陰極層４９は、前述したように、同じセルのＡｇワイヤ５３と電気的に導通しているので、結局、酸素濃縮スタック１において、最下層のセル９の陰極層４９から、最上層のセル９のＡｇワイヤ５３までは、電気的に導通している。
【００５０】
ｃ）次に、上述した酸素濃縮スタック１の製造方法について説明する。
▲１▼電気化学素子３９の製造方法
まず、スカンジア安定化ジルコニア粉末１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ（１０重量％Ｓｃと１重量％Ｃｅと残部安定化ジルコニア：以下ＳｃＳＺ）とバインダと有機溶媒とからなる材料を、混合してスラリーを作成する。
【００５１】
そのスラリーを用いて、ドクターブレード法によりグリーンシートを作成し、そのグリーンシートを所定の形状に切断した後、脱脂し、その後、１４５０〜１５００°Ｃの温度で焼成することにより、電気化学素子３９のセラミック基板４５を製造する。
【００５２】
次に、セラミック基板４５の上側にて、Ａｇ等の金属とバインダとを混合したペーストを、スクリーンを用いて所定の場所にドーナツ状に印刷し（図２参照）、８５０°Ｃにて焼き付けを行うことにより、陽極層４７を形成する。
同様に、セラミック基板４５の下側において、Ａｇ等の金属とバインダとを混合したペーストを、スクリーンを用いて所定の場所にドーナツ状に印刷し（図３参照）、８５０°Ｃにて焼き付けを行うことにより、陰極層４９を形成する。
【００５３】
▲２▼セパレータ４１の製造方法
まず、ジルコニア粉末とアルミナ粉末とバインダと有機溶剤とからなるスラリーを用いて、前記電気化学素子３９の製造方法と同様にして作成したグリーンシートを、前記の円盤形状に成形した後、１４５０〜１５００°Ｃの温度で焼成することにより、セパレータ４１の本体部５１を製造する。
【００５４】
次に、グリーンシートの自由面を外側にて２枚１組みにし、熱圧着する。
次に、熱圧着してグリーンシートを切り取って、本体部５１以外の各パーツを作成する。つまり、上側内周突出部５７、上側外周突出部５９、下側内周突出部６３、下側外周突出部６５となる各パーツを切り取る。
【００５５】
次に、それらのパーツのうち、リング状の下側外周突出部６５を本体部５１に熱圧着し、脱脂した後に、１４５０〜１５００℃にて焼成する。それ以外の他のパーツは、同様に脱脂した後に焼成する。
次に、他のパーツを、ガラスを塗布して、本体部５１に接着する。そして、電気炉にて、ガラスの焼き付けを行い、他のパーツと本体部５１とを接合する（図５、図６参照）。
【００５６】
その後、焼成された本体部５１の貫通孔４７にＡｇワイヤ５３を取り付け、取付部分の隙間をガラスを用いて封止し、焼成により接合する。
最後に、Ａｇワイヤ５３を研磨し、セパレータ４１の内側の高さとＡｇワイヤ５３の高さを合わせる。尚、Ａｇワイヤ５３の研磨部分は、対応する陽極層４７や陰極層４９に接触されるが、この接触部分はＡｇペーストを用いて陽極層４７や陰極層４９に接合される。
【００５７】
▲３▼酸素濃縮スタック１の製造方法
まず、前記セパレータ４１の外縁部と中心部にガラスを塗布し、電気化学素子３９を重ねて乾燥し、その後、８５０℃の温度で焼成することにより、１つのセル９を完成する。
【００５８】
そして、この様なセル９を１０個作成し、各セル９を１０個積層して接合することにより、酸素濃縮スタック１を完成する。
この時、セル９同士の接合は、下側に位置するセル９の上側外周突出部５９を、上側に位置するセル９の電気化学素子３９における外周部に接合し、また、下側に位置するセル９の上側内周突出部５７を、上側に位置するセル９の電気化学素子３９における中心孔４３周辺に接合して行う。
【００５９】
これら接合は、接合面に予めガラスを塗布しておき、接合面を重ね合わせた後、８５０℃にて焼き付けを行うことにより実施する。
ｄ）次に、本実施例のガス濃縮器の動作を説明する。
▲１▼空気ポンプ２１により、空気導入管１３に空気を送り込む。この空気は、空気導入管１３を通過する際に、空気予熱ヒータ１５により昇温され、分岐吹き出し口７５から、酸素濃縮スタック１に供給される。
【００６０】
分岐吹き出し口７５は、前述したように、酸素濃縮スタック１を構成する１０個のセル９にそれぞれ対応する位置に配置されており、個々の分岐吹き出し口７５からは、均等な流量の空気が吹き出されるので、酸素濃縮スタック１を構成するセル９には、それぞれ、均等に空気が供給される。また、空気導入管１３は、酸素濃縮スタック１の左右にそれぞれ配置されており、酸素濃縮スタック１の左右両側から空気を供給する。
【００６１】
尚、２本の空気導入管１３から供給される空気の流量は、５Ｌ/minとなるように流量計１９にて調整する。
▲２▼それとともに、炉内ヒータ３１を用いて、真空断熱器３内の温度を７５０°とする。炉内ヒータ３１の発熱量は、ヒータ制御部７により調整する。
【００６２】
▲３▼また、電源部５により、酸素濃縮スタック１に所定の印加電圧（０〜１０．０Ｖ）をかける。つまり、酸素濃縮スタック１を構成する１０個のセル９のうち、最下層のセル９の陰極層４９と、最上層のセル９の陽極層４７との間に電圧を印加する。尚、印加電圧は、電圧モニター２７によりモニターする。
【００６３】
上述した手順▲１▼〜▲３▼により、前記酸素濃縮スタック１において、酸素濃縮が実行される。
つまり、それぞれのセル９の陰極層４９側で、空気導入管１３から供給された空気中の酸素が電気分解されて酸素イオンが発生し、その酸素イオンは、陰極層４９と陽極層４７との間に印加された電圧により、電気化学素子３９を透過して、陽極層４７側（セル内空隙６９側）に至る。陽極層４７において、酸素イオンは再結合して酸素分子となり、セル内空隙６９に濃縮される。
【００６４】
各セル９のセル内空隙６９は、前述したように、連通しており、酸素取り出し管１１に接続しているので、各セル９で発生した酸素は、酸素取り出し管１１から取り出される。
ｅ）次に、上述した構成の本実施例のガス濃縮器の奏する効果を説明する。
【００６５】
本実施例では、セパレータ４１の材料として、熱膨張の異なる少なくとも２種の材料を混合して用いるので、セパレータ４１とセラミック基板４５との熱膨張の差を容易に小さくすることができる。
具体的には、本実施例では、セラミック基板４５とセパレータ４１との熱膨張の差が、温度変化が５００〜１０００℃の範囲において、−０．０１〜＋０．０５％の範囲内であり、熱膨張差が極めて小さい。
【００６６】
これにより、セパレータ４１とセラミック基板４５との接着時の割れやたわみを防止することができる。
また、従来の電気伝導性を持つセラミック材料と比べて、その緻密化も容易であるので、製造コストを低減することができる。
【００６７】
更に、本実施例では、Ａｇワイヤ５３が貫挿された貫通孔６７をガラスでシールするので、貫通孔６７からガスが漏れることがない。
その上、本実施例では、Ａｇワイヤ５３の電極４７、４９との接触部分を、平坦に研磨したので、電極４７、４９との導通を確実に行うことができる。
（実験例１）
次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００６８】
▲１▼本実験例では、セパレータを製造する際に、ジルコニア粉末とアルミナ粉末との混合比を変更して実験に用いる試料を作成し、その試料の熱膨張を調べた。
具体的には、アルミナの重量％を、１２重量％（試料Ｎo.１）、１６重量％（試料Ｎo.２）、２０重量％（試料Ｎo.３）としたセパレータ（残部ジルコニア）を、それぞれ１０個製造し、各試料に対して、室温から８００℃の昇温時の試料の伸びを測定し、下記式（２）により熱膨張（％）を求めた。その結果を図１０に示す。尚、図１０は、各試料の平均値を示す。
熱膨張（％）＝（室温から８００℃の昇温時の試料の伸び）÷（常温における試料の長さ）×１００・・・・・（２）
図１０から明らかな様に、セラミック基板を構成するＳｃＳＺとほぼ等しい熱膨張を示すのは、１６．５〜１８．５重量％のアルミナを添加した場合である。
【００６９】
▲２▼また、アルミナ−ジルコニアの混合比を変化させたセパレータを、それぞれ２０個製作し、それらのセパレータとセラミック基板とのガラスを用いた接着を行い、その接着状態を調べた。
その結果を下記表１に記す。尚、Ｎo.４及びＮo.１０の試料が（請求項５の発明の範囲外の）比較例品であり、Ｎo.５〜Ｎo.９の試料が（請求項５の発明の範囲内の）実施例品である。
【００７０】
【表１】
0003803599.tif 000002
尚、表１において、平均熱膨張差とは、２０個の試料の熱膨張差の平均値であり、合格サンプル数とは、接着状態が良好な試料の数であり、セラミック基板割れ不良サンプル数とは、セラミック基板に割れが生じた試料の数であり、セラミック基板たわみ不良サンプル数とは、セラミック基板にたわみが生じた試料の数である。また、評価とは、それらを総合的に判断したものであり、×、○、◎の順で、評価が高くなる。
【００７１】
この実験結果から明らかな様に、ここで許容可能な熱膨張差は、−０．０１０〜＋０．０５０％の範囲内であると考えられる。
ここで、熱膨張差が−０．０１を下回る範囲で、割れ不良の発生率が上昇する理由は、ガラス接着工程の降温過程において、ガラス固化後の降温中に、セラミック基板の収縮がセパレータの収縮よりも大きいため、セラミック基板に過度の引張応力が発生するためであると考えられる。
【００７２】
また、熱膨張差が＋０．０５を上回る範囲で、セラミック基板のたわみ不良が発生する理由は、ガラス接着工程の降温過程において、セラミック基板の収縮がセパレータの収縮よりも過度に小さいために、セラミック基板に過剰な圧縮応力が発生し基板がたわんでしまうためであると考えられる。
【００７３】
尚、本実験例に使用したセラミック基板は、０．１８ｍｍと極めて薄く、必ずしも強度的に強靱なものではない。その様なセラミック基板においても、割れやたわみが殆ど生じない熱膨張差−０．０１〜＋０．０５％の範囲であれば、他の（セラミック基板等の）セラミック基材を用いた場合でも、良好な接合が得られることは自明である。
（実験例２）
次に、実験例２について説明する。
【００７４】
本実験例は、前記実施例のガス濃縮器を用いて、実際に、空気中から酸素の濃縮を行ったものである。
本実験例では、酸素濃縮スタックに２０Ａの電流を流して（消費電力５２Ｗ）、酸素濃縮を行い、その際の酸素濃度及び酸素流量を測定した。
【００７５】
その結果、酸素濃度は９９．５％以上であり、酸素の測定流量は７６０ｍＬ／ｍｉｎであり、理論流量と一致していた。
尚、本発明は前記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない限り、種々の態様で実施できることはいうまでもない。
【００７６】
例えば、原料ガスは、空気以外のガス（例えば、天然ガス中のメタンを部分酸化した一酸化炭素と水素との混合ガス、水を分解した後の水素と酸素との混合ガス）であってもよい。また、特定ガスは、例えば、水素であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例のガス濃縮器の全体構成を示す説明図である。
【図２】  実施例のガス濃縮器におけるセルの構成を示す説明図である。
【図３】  実施例のガス濃縮器におけるセルの構成を示す説明図である。
【図４】  実施例のガス濃縮器におけるセルの構成を示す説明図である。
【図５】  実施例のガス濃縮器におけるセルの構成を示す説明図である。
【図６】  実施例のガス濃縮器におけるセルの構成を示す説明図である。
【図７】  実施例のガス濃縮器におけるセルの構成を示す説明図である。
【図８】  実施例のガス濃縮器におけるセルの構成を示す説明図である。
【図９】  実施例のガス濃縮器における酸素濃縮スタックの構成を示す説明図である。
【図１０】  実験例１の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・酸素濃縮スタック
５・・・電源部
９・・・セル
１１・・・酸素取り出し管
１３・・・空気導入管
３９・・・電気化学素子
４１・・・セパレータ
４５・・・セラミック基板
４７・・・陽極層
４９・・・陰極層
５３・・・Ａｇワイヤ
【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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