JP2000203805A

JP2000203805A - 酸素製造装置及び酸素製造方法

Info

Publication number: JP2000203805A
Application number: JP11007376A
Authority: JP
Inventors: Masanori Nishiura; 雅則西浦; Fusayuki Nanjo; 房幸南條; Koichi Takenobu; 弘一武信; Hitoshi Miyamoto; 均宮本; Yasushi Nakajima; 靖史中嶋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2000-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素を効率よく製造することができる酸素製
造装置を提供する。【解決手段】酸素イオン透過性を有する固体電解質１
１の両面に酸素含有ガスを供給する酸素供給電極１２と
酸素を発生させる酸素発生電極１３とを各々設けて酸素
発生用の酸素発生膜１４を形成し、上記両電極１２，１
３を短絡させ、一方の酸素供給電極１２の表面に高温の
酸素含有ガス（空気）１５を高圧で導入することによ
り、他方の酸素発生電極１３の表面から固体電解質１１
中を透過した酸素イオン（Ｏ^2-）を純酸素（Ｏ₂）１６
として取り出すものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素を効率よく製
造することができる酸素製造装置及び酸素製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、酸素を大量に製造装置として、例えば深冷分離法、
ＰＳＡ法、高分子膜方法等が提案されている。

【０００３】これらの従来の酸素製造装置においては以
下のような問題がある。深冷分離法は、冷却、断熱膨張液化分離により、酸
素を製造しているが、他のＰＳＡ法、高分子膜方法等に
比べて製造コストが高いという問題がある。

【０００４】また、ＰＳＡ法はゼオライトによる酸
素吸着法により酸素を製造しているが、純度が９０％で
あり、製造効率が低いという問題がある。

【０００５】さらに、高分子膜方法は高分子膜のＯ
₂分子の選択透過により酸素を製造しているが、製造コ
ストはＰＳＡ法より低いが純度が３０〜４０％程度とＰ
ＳＡ法より低く、問題である。

【０００６】以上述べた問題に鑑み、本発明は低コスト
でしかも純度の高い酸素を効率よく製造することができ
る酸素製造装置及び酸素製造方法を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の［請求項１］の発明は、酸素イオン透過性を有する
固体電解質の両面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給
電極と、酸素を発生させる酸素発生電極を各々設けて酸
素発生膜を構成してなり、上記両電極を短絡させ、一方
の酸素供給電極面に高温の酸素含有ガスを高圧で導入す
ることにより、他方の酸素発生電極面から酸素を取り出
すことを特徴とする。

【０００８】［請求項２］の発明は、請求項１におい
て、上記酸素供給電極に供給する酸素含有ガスの圧力が
少なくとも４気圧以上であることを特徴とする。

【０００９】［請求項３］の発明は、酸素イオン透過性
を有する固体電解質の両面に、酸素含有ガスを供給する
酸素供給電極と、酸素を発生させる酸素発生電極を各々
設け、上記両電極に電力を印加し、一方の酸素供給電極
面に高温の酸素含有ガスを低圧で導入することにより、
他方の酸素発生電極面から酸素を取り出すことを特徴と
する。

【００１０】［請求項４］の発明は、請求項１又は３に
おいて、両面に酸素電極を形成した酸素イオン透過性の
酸素発生膜と、該酸素イオン透過性の酸素発生膜を挟む
インターコネクタと、上記酸素イオン透過性の酸素発生
膜の四周を囲むシール材とを具備してなることを特徴と
する。

【００１１】［請求項５］の発明は、請求項１又は３に
おいて、酸素供給電極へ供給する酸素含有ガスの温度が
７００℃以上であることを特徴とする。

【００１２】［請求項６］の発明は、請求項１又は３に
おいて、酸素発生膜の四辺のうちの一辺のほぼ全長にわ
たり酸素含有ガスの導入口を設け、さらに対辺のほぼ全
長にわたり酸素含有ガス排出口を設け、且つ酸素含有ガ
スの流れ方向と同一方向に酸素発生電極から発生した酸
素を取り出す酸素取出口を設けたことを特徴とする。

【００１３】［請求項７］の発明は、請求項６におい
て、酸素取り出し口を天方向、空気含有ガスの導入口が
地方向に位置するように、上記インターコネクタと上記
酸素発生膜とを積層、配置したことを特徴とする。

【００１４】［請求項８］の発明は、請求項１又は３に
おいて、上記酸素発生膜の固体電解質がイットリア安定
化ジルコニア［（Ｙ₂Ｏ₃）_x（ＺｒＯ₂）_1-x］であ
ることを特徴とする。

【００１５】［請求項９］の発明は、請求項１又は３に
おいて、上記酸素供給電極及び酸素発生電極が共にラン
タンストロンチウムマンガナイト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎ
Ｏ₃］であることを特徴とする。

【００１６】［請求項１０］の発明は、請求項１又は３
において、上記酸素供給電極がランタンストロンチウム
マンガナイト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］であり、酸素
発生電極がプラセオジウムストロンチウムマンガナイト
［Ｐｒ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］であることを特徴とする。

【００１７】［請求項１１］の発明は、請求項１又は３
において、上記酸素供給電極がプラセオジウムストロン
チウムマンガナイト［Ｐｒ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］であ
り、酸素発生電極がランタンストロンチウムマンガナイ
ト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］であることを特徴とす
る。

【００１８】［請求項１２］の発明は、請求項１１にお
いて、上記インタコネクタがランタンストロンチウムク
ロライド［ＬａＳｒ_x'Ｃｒ_1-x'Ｏ₃］であることを特徴
とする。

【００１９】［請求項１３］の発明は、請求項１又は３
において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含有ガス
供給電極の粒径が他方の面の酸素取り出し電極より粗粒
であることを特徴とする。

【００２０】［請求項１４］の発明は、請求項１又は３
において、上記酸素発生膜がその略全面的に凹凸部を形
成してなり、その片面に酸素含有ガス供給電極と、かつ
他方の面に酸素取り出し電極とを形成してなる固体電解
質であることを特徴とする。

【００２１】［請求項１５］の発明は、請求項１又は３
において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含有ガス
供給電極の粒径が電解質膜近傍側では微細であることを
特徴とする。

【００２２】［請求項１６］の発明は、請求項１又は３
において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含有ガス
供給電極の粒径が他方の面の酸素取り出し電極より粗粒
であることを特徴とする。

【００２３】［請求項１７］の発明は、請求項１又は３
において、矩形平板状の固体電解質の片面に酸素含有ガ
ス供給電極をかつ他方の面に酸素取り出し電極とを形成
した酸素発生膜と、この酸素発生膜を挟み、該酸素発生
膜の一面に酸素含有ガスを供給及び発生した酸素を取り
出す様に裏表にガス流路用の溝を形成し、かつ四周はガ
スの導入口および排出口を除き、酸素発生膜を支持し、
かつガスを封止し得るように、表面を平滑とした支持枠
部を設けたインターコネクタを具備したことを特徴とす
る。

【００２４】［請求項１８］の発明は、請求項１又は３
において、円筒状に焼結された支持管と、該支持管の表
面に所定間隔をもって形成してなる酸素発生電極と、該
酸素発生電極の外表面に軸方向に沿ってインタコネクタ
を介して外周面を被覆する固体電解質と、上記インタコ
ネクタと固体電解質の外表面を被覆する酸素供給電極と
を具備したことを特徴とする。

【００２５】［請求項１９］の発明は、請求項１又は３
において、円筒状に焼結された酸素発生電極と、該酸素
発生電極の外表面に軸方向に沿って取付けられる中間接
続子と、該中間接続子を挟んで上記酸素発生電極の外周
面を被覆する固体電解質と、上記中間接続子と間隔を有
して上記固体電解質の外表面を被覆する酸素供給電極と
を具備したことを特徴とする。

【００２６】［請求項２０］の酸素製造方法の発明は、
酸素イオン透過性を有する固体電解質の両面に、酸素含
有ガスを供給する酸素供給電極と、酸素を発生させる酸
素発生電極を各々設けて酸素発生膜を構成し、上記両電
極を短絡させ、一方の酸素供給電極面に高温の酸素含有
ガスを高圧で導入し、他方の酸素発生電極面から酸素を
取り出すことを特徴とする。

【００２７】［請求項２１］の酸素製造方法の発明は、
酸素イオン透過性を有する固体電解質の両面に、酸素含
有ガスを供給する酸素供給電極と、酸素を発生させる酸
素発生電極を各々設け、上記両電極に電力を印加し、一
方の酸素供給電極面に高温の酸素含有ガスを低圧で導入
し、他方の酸素発生電極面から酸素を取り出すことを特
徴とする。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２９】本発明の酸素製造装置は大別して２種類の
酸素製造方法がある。図１は、本発明の第１の形式にか
かる実施の形態に係る酸素製造装置の概略図であり、短
絡・分圧差型酸素発生装置にかかるものである。本発明
の第１の形式にかかる酸素製造方法は、酸素イオン透過
性を有する固体電解質の両面に、酸素含有ガスを供給す
る酸素供給電極と、酸素を発生させる酸素発生電極を各
々設けて酸素発生膜を構成し、上記両電極を短絡させ、
一方の酸素供給電極面に高温の酸素含有ガスを高圧で導
入し、他方の酸素発生電極面から酸素を取り出し、効率
的に純酸素（Ｏ₂）を得る方法である。

【００３０】図２は、本発明の第２の形式にかかる実施
の形態に係る酸素製造装置の概略図であり、外部・電圧
供給型酸素発生装置にかかるものである。本発明の第２
の形式にかかる酸素製造方法は、酸素イオン透過性を有
する固体電解質の両面に、酸素含有ガスを供給する酸素
供給電極と、酸素を発生させる酸素発生電極を各々設
け、上記両電極に電力を印加し、一方の酸素供給電極面
に高温の酸素含有ガスを低圧で導入し、他方の酸素発生
電極面から酸素を取り出し、効率的に純酸素（Ｏ₂）を
得る方法である。

【００３１】第１形式にかかる酸素製造方法を実施する
装置は、図１に示すように、酸素イオン透過性を有する
固体電解質１１の両面に酸素含有ガスを供給する酸素供
給電極１２と酸素を発生させる酸素発生電極１３とを各
々設けて酸素発生用の酸素発生膜１４を形成し、上記両
電極１２，１３を短絡させ、一方の酸素供給電極１２の
表面に高温の酸素含有ガス（空気）１５を高圧で導入す
ることにより、他方の酸素発生電極１３の表面から固体
電解質１１中を透過した酸素イオン（Ｏ^2-）を純酸素
（Ｏ₂）１６として取り出すものである。この製造装置
は、電極１２，１３を短絡させ、酸素供給電極１２側に
高圧の酸素含有ガス（空気）１５を供給することで、純
酸素（Ｏ₂）１６を取り出すようにしたものであり、電
源は一切不要であり、無電源で酸素を製造することがで
きる。

【００３２】上記酸素供給電極１２に供給する酸素含有
ガス１５の圧力は、酸素発生効率から少なくとも４気圧
以上の高圧とすることが好ましく、２０気圧程度の加圧
空気を高温することにより高効率で純酸素を得ることが
でき、特に好ましい。なお、取り出しは純酸素を吸引す
ることにより行うようにしている。

【００３３】第２形式にかかる酸素製造方法を実施する
装置は、図２に示すように、酸素イオン透過性を有する
固体電解質１１の両面に酸素電極１２，１３を設けて酸
素発生膜１４を形成してなり、上記両電極１２，１３の
間に電源１７を設け、一方の酸素供給電極１２の表面に
高温の酸素含有ガス１５を低圧で導入することにより、
他方の酸素発生電極１３の表面から固体電解質１１中を
透過した酸素イオンの酸素を高圧で取り出すようにした
ものである。

【００３４】この製造装置は、電極１２，１３に電圧を
印加させ、酸素供給電極１２側に低圧の酸素含有ガス
（空気）１５を供給することで、純酸素（Ｏ₂）１６を
取り出すようにしたものであり、上述した第１の形式と
は異なり、電源１７が必要となるが、高圧で空気を供給
することなく、酸素を製造することができる。

【００３５】上記酸素製造装置を有する酸素製造装置モ
ジュールについて、図３を参照して説明する。図３に示
すように、酸素製造装置モジュールは、水平方向に配し
た隔壁２１によって内部を上下２室に区分けしてなる断
熱性のモジュール本体２２と、上記モジュール本体２２
の下部室２３内に設けられ、高温の空気を供給する空気
供給電極と酸素を発生する酸素発生電極とをその両面に
配した酸素発生膜を、起立した状態で複数列設してなる
スタック２４と、上記モジュール本体２２の上部室２６
内に設けられ、スタックの上記空気供給室（図示せず）
へ供給する空気２７を高温（７００℃〜１０００℃近
傍）まで加温する熱交換器２８とからなり、高温の供給
空気２５を供給することにより純酸素（Ｏ₂）２９を発
生させてなるものである。また、反応に寄与しなかった
空気は排空気３０として上記熱交換器２８で熱交換がな
された後、外部へ排出している。

【００３６】ここで、図３のモジュール装置において、
図１に示した第１の形式の酸素製造装置をスタック化し
た場合では、外部電源は不要であるが電極１２，１３を
短絡３１させる必要がある。一方、図２に示した第２の
形式の酸素製造装置をスタック化した場合では、外部に
電源３２を配置することが必要となる。なお、下部室
（スタック室）２３には外部から還元ガス（Ｎ₂ガス，
不活性ガス等）３３を導入することで、集電部材の酸化
を防止するようにしている。

【００３７】ここで、図４に上記スタック２４の一例を
示す。図４では上記スタック２４が、酸素発生膜１４を
起立した状態でインタコネクタを交互に介して少量（例
えば５段）列設してなるセル４１を構成し、該セル４１
の上下両端部分には、その下方（地側）から高温の供給
空気２５を供給する空気供給室４２と、その上方（天
側）から排空気３０を排出する空気排出室（マニホール
ド）４３並びに発生した純酸素２９を取り出す酸素取出
室（マニホールド）４４とが各々配され、サブスタック
４５を構成している。このようなサブスタック４５は、
これらを接続する集電部材（図示せず）を用いて、複数
列（例えば１０列：４５−１〜４５−１０）連結してな
る貨車状横置スタック４６を構成している。

【００３８】また、貨車状横置スタック４６の両端部に
位置するサブスタック４５−１，４５−１０には、集電
棒４７を具えた集電板４８が各々設けられており、これ
らにより集電している。

【００３９】なお、本実施の形態では、下部側に設けた
空気供給室４２は長手方向に設けた溝によりガス供給室
を共通にして部材の共用化並びに構成部品の低減化を図
ることとしてもよいが、本発明はこれに限定されること
はなく、個々のサブスタック毎に空気を個別に供給する
ようにしてもよい。

【００４０】上記モジュールを用いた酸素製造例を以下
に示す。短絡作動の場合の酸素装置では、入力側酸素供
給電極へ供給する空気の圧力を２０気圧以上とし、出力
側の酸素取り出し圧力を１気圧とする場合、酸素生産量
は0.４２ｋｇ／ｈｍ²（0.３Ｎｍ³／ｈｍ²）であっ
た。この場合には、消費電力は零であり、電気がなくと
も高温の空気を高圧で供給することにより、純酸素を得
ることができる。

【００４１】ここで、本発明で高温とは７００〜１００
０℃であり、特に好ましくは７００〜９００℃で運転す
ることがよい。また、運転により発熱するので温度の自
己保持が可能となり、７００℃近傍であっても酸素の取
り出しは可能となる。

【００４２】また、外部電力を用いた場合の酸素装置で
は、入力側酸素供給電極へ供給する空気の圧力を１気圧
とした場合、酸素生産量は１３ｋｇ／ｈ（9.４Ｎｍ³／
ｈ）であった。このときの消費電力は９ｋＷ（0.69kWh/
kg,0.96kWh/Nm³) であった。この場合には、電力は必要
となるが、高圧で空気を供給することなく、９９％の純
酸素を得ることができる。

【００４３】次に、上記酸素製造装置スタックの空気
室、排空気室、酸素取出室の配置について説明する。

【００４４】第１のスタックに設ける空気室、排空気室
及び酸素取出室の配置例を図５に示す。図５に示す平板
型の酸素製造装置スタックは、図４に示すスタックと同
様のものであり、両面に酸素含有ガスを供給する酸素供
給電極と酸素を発生させる酸素発生電極を各々設けてな
る酸素発生膜５１の四辺のうちの一辺（底辺）のほぼ全
長にわたり酸素供給電極へ酸素含有ガスである空気５２
を供給する空気供給室５３を設け、さらに対辺のほぼ全
長にわたり反応に寄与しなかった排出空気５４を排出す
る空気排出口５５を設け、且つ酸素含有ガス５２の流れ
方向と同一方向に酸素発生電極から発生した純酸素（Ｏ
₂）を取り出す酸素取出口５６を設けたものである。

【００４５】第２のスタックに設ける空気室、排空気室
及び酸素取出室の配置例を図６に示す。図６に示す平板
型の酸素製造装置スタックは、酸素発生膜５１の四辺の
うちの一辺のほぼ全長にわたり空気供給室５３を設け、
さらに対辺のほぼ全長にわたり排空気５４の空気排出口
５５を設け、且つ上記空気５２の流れ方向と直交する方
向に酸素発生電極から発生した純酸素を取り出す酸素取
出口５６を設けたものである。

【００４６】第３のスタックに設ける空気室、排空気室
及び酸素取出室の配置例を図７に示す。図７に示す平板
型の酸素製造装置スタックは、酸素発生膜５１の四辺の
うちのほぼ略１／２の長さの開口を有する空気供給室５
３を設け、さらに対辺の上記空気供給室５３と点対象の
位置に、ほぼ略１／２の長さの開口を有する排空気５４
の空気排出口５５を設け、且つ空気の流れと略直交する
方向に酸素発生電極から発生した純酸素を取り出す酸素
取出口５６を設けたものである。

【００４７】第４のスタックに設ける空気室、排空気室
及び酸素取出室の配置例を図８に示す。図８に示す平板
型の酸素製造装置スタックは、酸素発生膜５１の四辺の
うちの一辺のほぼ略１／２の長さの開口を有する空気供
給室５３を設け、さらに対辺の上記空気供給室５３と点
対象の位置に、ほぼ略１／２の長さの開口を有する排空
気５４の空気排出口５５を設け、且つ該空気排出口５５
と線対象の位置に酸素発生電極から発生した純酸素を空
気供給方向と逆方向に取り出す酸素取出口５６を設けた
ものである。

【００４８】第５のスタックに設ける空気室、排空気室
及び酸素取出室の配置例を図９に示す。図８に示す平板
型の酸素製造装置スタックは、酸素発生膜５１の四辺の
うちの一辺のほぼ略１／２の長さの開口を有する空気供
給室５３を設け、さらに対辺の上記空気供給室５３と点
対象の位置に、ほぼ略１／２の長さの開口を有する排空
気５４の空気排出口５５を設け、且つ空気供給ガスの流
れ方向と同一方向から酸素発生電極から発生した純酸素
を取り出す酸素取出口５６を設けたものである。

【００４９】上記スタック構造において、図５に示す第
１の構成のものが空気の流れ及び取り出す酸素の流れに
逆らうことがないので、特に好ましいものとなる。第１
の構成のスタックは温度分布が徐々に下方から上方に向
かって高くなり、セルに発生する応力が低くなり、好ま
しい。

【００５０】次に、本発明の酸素製造装置を構成する材
料について説明する。本発明の構成材料は、第１の酸素
製造装置と第２の酸素製造装置とでは基本的に相違はな
いので、構成材料についてはまとめて説明する。

【００５１】本発明にかかる酸素製造装置は、図１に示
すように、酸素イオン透過性を有する固体電解質１１の
両面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極１２と、
酸素を発生させる酸素発生電極１３を各々設けて酸素発
生膜１４を構成してなるものであり、以下のような材料
から構成してなるものである。

【００５２】本発明にかかる上記固体電解質１１は、酸
素イオンを伝導する性質を有するジルコニア等のセラミ
ックスであれば特に限定されるものではない。本発明で
好ましい固体電解質の材料としては、例えばＺｒＯ₂−
Ｙ₂Ｏ₃系材料、ＺｒＯ₂−ＣｅＯ₂系材料、ＺｒＯ₂
−ＣａＯ系材料、ＺｒＯ₂−ＭｇＯ系材料、Ｂｉ₂Ｏ₃
系材料を挙げることができる。本発明では特に好ましく
は、ＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃系材料のなかでもイットリア安
定化ジルコニア［（Ｙ₂Ｏ₃）_x（ＺｒＯ₂）_1-x］で
あることが好ましい。ここで、ｘは0.１〜0.９９の範囲
であり、酸素透過性及び耐久性の関係から0.９５とする
のが特に好ましい。

【００５３】本発明にかかる上記酸素電極１２，１３
は、酸素を供給又は発生するランタン系、プラセオジウ
ム系のマンガナイトであれば特に限定されるものではな
い。本発明で好ましい酸素電極の材料としては、例えば
Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ−Ｏ系材料、Ｌａ−Ｃａ−Ｍｎ−Ｏ系
材料、Ｐｒ−Ｓｒ−Ｍｎ−Ｏ系材料を挙げることができ
る。

【００５４】本発明では特に、下記の４種類の組み合わ
せにより酸素電極を形成することが好ましい。ａ）酸素供給電極１２，酸素供発生極１３がともに、
ランタンストロンチウムマンガナイト［Ｌａ_1-yＳｒ_y
ＭｎＯ₃：ＬＳＭ］である、ＬＳＭ系−ＬＳＭ系の組み
合わせ。ｂ）酸素供給電極１２がランタンストロンチウムマン
ガナイト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃：ＬＳＭ］であり、
酸素発生電極がプラセオジウムストロンチウムマンガナ
イト［Ｐｒ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃：ＰＳＭ］である、ＬＳ
Ｍ系−ＰＳＭ系の組み合わせ。ｃ）酸素供給電極１２，酸素供発生極１３がともに、
プラセオジウムストロンチウムマンガナイト［Ｐｒ
_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃：ＰＳＭ］である、ＰＳＭ系−ＰＳ
Ｍ系の組み合わせ。ｄ）酸素供給電極１２がプラセオジウムストロンチウ
ムマンガナイト［Ｐｒ _1-yＳｒ_yＭｎＯ₃：ＰＳＭ］で
あり、酸素発生電極がランタンストロンチウムマンガナ
イト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃：ＬＳＭ］である、ＰＳ
Ｍ系−ＬＳＭ系の組み合わせ。

【００５５】酸素発生膜１４を接続して多段スタックを
構成する場合にはインタコネクタが必要となるが、この
インタコネクタとしては、例えばＬａ−Ｍｇ−Ｃｒ−Ｏ
系材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｒ−Ｏ系材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃ
ｒ−Ｔｉ−Ｏ系材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ−
Ｏ系材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｃｏ−Ｏ系材料、
を挙げることができる。本発明では特にインタコネクタ
としては、ランタンストロンチウムクロライド［ＬａＳ
ｒ_x'Ｃｒ_1-x'Ｏ₃］を例示することができる。なお、本
発明では還元雰囲気とならないので、高温運転時におけ
るインタコネクタの膨張がなく、材料の選定が任意とな
る。

【００５６】酸素供給電極１２，酸素供発生極１３の電
極の構造は特に限定されるものではないが、好ましくは
酸素発生膜１４である固体電解質１１の両面に設けられ
る電極の粒径が同一粒径（２〜１０μｍ）とするのがよ
い。また、固体電解質１１の表面近傍側を粒径が細かな
細径（２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下、特に好まし
くは0.４μｍ以下とするのがよい。）の薄膜電極層と
し、その外側に粗粒（２〜１０μｍ）の厚膜電極層との
２層構造とするようにしてもよい。これは、表面側に細
径の電極層とするのは、反応面積を増大させるためであ
る。また、固体電解質と電極面との剥離を防止するため
にも細かなものとするの好適である。さらに、細径層の
外側を粗粒とするのは、空気の通過性を向上させるため
である。

【００５７】この電極の形成は公知の製造方法を用いる
ことができ、本発明においては何等限定されるものでは
ないが、スラリー法及び溶射法等を挙げることができ
る。溶射法としては、例えばアセチレン溶射法（ＴＳ
法）、プラズマ溶射法（ＡＰＳ法）、減圧プラズマ溶射
法（ＶＰＳ法）等を例示することができる。上記二層と
する場合には、固体電解質に接する層をプラズマ溶射
法、減圧プラズマ溶射法、ＣＶＤ法、ＥＶＤメッキ法等
の緻密な膜が得られる施工法を用い、その後はアセチレ
ン溶射、スラリー法等のポーラスな膜が得られる施工法
を用いるようにすればよい。

【００５８】上記アセチレン溶射法では、原料粉末の粒
径を５〜９０μｍとし、溶射距離は１００〜２００ｍｍ
とし、ガス条件をＣ₂Ｈ₂（アセチレン）／Ｏ
₂（Ｏ₂）とすることで、１パス当たりの膜厚を５〜５
０μｍとすることができる。上記プラズマ溶射法では、
原料粉末の粒径を５〜９０μｍとし、溶射距離は５０〜
１５０ｍｍとし、ガス条件をＡｒ（アルゴンン）／Ｈ₂
（水素）とし、電圧／エネルギー条件を４００〜８００
Ａ／４０〜８０ｋＷとすることで、１パス当たりの膜厚
は１〜５０μｍとすることができる。上記減圧プラズマ
溶射法では、原料粉末の粒径を５〜４０μｍとし、圧力
を５０〜５００ｍｂａｒとし、ガス条件をＡｒ（アルゴ
ンン）／Ｈ₂（水素）とし、電圧／エネルギー条件を４
００〜８００Ａ／４０〜８０ｋＷとすることで、１パス
当たりの膜厚は１〜２０μｍとすることができる。上記
スラリー法では、原料粉末の粒径を0.５〜１０μｍと
し、原料粉末，溶剤，分散剤，結合剤等を適宜配合し、
スラリー塗布をし、乾燥後、脱脂して焼成（大気中１１
００〜１５００℃）することで膜を得ることができる。

【００５９】さらに、固体電解質の近傍において、固体
電解質の材料（例えばＹＳＺ）と酸素電極の材料とを混
合して、コーティングし、その後固体電解質の材料の割
合を徐々に下げるようにして、アンカー効果により電極
膜の強度安定性を増大させるようにすることもできる。
また、固体電解質の表面を弗酸処理して表面に凹凸面を
形成し、その後電極層をコーティングするようにしても
よい。この場合には電極膜の付着力が向上し、アンカー
効果により、電極膜の強度的安定性が増大する。上記固
体電解質の表面の凹凸面の形成には、化学的腐蝕方法の
他に、例えば研削処理、ブラスト処理等の機械的な方法
により、粗面化させるようにしてもよい。

【００６０】具体的には、以下の方法により固体電解質
１１の表面に電極１２，１３を形成するようにしてい
る。以下に上記アンカー効果を奏する酸素発生膜の一例
を図１０に示す。図１０（Ａ）は酸素発生膜の要部断面
図であり、図１０（Ｂ）はその要部拡大図である。図１
０に示すように、厚さ２００μｍのＹＳＺの固体電解質
６１の両側にはＳｒをドープした粒径２μｍ以下のＬａ
ＭｎＯ₃の細径粒子の粉末６２スラリーを塗布し、焼成
して膜厚が0.３μｍの緻密層である薄膜電極層６３ａ，
６４ａを形成すると共に、さらに、粒径５μｍの同種材
料の粗粒粒子の粉末６５をスラリー法にて塗布し、焼成
して膜厚が５０μｍのポーラス層である厚膜電極６３
ｂ，６４ｂとを形成し、酸素発生膜６６とした。

【００６１】図１１はこのように形成された反応界面の
説明図である。図１１に示すように、固体電解質６１を
透過してきた酸素イオンＯ^2-は三相界面１１（Ａ）に示
すＡ部分で電子を放出し、酸素（Ｏ₂）となる。この三
相界面の面積は、粒径を小さくする程大きくなる。しか
し、粒径を小さくすると取り出す酸素の取り出し量が低
下することとなるので、界面近傍のみの薄膜電極６３
ａ，６４ａを細径粒子６２の電極材料を用い、厚膜電極
６３ｂ，６４ｂについては比較的大きな粗粒粒子６５を
用いて、酸素の取り出しを可能としている。なお、厚膜
電極６３ｂ，６４ｂの材料においても、平均粒子径が比
較的揃っている粒度を調整したものを用いるのが好まし
い。これは、粒子径にバラツキがあると、大径の粒子に
細径の粒子が埋まり込み、ガスの移動が良好におこなわ
れなくなるからである。また、薄膜電極は図１０に示す
ように、一粒子分の厚みであってもよい。

【００６２】図１２に、この薄膜層のアンカー効果を示
す特性図を示す。図面において、縦軸は無次元化電流密
度であり、横軸は電極粒子と固体電解質との密着度を示
す。図１２より、粒径を小さくすることで、性能が向上
する。特に、固体電解質１１の表面近傍側を粒径を１μ
ｍ以下、特に好ましくは0.４μｍ以下とするのがよいこ
とが判明した。

【００６３】上記アンカー効果を奏する酸素発生膜の他
の一例を図１３に示す。図１３（Ａ）酸素発生膜の要部
断面図であり、図１３（Ｂ）はその要部拡大図である。
図１２に示すように、厚さ２００μｍのＹＳＺの固体電
解質６１の両側には、凹凸面を予め形成しており、この
凹凸面６７にＳｒをドープした粒径２μｍ以下のＬａＭ
ｎＯ₃の細径粒子の粉末６２スラリーを塗布し、焼成し
て膜厚が0.３μｍの緻密層である薄膜電極層６３ａ，６
４ａを形成すると共に、さらに、粒径５μｍの同種材料
の粗粒粒子の粉末６５をスラリー法にて塗布し、焼成し
て膜厚が５０μｍのポーラス層である厚膜電極６３ｂ，
６４ｂとを形成し、酸素発生膜６８とした。

【００６４】次に、酸素発生装置のセル構造について説
明する。酸素発生装置は平板型の酸素発生装置の他に、
円筒型の酸素発生装置があり、本発明では何等限定され
ず、いずれの構造のものでもよい。

【００６５】平板型の酸素発生装置のセル構造について
説明する。なお、以下に説明するセル構造は積層構造を
例にしているが、本発明では積層構造に限定されるもの
ではなく、セルを起き上がらせて列設してなる上述した
図４に示したようなセル構造にも適用できることはいう
までもない。

【００６６】第１の平板型の酸素発生装置のセル構造を
図１４に示す。図１４に示す平板型の酸素製造装置セル
構造は、酸素イオン透過性を有する固体電解質７１の両
面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極７２と、酸
素を発生させる酸素発生電極７３を各々設けてなる酸素
発生膜７４と、酸素供給電極７２側に設けた波形の酸素
供給極側支持層７５と、上記酸素供給極側支持層７５と
直交して設けられ酸素発生電極７３側に設けた波形の酸
素供給極側支持層７６を介して支持されるインタコネク
タ層７７とから単セル８０を構成してなるものである。
上記インタコネクタ層７７は酸素発生電極７３と酸素供
給電極７２とがインタコネクタ材７９を挟むようにして
構成してなるものである。上記構成の単セル８０をイン
タコネクタ層７７を介して複数積層することによりスタ
ックを形成している。

【００６７】上記モジュールでは支持層７５，７６によ
り積層しているが、多数のセルを積層する場合及びシー
ル性を向上させる場合には、図１５のセル構造とすれば
よい。

【００６８】第２の平板型の酸素発生装置のセル構造を
図１５に示す。図１５に示す平板型の酸素製造装置セル
構造は、酸素イオン透過性を有する固体電解質７１の両
面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極７２と、酸
素を発生させる酸素発生電極７３を各々設けてなる酸素
発生膜７４と、酸素供給電極７２側に設けた波形の酸素
供給極側支持層７５と、上記酸素供給極側支持層７５と
直交して設けられ酸素発生電極７３側に設けた波形の酸
素供給極側支持層７６とを設けて単セル８０を構成して
なり、インタコネクタ層８１を介して複数積層すること
によりスタックを形成している。上記支持層７５，７６
の両側には波型と直交する方向に沿って両側にシール膜
８２を有した支持棒８３が配設されており、上方からシ
ール面圧荷重を付加して密着性を向上させている。上記
シール膜８２には無機繊維ファイバが配されており、シ
ール性を向上させている。

【００６９】第３の平板型の酸素発生装置のセル構造を
図１６に示す。図１６に示す平板型の酸素製造装置セル
構造は、酸素イオン透過性を有する固体電解質７１の両
面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極７２と、酸
素を発生させる酸素発生電極７３を各々設けてなる酸素
発生膜７４と、酸素供給電極７２側に開口を有する溝８
４を形成したインタコネクタ８５と、上記溝８２と直交
する方向で、酸素発生電極７３側に開口を有する溝８４
を形成したインタコネクタ８５とから構成している。本
実施の形態では、波形の支持層を用いることなく、イン
タコネクタ８５に溝８４を形成することで、空気の供給
或いは酸素の取り出しが可能となり、第２の平板型の酸
素製造装置よりも部品点数を少なくすることができる。

【００７０】第４の平板型の酸素発生装置のセル構造を
図１７に示す。図１８は図１７のＡ−Ａ線断面図であ
る。図１７に示す平板型の酸素製造装置セル構造は、酸
素イオン透過性を有する固体電解質７１の前面に略前面
に凹凸が形成した固体電解質９１と、この固体電解質９
１の両面に酸素含有ガスを供給する酸素供給電極９２
と、酸素を発生させる酸素発生電極９３を各々設けて酸
素発生膜９４を形成してなる。上記酸素発生膜９４は、
ガスの通過する導入口および排出口の部分を除いて周囲
がシール材９５で囲まれており、インターコネクタ９６
を用いて各膜毎に挟まれて空気供給流路９６と酸素取り
出し通路９７を形成してセルを構成し、このセルを１単
位として複数積層又は列設して、複数のセルを構成して
なる。

【００７１】本実施の形態では、図１８に示すように、
凸ディンプル部９８側の表面側を酸素発生電極９２、凹
ディンプル９９部の裏面側を酸素供給電極９３としてい
る。また、図中Ｐはディンプル部の1/2 ピッチであり、
Ｄはディンプル部の直径及びＨはディンプル部の高さを
各々の示す。

【００７２】このセルに酸素を含有したガスを供給する
供給室と、排空気を排出する排空気室、並びに発生した
酸素を取り出す酸素取出室とを設けたものが、図７に示
す変形直交流形式のサブスタックとなる。

【００７３】上記ディンプル形状の酸素発生膜からなる
酸素製造装置は上述した第１〜第３のように波板又は溝
等により規制されて直交流形式又は並列流形式のサブス
タックしか形成することができないが、空気の流れが溝
等に規制されることがないので、図５〜９に示すいずれ
の形式のサブスタックを構成することができ、空気の供
給及び排空気の排出並びに純酸素の取出口を任意に設定
することができる。

【００７４】本発明の酸素製造装置は平板型の形式に限
定されるものではなく、円筒形式のものにも適用が可能
である。以下、円筒型の酸素発生装置についての一例を
説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００７５】第１の円筒型の酸素発生装置の構造を図１
９に示す。図１９（Ａ）は発生装置の斜視図、（Ｂ）は
その断面図である。図１９に示すように、円筒型の支持
管１００の外周には所定間隔に形成された酸素発生電極
１０１、インタコネクタ１０２、固体電解質１０３及び
酸素供給電極１０４が順次積層して横縞型のセルを構成
したものである。このような装置に、空気１０５を供給
することにより、内部の酸素発生電極１０１から純酸素
が発生する。

【００７６】第２の円筒型の酸素発生装置のセル構造を
図２０に示す。図１９の円筒型の酸素発生装置のセル構
造は、支持管の周囲に複数の層を形成するので、手間が
かかる。第２のセル構造は上記支持管の機能を酸素発生
電極で共用させるようにしている。図２０に示すよう
に、本実施の形態にかかるセル構造は、厚肉円筒型の酸
素発生電極１１１の外周に、固体電解質１１２及び酸素
供給電極１１３を順次積層すると共に、中間接続子１１
４の設置に必要な最低限の幅の溝１１６を軸方向にエッ
チング若しくは機械加工し、その後中間接続子１１４，
中間接続子１１５を順次形成して縦縞型のセルを構成し
たものである。このような装置に、空気１１８を供給す
ることにより、内部の酸素発生電極１１１から純酸素が
発生する。

【００７７】上述した第１及び第２の実施の形態では、
外部に空気を供給することで内部から純酸素を得るよう
にしているが、本発明ではこれに限定されるものではな
く、酸素供給電極と酸素発生電極の配置を逆にして、外
周から酸素を取り出すようにしてもよい。

【００７８】以上のように、本発明によれば大容量の純
度９９％の純酸素を低コストで製造することができる。
なお、現在実用されている酸素製造装置では深冷分離法
では大量製造が可能であるが、製造コストが本発明と比
べて２倍以上と高くなり、低コスト化が容易であり、し
かもコンパクトな酸素発生装置を提供することができる
ので、本発明の優位性がある。また、短絡法によれば外
部電力からの電力の供給することなしに、高温と高圧空
気の供給により、純酸素を提供することができる。

【００７９】本発明により製造された酸素は、例えば廃
棄物焼却灰の溶融炉、ガラス溶融炉、セラミックス焼成
炉、鍛造加熱炉、電気炉の高温度燃焼用に供給する酸素
に用いて、好適である。また、高温度燃焼用、ＮＯｘ対
策及びＣＯ₂回収用のＣＯ₂回収ガスタービンへの供給
酸素に用いて好適である。また、この他にも例えば石炭
ガス化炉、活性汚泥処理（水処理）、発芽，発酵、燃料
電池に用いる酸素並びに深冷分離法の前処理の酸素供給
として用いることができる。さらに、航空機客室用の空
気製造、潜水艦・潜水船の空調用、医療用の純酸素並び
にオゾン製造装置の製造効率化に本発明による純酸素を
適用することができる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、［請求項１］の発
明によれば、酸素イオン透過性を有する固体電解質の両
面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極と、酸素を
発生させる酸素発生電極を各々設けて酸素発生膜を構成
してなり、上記両電極を短絡させ、一方の酸素供給電極
面に高温の酸素含有ガスを高圧で導入することにより、
他方の酸素発生電極面から酸素を取り出すので、電源を
供給することなく酸素含有ガスである空気から純酸素を
効率よく製造することができる。

【００８１】［請求項２］の発明によれば、請求項１に
おいて、上記酸素供給電極に供給する酸素含有ガスの圧
力が少なくとも４気圧以上とすることで、効率よく酸素
を製造することができる。

【００８２】［請求項３］の発明によれば、酸素イオン
透過性を有する固体電解質の両面に、酸素含有ガスを供
給する酸素供給電極と、酸素を発生させる酸素発生電極
を各々設け、上記両電極に電力を印加し、一方の酸素供
給電極面に高温の酸素含有ガスを低圧で導入することに
より、他方の酸素発生電極面から酸素を取り出すので、
高圧の空気を供給することなく、少量の電源で空気から
純酸素を効率よく製造することができる。

【００８３】［請求項４］の発明によれば、請求項１又
は３において、両面に酸素電極を形成した酸素イオン透
過性の酸素発生膜と、該酸素イオン透過性の酸素発生膜
を挟むインターコネクタと、上記酸素イオン透過性の酸
素発生膜の四周を囲むシール材とを具備してなるので、
純酸素の純度が向上する。

【００８４】［請求項５］の発明によれば、請求項１又
は３において、酸素供給電極へ供給する酸素含有ガスの
温度が７００℃以上であるので、酸素製造量が増大す
る。

【００８５】［請求項６］の発明によれば、請求項１又
は３において、酸素発生膜の四辺のうちの一辺のほぼ全
長にわたり酸素含有ガスの導入口を設け、さらに対辺の
ほぼ全長にわたり酸素含有ガス排出口を設け、且つ酸素
含有ガスの流れ方向と同一方向に酸素発生電極から発生
した酸素を取り出す酸素取出口を設けたので、酸素含有
ガスの供給と並行して酸素が発生し、取り出し効率が向
上する。また、コンパクトに製造することができる。

【００８６】［請求項７］の発明によれば、請求項６に
おいて、酸素取り出し口を天方向、空気含有ガスの導入
口が地方向に位置するように、上記インターコネクタと
上記酸素発生膜とを積層、配置したので、供給する酸素
含有ガスが上昇流となり、セルの温度分布が出口側にい
くに従って高くなり、セルに発生する応力が緩和され
る。

【００８７】［請求項８］の発明によれば、請求項１又
は３において、上記酸素発生膜の固体電解質がイットリ
ア安定化ジルコニア［（Ｙ₂Ｏ₃）_x（Ｚｒ
Ｏ₂）_1-x］とすることにより、酸素発生効率がよい。

【００８８】［請求項９］の発明によれば、請求項１又
は３において、上記酸素供給電極及び酸素発生電極が共
にランタンストロンチウムマンガナイト［Ｌａ_1-yＳｒ
_yＭｎＯ₃］とすることにより、酸素発生効率がよい。

【００８９】［請求項１０］の発明によれば、請求項１
又は３において、上記酸素供給電極がランタンストロン
チウムマンガナイト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］であ
り、酸素発生電極がプラセオジウムストロンチウムマン
ガナイト［Ｐｒ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］とすることによ
り、酸素発生効率がよい。

【００９０】［請求項１１］の発明によれば、請求項１
又は３において、上記酸素供給電極がプラセオジウムス
トロンチウムマンガナイト［Ｐｒ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］
であり、酸素発生電極がランタンストロンチウムマンガ
ナイト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］とすることにより、
酸素発生効率がよい。

【００９１】［請求項１２］の発明によれば、請求項１
１において、上記インタコネクタがランタンストロンチ
ウムクロライド［ＬａＳｒ_x'Ｃｒ_1-x'Ｏ₃］とすること
により、酸素発生効率がよい。

【００９２】［請求項１３］の発明によれば、請求項１
又は３において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含
有ガス供給電極の粒径が他方の面の酸素取り出し電極よ
り粗粒とすることにより、酸素発生効率がよい。

【００９３】［請求項１４］の発明によれば、請求項１
又は３において、上記酸素発生膜がその略全面的に凹凸
部を形成してなり、その片面に酸素含有ガス供給電極
と、かつ他方の面に酸素取り出し電極とを形成してなる
固体電解質であるので、酸素発生セルのコンパクト化が
図られ、しかも酸素含有ガスの供給が任意となり、セル
の温度分布が緩和される。

【００９４】［請求項１５］の発明によれば、請求項１
又は３において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含
有ガス供給電極の粒径が電解質膜近傍側では微細である
ので、密着性が向上し、強固な酸素発生膜となる。

【００９５】［請求項１６］の発明によれば、請求項１
又は３において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含
有ガス供給電極の粒径が他方の面の酸素取り出し電極よ
り粗粒であるので、酸素含有ガスの供給が容易となる。

【００９６】［請求項１６］の発明によれば、請求項１
又は３において、矩形平板状の固体電解質の片面に酸素
含有ガス供給電極をかつ他方の面に酸素取り出し電極と
を形成した酸素発生膜と、この酸素発生膜を挟み、該酸
素発生膜の一面に酸素含有ガスを供給及び発生した酸素
を取り出す様に裏表にガス流路用の溝を形成し、かつ四
周はガスの導入口および排出口を除き、酸素発生膜を支
持し、かつガスを封止し得るように、表面を平滑とした
支持枠部を設けたインターコネクタを具備したので、純
度の高い酸素を効率よく製造することができる。

【００９７】［請求項１８］の発明によれば、請求項１
又は３において、円筒状に焼結された支持管と、該支持
管の表面に所定間隔をもって形成してなる酸素発生電極
と、該酸素発生電極の外表面に軸方向に沿ってインタコ
ネクタを介して外周面を被覆する固体電解質と、上記イ
ンタコネクタと固体電解質の外表面を被覆する酸素供給
電極とを具備したので、酸素を効率よく製造することが
できる。

【００９８】［請求項１９］の発明によれば、請求項１
又は３において、円筒状に焼結された酸素発生電極と、
該酸素発生電極の外表面に軸方向に沿って取付けられる
中間接続子と、該中間接続子を挟んで上記酸素発生電極
の外周面を被覆する固体電解質と、上記中間接続子と間
隔を有して上記固体電解質の外表面を被覆する酸素供給
電極とを具備したので、酸素を効率よく製造することが
できる。

【００９９】［請求項２０］の酸素製造方法の発明によ
れば、酸素イオン透過性を有する固体電解質の両面に、
酸素含有ガスを供給する酸素供給電極と、酸素を発生さ
せる酸素発生電極を各々設けて酸素発生膜を構成し、上
記両電極を短絡させ、一方の酸素供給電極面に高温の酸
素含有ガスを高圧で導入し、他方の酸素発生電極面から
酸素を取り出すので、電源を供給することなく酸素含有
ガスである空気から純酸素を効率よく製造することがで
きる。

【０１００】［請求項２１］の酸素製造方法の発明によ
れば、酸素イオン透過性を有する固体電解質の両面に、
酸素含有ガスを供給する酸素供給電極と、酸素を発生さ
せる酸素発生電極を各々設け、上記両電極に電力を印加
し、一方の酸素供給電極面に高温の酸素含有ガスを低圧
で導入し、他方の酸素発生電極面から酸素を取り出すの
で、高圧の空気を供給することなく、少量の電源で空気
から純酸素を効率よく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の第１の形式の酸素製造装
置の概略図である。

【図２】本発明の実施の形態の第２の形式の酸素製造装
置の概略図である。

【図３】本発明の実施の形態の酸素製造装置モジュール
の概略図である。

【図４】本発明の実施の形態の酸素製造装置スタックの
斜視図である。

【図５】本発明の実施の形態の空気供給及び酸素の取出
を説明する酸素製造装置スタックの構造図である。

【図６】本発明の実施の形態の空気供給及び酸素の取出
を説明する酸素製造装置スタックの構造図である。

【図７】本発明の実施の形態の空気供給及び酸素の取出
を説明する酸素製造装置スタックの構造図である。

【図８】本発明の実施の形態の空気供給及び酸素の取出
を説明する酸素製造装置スタックの構造図である。

【図９】本発明の実施の形態の空気供給及び酸素の取出
を説明する酸素製造装置スタックの構造図である。

【図１０】本発明の実施の形態の酸素製造膜の構造図で
ある。

【図１１】本発明の実施の形態の酸素製造膜の構造図で
ある。

【図１２】本発明の実施の形態の酸素製造膜のアンカー
効果を示す特性図である。

【図１３】本発明の実施の形態の酸素製造膜の構造図で
ある。

【図１４】本発明の実施の形態の酸素製造膜装置のセル
構造図である。

【図１５】本発明の実施の形態の酸素製造膜装置のセル
構造図である。

【図１６】本発明の実施の形態の酸素製造膜装置のセル
構造図である。

【図１７】本発明の実施の形態のディンプル形状の酸素
製造膜装置のセル構造図である。

【図１８】図１７のＡ−Ａ線断面図である。

【図１９】本発明の実施の形態の円筒型酸素製造膜装置
のセル構造図である。

【図２０】本発明の実施の形態の円筒型酸素製造膜装置
のセル構造図である。

【符号の説明】

１１固体電解質１２酸素供給電極１３酸素発生電極１４酸素発生膜１５酸素含有ガス（空気）１６純酸素（Ｏ₂）１７電源２１隔壁２２モジュール本体２３下部室２４スタック２５供給空気２６上部室２７空気２８熱交換器２９純酸素（Ｏ₂）３０排空気

フロントページの続き (72)発明者武信弘一兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者宮本均兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者中嶋靖史兵庫県神戸市兵庫区和田宮通七丁目１番14 号西菱エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 4G042 BA29 BA31 BA39 BB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素イオン透過性を有する固体電解質の
両面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極と、酸素
を発生させる酸素発生電極を各々設けて酸素発生膜を構
成してなり、上記両電極を短絡させ、一方の酸素供給電極面に高温の
酸素含有ガスを高圧で導入することにより、他方の酸素
発生電極面から酸素を取り出すことを特徴とする酸素製
造装置。
【請求項２】請求項１において、上記酸素供給電極に供給する酸素含有ガスの圧力が少な
くとも４気圧以上であることを特徴とする酸素製造装
置。
【請求項３】酸素イオン透過性を有する固体電解質の
両面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極と、酸素
を発生させる酸素発生電極を各々設け、上記両電極に電力を印加し、一方の酸素供給電極面に高
温の酸素含有ガスを低圧で導入することにより、他方の
酸素発生電極面から酸素を取り出すことを特徴とする酸
素製造装置。
【請求項４】請求項１又は３において、両面に酸素電極を形成した酸素イオン透過性の酸素発生
膜と、該酸素イオン透過性の酸素発生膜を挟むインター
コネクタと、上記酸素イオン透過性の酸素発生膜の四周
を囲むシール材とを具備してなることを特徴とする酸素
製造装置。
【請求項５】請求項１又は３において、酸素供給電極へ供給する酸素含有ガスの温度が７００℃
以上であることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項６】請求項１又は３において、酸素発生膜の四辺のうちの一辺のほぼ全長にわたり酸素
含有ガスの導入口を設け、さらに対辺のほぼ全長にわた
り酸素含有ガス排出口を設け、且つ酸素含有ガスの流れ
方向と同一方向に酸素発生電極から発生した酸素を取り
出す酸素取出口を設けたことを特徴とする平板型の酸素
製造装置。
【請求項７】請求項６において、酸素取り出し口を天方向、空気含有ガスの導入口が地方
向に位置するように、上記インターコネクタと上記酸素
発生膜とを積層、配置したことを特徴とする平板型の酸
素製造装置。
【請求項８】請求項１又は３において、上記酸素発生膜の固体電解質がイットリア安定化ジルコ
ニア［（Ｙ₂Ｏ₃）_x（ＺｒＯ₂）_1-x］であることを
特徴とする酸素製造装置。
【請求項９】請求項１又は３において、上記酸素供給電極及び酸素発生電極が共にランタンスト
ロンチウムマンガナイト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］で
あることを特徴とする酸素製造装置。
【請求項１０】請求項１又は３において、上記酸素供給電極がランタンストロンチウムマンガナイ
ト［Ｌａ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］であり、酸素発生電極が
プラセオジウムストロンチウムマンガナイト［Ｐｒ_1-y
Ｓｒ_yＭｎＯ₃］であることを特徴とする酸素製造装
置。
【請求項１１】請求項１又は３において、上記酸素供給電極がプラセオジウムストロンチウムマン
ガナイト［Ｐｒ_1-yＳｒ_yＭｎＯ₃］であり、酸素発生
電極がランタンストロンチウムマンガナイト［Ｌａ_1-y
Ｓｒ_yＭｎＯ₃］であることを特徴とする酸素製造装
置。
【請求項１２】請求項１１において、上記インタコネクタがランタンストロンチウムクロライ
ド［ＬａＳｒ_x'Ｃｒ_1- _x'Ｏ₃］であることを特徴とする
酸素製造装置。
【請求項１３】請求項１又は３において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含有ガス供給電極の
粒径が他方の面の酸素取り出し電極より粗粒であること
を特徴とする平板型の酸素製造装置。
【請求項１４】請求項１又は３において、上記酸素発生膜がその略全面的に凹凸部を形成してな
り、その片面に酸素含有ガス供給電極と、かつ他方の面
に酸素取り出し電極とを形成してなる固体電解質である
ことを特徴とする平板型の酸素製造装置。
【請求項１５】請求項１又は３において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含有ガス供給電極の
粒径が電解質膜近傍側では微細であることを特徴とする
平板型の酸素製造装置。
【請求項１６】請求項１又は３において、上記酸素発生膜の片面に設けた酸素含有ガス供給電極の
粒径が他方の面の酸素取り出し電極より粗粒であること
を特徴とする平板型の酸素製造装置。
【請求項１７】請求項１又は３において、矩形平板状の固体電解質の片面に酸素含有ガス供給電極
をかつ他方の面に酸素取り出し電極とを形成した酸素発
生膜と、この酸素発生膜を挟み、該酸素発生膜の一面に酸素含有
ガスを供給及び発生した酸素を取り出す様に裏表にガス
流路用の溝を形成し、かつ四周はガスの導入口および排
出口を除き、酸素発生膜を支持し、かつガスを封止し得
るように、表面を平滑とした支持枠部を設けたインター
コネクタを具備したことを特徴とする平板型の酸素製造
装置。
【請求項１８】請求項１又は３において、円筒状に焼結された支持管と、該支持管の表面に所定間
隔をもって形成してなる酸素発生電極と、該酸素発生電
極の外表面に軸方向に沿ってインタコネクタを介して外
周面を被覆する固体電解質と、上記インタコネクタと固
体電解質の外表面を被覆する酸素供給電極とを具備した
ことを特徴とする円筒型の酸素製造装置。
【請求項１９】請求項１又は３において、円筒状に焼結された酸素発生電極と、該酸素発生電極の
外表面に軸方向に沿って取付けられる中間接続子と、該
中間接続子を挟んで上記酸素発生電極の外周面を被覆す
る固体電解質と、上記中間接続子と間隔を有して上記固
体電解質の外表面を被覆する酸素供給電極とを具備した
ことを特徴とする円筒型の酸素製造装置。
【請求項２０】酸素イオン透過性を有する固体電解質
の両面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極と、酸
素を発生させる酸素発生電極を各々設けて酸素発生膜を
構成し、上記両電極を短絡させ、一方の酸素供給電極面
に高温の酸素含有ガスを高圧で導入し、他方の酸素発生
電極面から酸素を取り出すことを特徴とする酸素製造方
法。
【請求項２１】酸素イオン透過性を有する固体電解質
の両面に、酸素含有ガスを供給する酸素供給電極と、酸
素を発生させる酸素発生電極を各々設け、上記両電極に
電力を印加し、一方の酸素供給電極面に高温の酸素含有
ガスを低圧で導入し、他方の酸素発生電極面から酸素を
取り出すことを特徴とする酸素製造方法。