JP2007217209A

JP2007217209A - 酸素富化器

Info

Publication number: JP2007217209A
Application number: JP2006037600A
Authority: JP
Inventors: Koji Hoshino; 孝二星野; Akihiro Hasegawa; 昭宏長谷川
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】コンパクトで、且つ、大容量の酸素富化器を提供する。
【解決手段】平板状の固体電解質１の表裏両面に一対の電極２、３が形成され、一方の電極に供給された空気中から酸素を透過して他方の電極より取り出す電気化学セル４と、導電性を有する平板状の支持部材６を備え、電気化学セル４と支持部材６が交互に積層されてセルスタックが形成され、セルスタックの中央部に積層方向に連通する透過ガス流通用のマニホールド８が形成されている。電気化学セル４と支持部材６の各対向面において、ガス透過側の対向面では、電気化学セル４の外周部がシール材１０にて支持部材６に接合されて、マニホールド８に連通する第１ガス流路１３が形成される。空気供給側の対向面では、電気化学セル４の内周部がシール材１０にて支持部材６に接合されて、外部に連通する第２ガス流路１４が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層構造を有する酸素富化器に関するものである。

従来より、電気化学反応により空気等の酸素含有混合ガス中から酸素を分離して選択的に取り出すことができる電気化学セルが知られている。近年、このような電気化学セルの酸素分離作用を利用して、工場や自動車等から排出されるＮＯｘや炭化水素等の有害ガスを浄化することが行われており、また、一般の電気機器類においても、機器内に電気化学セルを用いた酸素富化器を搭載することにより、室内に簡易な酸素富化雰囲気を作る試みが成されている。

ところで、複数の電気化学セルを用いてこの種の酸素富化器を構成する場合は、各電気化学セルの各電極を並列に接続して使用する構成と、各電極を直列に接続して使用する構成とがある。
前者の場合は、電極および電極同士を接続するリード線やパターン配線等の導体に大電流が流れ、電力損失が大きいことから、電力損失が小さい後者の直列接続構成が採用される場合が多い。（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１は、複数の電気化学セルを支持基板上に複数平面的に配置すると共に、これらを直列に接続するものであるが、セルの平面配置はセル相互間の接続形態（配線）が複雑化すること、セルの設置面積が拡大すること等の欠点があり、多数のセルを用いる大容量化にあっては、酸素富化器が大型化するため不向きであった。
特開２００５−８９２３４号公報

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、コンパクトで、且つ、大容量の酸素富化器を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、平板状の固体電解質の表裏両面に一対の電極が形成され、一方の電極に供給された空気中から酸素を透過して他方の電極より取り出す電気化学セルと、導電性を有する平板状の支持部材を備え、前記電気化学セルと前記支持部材が交互に積層されてセルスタックが形成されると共に、当該セルスタックの中央部に積層方向に連通する透過ガス流通用のマニホールドが形成されており、前記電気化学セルと前記支持部材の各対向面において、ガス透過側の対向面においては、電気化学セルの外周部がシール材にて前記支持部材に接合されて、前記マニホールドに連通して透過ガスが流通する第１ガス流路が形成され、空気供給側の対向面においては、前記マニホールドの外方において電気化学セルの内周部がシール材にて支持部材に接合されて、外部に連通して空気が流通する第２ガス流路が形成されることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の酸素富化器において、前記支持部材と前記電気化学セルの電極部分との間に導電性多孔質材で成る給電体が介在されることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の酸素富化器において、前記マニホールドは、ガス流通方向に向けて拡径されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、電気化学セルと支持部材を交互に積層することにより、電気化学セル相互の電気的な接続が成されるため、平面配置構造に比べて電気化学セル相互の接続形態は極めて単純である。また、電気化学セルの積層数を増やすことで、大容量の酸素富化器を容易に、且つ、コンパクトに構成することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、支持部材と電気化学セルの間に導電性多孔質材で成る給電体が介在されるので、電気化学セル相互の接続は確実に行える。

また、請求項３に記載の発明によれば、透過ガスが流通するマニホールドは、下流側に向けて拡径されているので、マニホールド内の上流部から下流部において良好なガス流通性が得られる。

以下、図１〜図３に基づいて本発明に係る酸素富化器の実施の形態を説明する。

図１は、本実施形態による酸素富化器の構成を示す分解斜視図、図２は同、酸素富化器の構成を示す断面図、図３は電気化学セルの構成を示す断面図である。

本実施形態による酸素富化器は、図１、図２に示すように、固体電解質１の表裏両面に一対の電極２、３を配した電気化学セルと、これら電極２、３の外側に配設された給電体５と、その外側に配設された支持部材６（セパレータ）とを順番に積層した構造を有する。これら積層部材の形状は何れも円板型で、且つ、それぞれの中心部に厚さ方向に貫通する穴部７が形成されている。

また、電極２、３は、図３に示すように、固体電解質１の外側の反応電極２ｂ（３ｂ）と、この反応電極２ｂ、３ｂの外側の給電電極２ａ、３ａの２層で構成されている。尚、反応電極２ｂ、３ｂは、電気化学反応の場となる電極（アノード電極、カソード電極）として機能し、給電電極２ａ、３ａは、外部から電流を供給するための電極として機能する。

そして、図示のように、これら電極２、３間に直流電圧Ｖを印加することにより、およそ４００〜８００℃の温度下において、空気中の酸素分子（Ｏ₂）は、その一方の低電位電極面（カソード電極３側）において電子を受け取って酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化され、この酸素イオンが固体電解質１中を他方の高電位電極面（アノード電極２側）に移動し、当アノード電極２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る。
このように、固体電解質１がカソード電極３側からアノード電極２側に向けて、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、これにより、アノード電極２側の雰囲気を酸素富化状態にすることができる。

ここで、上記固体電解質１は、例えば、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｃ₃、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ₃、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ₃、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ₃等のペロブスカイト型結晶構造を有するランタンガレート系材料から成る板状体で構成され、上記反応電極２ｂ、３ｂは（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ₃、（ＬａＢａ）ＣｏＯ₃、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ₃等の電気伝導性に優れる材料で構成され、上記給電電極２ａ、３ａはＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の導電性多孔質体で構成され、上記給電体５はＡｇ、ＳＵＳ等の導電性多孔質板で構成されている。また、上記セパレータ６は、ＳＵＳ等の導電性部材からなり、電気化学セル４を上下方向より挟み込むように支持する支持用部材として機能すると共に、上述した給電体５を介して電気化学セル４間を電気的に接続する機能を有する。

上述したように、電気化学セル４、給電体５、およびセパレータ６の各部材には、それぞれ中心部分に厚さ方向に貫通する穴部７が設けられ、これらの部材を順次積層することにより、この積層体（セルスタック）の中央部を積層方向に連通するマニホールド８が形成されるようになっている。

ここで、電気化学セル４の各電極２、３は、固体電解質１の穴部７を囲むように環状（ドーナッツ形）に形成されており、且つ、固体電解質１の内周部および外周部には、電極２、３が形成されずに固体電解質が露出している輪状の電極非形成部分９ａ、９ｂが存在している。
給電体５は、これら電極２、３と同形、同サイズで、各電極２、３面上に重ね合わさるような状態で配設されている。

セパレータ６は、電気化学セル４のアノード電極２側（すなわち、ガス透過側）に臨む面に、穴部７を中心とする円形凹部６ａが設けられ、この円形凹部６ａの内部空間に給電体５が配設されることにより、この給電体５を介してアノード電極２とセパレータ６との電気的接続が成されるようになっている。そして、この円形凹部６ａの外周縁部６ｂが、対面する固体電解質１と電極非形成部分９ｂにおいてシール材１０により全周に亘って接合・シールされることにより、上記円形凹部６ａの内部空間が第１ガス流路１３として機能するようになる。すなわち、この第１ガス流路１３は、中央部分において上述のマニホールド８に連通し、外部に対してはシール材１０によってガスシールされた構造となっている。

他方、このセパレータ６のカソード電極３側（すなわち、空気流通側）に臨む面の中心部に円形の膨出部１１が設けられ、その外径は対面する固体電解質１の電極非形成部分９ａ内に収まる寸法と成されている。この膨出部１１により生じるカソード電極３とセパレータ６との隙間１２に給電体５が配設されることにより、この給電体５を介してカソード電極３とセパレータ６との接続が成されるようになっている。そして、この膨出部１１の上面とこれに対向する固体電解質１とが電極非形成部分９ａにおいてシール材１０により接合・シールされることにより、上記隙間１２が第２のガス流路１４として機能するようになる。すなわち、この第２ガス流路１４は外周部において外部と連通し、中央部のマニホールド８に対してはシール材１０によってガスシールされた構造となっている。

尚、固体電解質１とセパレータ６とを接合するシール材１０としては、熱膨張係数が固体電解質１（ランタンガレートの熱膨張係数１０．８×１０^-6／Ｋ熱膨張係数）と近似する結晶化ガラスを用いるのが好ましく、この結晶ガラスにＬａを含有させると、強固に密着させることができ、各ガス流路１３、１４における接合部分の気密性を十分確保することができる。

上記構成による酸素富化器（セルスタック）の動作を説明すれば、例えば、図２に示すように、最下端のセパレータ６と最上端のセパレータ６の間に直流電圧Ｖを印加しておくことにより、各電気化学セル４の上面電極をアノード電極２、裏面電極をカソード電極３として機能させることができる。そして、図示しない加熱手段により、このセルスタックが作動温度（およそ４００〜８００℃）に昇温される。

すると、セルスタックの外周部より第２ガス流路１４内に供給される外部空気が給電体５内を拡散しながらカソード電極３の上面を流通する過程において固体電解質１の奏する酸素透過作用によって空気中の酸素が選択的に分離され、濃縮された酸素が他方のアノード電極２より第１ガス流路１３内に流出し、第１ガス流路１３を通してこれに連通する中央のマニホールド８に導入される。尚、カソード電極３の上面を通過して酸素が減少した空気は第２ガス流路１４内を通過してそのままセルスタックの外周部より外部に排出される。

本実施形態のセルスタックでは、各電気化学セル４のアノード電極２より第１ガス流路１３内に流出した酸素は、それぞれの第１ガス流路１３を通してマニホールド８内に合流し、酸素量を増大しながらマニホールド８内を自然対流作用によって上方に流通して最上端のセパレータ６より取出すことができるように構成されている。

また、本実施形態では、図示しないが、電気化学セル４、セパレータ６等の各積層部材の穴部７の径をガス流通方向に（本実施形態では、下方から上方に向けて）順次大きく形成し、マニホールド８が上流部より下流部に向けて拡径されるように構成することも可能である。係る構成では、マニホールド８内において、上流部から下流部に向けて酸素流通量が増加することによる流路抵抗の増加を防止することができ、マニホールド８内の上流部から下流部において自然対流によるより円滑な酸素の流通が行われるようになる。

以上、本実施形態では、電気化学セル４とセパレータ６を交互に積層することにより、各電気化学セル４間を電気的に直列接続する構成としたため、従来のセルの平面配置構造に比べて電気化学セル相互の接続形態は極めて単純となる。また、電気化学セル４の積層数を増やすことで酸素容量の増加（電極面積の増大）も容易に行えるので、大容量の酸素富化器をコンパクトに構成できるようになる。

また、電気化学セル４とセパレータ６との間には導電性多孔質材で成る給電体５が介在されるので、電気化学セル４相互の電気的接続は確実に行われ、抵抗ロスを低減できることに加え、この給電体５は多孔質材が奏するクッション作用による熱膨張吸収機能も兼ね備えるため、熱応力による電気化学セル４の破損も防止できる。

また、上述したように、マニホールド８を下流側に向けて拡径させることにより、より良好なガス流通性が得られる。

本発明に係る酸素富化器の構成を示す分解斜視図。同、酸素富化器の構成を示す断面図。電気化学セルの構成を示す断面図。

符号の説明

１固体電解質基板
２、３電極
４電気化学セル
５給電体
６支持部材（セパレータ）
８マニホールド
１０シール材
１３第１ガス流路
１４第２ガス流路

Claims

平板状の固体電解質の表裏両面に一対の電極が形成され、一方の電極に供給された空気中から酸素を透過して他方の電極より取り出す電気化学セルと、導電性を有する平板状の支持部材を備え、前記電気化学セルと前記支持部材が交互に積層されてセルスタックが形成されると共に、当該セルスタックの中央部に積層方向に連通する透過ガス流通用のマニホールドが形成されており、
前記電気化学セルと前記支持部材の各対向面において、ガス透過側の対向面においては、電気化学セルの外周部がシール材にて前記支持部材に接合されて、前記マニホールドに連通して透過ガスが流通する第１ガス流路が形成され、空気供給側の対向面においては、前記マニホールドの外方において電気化学セルの内周部がシール材にて支持部材に接合されて、外部に連通して空気が流通する第２ガス流路が形成されることを特徴とする酸素富化器。
前記支持部材と前記電気化学セルの電極部分の間に導電性多孔質材で成る給電体が介在されることを特徴とする請求項１に記載の酸素富化器。
前記マニホールドは、ガス流通方向に向けて拡径されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の酸素富化器。