JP3383472B2

JP3383472B2 - 電解質による酸素製造用の電気化学固体装置

Info

Publication number: JP3383472B2
Application number: JP13475795A
Authority: JP
Inventors: マイケル．フランシス．カロラン; ポール．ナイジェル．ダイヤー; エリック．マインフォード; スティーブン．リー．ルセック; メリル．アンダーソン．ウィルソン; ディル．エム．テイラー; ブレット．タマテア．ヘンダーソン
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1995-05-08
Publication date: 2003-03-04
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: EP0682379B1; US5750279A; ES2132459T3; CA2148437A1; JPH0855630A; CA2148437C; DE69508461T2; DE69508461D1; EP0682379A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電解質を通してイオ
ンを輸送できる一体構造の電気化学固体装置に関する。
詳述すれば、本発明は改善された電気的および気密的な
保全性を実証する直列平板状構造体を通してイオンを輸
送する装置に関する。なお、本願は、図１〜１０を参照
して説明したようなチューブ状電解セルと図１１〜１３
を用いて説明したような平板状電解セルの２つの態様を
含む発明を開示するものであるが、本願の特許請求の範
囲としては請求項に記載されているように平板状電解セ
ルの発明に限定されるものである。従って、本明細書の
図１〜１０を参照した記載及び図１〜１０自体はそこに
開示される技術が平板状電解セルの発明に関係する限り
でのみ、本願において特許請求される発明に関係するも
のであることが理解されるべきである。

【０００２】

【従来の技術】イオン例えば酸素イオンを輸送する導電
性固体は当業界に周知であり、燃料電池、気体の製造、
分離および精製の方法や、気体の検知または監視を含む
多数の用途に有用である。特定の用途では、相互に直列
接続した電解質が、電気化学的作用を増大させる。燃料
電池として用いられる直列チューブ状システムの例は米
国特許第４，４３１，７１５号に開示されている。

【０００３】直列のチューブ状または平板状セルの有効
な機能は、従来の技術システムにあっては、システム設
計および構成における固有の弱点により損われる。例え
ば、通常、個々の電解セルを、一般に相互接続材として
知られ、セル相互を封止してセル間を電気的接続する手
段により相互に接続する。このような相互接続材は、高
い作業温度により、導電体と相互接続材との封止の間が
腐食して封止が分解するので、時間の経過に耐えられな
いことがしばしばおきる。

【０００４】これらの装置を構成する部品間に有効な封
止を形成することは困難である。例えば、電極の基材に
銀または銀合金を用いると、封止材料の最高温度を銀ま
たは銀合金の溶融温度に限る必要がある。そのうえ、ガ
ラスを封止材料として用いる時は、作業温度において、
封止を十分な時間接続させるのに十分な粘度を保たせる
必要がある。複数のセルの気体集配に関して多様な制限
があるので、直列に接続する従来技術のセルでは、さら
なる問題を経験してきた。典型的な従来技術による相互
接続材は、このようなシステムを操作する際、気密的の
保全性に欠陥があることを経験し、電解セルの構成と気
体の集配を変化できないことがしばしばおきる。

【０００５】固体電解質酸素ポンプが米国特許第４，８
７７，５０６号で示されているが、それは電解質の表面
を向い合せにして、複数の平行する線状通路を形成する
形状の電極を有する。空気は、空気電極で形成された通
路に向けて供給し、また装置の操作中に形成される酸素
は、電解質を通る通路により、酸素電極すなわち陽極で
形成された通路を経由して排出する。前記複数のセルを
隣接するセルの間に相互接続し堆積させてモノリシック
配列を形成する。

【０００６】米国特許第４，４９０，４４５号は、固体
酸化物電解質板と導電体板との交互層からなる固体酸化
物電気化学エネルギー変換装置を開示している。各電解
質板は、電解質の第１の面に多孔質酸化剤電極を被覆
し、電解質の第２の面に多孔質燃料電極を被覆する。各
導体板は、綾線により形成された溝の網状組織からなる
気体通路を導体板の両面に有し、隣接する電解質の次の
電極被覆と電気的に接続する。各導体板は、更に電気を
変換装置から分岐させるか、あるいは電気を変換装置に
導入する手段を有する。更に導体板は、その縁に沿って
配置され、かつ電極被覆の組成物と同一の組成を有する
表面被覆をもつ隣接する次の電解質板上で表面被覆と接
触する円周方向綾線を有する。

【０００７】米国特許第５，２１７，８２２号は、イッ
トリアで安定させた酸化ジルコニウムからなる固体電解
質素子と；マグネシアで部分的に安定させたニッケルと
ジルコニアから実質的になり、陽極として作用する一体
化部分を有する多孔質陽極板と；ランタンストロンチウ
ムマンガナイトからなる多孔質陰極と；ランタンストロ
ンチウムマンガナイトからなる多孔質陰極板と；ランタ
ンクロマイトからなる隔壁とを有する固体酸化物電解質
燃料電池を開示している。固体酸化物電解質素子と、陰
極と、陰極板と、隔壁とを陽極板の上にこの順に積層す
る。陽極板は、固体電解質素子に接触する面とは反対側
の面に、燃料気体が中を流れる複数の溝を形成した。陰
極も、固体電解質素子に面する面に、酸化剤気体が中を
流れる複数の溝を形成した。反応気体は、これらの溝の
中を流れた後、電極板にある空洞を通過して、固体電解
質素子に供給する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】セル間の相互接続材を
改良してシステムの電気的および気密的の保全性を確実
にした電気化学システムは、セル間の封止を保全し、ま
たセルの相互接続を単純化しながら、気体の集配とセル
の構成の変化を可能にする直列平面電解質セルを提供す
るために必要である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるイオン輸送
用の固体電気化学装置は、複数のチューブ状または平板
状の電解セルと、各チューブ状または平板状電解セル間
を電気的に相互接続する導電体手段とを相互に直列接続
して有し、また更に、各導電体をそれぞれ隣接するチュ
ーブ状または平板状のセルに固定し、それぞれを接続さ
せて気体の集配と工程の構成の変化を可能にする気密封
止手段を有する。特有な利点は、平板状セルをクロスフ
ロー構成で気体を集配する時に達成できる。

【００１０】

【作用】本発明の電気化学装置は、供給流体からの僅か
な電離可能成分の分離も含む多様な工程に利用でき、そ
の場合の電離可能成分は、イオン導電性電解質層を通し
て輸送できる。例えば、電離可能成分は、空気中に存在
する酸素であって、酸素イオンは、イオン導電性分離素
子を含む電気化学装置を通過させる。水素も、イオン化
された水素種の輸送が可能なセラミックでイオン導電性
電解質層を形成して、供給流体から分離できる。これら
の装置は、また更に、部分酸化装置として容易に機能さ
せることができる。この場合、酸素を含む供給流体を、
前記装置の相互接続層に位置する片方の組の気体通路に
導入し、酸化すべき供給原料を他方の組の気体通路に導
入して、電解質層を通して輸送される酸素を、酸化すべ
き供給原料と接触させる。

【００１１】このようにして、本発明は、特許請求の範
囲記載のように、第１と第２の電極を利用する。イオン
導電性電解質を選択して負イオン種を伝導させる場合、
例えば酸素を酸素含有供給流体から分離する場合、第１
の電極層が陽極であり、また第２の電極層が陰極であ
る。イオン導電性電解質を選択して陽イオン種を導電さ
せる場合、例えば、水素を水素含有供給流体から分離す
る場合は、第１の電極層が陰極であり、第２の電極層が
陽極である。

【００１２】電気化学装置のチューブ状セルは、一般に
外部および内部の対向面をもつ薄肉の円筒状物体であ
る。このチューブ状セルは、気体をその中に収容できる
ようになっていて、各チューブ状セルは両端で開放さ
れ、それによりチューブ状セルを両端を突合せて配置し
た時、セル間が連通する。他の実施態様では、電気化学
装置は、便宜上第１の面と第２の面と呼ぶ対向面を有す
る一般に平らな直列の平板状セルで形成できる。各平板
の厚さは１０μｍ乃至約１cmの範囲であり、好ましくは
約２０μｍ乃至１mmである。電解質は非多孔質として、
セル内からの気体の逸散を防ぐ。平らな電解セルは、気
体を受入れる構造素子を有し、１つ以上の堆積体から気
体を集配する時に各セルが１つ以上の開口を有し、セル
間を連通させる。

【００１３】チューブ状または平板状セルの作成に適し
た電解質は、酸素イオン導電性セラミック金属酸化物、
例えばジルコニア、セリア、ハフニア、酸化ビスマスな
ど、あるいは酸素イオン輸送が好ましい時はこのような
酸化物を含む混合物を含む。このタイプの電解質を米国
特許第４，７２５，３４６号：第４，８７９，０１６号
と第５，０２１，１３７号に開示している。電解質に用
いるセラミックは、他の材料例えばカルシャ、イットリ
アまたはストロンチアでドープすることができる。ナト
リウムイオン輸送を望む時は、電解質、例えばβアルミ
ナ、ナシコン（ＮＡＳＩＣＯＮ）などを用いることがで
きる。

【００１４】チューブ状セルまたは平板の１つの面、す
なわち第１の面あるいは第２の面のいずれかに陽極を接
続させる一方、陰極を対向面に接続させる。特に適切な
チューブ状セルでは、陽極をチューブの内面に接着させ
た被膜の形にし、陰極を外面に接着させた被膜の形にす
る。多セル構造体の各チューブ状セルは、他のすべての
チューブ状セルと同一の面で接続する陽極を有する。特
に適切な平板状セルは、陽極を板の第１の面に接着させ
た被膜の形とし、また陰極を第２の面に接着させた被膜
の形とする。多セル構造体の各平面セルは、他のすべて
の平板状セルと同一の面で接続する陽極を有する。

【００１５】陽極と陰極は、気体分子に対して多孔質す
なわち透過性であって、気体が電極を透過する。電極、
すなわち、陰極と陽極としての使用に特に適する材料
は、銀、銀の合金、銀の複合材料、すなわち、１つ以上
の酸化物イオン導電性材料の銀合金である。このような
合金は少くとも５０％の銀を含むことが好ましい。銀と
合金をつくれるか、あるいは銀の代りに用いることがで
きる金属はパラジウム、白金、金および銅を含む。その
うえ、導電性セラミック酸化物を混合したものも、単独
で、あるいは酸素発生システム用の電極として特に有効
であるとして周知のランタンストロンチウムコバルタイ
トを含む銀との複合材料の形で使用できる。

【００１６】陽極および陰極の材料は各チューブ状また
は平板状のセルのそれぞれの表面に当業界で周知の手段
により塗布できる。このような塗布方法は、スクリーン
印刷または従来の塗布技術であるプラズマ噴霧、あるい
はスパッタリングにより塗布するペースト材料の焼結を
含む。電極材料の電解質に対する塗布は、実質的に連続
するように行う。換言すれば、塗布に間隙または途切れ
があってはならない。陽極を電解質の片方の面に配置す
るには、陰極の対向面に配置して、なるべくなら同一空
間に拡がることが好ましい。セラミック電解質上の陽極
または陰極の厚さは一般に約０．１ミクロン乃至約１０
０ミクロン、好ましくは約１乃至約２０ミクロンであ
る。電解質層は、なるべくなら薄く、気体が自由に通過
して移動できるようにすることが好ましい。極めて薄い
電解質を用いる時は、導電体例えば金属極板または電極
に銀めっきを施して面積抵抗を最少限にした複合材料の
使用が好ましい。イオン輸送の見地から電解質が十分な
構造上の保全性を有している限り、極めて薄い電解質が
好ましい。構造的見地から、特に著しい差圧が電解質に
加わる場合、比較的厚い電解質が必要となる。

【００１７】この構造のチューブ状セルを導電体すなわ
ち相互接続材により両端を突合せて直列に接続する。い
くつかのチューブ状セルの並列は、電子の移動距離を比
較的短くし、面積抵抗をそれに応じて低下させるので、
単一の長いチューブ状セルを用いるよりも一層有利であ
る。更に等量の酸素発生に必要な電力が比較的少くてす
む。平板状セルは堆積させて直列に接続でき、その場
合、ほぼ平板のセルも同様にこのような相互接続材によ
り電気的に接続できる。同様に、いくつかの平板状セル
を堆積配列すると、面積抵抗をそれに応じて低下させる
ので、単一の長い平板状セルを用いるよりも遙かに有利
である。

【００１８】チューブ状および平板状システムの相互接
続材を構成して、１つのセルの陽極と隣接セルの陰極の
間に電気的接続を形成する。相互接続材を極めて導電性
のよい、実質的に非イオン的導電性非多孔質材料で、な
るべくなら耐酸化性のもので形成する。相互接続材に用
いる材料は、更にチューブ状または平板状セルの形成に
用いる材料の熱膨脹率と同等な熱膨脹率を有する必要が
ある。これにより、チューブ状または平板状セルが高温
下で膨脹する時、相互接続材も、個々のセルあるいは相
互接続材を損傷させることなく同様に膨脹することにな
る。

【００１９】相互接続材の形成に使用できる材料の例
は、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、
ＬＳＣｒ（ランタンストロンチウムクロマイト）、ＬＣ
Ｍ（ランタンカルシウムマンガナイト）などの材料のよ
うな導電性酸化物と、高クロム金属合金、例えば登録商
標インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（６００シリーズ）
（７６％Ｎｉ，１５．５％Ｃｒ，８％Ｆｅ）またはステ
ンレス鋼（４００シリーズ）などの耐蝕性金属とを含
む。相互接続材に特に適する材料はＬａ_xＳｒ_1-xＭｎ
Ｏ₃〔式中、ｘは０．２乃至０．７の範囲〕である。

【００２０】相互接続材は、酸素または他の気体が、チ
ューブ状セルの中、あるいは隣接する平板状セルの間か
らの漏れを防止する封止手段で、気密封止して、チュー
ブ状あるいは平板状セルに接続する。電気通路と封止手
段の間を分離するように、電解質と相互接続材の間に封
止手段を形成する。この相互接続材の配列のほかに、封
止手段を電気通路から分離することにより、電気化学装
置の高温作業による封止の劣化を防ぐ。

【００２１】封止手段は、特定の部材の間で総合的気密
遮断壁となるシーラント材を含む。チューブ状セルにつ
いては、封止手段は、供給原料と生成気体との間の気密
遮断壁として、相互接続材の１つの端面と電解セルの隣
接端面との間に配置する。平板状セルについては、シー
ラントは、相互接続材の２つの面と隣接セルの間に配置
した気密遮断壁であり、その場合、供給原料気体と、生
成気体と、外部環境との間に総合的気密遮断壁を配置す
る。

【００２２】シーラントは、更に相互接続材および電解
質の熱膨脹率と同等な熱膨脹率を有する必要がある。特
に適するシーラントは、失透ガラス、すなわち溶融およ
び熱処理後の冷却でガラス／セラミックに転化するガラ
ス材料である。適切な失透ガラスの例は、リチウム−ア
ルミノシリケートである。適切なシーラントの他の例
は、ガラス、ガラス−セラミック複合材料、ガラス金属
複合材料、耐酸化性金属合金、鑞付け金属、例えばＡｇ
／Ｐｄ合金などを含む。

【００２３】チューブ状システムの第１の実施態様で
は、ベル形の相互接続材を２つのチューブ状セルの間に
配置し、導体の接続層が、１つのセルの陽極を、相互接
続材に接続させ、また相互接続材を隣接セルの陰極に接
続させて、電極間の電子通路を相互接続材を介して形成
する。シーラントは相互接続材の電気通路から離すが、
相互接続材とチューブ状セルとの間に封止を形成するよ
うに配置する。電極と相互接続材の間に配置する導体
は、導電性金属、例えば銀、銀合金、白金などとするこ
とができる。

【００２４】チューブ状システムの他の実施態様では、
各チューブ状セルの両端の周りにカラーを配置し、また
相互接続材を隣接セルのカラーの間に配置する。カラー
に特に適切な材料は、耐酸化性セラミック、例えば、セ
リアまたはカルシアでドープしたセリアで、その熱膨脹
率が電解質の熱膨脹率と同等な不活性材料、例えばステ
ンレス鋼またはフォルステライト（複合酸化珪酸マグネ
シウム）を含む。カラーをチューブ状セルの端に、相互
焼結するか、あるいは高温材料、例えばアルミノ珪酸塩
ガラスを塗布することで固定できる。その後、シーラン
トをカラーと相互接続材の間に配置して気密封止する。
この実施態様はチューブ状セルと相互接続材の間の位置
合せ許容度の制約を少くして、より強い、更に確実な封
止を形成する。

【００２５】相互接続材の幾何学的構成は、多数のチュ
ーブ状または平板状のセルの気体の集配または堆積体の
配置を可能にするのみならず、システムの電気的および
気密的の保全性を維持させる。端キャップと連結構造材
は、直列チューブ状または平板状セルの保全性を適切に
する。端キャップはチューブ状堆積状と平板状堆積体で
は多少異なった目的をもっている。チューブ状堆積体で
は、端キャップは電気的接続に加えて、堆積体を気密的
に接続させる効果がある。平板状堆積体では、端キャッ
プは電気的接続に役立つのみである。端キャップは、先
に相互接続材について述べたように導体で作成する。

【００２６】連結構造材は、１つの直列チューブ状セル
の雌型端キャップと、もう１つの直列チューブ状セルの
雄型端キャップとの間に固定する。連結構造材は別々の
直列電解セルの間を電気的接続し、また隣接直列セルの
間の気体を連通させる。連結構造材は端キャップが気密
封止するように形成する。

【００２７】平板状システムの第１の実施態様では、表
面に気体通路を有する導電性相互接続層を、２つの平板
状電解セルの間に配置する。導体の連結層は、１つのセ
ルの陽極層を、相互接続層の第１の表面に接続させ、ま
た相互接続層の第２の表面を、隣接セルの陰極層に接続
させて、電極間に導電性相互接続層を介して電子通路を
形成する。シーラントは、相互接続層と平板状セルに比
べて、相互接続層の電気通路から離すが、封止をその間
に形成するように配置する。電極層と相互接続層の間に
配置する導体は、導電性金属、例えば銀、銀合金、白
金、電極または相互接続材のペーストなどとすることが
できる。

【００２８】平板状システムは、多様な気体の集配また
は堆積体の配置ができる構成にすることが可能であるの
みならず、システムの電気的および気密的の保全性を維
持できる。端板と連結構造材を直列の平板状セルの端に
配置すると、多数の平板状セルを堆積または集積するこ
とができる。終端の平板状セルの陽極と電気的接続する
雄型端板、および終端平板状セルの陰極と電気的接続す
る雌型端板を配置する。端板は、相互接続層について先
に説明したように、導電体であり、電極層に隣接する面
に気体通路を設けることができる。端板は、相互接続層
について述べたように平板状セルの端に形成し、気密封
止ができるように封止手段を配置する。

【００２９】

【実施例】図１に示すように、本発明の電気化学装置１
０は、ベル型相互接続部１６により相互に接続された複
数の電解セル１２，１４を含む。電解セル１２，１４は
電解質を形成する壁体１８，２０を有する円筒状チュー
ブである。壁体１８，２０は内部空間２２，２４を形成
し、その中で電気化学装置１０の作用中に気体を生成す
る。セル１２，１４、従って電解質１８，２０の形成に
適切な材料はセリアである。電解セル１２，１４の壁体
１８，２０の厚さは約０．１乃至５mmの範囲である。

【００３０】この電気化学装置の陽極と陰極は、同一ま
たは異なる材料で形成できる。例えば、セル１２，１４
の同心壁体１８，２０の内面に陽極２６，２８を形成す
る。陽極２６，２８は、壁体１８，２０に塗布したＬＳ
ＣＯ（ランタンストロンチウムコバルタイト）と銀の中
間被膜をもつＬＳＣＯの被膜である。この被膜は当業界
に周知の方法であるペーストの焼結またはスパッタリン
グにより接着できる。ＬＳＣＯ−銀陽極２６，２８の厚
さは約２０ミクロンである。

【００３１】陰極３０，３２は、セル１２，１４の同心
壁体１８，２０の外面に形成する。陰極３０，３２は電
解質の上に塗布し、その成分として少くとも５０％の銀
を含むＬＳＣＯ銀合金の中間塗膜をもつＬＳＣＯの塗膜
である。陰極３０，３２は、陽極２６，２８の方法と同
様に、壁体１８，２０に形成する。陰極材料の厚さは約
２０ミクロンである。壁体１８，２０の内面に塗布した
陽極２６，２８の被膜は、壁体の外面に塗布した陰極３
０，３２の被膜と同一の拡がりをもつ。

【００３２】隣接するチューブ状電解セル１２，１４を
相互接続部１６により相互に接続する。図２に示すよう
に、ベル型相互接続部１６は円形であって外側キャップ
３４と内側スリーブ３６を有する。外側キャップ３４は
１つのチューブ状セル１４の端の周りを囲み、かつチュ
ーブ状セル１４の壁体２０の外面と合致する大きさにな
っている。内側スリーブ３６は隣接するチューブ状セル
１２の壁体１８の内面に嵌合し、それにぴったりと合致
する大きさになっている。中心空洞は、１つのチューブ
状セル１２の内側２２と、隣接するチューブ状セル１４
の内側２４との間の通絡となる。

【００３３】図１に示すように、相互接続部１６の内側
スリーブ３６は、チューブ状セル１２の陽極２６に隣接
する。導体４０、例えば銀または銀合金を、陽極２６と
相互接続部１６との間に形成する。同様に、相互接続部
１６の外側キャップ３４は、チューブ状セル１４の陰極
３２に隣接し、導体４２は、相互接続部１６と陰極３２
の間に形成する。導体４０，４２は、陽極２６から相互
接続部１６へ、また相互接続部１６から陰極３２へ電子
を導く作用をする。電子が移動する通路を破線矢印４
４，４６で示す。

【００３４】チューブ状セル１２，１４と相互接続部１
６との間を気密封止するため、シーラントの形の封止手
段をその間に配置する。換言すれば、失透ガラスのシー
ラント４８は、相互接続部１６の周りで、チューブ状セ
ル１２の端が外側キャップ３４と合致するところに、ガ
ラス材料のビーズをその周りに置くことで形成する。そ
の後、ビーズを加熱して溶融させる。失透ガラス材料は
銀または銀合金電極の融点より低い融点を有するので、
封止形成のためのシーラントの加熱は電極材料に影響を
及ぼさない。冷却で、失透ガラスはガラス／セラミック
になる。失透ガラスシーラント５０と同じようなビーズ
を隣接するチューブ状セル１４の内面と相互接続部１６
との間に配置し、加熱後、冷却して気密封止を形成す
る。

【００３５】相互接続材１６の外側のシーラント４８
を、相互接続部１６の電子通路から離すように配置する
ことに注目すべきである。同様に相互接続材１６の内側
のシーラント５０を、相互接続部１６の電子通路から離
す。封止手段の位置決めにより、封止手段は、相互接続
部から、またなるべくなら電気化学セルが高温で作動す
る時、封止手段の腐食を防止するように電極から離すこ
とが好ましい。

【００３６】電気化学セルの製造は、先ず各チューブの
内外両面にＬＳＣＯ被膜を塗布した後、チューブを約１
１２０℃で焼成する。その後、ＬＳＣＯと銀パラジウム
合金の混合物の中間被膜を各チューブの内外両面のＬＳ
ＣＯ被膜の上に塗布する。この中間被膜に特に適切な組
成物は約７５％ＬＳＣＯ乃至約２５％銀−パラジウム合
金である。この中間被膜をチューブの両面に約１１２０
℃の温度で焼成して被着させる。その後、銀の被膜を各
チューブの内面に塗布して、各チューブ２６，２８の上
に集電手段を形成する。銀被膜は約７５０℃の温度で焼
成する。

【００３７】その後、チューブは相互接続部で両端を突
合せて接合する。相互接続部に失透ガラスを塗布し、約
９４０℃の温度で焼成する。その後、銀を各チューブの
外面に塗布して各陰極の上の集電手段とする。相互接続
したチューブを７５０℃の温度で焼成する。失透ガラス
の塗布と焼成に続き、陰極の上に銀の被膜を形成するこ
とは電気化学セルの作用に重要である。それは、もし失
透ガラスの塗布と焼成をする前に銀被膜を陰極上で高温
焼成すると、集電装置の性質を低下させるためである。

【００３８】操作中、直列の最初のチューブ状セルにお
いて電流を電極に印加する。電子は、チューブ状セルの
内面にある陰極から相互接続材の通路を通して隣接チュ
ーブ状セルの陰極に流れる。直列チューブ状システム
を、例えば酸素ガスの生成に用いる時、空気または他の
酸素含有気体が前記チューブ状セルの外側を取囲む。陰
極にある電子は酸素原子を酸素イオンにイオン化する。
酸素イオンは電圧差の影響をうけて電解質を通過してチ
ューブ状セルの内側に入り、そこで電子を陽極に付着さ
せ、酸素原子をチューブ状セルの内側に形成する。陽極
に付着した電子は、続いて相互接続材を通して隣接セル
の陰極に移動し、そのセルで反応を継続する。酸素原子
を形成する反応は下記の通り示される：陰極Ｏ₂＋４ｅ^-→２Ｏ^2- 陽極２Ｏ^2-→Ｏ₂＋４ｅ^- 直列に接続された複数のチューブ状セルは、更に直列に
接続されたもう１つの複数のチューブ状セルに接続して
相互接続された電解セルの一体システムを形成する。図
３，４と５に示すように、端キャップと連結構造材はチ
ューブ状セルの他の直列との同時接合に用いることがで
きる。雄型端キャップ６０を図３に示すように、チュー
ブ状セル６２の一端に取付けて陽極６４からの電子を導
く。雄型端キャップ６０は、チューブ状セル６２の端に
入るキャップ材６６を含む。このキャップ材６６は、相
互接続材について先に記述したものと同一の材料、すな
わち、熱膨脹率がチューブ状セル材料のそれと同等な高
導電性、耐酸化性材料で形成する。特に適切な材料はＬ
ＳＭ（Ｌａ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃）である。雄型端キャ
ップ材６６を通してステンレス鋼４４６の中空導管６８
を配置する。

【００３９】端キャップ６０を封止手段によりチューブ
状セル６２に接続して、このシステムを気密に封止す
る。シーラント７０、例えば失透ガラスを電解質７２と
キャップ材６６との間に配置する。シーラント７０を加
熱した後、相互接続材の封止について先に記述したよう
に冷却する。更にシーラント７６のビーズをチューブ状
セル６２の内側で中間導管６８とキャップ材６６の間に
配置する。シーラント７６を溶融した後、冷却して気密
封止を中空導管６８の周りに形成する。シーラント７
０，７６は、キャップ材６６を通して移動する電子の通
路から離れるよう配置する。

【００４０】導電性材料７８のブリッジを、陽極６４と
キャップ材６６の間のチューブ状セル６２の内面に形成
する。導電性材料７８は、更にキャップ材６６と中空導
管との間の端キャップ６０の外面に形成する。この導電
性材料は、相互接続材について先に述べた通りのもの、
すなわち銀、銀合金、白金などである。導体７８は電子
を陽極からキャップ材６６を通して、中空導管６８に破
線７９に示すように導く。中空導管６８の外面の上に更
に銀を完全に塗布する。導電性セラミック酸化物を導体
７８として用いることができるが、特に高温での可鍛性
が優れている金属が通常用いられる。

【００４１】図４に示すように、雌型端キャップ８０も
キャップ材８２を含み、チューブ状セル８４の端と、キ
ャップ材８２を通して配置された中空導管８６に入る。
雄型端キャップ６０の相互接続材と同様に、キャップ材
８２を、熱膨脹率がチューブ状材料と同等な高導電性、
耐酸化性材料で形成する。特に適切な材料はＬＳＭ（Ｌ
ａ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃）である。中空導管８６は導
体、なるべくならステンレス鋼４４６製が好ましい。

【００４２】キャップ材８２は、シーラント９０を間に
置いてセル８４の電解質８８に封止する。シーラント９
２のビーズもキャップ材８２と中空導管８６の間に配置
する。シーラント９０，９２は、なるべくなら先に述べ
たように失透ガラスであることが好ましい。シーラント
を加熱した後、冷却して端キャップ８０とチューブ状セ
ル８４との間に気密封止を形成する。シーラント９０，
９２は、導電性の電子通路から離して配置する。

【００４３】適切な導体９４として銀、銀白金、白金な
どをチューブ状セル８４の外側に適用する。これが陰極
９６から端キャップ材８２の上を蔽い、中空導管８６に
伸び、導管８６を蔽う。導体９４は、このようにして電
子が陰極９６と中空導管８６との間を破線９８で示した
ように移動する電子通路を形成する。注目すべきこと
は、チューブ状セル８４の陽極１００が、図４に示すよ
うにキャップ材８２に接触しないので、セルの短絡を防
ぐことである。

【００４４】分離した直列の相互接続チューブ状セル
は、図５と６に示す連結構造材１０２と共に形成しても
差支えない。連結構造材１０２は便宜なものであればど
のような形状ものでもよいが、ここではＵ字形チューブ
として示している。連結構造材１０２の片方の端１０４
を第１の直列のセルの終端セルに固定された雄型端キャ
ップに接続し、また連結構造材１０２の他端１０６を、
第２の直列セルの終端セルに固定された雌型端キャップ
に接続する。連結構造材は高導電性、耐酸化性材料で形
成する。適切な材料は登録商標インコネル（Ｉｎｃｏｎ
ｅｌ）とステンレス鋼を含む。特に適切な材料はステン
レス鋼３１６Ｌである。

【００４５】連結構造材１０２は、溶接、鑞付け、はん
だ付けなどを含むどのような適切な手段で端キャップに
接合しても差支えない。この構造材の接合に特に適切な
手段は、銅、亜鉛、カドミウムもしくは類似の材料を含
む銀合金鑞付け材料を用いる銀鑞付けである。特に適切
な鑞付け材料は４５％の銀、３０％の銅と２５％の亜鉛
を含む。このような合金は、封止領域において有効な導
電性を維持するのみならず気密封止も行う。図６に示す
ように、連結構造材１０２は中空で第１の直列チューブ
状セルと第２の直列チューブ状セルの間に気体を連通さ
せる。鑞付け後、第１と第２の直列チューブ状セルの間
に電気接続を必要とする場合、Ｕ字形チューブに銀また
は銀合金を塗布する。

【００４６】他の例では図７と８に示すように、カラー
１４０，１４２，１４４，１４６，１４８，１５０が相
互接続材１３０，１３２，１３４と界面連結する各チュ
ーブ状セル１２０，１２２，１２４，１２６の端と結合
している点を除いて、先に述べた通り、チューブ状円筒
セル１２０，１２２，１２４，１２６は相互接続材１３
０，１３２，１３４により相互に結合している。チュー
ブの端を結合するカラー１４０，１４２，１４４，１４
６，１４８，１５０は、チューブ状セルと相互接続材と
の間の寸法許容度を大きくして、セルの相互接続材に対
する封止を単純化する。また、封止域が拡大するので、
封止の保全性も増大する。

【００４７】図８に更に明瞭に示すように、第１の電解
質セル１２０を第２の電解質セル１２２に相互接続材１
３０で結合する。電解質セル１２０，１２２は円筒形で
あって、壁体がセル１２０，１２２の電解質１５２，１
５４を形成する。陽極を電解質１５２，１５４の内面に
つけて形成し、陰極１６０，１６２を先に説明した通
り、ＬＳＣＯの被膜とＬＳＣＯ−銀合金の中間被膜を電
解質１５２，１５４の外面に適用して形成する。その
後、銀の被膜を各セルの内面に先に説明の通りに適用す
る。

【００４８】カラー１４０，１４２は電解質１２０，１
２２の端と連結している。カラー１４０，１４２は典型
的例として電解質の材料と同一のセラミック材料製であ
る。従って、カラーは電解質と同等な熱膨脹率を有す
る。カラーを耐酸化性材料、例えばジルコニア、ハフニ
ア、酸化ビスマス、セリアまたは同様の材料で形成す
る。セリアと他のセラミックスは、更に多様な材料、例
えばカルシアでドープできる。カラー１４０，１４２の
材料は、電解質セルを形成する材料と同一のものであっ
ても、なくても差支えない。カラーが電解質セル材料の
熱膨脹率と同等な熱膨脹率を有することが重要である。
カラー１４０，１４２は、その中に形成され、セルの端
を収容する寸法にした溝１６４を設けた環状円板であ
る。この溝とセル１２２の端との間を締り嵌めにする必
要はない。

【００４９】図に示すように、セル１２０，１２２のカ
ラー１４０，１４２の間にシーラント１６６を配置して
固定できる。シーラントは高温作業条件下の封止を維持
できる材料である。特に適切な材料としては、アルミノ
珪酸塩ガラス、例えばリチウムアルミノ珪酸塩のような
高温ガラスである。他の例として、カラー１４０，１４
２をセル１２０，１２２の端に、当業界で周知の方法に
よって焼結してもよい。その後、カラー１４０，１４２
をシーラント１６８、例えば失透ガラスにより相互接続
材１３０に封止できる。

【００５０】集電装置として作用する銀の被膜を各チュ
ーブの外側、陰極の上に適用して、先に述べたように７
５０℃の温度で焼成する。導体１７０を、１つの電解セ
ル１２０の陽極１５６と、カラー１４０と、相互接続材
１３０との間に入れて電子通路をその間に形成する。更
に導体１７２を、相互接続材１３０と、カラー１４２
と、隣接電解セル１２２の陰極１６２との間に入れて、
隣接セルの陽極１５６と陰極１６２との間の導電性通路
を形成する。電子が移動する通路を破線１７４で示す。
導体１７０，１７２は高導電性材料、例えば銀または銀
合金である。

【００５１】図７，９と１０参照。複数の直列チューブ
状セル１２０，１２２，１２４，１２６は、直列の終端
セル１２０，１２６に接続された端キャップ１８０部に
より形成できる。図９に示す雌型端キャップ部１８２は
第１の終端セル１２０のセリアカラー１８４に対し、先
に説明したシーラント手段により封止する。導体１８６
は、端キャップ部１８２と、カラー１８４と、セル１２
０の陰極１８８との間に配置する。図１０に示す雄型端
キャップ部１９０は、第２の終端セル１２６のカラー１
９２に対し、先に説明した封止手段により封止する。導
体１９４を、端キャップ部１９０と、カラー１９２と、
セル１２６の陽極１９６との間に配置して、これらの間
に電子通路を形成する。

【００５２】この実施態様の端キャップ部１８０に用い
る材料は、図１乃至６に示した例について説明したもの
と同一である。同様に中空導管１９８，２００は、端キ
ャップ部１８０から延びて、溶接２０２，２０４か、プ
レス嵌めなどにより、連通した中空導管１９８，２００
の間で、電子と気体の通路を形成する。

【００５３】図１１は本発明の他の実施態様で、複数の
平板状固体電解セルを直列配置に一体化したものを示
す。図１１に示すように、本発明の電気化学装置３１０
は、導電性相互接続層３１６により相互に接合された複
数の電解セル３１２，３１４を有する。相互接続層３１
７も、同様に電解セル３１４ともう１つの電解セルの接
続に用いるか、あるいは本装置の終端を端キャップ（図
示せず）を介して形成するのに用いることができる。電
解セル３１２，３１４は、第１の面と第２の面をもつイ
オン導電性電解質層３１８と３２０からなる。電解セル
３１２，３１４のイオン導電性電解質層３１８，３２０
はその厚さが約５μｍ乃至１mmである。

【００５４】電解質層３１８，３２０はチューブ状設計
の実施態様に用いた材料と同一の材料で形成し、なるべ
くなら少くとも２種類の金属の酸化物または少くとも２
種類の金属酸化物の混合物を含む多成分イオン導電性金
属酸化物で形成し、その場合、多成分金属酸化物は装置
の作業温度すなわち典型的例として約５００℃より高い
温度でイオン導電性を示すことが好ましい。多成分イオ
ン導電性金属酸化物は次式：Ａ_xＡ’_x'Ａ''_x'Ｏ_z〔式
中、Ａ，Ａ’，Ａ''はＩＵＰＡＣの元素周期律表による
第２族、第３族、第１３族、第１４族と第１５族、Ｆブ
ロックのランタニドとＤブロックの遷移金属から独立し
て選ばれ、０＜ｘ≦１，０＜ｘ’≦１，０≦ｘ''≦１，
ｘ＋ｘ’＋ｘ''＝１、かつ、ｚは前記化合物の電荷を中
性にする数である〕で示す。代表的例は、１０００℃の
温度で０．１ohm ^-1cm^-1の酸素イオン導電性と、１に近
いイオン輸送数（イオン導電性の全導電性に対する比）
をもつＹ_0.182Ｚｒ_0.818Ｏ_1.909である。他の例はＳ
ｒ_0.1Ｃｅ_0.9Ｏ_1.9とＢｉ_0.875Ｖ_0.125Ｏ_0.687を
含む。

【００５５】陽極層３２６，３２８は、セル３１２，３
１４の電解質層３１８，３２０の第１の面につけて形成
する。陽極層３２６，３２８は、耐酸化性金属、合金ま
たは次式：Ａ_xＡ’_x'Ａ''_x''Ｂ_yＢ’_y'Ｂ''_y''Ｏ
_3-z〔式中、Ａ，Ａ’，Ａ''はＩＵＰＡＣの元素周期律
表による第１族、第２族と第３族およびＦブロックのラ
ンタニドからなる群より選ばれ；そしてＢ，Ｂ’，Ｂ''
はＤブロックの遷移金属より選ばれ、０＜ｘ≦１，０≦
ｘ’≦１，０≦ｘ''≦１，０＜ｙ≦１，０≦ｙ’≦１，
０≦ｙ''≦１，ｘ＋ｘ’＋ｘ''＝１，ｙ＋ｙ’＋ｙ''＝
１、そしてｚが前記化合物の電荷を中性にする数字〕で
示される多成分混合導電性酸化物で形成できる、あるい
は金属（もしくは合金）またはこれら２つの混合物で形
成できる。例えば、陽極層３２６，３２８は、Ｌａ_xＳ
ｒ_1-xＣｏＯ_3-z〔式中、ｘは０．２乃至１．０の範囲
であり、そしてｚは前記化合物の電荷をランタンストロ
ンチウムコバルタイトの中間被膜で中性にする数〕で形
成できる。そして銀または銀パラジウム合金を、電解質
３１８，３２０の第１の表面に塗布する。この被膜は、
例えばスクリーン印刷もしくはスパッタリングによる
か、または当業界で周知の方法により塗布したペースト
を焼結して付着させ得る。陽極３２６，３２８の厚さは
約０．１乃至１００ミクロンである。

【００５６】陰極層３３０，３３２を、セル３１２，３
１４の電解質層３１８，３２０の第２の面に形成する。
陰極層３３０，３３２は、耐酸化性金属、合金または先
に説明の式による多成分混合導電性酸化物の被膜を含む
ことができる。例えば、少くとも５０％の銀を含むＬＳ
ＣＯ−銀合金の中間被膜を電解質の上に配置することが
できる。陰極層３３０，３３２を電解質層３１８，３２
０の第２の面に、陽極層３２６，３２８と同様の方法で
形成する。陰極材料の厚さは約０．１乃至１００ミクロ
ンである。電解質層３１８，３２０の第１の面上の陽極
層３２６，３２８の被膜は、電解質層の第２の面上の陰
極層３３０，３３２の被膜と同一の拡がりを有する。

【００５７】この平板状実施態様の陽極層と陰極層の形
成に特に適切な材料は、ランタンストロンチウムコバラ
イト、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ラ
ンタンバリウムコバルタイト、ストロンチウムコバルト
フェライトとランタンバリウムコバルトフェライトを含
む。別の例として、陰極層と陽極層が銀または銀の合金
を更に含むことができる。

【００５８】隣接する電解セル３１２，３１４は、相互
接続層３１６によって相互に接続する。相互接続層３１
６は、電解質層３１８，３２０と同等な熱膨脹率と高電
子導電性と低イオン導電性とをもつ耐酸化性材料であ
る。この材料は先に述べた組成物の多成分電子導電性酸
化物、金属もしくは合金、あるいはその２つの混合物で
あり得る。適切な電子導電性酸化物は、ランタンストロ
ンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムクロマ
イト、ランタンカルシウムマンガナイトとランタンカル
シウムクロマイトを含む。流路は、例えば相互接続材の
第２の面にテープを押圧またはテープ付けして形成す
る。気体通路３２２，３２４は、相互接続材の第１の面
と隣接陽極３２６，３２８との間に形成して、生成酸素
の捕集に役立てる。気体通路３００，３０２は、相互接
続材の第２の面と隣接陰極層３３２との間に形成して、
供給酸素含有気体の装置への導入に役立てる。

【００５９】供給気体を装置に導入する各気体通路と、
酸素生成物または他の気体生成物を捕集する気体通路
は、特定の用途に好ましい気体の集配に適応するように
構成できる。なるべくなら、各気体通路は、酸素含有気
体を導く通路が、装置で生成した酸素の捕集に用いる気
体通路に対して実質的に垂直の方向に通るように配列す
る。このようにして、マニホールドを１つまたは複数の
セルに都合よく取付けることができる。他の例として、
各気体通路を、酸素含有気体を導入する通路が酸素生成
物の捕集に用いる気体通路に対して実質的に平行する方
向に通して、並流または向流とするよう配列する。各気
体通路の方向は、このような両極端の間で変動させ得る
ことは勿論である。

【００６０】図１１に示すように、相互接続層３１６の
第１の面は、セル３１２の陽極層３２６に隣接する。導
体３４０，３４１は、例えば銀もしくは銀合金、あるい
は陽極層もしくは相互接続層の材料であり、陽極層３２
６と相互接続層３１６との間、および陽極層３２８と相
互接続層３１７との間に任意に形成できる。同様に相互
接続層３１６の第２の面（図示せず）はセル３１４の陰
極層３３２に隣接し、そして導体３４２を相互接続層３
１６と陰極層３３２の間に任意に形成できる。導体３４
０，３４２は、陽極層３２６から相互接続層３１６へ、
また相互接続層３１６から陰極層３３２へ電子を導くの
に役立つ。

【００６１】セル３１２，３１４と相互接続層３１６と
の間の気密封止を行うため、シーラントの形にした封止
手段をその間に配置する。換言すれば、適切な組成のシ
ーラント３４８、例えば失透ガラスを相互接続層３１６
と、電解質３２０の第２の面の２つの対向縁との間に、
ガラス材料のビーズを周りに配置して形成する。その
後、ビーズを加熱して溶融させる。失透ガラス材料はセ
ルの他の成分の融点よりも融点が低く、封止形成シーラ
ントの加熱は、電解質材料に影響を及ぼさない。失透ガ
ラスは冷却するとガラス／セラミックになる。失透ガラ
スシーラント３４９，３５０の同様のビーズを隣接電解
質層３１８，３２０の第１の面の対向縁と、相互接続層
３１６，３１７との間に配置して、加熱、冷却して、気
密封止を形成する。他の例として封止３４８，３４９と
３５０は、適切な耐酸化性金属鑞付け合金、例えばＡｇ
／Ｐｄで構成することができる。注目すべきことは、相
互接続層３１６の第２の面のシーラント３４８は、相互
接続層３１６の電子通路から離れるように配置すること
である。同様に、相互接続層３１７の第１の面のシーラ
ント３５０は相互接続層３１７の電子通路から離す。

【００６２】平板状電気化学セルは、次の一般的手順、
すなわち陰極層、陽極層、相互接続層と電解質層の材料
を先に列挙した材料のいずれかから選ぶことで作製でき
る。先ず、導体例えばＬＳＣＯの被膜を、所望の電解質
層の第１と第２の両面に塗布する。その後、セルを１０
５０乃至約１２００℃の範囲の温度で焼成する。その
後、ＬＳＣＯと銀／パラジウム合金との混合物の中間被
膜を各セルの面のＬＳＣＯ被膜の上に置く。中間被膜の
特に適切な組成は約７５％のＬＳＣＯに対し約２５％の
銀・パラジウム合金である。この合金における銀のパラ
ジウムに対する比は変動するが、７０％に対し３０％の
比が適切である。中間被膜は、１０５０乃至約１２００
℃の範囲の温度でセルの両面に焼成する。他の例とし
て、両被膜を同時に焼成しても差支えない。その後、セ
ルを向い合せにして、相互接続層を取付けて電気的直列
に接続できる。電解質板または相互接続層のいずれかの
上に、ペーストとしてスクリーン印刷できる失透ガラス
を塗布してから相互接続層をセルに取付けた後に堆積体
を形成する。堆積体は９００乃至約１１００℃の範囲の
温度で焼成する。

【００６３】操作中に、堆積体の上部と下部にある端末
相互接続層を横切って電圧を印加する。端末部材相互接
続層は、電極層に隣接する面に形成したただ１組の流路
のみを有する。電子は、電解質層の第１の面にある陽極
層から相互接続層の通路を通して隣接セルの陰極に流れ
る。直列堆積平板状システムを、例えば酸素ガスの発生
または濃縮に用いる時、供給原料流体、例えば空気また
はプロセス排ガスを気体通路３００，３０２に通す。陰
極層における電子は、酸素分子を酸素イオンにイオン化
する。酸素イオンは、陽極層に印加された電圧差の影響
を受けて電解質層を通過し、そこで電子が放出されて、
酸素分子が気体通路３２２，３２４の内部で形成され
る。陽極層で放出された電子は、相互接続層を通して隣
接セルの陰極層に移動し続け、そのセルでこの反応を継
続する。

【００６４】相互接続層に形成する気体通路の寸法は、
平板状セルの堆積体の特定機能と作業条件のため最適化
できる。例えば、脱酸素においては、供給気体が＜５％
Ｏ₂を含み、その目的が流体から酸素を＜１ppm のレベ
ルにまで除去することである時、気体通路３００，３０
２の深さを浅くして、陰極面までの酸素の拡散路長を最
小限に止めることができる。この場合、深さを＜１mmに
することができるが、通路の幅と間隔は、通路を通る気
体の圧力降下と、陰極の電気面積抵抗とセル集合体の強
度とを考慮して設定できる。気体通路は、リブ、スタテ
ィックミキサーまたは他の手段を加えて、気相拡散抵抗
を最小にすることができる。

【００６５】気体通路は、多様な形状、横断面、例えば
長方形、台形、半円形などとして相互接続層内に設ける
ことができる。所定の用途には、不必要な実験をするこ
となく、通路の深さと間隔を多様化して、最適設計を決
めることができる。例えば、電解質を通して輸送する成
分気体の電極面に対する拡散束を増大させるため、通路
の深さを、電極層の表面を横切る距離と共に減少させる
ことができる。

【００６６】他の実施態様（図示せず）では、図１１に
示す個々の気体通路を、部分的または全体的に気相拡散
抵抗を最少限にする手段と取換えることができる。適切
な手段は、気体流を分配しながら作業中の圧力降下を最
少限に止めるように設計した孤立させた円筒状、円錐状
または角形のピンの反復網状組織である。

【００６７】複数の平板状電解セルをもう１つの平板状
セルに直列に接続して図１２に示す相互接続電解セルの
一体システムを形成することができる。酸素含有供給気
体を、マニホールド４０１の供給原料入口４０８を経由
して気体通路４００に導入できる。その後、酸素を消耗
した気体をマニホールド４０２の供給原料出口４１０か
ら排出する。気体通路４２２から滲出する分離された酸
素は、マニホールド４０１，４０２に垂直な堆積体の面
に取付けられたマニホールド４０４，４０６により捕集
でき、出口４１２と４１４を経て出る。マニホールドを
堆積体の面につけて封止し、隣接セルとの短絡を、例え
ば電気絶縁性の失透シーラントまたはガラス状シーラン
トで防止する。

【００６８】直流または整流された交流の電源４２１
を、端末相互接続材４１６と４１８を通して接続する。
酸素を電解質を通して輸送する時、電源の陰端子を（任
意の端板または被膜４１７を介して）端末陰極相互接続
材４１６に接続し、また陽端子を端末陽極相互接続材４
１８に（これも任意の端板または被膜４１９を介して）
接続する。電流を堆積体に通して、酸素を分離するのに
十分な電圧を堆積体に印加する。

【００６９】例えば酸素を空気から分離する他の実施態
様では、複数の堆積体５０６を図１３に示すように、他
の酸素捕集マニホールド５００，５０２を介して気密に
直列接続できる。この堆積体を共通の空気供給プレナム
５０４に取付け、更に気体分配板５１０を設けることが
できる。個々の堆積体の間の間隙に不活性絶縁材（図示
せず）を充填する。堆積体間の電気接続は技術上便宜な
ように、直列または並列の配置にするか、あるいはこれ
らの組合せにすることができる。

【００７０】本発明の電気化学装置を操作して、酸素を
酸素含有混合気体から除去する時、混合気体を並列の堆
積体にマニホールド５００を介して導入し、酸素が消耗
した混合気体をマニホールド５０２を介して捕集する。
装置の操作中に除去された酸素はプレナム５０４を介し
て捕集する。他の例として酸素含有混合気体が直列流れ
構成の交互堆積体を通過するようにマニホールドを配置
することもできる。

【００７１】

【発明の効果】本発明の電気化学装置は、操作中の電気
的および気密的の保全性を維持する相互接続された直列
の平板状電解質セルを提供する。相互接続材の構成と、
シーラントの配置が電解質セルの内部と外部との環境の
間に気密遮断層を設けるのみならず、高作業温度による
封止の劣化または腐食を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１のチューブ状セルと第２のチューブ状セル
の間に配置した相互接続部を具体的に示す縦断面図であ
る。

【図２】図１の線Ａ−Ａで切断した相互接続部の横断面
図である。

【図３】本発明の雄型端キャップ縦断面図である。

【図４】本発明の雌型端キャップの縦断面図である。

【図５】連結構造材の平面図である。

【図６】図５に示す連結構造材の線Ｂ−Ｂ横断面図であ
る。

【図７】本発明の他の実施例を示す直列の相互接続部の
縦断面図である。

【図８】図７に示す相互接続部の拡大図である。

【図９】図７に示す雌型端キャップの拡大図である。

【図１０】図７に示す雄型端キャップの拡大図である。

【図１１】第１の平板状セルと第２の平板状セルを含
み、第１の平板状セルと第２の平板状セルの間に配置し
た相互接続材により接合させた電気化学装置を示す斜視
図である。

【図１２】作業中に形成された生成物をマニホールドで
捕集する、図１１の電気化学装置を更に示す斜視図であ
る。

【図１３】捕集マニホールドを介して気密に並列接続さ
れた複数の堆積体を用いた、空気から酸素を分離する他
の実施態様を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０…電気化学装置１２…電解セル１４…電解セル１６…相互接続部１８…同心壁体２０…同心壁体２２…内部空間２４…内部空間２６…陽極２８…陽極３０…陰極３２…陰極３４…外側キャップ３６…内側スリーブ３８…中心空洞４０…導体４２…導体４４…通路４６…通路４８…シーラント５０…失透ガラスシーラント６０…雄型端キャップ６２…チューブ状セル６４…陽極６６…キャップ材６８…中空導管７０…シーラント７２…電解質７６…シーラント７８…導電性材料７９…電子通路８０…雌型端キャップ８２…キャップ材８４…チューブ状セル８６…中空導管８８…電解質９０…シーラント９２…シーラント９４…導体９６…陰極９８…電子通路１００…陽極１０２…連結構造材１０４…連結構造材の片方の端１０６…連結構造材の他端１２０…終端電解セル１２２…電解セル１２４…電解セル１２６…終端電解セル１３０…相互接続材１３２…相互接続材１３４…相互接続材１４０…カラー１４２…カラー１４４…カラー１４６…カラー１４８…カラー１５０…カラー１５２…電解質１５４…電解質１５６…陽極１５８…陽極１６０…陰極１６２…陰極１６４…溝１６６…シーラント１６８…シーラント１７０…導体１７２…導体１８０…端キャップ部１８２…雌型端キャップ部１８４…カラー１８６…導体１８８…陰極１９０…雄型端キャップ部１９２…カラー１９４…導体１９６…陽極１９８…中空導管２００…中空導管２０２…溶接２０４…溶接３１０…電気化学装置３１２…電解セル３１４…電解セル３１６…導電性相互接続材３１８…電解質層３２０…電解質層３２２…気体通路３２４…気体通路３２６…陽極層３２８…陽極層３３０…陰極層３３２…陰極層３４０…導体３４１…導体３４２…導体３４８…シーラント３４９…失透ガラス３５０…シーラント４００…気体通路４０１…マニホールド４０２…マニホールド４０４…マニホールド４０６…マニホールド４０８…供給原料入口４１０…供給原料出口４１２…出口４１４…出口４１６…端末相互接続材４１７…任意端板／被膜４１８…端末相互接続材４１９…任意端板または被膜４２１…電源４２２…気体通路５００…マニホールド５０２…マニホールド５０４…プレナム５１０…気体分配板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ポール．ナイジェル．ダイヤーアメリカ合衆国．18103．ペンシルバニア州．アレンタウン．プレザント．ロード．3920 (72)発明者エリック．マインフォードアメリカ合衆国．18059．ペンシルバニア州．ローリス．スティション．シェアウッド．ドライブ．1127 (72)発明者スティーブン．リー．ルセックアメリカ合衆国．18104．ペンシルバニア州．アレンタウン．コベントリー．ロード．1430 (72)発明者メリル．アンダーソン．ウィルソンアメリカ合衆国．84084．ユタ州．サウス．ウエスト．ジョーダン．7260．ウエスト．3528 (72)発明者ディル．エム．テイラーアメリカ合衆国．84117．ユタ州．ソルト．レイク．シティ．49．アパートメント．スタンドパイパー．ウェイ．1475 (72)発明者ブレット．タマテア．ヘンダーソンアメリカ合衆国．84105．ユタ州．ソルト．レイク．シティ．インペリアル．ストリート．2022 (56)参考文献特開平３−65517（ＪＰ，Ａ) 特開平６−96780（ＪＰ，Ａ) 特開平５−62688（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−250065（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/06 C25B 9/06 B01D 53/32 H01M 8/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質による酸素を製造用の電気化学固
体装置であって、複数の平板状電解セルの各平板状電解セルが、イオン導
電性電解質層と、前記電解質層の第１の面に接する第１
の電極層と、前記電解質層の第２の面に接する第２の電
極層とを有し；前記導電性相互接続層の第１の面が、第１の平板状電解
セルの第２の電極層に接続し、前記第１の面が、電解質
を通して酸素を輸送するための供給流体を導入する少な
くとも１つの気体通路を有し；かつ前記導電性相互接続
層の第２の面が、第２の平板状電解セルの第１の電極層
に接続し、前記第２の面が、電解質層を通して輸送され
る酸素を排出する少なくとも１つの気体通路を有し；さ
らに、前記導電性相互接続層が、第１の平板状電解セルの第２
の電極層と、第２の平板状電解セルの第１の電極層との
間に、電子移動通路を形成しており、それによって、前記複数の板状電解セルがその間に存在
する一体の導電性相互接続層によって電気的に直列に接
続され、且つ、前記板状電解セルと前記導電性相互接続層の間は
その間に存在する前記気体通路が気密にされるように封
止手段により封止されていることを特徴とする、酸素製
造用電気化学固体装置。
【請求項２】前記各電解セルの導電性相互接続層の第
１の面にある気体通路の方向が、前記導電性相互接続層
の第２の面にある気体通路の方向と実質的に垂直に配置
されている、請求項１の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項３】前記各電解セルの相互接続層の第１と第
２の面にある気体通路が、さらに気相拡散抵抗を減ずる
手段を有する、請求項２の酸素製造用電気化学固体装
置。
【請求項４】前記気相拡散抵抗を最少にする手段が、
ピン、リブまたはスタティックミキサーを含む、請求項
３の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項５】前記各平板状電解セルのイオン導電性電
解質層が、少くとも２つの異種金属の酸化物または少く
とも２つの異種金属酸化物の混合物を含む多成分イオン
導電性金属酸化物から相互に関係なく選ばれている、請
求項１の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項６】前記多成分イオン導電性金属酸化物が、
次式：Ａ_xＡ’_x'Ａ''_x''Ｏ_z 〔式中、Ａ，Ａ’，Ａ''はＩＵＰＡＣの元素周期律表に
よる第２族、第３族、第１３族、第１４族と第１５族、
ＦブロックのランタニドとＤブロックの遷移金属から相
互に関係なく選ばれ；かつ、０＜ｘ≦１，０＜ｘ’≦１，０≦ｘ''≦１，ｘ＋ｘ’＋
ｘ''＝１、そしてｚは前記化合物電荷を中性にする数〕
で示される、請求項５の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項７】前記多成分イオン導電性金属酸化物が、
カルシアでドープしたセリア、イットリアでドープした
セリア、ストロンチアでドープしたセリア、イットリア
・マグネシアでドープしたジルコニア、イットリアでド
ープしたジルコニア、ビスマス・バナジウム酸化物、セ
リアおよびハフニアからなる群より選ばれている、請求
項６の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項８】前記各平板状電解セルの陽極層と陰極層
が、多成分混合導電性酸化物を相互に関係なく含む、請
求項２の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項９】前記多成分混合導電性酸化物が、次式：Ａ_xＡ’_x'Ａ''_x''Ｂ_yＢ’_y'Ｂ''_y''Ｏ_z 〔式中、Ａ，Ａ’，Ａ''はＩＵＰＡＣの元素周期律表に
よる第１族、第２族と第３族およびＦブロックのランタ
ニドからなる群より選ばれ；かつ、Ｂ，Ｂ’，Ｂ''はＩＵＰＡＣの元素周期律表によるＤブ
ロックの遷移金属より選ばれ、０＜ｘ≦１，０≦ｘ’≦
１，０≦ｘ''≦１，０＜ｙ≦１，０≦ｙ’≦１，０≦
ｙ''≦１，ｘ＋ｘ’＋ｘ''＝１，ｙ＋ｙ’＋ｙ''＝１そ
してｚは前記化合物電荷を中性にする数〕で示される、
請求項８の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項１０】前記多成分混合導電性酸化物が、ラン
タンストロンチウムコバルタイト、ランタンストロンチ
ウムコバルトフェライト、ランタンバリウムコバルタイ
ト、ランタンバリウムコバルトフェライトとストロンチ
ウムコバルトフェライトからなる群より選ばれている、
請求項９の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項１１】前記各平板状電解セルの陽極層と陰極
層が、金属または合金を相互に関係なく含む、請求項１
の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項１２】前記各平板状電解セルの陽極層と陰極
層が銀を含む、請求項１１の酸素製造用電気化学固体装
置。
【請求項１３】前記導電性相互接続層が耐酸化性の金
属または合金を含む、請求項１の酸素製造用電気化学固
体装置。
【請求項１４】前記各平板状電解セルの導電性相互接
続層が多成分電子的導電性金属酸化物を含む、請求項１
の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項１５】前記多成分導電性金属酸化物が、ラン
タンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチ
ウムクロマイトおよびランタンカルシウムマンガナイ
ト、ならびにランタンカルシウムクロマイトからなる群
より選ばれている、請求項１４の酸素製造用電気化学固
体装置。
【請求項１６】前記封止手段が、５００℃より高い温
度で気密封止を維持し、かつ前記導電性相互接続層およ
びイオン導電性電解質層の熱膨脹率と同等な熱膨脹率を
有する、請求項２の酸素製造用電気化学固体装置。
【請求項１７】前記封止手段が、失透ガラス、ガラ
ス、ガラス−セラミック複合材料、ガラス−金属複合材
料、および耐酸化性金属合金、ならびに鑞付け金属から
なる群より選ばれている、請求項１６の酸素製造用電気
化学固体装置。