ガラス層による接合体、ガラス層による接合体の製造方法及び酸素富化器
【課題】ガラス層の気泡内とガラス層外方との間に気圧差が生じることによって、セラミックス板等の板状体に割れが生じることを防止できるガラス層による接合体を提供する。
【解決手段】板状体（２１）の板面が被貼着体（３）の平らな表面に、両者の間にパターン形成された枠状のガラス層（２５）によって貼設されてなるガラス層による接合体において、上記ガラス層を、上記板状体が上記被貼着体に貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも上記板状体との接触面において、中抜きパターン（４３、５４、５８、５９、６３、６４、７１）が形成されることにより細線状に形成した。
【解決手段】板状体（２１）の板面が被貼着体（３）の平らな表面に、両者の間にパターン形成された枠状のガラス層（２５）によって貼設されてなるガラス層による接合体において、上記ガラス層を、上記板状体が上記被貼着体に貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも上記板状体との接触面において、中抜きパターン（４３、５４、５８、５９、６３、６４、７１）が形成されることにより細線状に形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、酸素富化器や燃料電池を含む電気化学反応装置等を構成する電解質基板等の板状体がガラス層によってセパレータ等の基板に貼設されてなるガラス層による接合体、及びこのガラス層による接合体の製造方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、上記酸素富化器によって電気化学反応により空気等の酸素含有ガス中から酸素を分離し、選択的に取り出すことができることが知られており、近年、エアコンなどの家庭用の電気機器類において、この酸素富化器を用いて、簡易的に室内を酸素富化雰囲気にする試みがなされている。
【０００３】
上述の酸素富化器は、例えば、特許文献１に示すように、電解質基板の一方の面にアノード電極が形成され、他方の面に上記アノード電極と対になるカソード電極が形成された電気化学セルによって構成されている。
そして、電気化学セルによって、酸素含有ガスから酸素を選択的に分離し、アノード電極面から供給することができる。
【０００４】
一方、この酸素富化器は、本出願人が先の出願において発案しているように、上記電気化学セルの上記アノード電極の形成面を、表面に酸素流路が形成された板状のセパレータ表面に対向配置させることにより、酸素流路から酸素を取り出すことが可能となる。
【０００５】
ところで、この電解質基板は、セラミックス等により形成されるとともに、上記セパレータは、表面に酸素流路となる空洞が開口している金属板等によって形成されており、このセラミックス板と金属板等との一体化は、特許文献２に示すように、ガラス接合により行う方法が知られている。
【０００６】
そして、このガラス接合を酸素富化器に適用した場合、図１１に示すように、セラミックス板９１は、空洞９５の外周部において、金属板９２との間に形成された太枠状のガラス層９６によって金属板９２に貼設されている。
【０００７】
ところで、このガラス層９６は、セラミックス板９１及び金属板９２の少なくともいずれか一方に、バインダーや溶剤等と混合された原料となるガラス粉がパターン形成された後、乾燥、焼成させることによって形成される。
その際、焼成時に高温に加熱されることにより、バインダーや溶剤等の蒸発とともに、気泡が発生する。そして、焼成後に、温度が低下すると、ガラス層９６における気泡内の気圧が低下し、気泡内とガラス層９６外方との間に気圧差が生じることによって、セラミックス板等に応力が作用し、割れが生じ得るという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−８９２３４号公報
【特許文献２】特開２００５−３２２４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、ガラス層の気泡内とガラス層外方との間に気圧差が生じることによって、セラミックス板等の板状体に割れが生じることを防止できるガラス層による接合体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明に係るガラス層による接合体は、板状体の板面が被貼着体の平らな表面に、両者の間に介装された枠状のガラス層によって貼設されてなるガラス層による接合体において、上記ガラス層は、上記板状体が上記被貼着体に貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも上記板状体との接触面において、上記貼設に寄与しない中抜きパターンが形成されることにより細線状に形成されていることを特徴としている。
【００１１】
ここで、ガラス層が少なくとも上記板状体との接触面において、上記貼設に寄与しない中抜きパターンが形成されていることにより細線状に形成されているとは、例えば、ガラス層が２層状に形成され、板状体側のガラス層のみが中抜きパターンを有する場合や両層のガラス層が中抜きパターンを有する場合、またガラス層が単層状に形成され、板状体側の一部が中抜きパターンを有する場合や層厚方向に均等に中抜きパターンを有する場合を意味するものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガラス層による接合体において、上記中抜きパターンが上記ガラス層による枠の内方及び／又は外方に連通するように形成されていることを特徴としている。
【００１３】
一方、請求項３に記載の発明に係るガラス層による接合体の製造方法は、対向配置される板状体の板面及び被貼着体の平らな表面の少なくともいずれか一方に、請求項１又は２に記載のガラス層を印刷又は転写によってパターン形成し、このパターン形成されたガラス層を乾燥させた後に、このガラス層を介して上記板状体を上記被貼着体に貼設し、次いで、上記板状体及び上記被貼着体に上記板厚方向に向けて荷重を作用させた状態において、上記ガラス層を大気圧下で焼成させることを特徴としている。
【００１４】
他方、請求項４に記載の発明に係る酸素富化器は、電解質基板の一方の面にアノード電極が形成され、他方の面に上記アノード電極と対になるカソード電極が形成された板状の電気化学セルと、この電気化学セルによって、上記カソード電極面から上記アノード電極面に酸素含有ガスから選択的に分離供給された酸素を取り出す酸素流路が形成された板状のセパレータとが、上記電気化学セルのアノード電極の形成面を上記セパレータの上記酸素流路に向けて対向配置される酸素富化器であって、上記セパレータは、請求項１又は２に記載の被貼着体であり、上記電気化学セルは、請求項１又は２に記載の板状体であり、かつ上記電気化学セルと上記セパレータとは、上記酸素流路の外周部において、請求項１又は２に記載のガラス層によって貼着一体化されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１又は２に記載の発明によれば、板状体の板面を被貼着体の平らな表面に、貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも板状体との接触面において細線状に形成されているガラス層によって貼設したため、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が細線の幅方向外方に形成されている中抜きパターンに向けて開口し、ガラス層の気泡内とガラス層外方とされるガラス層による枠の内方又は外方との間において気圧差が生じることを防止できる。
このため、板状体が割れやすいセラミックス等によって構成されている場合にも、気泡による応力が作用することを防止し、セラミックス等に割れが生じることを防止できる。
【００１６】
特に、請求項２に記載の発明によれば、中抜きパターンをガラス層による枠の内方及び／又は外方に連通させるように形成したため、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が枠の内方及び／又は外方に連通する中抜きパターンに向けて開口することにより、ガラス層内とガラス層外方とされる枠の内方又は外方との間において気圧差が生じることを防止できる。
このため、板状体に気泡による応力が作用することを確実に防止し、より確実に板状体に割れが生じることを防止できる。
【００１７】
一方、請求項３に記載の発明によれば、対向配置される板状体及び被貼着体の少なくともいずれか一方に、請求項１又は２に記載のガラス層を印刷又は転写によってパターン形成し、乾燥させた後に、このガラス層を介して板状体を被貼着体に貼設し、次いで、板状体、ガラス層及び被貼着体に板厚方向に荷重を作用させた状態において、大気圧下でガラス層を焼成することにより、接合体を簡易的に製造することができる。
【００１８】
その際、請求項１又は２に記載のガラス層をパターン形成したため、上述のように、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が中抜きパターンに向けて開口し、ガラス層内とガラス層外方との間において気圧差が生じることを防止でき、板状体に割れが生じることを防止できる。
【００１９】
他方、請求項４に記載の酸素富化器の発明によれば、セパレータを請求項１又は２に記載の被貼着体とし、電気化学セルを請求項１又は２に記載の板状体とし、かつ電気化学セルとセパレータとを上記酸素流路の外周部において請求項１又は２に記載のガラス層によって貼着一体化させたため、上述と同様に、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が中抜きパターンに向けて開口し、ガラス層内とガラス層外方との間において気圧差が生じることを防止でき、電気化学セルに割れが生じることを防止できる。
その結果、酸素富化器の寿命年数を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係るガラス層による接合体の一実施形態としての酸素富化器を、図１〜図１０を用いて説明する。
【００２１】
図１は本実施形態による酸素富化器の構成を示し、図２は同、酸素富化器の外観を示し、図３ないし図８は、酸素富化器において電気化学セルとセパレータとを貼着させるガラス層のパターンを示し、図９は酸素富化器に用いる複数の電気化学セルの構成を示し、図１０は同、電気化学セルの接続形態を示している。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態による酸素富化器は、ランタンガレート系材料で成る一基板（板状体）２１上に多数（本実施形態では４個）の電気化学セル２０が併設された上下一対の電気化学セル集合体１、１と、これら電気化学セル集合体１、１を両側に支持する四角形枠状のセパレータ（被貼着体）２とで構成されている。電気化学セル集合体１とセパレータ２の外形は、ほぼ同形、同サイズとされ、このセパレータ２と一対の電気化学セル集合体１、１がシール材（図示せず）にて接合され一体化されて、図２に示すような薄箱形の酸素富化器が構成される。
【００２３】
セパレータ２は、電気化学セル集合体１の支持体として十分な機械的強度と絶縁性を有するものであれば、如何なる素材を用いても良く、例えば、アルミナ製、ジルコニア製の板状体を用いることができ、好ましくは、熱膨張係数が基板２１と近似する板状体が用いられる。また、このセパレータ２の一枠部に、リブ４を設けた補強板３が橋架されていると共に、枠内（酸素流路）５と枠外を連通する管状のガス排気部６が配設されている。
【００２４】
そして、基板２１とセパレータ２との接合にあっては、シール材として、熱膨張係数が基板２１（ランタンガレートの熱膨張係数１０．８×１０-6／Ｋ熱膨張係数）と近似するとともに、Ｌａを含有する結晶化ガラス（ガラス層）２５が用いられている。この結晶ガラス２５がＬａを含有すると、基板２１に強固に密着されるためである。
【００２５】
この結晶化ガラス２５は、セパレータ２の枠体上であって、かつ基板２１との対向面（本実施形態では表裏面）にそれぞれ枠内５を取り囲むようにして矩形枠状にパターン形成されている。
この矩形枠状の結晶化ガラス２５のパターンとしては、図１及び図３に示すように、矩形枠を構成する直線状の各閉塞ライン４１が細長状に形成されるとともに、各角部において十字状に交差して形成されており、かつ各閉塞ライン４１に直交する多数の短冊状の副ライン４２がそれぞれ等間隔に形成されている。
【００２６】
この副ライン４２は、閉塞ライン４１と同一の線幅を有し、長手方向中央部において閉塞ライン４１と交差するように形成され、基板２１とセパレータ２との接着を担保すべく、閉塞ライン４１の幅を拡張するように形成されている。
これによって、結晶化ガラス２５のパターンは、細長状に形成された閉塞ライン４１と、この閉塞ライン４１に直交する副ライン４２との間に形成された枠内５又は枠外に連通する隙間４３によって中抜きパターンが形成されている。
【００２７】
また、この結晶化ガラス２５のパターンは、上述の第１パターンに替えて、以下に説明する第２パターンから第６パターンを用いることができ、いずれも全体形状が枠内５を取り囲むようにして矩形枠状に形成されている。
【００２８】
第２パターンは、図４に示すように、細線が矩形渦巻き状に形成されてなり、内方端部６１が矩形角部に形成されている。そして、少なくとも２周以上（本実施形態では３周）形成されており、外方端部６２が内方端部６１と同一の矩形角部に形成されている。また、線と線との間に形成された線状の隙間６３が線幅の１／２〜１／３になるように形成されており、この隙間６３によって枠内５及び枠外に連通する中抜きパターンが形成されている。
【００２９】
第３のパターンは、図５に示すように、基板２１とセパレータ２との接着を担保するために幅広の矩形枠体に、周方向に沿って、等間隔に矩形状の凹部６４が内方と外方とに交互に形成されている。そして、細線状の外方直線６５と、この外方直線６５に平行に形成された細線状の内方直線６６と、この内方直線６６の端部と外方直線６５の端部とを交互に接続する細線状の直角ライン６７とによって構成されているとともに、凹部６４によって交互に枠内５又は枠外に連通する中抜きパターンが形成されている。
【００３０】
第４のパターンは、図６に示すように、枠内５の内周壁に対して傾斜角を有する線幅の小さい第１の短冊状のライン６８と、この第１の短冊状のライン６８に交差する方向（本実施形態では直角に交差する方向）に向けて第１の短冊状のライン６８と同形状に形成されるとともに、枠内５の内周壁に対して第１の短冊状のライン６８と同一傾斜角を有する第２の短冊状のライン６９とがそれぞれ等間隔に形成され、互いに両端部において交差することにより直線状の各辺が蛇腹状に形成されている。これらの短冊状のライン６８、６９によって構成される蛇腹状の各辺は、矩形枠状の角隅部となる両端部において、隣接する各辺の両端部に位置する第１の短冊状のライン６８と第２の短冊状のライン６９とが一続きに形成されることにより、連続して形成されている。そして、各辺は、第１のライン６８と第２のライン６９とが互いに両端部で直角に交差することにより、多数の略三角形状の隙間７１が交互にそれぞれ枠内５又は枠外に連通するように形成され、これらの隙間７１によって中抜きパターンが形成されている。
【００３１】
第５のパターンは、図７に示すように、基板２１とセパレータ２との接着を担保するために、幅広の矩形枠状に形成されており、幅方向の中央部に、周方向に沿って等間隔に正方形状の穴５４が形成されることによって、中抜きパターンが形成されている。この穴５４は、各外周辺の長さが結晶化ガラス２５の幅の２／３〜１／２に形成されるとともに、互いに各外周辺の長さの１／３倍〜１／２倍の間隔を開けて連続して形成されている。
そして、この穴５４より構成される中抜きパターンによって、穴５４よりも内方に形成される矩形枠状の細線からなる内方ライン５１と、穴５４よりも外方に形成される矩形枠状の細線からなる外方ライン５２と、穴５４同士の間に形成され、内方ラインと外方ラインとを接続する細線からなる直角ライン５３とによって形成されている。
【００３２】
第６のパターンは、図８に示すように、枠内５を取り囲むようにして形成された細線状の第１の矩形枠体５５と、この矩形枠体５５の外法よりも内法が大きく、隙間５８を介して第１の矩形枠体５５を取り囲むようにして形成された細線状の第２の矩形枠体５６と、この矩形枠体５６の外法よりも内法が大きく、隙間５９を介して第２の矩形枠体５６を取り囲むようにして形成された細線状の第３の矩形枠体５７とを有している。これにより、第１の矩形枠体５５と第２の矩形枠体５６との間の線状の隙間５８及び第２の矩形枠体５６と第３の矩形枠体５７との間の線状の隙間５９によって、矩形枠状に形成された結晶化ガラス２５の幅方向の中央部に中抜きパターンが形成されている。
【００３３】
他方、電気化学セル集合体１は、図９に示すように、酸素イオン伝導性を有する電解質基板２１の表裏両面に一対の電極２２、２３が複数対向配置されたもので、一対の電極２２、２３毎に上記した電気化学セル２０が構成されようになっている。
【００３４】
これら電極２２、２３は細長矩形状に形成されており、電解質基板２１の外側の反応電極２２ａ（２３ａ）と、その外側の給電電極２２ｂ（２３ｂ）との２層構造と成されており、この一対の電極２２、２３が電解質基板２１上に一定の間隔をおいて、且つ、長辺側が隣接する状態で横一列に配設されている。尚、反応電極とは、電気化学反応の場となる電極（カソード、アノード）で、給電電極とは、外部から電流を供給するための電極である。
【００３５】
そして、図示のように、これら電極２２、２３間に直流電圧Ｖを印加することにより、上記電解質基板２１が、その一方の低電位電極面（カソード電極２３側）から他方の高電位電極面（アノード電極２２側）に向けて空気（酸素含有ガス）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２２側の雰囲気を酸素富化状態にすることができる。
【００３６】
ここで、上記電解質基板２１には、例えば、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｃ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ3等が用いられ、上記反応電極２２ａ（２３ａ）には（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＢａ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3等が用いられ、上記給電電極２２ｂ（２３ｂ）にはＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の多孔質体が用いられている。
【００３７】
ところで、本実施形態では、上記構成の電気化学セル集合体１の電気化学セル２０が全て直列に接続され、かつこの電気化学セル集合体１が間にセパレータ２を介して対向配置された時、それぞれセパレータ２との対向面に向けて配設される内側電極がアノード電極２２として作用するように、各々電極２２、２３の相互間の接続、および末端部電極の直流電源Ｖへの接続が成されている。
そして、セパレータ２とその両側の電気化学セル集合体１、１が接合・一体化されることにより形成される枠内５の空間がアノード電極２２からの供給された酸素が流通する酸素流路と成されていると共に、この酸素流路内の酸素をセパレータ２に設けたガス排気部６より外部に取り出せるようになっている。
【００３８】
次ぎに、本実施形態による電気化学セルの接続形態を、図１０を参照して説明する。
本実施形態では、セパレータ２を挟んで上下に配設される各電気化学セル２０のセパレータ２側の内側電極とセパレータ２と反対側の外側電極が電気的接続手段である配線１０により、各電極の長手両端部において交互に接続される接続形態が採られている。
【００３９】
更に詳しく説明すれば、図１０において、各電気化学セル集合体１、１の右端より、側下側の第１電気化学セル２０−１の外側電極と上側の第２電気化学セル２０−２の内側電極とが電極後端部において接続され、この第２電気化学セル２０−２の外側電極と下側の第３電気化学セル２０−３の内側電極とが電極前端部において接続され、この第３電気化学セル２０−３の外側電極と上側の第４電気化学セル２０−４の内側電極とが電極後端部において接続される。
以下、このような接続を順次繰り返すことにより、セパレータ２を挟んで上下に位置する全ての各電気化学セル２０−１〜２０−８が直列に接続される。
【００４０】
尚、セパレータ２と電解質基板２１には、上下方向に対応する配線穴７、８が設けられており、上述した上下電極間の配線１０による接続は、これら配線穴７、８を通して最短距離にて行われる。そして、右端の第１電気化学セル２０−１の内側電極は接続端子１１を介して直流電源Ｖの（＋）端子に接続されると共に、左端の第８電気化学セル２０−８の外側電極は接続端子１２を介して直流電源Ｖの（−）端子に接続される。
各電極相互の接続と直流電源Ｖへの接続が上記のように成されることにより、セパレータ２を挟んで対向する各電極の内側電極をその外側電極より高電位にすることができ、よって、内側電極をアノード電極として作用させることができる。
尚、上記配線１０の材料として、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等を用いることができ、これらの材料によるペーストが配線穴７、８にスルーホール印刷されている。
【００４１】
以上、本実施形態では、酸素透過側であるアノード電極２２が向き合うように複数の電気化学セル２０を立体的に対向配置することにより、同数の電気化学セルを同一平面状に配置する従来構成に比べて酸素富化器をコンパクトに構成することができる。
また、セパレータ２の枠内５の空間をそのまま酸素流路として利用することにより、流路形成のための別部材を必要としないため、酸素富化器の構造を極めて簡便にでき、よって、コンパクトでありながら、多量の酸素を効率良く得ることができる。
【００４２】
また、全ての電気化学セル２０を直列接続することにより、単位セル当たりの電流量を少なくでき、その分、各電気化学セル２０内の抵抗ロスが小さくなり、性能を向上させることができる。
特に、電極２２、２３を細長矩形状に形成して、その長手両端部において電極間の接続を行うことにより、電流を各電極の一端部から他端部に亘って電極全体に流すことができ、これにより、電極の電流密度を均一化することが可能となり、性能を向上させることができる。
【００４３】
また、セパレータ２と電気化学セル集合体１とは、結晶化ガラス２５にて接合されているため、枠内５の空間によって構成される酸素流路内のガスシール性が良好であり、かつ、電気化学セル集合体１（即ち、電解質基板２１）が、このセパレータ２にて確実に支持されるため、酸素富化器の機械的強度が向上し、熱応力による電気化学セル２０の破損も防止できる。
【００４４】
これに加えて、結晶化ガラス２５を第１ないし第６のいずれかのパターンに形成した場合には、いずれも結晶化ガラス２５が細線状に形成されているため、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が細線の幅方向外方の中抜きパターンに向けて開口し、結晶化ガラス２５の気泡内と結晶化ガラス２５外方との間において気圧差が生じることを防止できる。
特に、結晶化ガラス２５を第１ないし第４のいずれかのパターンに形成した場合には、この気泡が枠内５又は枠外に連通する中抜きパターンに向けて開口することにより、結晶化ガラス２５内と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止でき、基板２１に気泡による応力が作用することを確実に防止し、より確実に基板２１に割れが生じることを防止できる。
【００４５】
具体的には、第１のパターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が枠内５又は枠外に連通する隙間４３に向けて開口することにより、結晶化ガラス２５内と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止できる。
【００４６】
また、第２のパターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、矩形渦巻き状に形成された結晶化ガラス２５が枠内５又は枠外に連通する隙間６３によって、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、結晶化ガラス２５内と枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止できる。
【００４７】
同様に、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、第３パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、気泡が枠内５又は枠外に連通する隙間６４に向けて開口することにより、第４パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、気泡が枠内５又は枠外に連通する隙間７１に向けて開口することにより、結晶化ガラス２５内と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止できる。
【００４８】
第５パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が穴５４又は結晶化ガラス２５の外方に向けて開口し、気圧差が穴５４と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間においてのみ発生する。このため、穴５４の外周辺の長さや間隔を調整することにより、気圧差を所定の範囲内に収めることができ、基板２１に割れが生じることを防止できる。
【００４９】
また、第６パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、第１の矩形枠体５５、第２の矩形枠体５６及び第３の矩形枠体５７を構成する結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が隙間５８、５９又は結晶化ガラス２５の外方に向けて開口し、気圧差が隙間５８、５９と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間においてのみ発生する。このため、隙間５８、５９の幅等を調整することにより、気圧差を所定の範囲内に収めることができ、基板２１に割れが生じることを防止できる。
【００５０】
次いで、上述の酸素富化器の製造方法について、２つの実施形態を説明する。
これらの第１の本実施形態及び第２の実施形態においては、上述の結晶化ガラス２５が塗布される前の基板２１及びセパレータ２を、以下、単に基板２１及びセパレータ２として説明することにより、基板２１及びセパレータ２の構成についての説明を省略する。
【００５１】
まず、第１の実施形態について、説明する。
最初に、結晶化ガラス２５として、Ａｌ2Ｏ3を含有するＳｉ−Ｃａ−Ｂａ−Ａｌ−Ｏ系のガラス粉を溶剤に混合させたペースト状のものを準備するとともに、図１１に示した第４のパターンに対応する第４のパターンマスクを用意する。
【００５２】
次いで、上記ペースト状のガラス原料を、冷却させ、１０．６×１０−６／℃にした状態において、第４のパターンマスクを用いて２枚の１０．３×１０−６／℃の基板２１のアノード電極２２の形成面であって、枠内５の外周部に対応する位置にスクリーン印刷した後、乾燥させる。
【００５３】
他方、上記ガラス原料を、同様に冷却させた状態において、第４のパターンマスクを用いて１０．３×１０−６／℃のセパレータ２の表裏面に、枠内５を取り囲むようにしてスクリーン印刷した後、乾燥させる。
【００５４】
次いで、第４のパターンの結晶化ガラス２５が形成されているセパレータ２の表裏面に、それぞれ第４のパターンの結晶化ガラス２５が形成されている基板２１のアノード電極２２の形成面を対向配置させ、互いに結晶化ガラス２５が積層されるように面方向に位置合わせをした状態において、積層させる。
次いで、積層方向に６００ｇの荷重を作用させた状態において、結晶化ガラス２５を焼成させる。
【００５５】
その際、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が中抜きパターンに向けて開口し、結晶化ガラス２５の気泡内と結晶化ガラス２５外方との間において気圧差が生じることが防止され、確実に基板２１に対し応力が作用することが防止される。
これにより、セパレータ２の表裏面に第４のパターンの結晶化ガラス２５によって基板２１が貼着一体化された酸素富化器が得られる。
【００５６】
次に、第２の実施形態について説明する。
まず、第１の実施形態と同様に、上記ガラス原料を、第４のパターンマスクを用いて、基板２１にスクリーン印刷する。これとともに、第４のパターンマスクに替えて、矩形枠状のベタパターンのマスクを用いて、第１の実施形態と同様に、セパレータ２の表裏面に矩形枠状のベタパターンの結晶化ガラス２５をスクリーン印刷する。
【００５７】
次いで、セパレータ２の表裏面に、それぞれ第４のパターンの結晶化ガラス２５が形成されている基板２１のアノード電極２２の形成面を対向配置させ、互いに結晶化ガラス２５が積層されるように面方向に位置合わせをした状態において、積層させ、第１の実施形態と同様に、酸素富化器を製造する。
【００５８】
その際、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、少なくとも基板２１との接触面において気泡が中抜きパターンに向けて開口し、結晶化ガラス２５の気泡内と結晶化ガラス２５外方との間において気圧差が生じることが防止され、第１の実施形態と比較すると劣るものの基板２１の割れが防止される。
これにより、セパレータ２の表裏面に、ベタパターンの結晶化ガラス２５と第４のパターンの結晶化ガラス２５とによって基板２１が貼着一体化された酸素富化器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る酸素富化器の構成を示す分解斜視図である。
【図２】同、酸素富化器の外観斜視図である。
【図３】基板２１とセパレータ２とを接合する結晶化ガラス２５の第１パターンを示す正面図である。
【図４】同、結晶化ガラス２５の第２パターンを示す正面図である。
【図５】同、結晶化ガラス２５の第３パターンを示す正面図である。
【図６】同、結晶化ガラス２５の第４パターンを示す正面図である。
【図７】同、結晶化ガラス２５の第５パターンを示す正面図である。
【図８】同、結晶化ガラス２５の第６パターンを示す正面図である。
【図９】電気化学セルの構成を示す断面図。
【図１０】電気化学セルの接続形態を示す説明図。
【図１１】従来の結晶化ガラスの塗布パターンを示す正面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 電気化学セル集合体
２ セパレータ
５ 枠内
１０ 配線
２１ 電解質基板
２２、２３ 電極
４３、５８、５９、６３ 隙間（中抜きパターン）
６４ 凹部（中抜きパターン）
５４、７１ 穴（中抜きパターン）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、酸素富化器や燃料電池を含む電気化学反応装置等を構成する電解質基板等の板状体がガラス層によってセパレータ等の基板に貼設されてなるガラス層による接合体、及びこのガラス層による接合体の製造方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、上記酸素富化器によって電気化学反応により空気等の酸素含有ガス中から酸素を分離し、選択的に取り出すことができることが知られており、近年、エアコンなどの家庭用の電気機器類において、この酸素富化器を用いて、簡易的に室内を酸素富化雰囲気にする試みがなされている。
【０００３】
上述の酸素富化器は、例えば、特許文献１に示すように、電解質基板の一方の面にアノード電極が形成され、他方の面に上記アノード電極と対になるカソード電極が形成された電気化学セルによって構成されている。
そして、電気化学セルによって、酸素含有ガスから酸素を選択的に分離し、アノード電極面から供給することができる。
【０００４】
一方、この酸素富化器は、本出願人が先の出願において発案しているように、上記電気化学セルの上記アノード電極の形成面を、表面に酸素流路が形成された板状のセパレータ表面に対向配置させることにより、酸素流路から酸素を取り出すことが可能となる。
【０００５】
ところで、この電解質基板は、セラミックス等により形成されるとともに、上記セパレータは、表面に酸素流路となる空洞が開口している金属板等によって形成されており、このセラミックス板と金属板等との一体化は、特許文献２に示すように、ガラス接合により行う方法が知られている。
【０００６】
そして、このガラス接合を酸素富化器に適用した場合、図１１に示すように、セラミックス板９１は、空洞９５の外周部において、金属板９２との間に形成された太枠状のガラス層９６によって金属板９２に貼設されている。
【０００７】
ところで、このガラス層９６は、セラミックス板９１及び金属板９２の少なくともいずれか一方に、バインダーや溶剤等と混合された原料となるガラス粉がパターン形成された後、乾燥、焼成させることによって形成される。
その際、焼成時に高温に加熱されることにより、バインダーや溶剤等の蒸発とともに、気泡が発生する。そして、焼成後に、温度が低下すると、ガラス層９６における気泡内の気圧が低下し、気泡内とガラス層９６外方との間に気圧差が生じることによって、セラミックス板等に応力が作用し、割れが生じ得るという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−８９２３４号公報
【特許文献２】特開２００５−３２２４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、ガラス層の気泡内とガラス層外方との間に気圧差が生じることによって、セラミックス板等の板状体に割れが生じることを防止できるガラス層による接合体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明に係るガラス層による接合体は、板状体の板面が被貼着体の平らな表面に、両者の間に介装された枠状のガラス層によって貼設されてなるガラス層による接合体において、上記ガラス層は、上記板状体が上記被貼着体に貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも上記板状体との接触面において、上記貼設に寄与しない中抜きパターンが形成されることにより細線状に形成されていることを特徴としている。
【００１１】
ここで、ガラス層が少なくとも上記板状体との接触面において、上記貼設に寄与しない中抜きパターンが形成されていることにより細線状に形成されているとは、例えば、ガラス層が２層状に形成され、板状体側のガラス層のみが中抜きパターンを有する場合や両層のガラス層が中抜きパターンを有する場合、またガラス層が単層状に形成され、板状体側の一部が中抜きパターンを有する場合や層厚方向に均等に中抜きパターンを有する場合を意味するものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガラス層による接合体において、上記中抜きパターンが上記ガラス層による枠の内方及び／又は外方に連通するように形成されていることを特徴としている。
【００１３】
一方、請求項３に記載の発明に係るガラス層による接合体の製造方法は、対向配置される板状体の板面及び被貼着体の平らな表面の少なくともいずれか一方に、請求項１又は２に記載のガラス層を印刷又は転写によってパターン形成し、このパターン形成されたガラス層を乾燥させた後に、このガラス層を介して上記板状体を上記被貼着体に貼設し、次いで、上記板状体及び上記被貼着体に上記板厚方向に向けて荷重を作用させた状態において、上記ガラス層を大気圧下で焼成させることを特徴としている。
【００１４】
他方、請求項４に記載の発明に係る酸素富化器は、電解質基板の一方の面にアノード電極が形成され、他方の面に上記アノード電極と対になるカソード電極が形成された板状の電気化学セルと、この電気化学セルによって、上記カソード電極面から上記アノード電極面に酸素含有ガスから選択的に分離供給された酸素を取り出す酸素流路が形成された板状のセパレータとが、上記電気化学セルのアノード電極の形成面を上記セパレータの上記酸素流路に向けて対向配置される酸素富化器であって、上記セパレータは、請求項１又は２に記載の被貼着体であり、上記電気化学セルは、請求項１又は２に記載の板状体であり、かつ上記電気化学セルと上記セパレータとは、上記酸素流路の外周部において、請求項１又は２に記載のガラス層によって貼着一体化されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１又は２に記載の発明によれば、板状体の板面を被貼着体の平らな表面に、貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも板状体との接触面において細線状に形成されているガラス層によって貼設したため、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が細線の幅方向外方に形成されている中抜きパターンに向けて開口し、ガラス層の気泡内とガラス層外方とされるガラス層による枠の内方又は外方との間において気圧差が生じることを防止できる。
このため、板状体が割れやすいセラミックス等によって構成されている場合にも、気泡による応力が作用することを防止し、セラミックス等に割れが生じることを防止できる。
【００１６】
特に、請求項２に記載の発明によれば、中抜きパターンをガラス層による枠の内方及び／又は外方に連通させるように形成したため、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が枠の内方及び／又は外方に連通する中抜きパターンに向けて開口することにより、ガラス層内とガラス層外方とされる枠の内方又は外方との間において気圧差が生じることを防止できる。
このため、板状体に気泡による応力が作用することを確実に防止し、より確実に板状体に割れが生じることを防止できる。
【００１７】
一方、請求項３に記載の発明によれば、対向配置される板状体及び被貼着体の少なくともいずれか一方に、請求項１又は２に記載のガラス層を印刷又は転写によってパターン形成し、乾燥させた後に、このガラス層を介して板状体を被貼着体に貼設し、次いで、板状体、ガラス層及び被貼着体に板厚方向に荷重を作用させた状態において、大気圧下でガラス層を焼成することにより、接合体を簡易的に製造することができる。
【００１８】
その際、請求項１又は２に記載のガラス層をパターン形成したため、上述のように、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が中抜きパターンに向けて開口し、ガラス層内とガラス層外方との間において気圧差が生じることを防止でき、板状体に割れが生じることを防止できる。
【００１９】
他方、請求項４に記載の酸素富化器の発明によれば、セパレータを請求項１又は２に記載の被貼着体とし、電気化学セルを請求項１又は２に記載の板状体とし、かつ電気化学セルとセパレータとを上記酸素流路の外周部において請求項１又は２に記載のガラス層によって貼着一体化させたため、上述と同様に、ガラス層の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が中抜きパターンに向けて開口し、ガラス層内とガラス層外方との間において気圧差が生じることを防止でき、電気化学セルに割れが生じることを防止できる。
その結果、酸素富化器の寿命年数を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係るガラス層による接合体の一実施形態としての酸素富化器を、図１〜図１０を用いて説明する。
【００２１】
図１は本実施形態による酸素富化器の構成を示し、図２は同、酸素富化器の外観を示し、図３ないし図８は、酸素富化器において電気化学セルとセパレータとを貼着させるガラス層のパターンを示し、図９は酸素富化器に用いる複数の電気化学セルの構成を示し、図１０は同、電気化学セルの接続形態を示している。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態による酸素富化器は、ランタンガレート系材料で成る一基板（板状体）２１上に多数（本実施形態では４個）の電気化学セル２０が併設された上下一対の電気化学セル集合体１、１と、これら電気化学セル集合体１、１を両側に支持する四角形枠状のセパレータ（被貼着体）２とで構成されている。電気化学セル集合体１とセパレータ２の外形は、ほぼ同形、同サイズとされ、このセパレータ２と一対の電気化学セル集合体１、１がシール材（図示せず）にて接合され一体化されて、図２に示すような薄箱形の酸素富化器が構成される。
【００２３】
セパレータ２は、電気化学セル集合体１の支持体として十分な機械的強度と絶縁性を有するものであれば、如何なる素材を用いても良く、例えば、アルミナ製、ジルコニア製の板状体を用いることができ、好ましくは、熱膨張係数が基板２１と近似する板状体が用いられる。また、このセパレータ２の一枠部に、リブ４を設けた補強板３が橋架されていると共に、枠内（酸素流路）５と枠外を連通する管状のガス排気部６が配設されている。
【００２４】
そして、基板２１とセパレータ２との接合にあっては、シール材として、熱膨張係数が基板２１（ランタンガレートの熱膨張係数１０．８×１０-6／Ｋ熱膨張係数）と近似するとともに、Ｌａを含有する結晶化ガラス（ガラス層）２５が用いられている。この結晶ガラス２５がＬａを含有すると、基板２１に強固に密着されるためである。
【００２５】
この結晶化ガラス２５は、セパレータ２の枠体上であって、かつ基板２１との対向面（本実施形態では表裏面）にそれぞれ枠内５を取り囲むようにして矩形枠状にパターン形成されている。
この矩形枠状の結晶化ガラス２５のパターンとしては、図１及び図３に示すように、矩形枠を構成する直線状の各閉塞ライン４１が細長状に形成されるとともに、各角部において十字状に交差して形成されており、かつ各閉塞ライン４１に直交する多数の短冊状の副ライン４２がそれぞれ等間隔に形成されている。
【００２６】
この副ライン４２は、閉塞ライン４１と同一の線幅を有し、長手方向中央部において閉塞ライン４１と交差するように形成され、基板２１とセパレータ２との接着を担保すべく、閉塞ライン４１の幅を拡張するように形成されている。
これによって、結晶化ガラス２５のパターンは、細長状に形成された閉塞ライン４１と、この閉塞ライン４１に直交する副ライン４２との間に形成された枠内５又は枠外に連通する隙間４３によって中抜きパターンが形成されている。
【００２７】
また、この結晶化ガラス２５のパターンは、上述の第１パターンに替えて、以下に説明する第２パターンから第６パターンを用いることができ、いずれも全体形状が枠内５を取り囲むようにして矩形枠状に形成されている。
【００２８】
第２パターンは、図４に示すように、細線が矩形渦巻き状に形成されてなり、内方端部６１が矩形角部に形成されている。そして、少なくとも２周以上（本実施形態では３周）形成されており、外方端部６２が内方端部６１と同一の矩形角部に形成されている。また、線と線との間に形成された線状の隙間６３が線幅の１／２〜１／３になるように形成されており、この隙間６３によって枠内５及び枠外に連通する中抜きパターンが形成されている。
【００２９】
第３のパターンは、図５に示すように、基板２１とセパレータ２との接着を担保するために幅広の矩形枠体に、周方向に沿って、等間隔に矩形状の凹部６４が内方と外方とに交互に形成されている。そして、細線状の外方直線６５と、この外方直線６５に平行に形成された細線状の内方直線６６と、この内方直線６６の端部と外方直線６５の端部とを交互に接続する細線状の直角ライン６７とによって構成されているとともに、凹部６４によって交互に枠内５又は枠外に連通する中抜きパターンが形成されている。
【００３０】
第４のパターンは、図６に示すように、枠内５の内周壁に対して傾斜角を有する線幅の小さい第１の短冊状のライン６８と、この第１の短冊状のライン６８に交差する方向（本実施形態では直角に交差する方向）に向けて第１の短冊状のライン６８と同形状に形成されるとともに、枠内５の内周壁に対して第１の短冊状のライン６８と同一傾斜角を有する第２の短冊状のライン６９とがそれぞれ等間隔に形成され、互いに両端部において交差することにより直線状の各辺が蛇腹状に形成されている。これらの短冊状のライン６８、６９によって構成される蛇腹状の各辺は、矩形枠状の角隅部となる両端部において、隣接する各辺の両端部に位置する第１の短冊状のライン６８と第２の短冊状のライン６９とが一続きに形成されることにより、連続して形成されている。そして、各辺は、第１のライン６８と第２のライン６９とが互いに両端部で直角に交差することにより、多数の略三角形状の隙間７１が交互にそれぞれ枠内５又は枠外に連通するように形成され、これらの隙間７１によって中抜きパターンが形成されている。
【００３１】
第５のパターンは、図７に示すように、基板２１とセパレータ２との接着を担保するために、幅広の矩形枠状に形成されており、幅方向の中央部に、周方向に沿って等間隔に正方形状の穴５４が形成されることによって、中抜きパターンが形成されている。この穴５４は、各外周辺の長さが結晶化ガラス２５の幅の２／３〜１／２に形成されるとともに、互いに各外周辺の長さの１／３倍〜１／２倍の間隔を開けて連続して形成されている。
そして、この穴５４より構成される中抜きパターンによって、穴５４よりも内方に形成される矩形枠状の細線からなる内方ライン５１と、穴５４よりも外方に形成される矩形枠状の細線からなる外方ライン５２と、穴５４同士の間に形成され、内方ラインと外方ラインとを接続する細線からなる直角ライン５３とによって形成されている。
【００３２】
第６のパターンは、図８に示すように、枠内５を取り囲むようにして形成された細線状の第１の矩形枠体５５と、この矩形枠体５５の外法よりも内法が大きく、隙間５８を介して第１の矩形枠体５５を取り囲むようにして形成された細線状の第２の矩形枠体５６と、この矩形枠体５６の外法よりも内法が大きく、隙間５９を介して第２の矩形枠体５６を取り囲むようにして形成された細線状の第３の矩形枠体５７とを有している。これにより、第１の矩形枠体５５と第２の矩形枠体５６との間の線状の隙間５８及び第２の矩形枠体５６と第３の矩形枠体５７との間の線状の隙間５９によって、矩形枠状に形成された結晶化ガラス２５の幅方向の中央部に中抜きパターンが形成されている。
【００３３】
他方、電気化学セル集合体１は、図９に示すように、酸素イオン伝導性を有する電解質基板２１の表裏両面に一対の電極２２、２３が複数対向配置されたもので、一対の電極２２、２３毎に上記した電気化学セル２０が構成されようになっている。
【００３４】
これら電極２２、２３は細長矩形状に形成されており、電解質基板２１の外側の反応電極２２ａ（２３ａ）と、その外側の給電電極２２ｂ（２３ｂ）との２層構造と成されており、この一対の電極２２、２３が電解質基板２１上に一定の間隔をおいて、且つ、長辺側が隣接する状態で横一列に配設されている。尚、反応電極とは、電気化学反応の場となる電極（カソード、アノード）で、給電電極とは、外部から電流を供給するための電極である。
【００３５】
そして、図示のように、これら電極２２、２３間に直流電圧Ｖを印加することにより、上記電解質基板２１が、その一方の低電位電極面（カソード電極２３側）から他方の高電位電極面（アノード電極２２側）に向けて空気（酸素含有ガス）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２２側の雰囲気を酸素富化状態にすることができる。
【００３６】
ここで、上記電解質基板２１には、例えば、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇ）Ｃ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＣｏ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＮｉ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＧａＭｇＦｅ）Ｏ3等が用いられ、上記反応電極２２ａ（２３ａ）には（ＳｍＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＢａ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3等が用いられ、上記給電電極２２ｂ（２３ｂ）にはＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の多孔質体が用いられている。
【００３７】
ところで、本実施形態では、上記構成の電気化学セル集合体１の電気化学セル２０が全て直列に接続され、かつこの電気化学セル集合体１が間にセパレータ２を介して対向配置された時、それぞれセパレータ２との対向面に向けて配設される内側電極がアノード電極２２として作用するように、各々電極２２、２３の相互間の接続、および末端部電極の直流電源Ｖへの接続が成されている。
そして、セパレータ２とその両側の電気化学セル集合体１、１が接合・一体化されることにより形成される枠内５の空間がアノード電極２２からの供給された酸素が流通する酸素流路と成されていると共に、この酸素流路内の酸素をセパレータ２に設けたガス排気部６より外部に取り出せるようになっている。
【００３８】
次ぎに、本実施形態による電気化学セルの接続形態を、図１０を参照して説明する。
本実施形態では、セパレータ２を挟んで上下に配設される各電気化学セル２０のセパレータ２側の内側電極とセパレータ２と反対側の外側電極が電気的接続手段である配線１０により、各電極の長手両端部において交互に接続される接続形態が採られている。
【００３９】
更に詳しく説明すれば、図１０において、各電気化学セル集合体１、１の右端より、側下側の第１電気化学セル２０−１の外側電極と上側の第２電気化学セル２０−２の内側電極とが電極後端部において接続され、この第２電気化学セル２０−２の外側電極と下側の第３電気化学セル２０−３の内側電極とが電極前端部において接続され、この第３電気化学セル２０−３の外側電極と上側の第４電気化学セル２０−４の内側電極とが電極後端部において接続される。
以下、このような接続を順次繰り返すことにより、セパレータ２を挟んで上下に位置する全ての各電気化学セル２０−１〜２０−８が直列に接続される。
【００４０】
尚、セパレータ２と電解質基板２１には、上下方向に対応する配線穴７、８が設けられており、上述した上下電極間の配線１０による接続は、これら配線穴７、８を通して最短距離にて行われる。そして、右端の第１電気化学セル２０−１の内側電極は接続端子１１を介して直流電源Ｖの（＋）端子に接続されると共に、左端の第８電気化学セル２０−８の外側電極は接続端子１２を介して直流電源Ｖの（−）端子に接続される。
各電極相互の接続と直流電源Ｖへの接続が上記のように成されることにより、セパレータ２を挟んで対向する各電極の内側電極をその外側電極より高電位にすることができ、よって、内側電極をアノード電極として作用させることができる。
尚、上記配線１０の材料として、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等を用いることができ、これらの材料によるペーストが配線穴７、８にスルーホール印刷されている。
【００４１】
以上、本実施形態では、酸素透過側であるアノード電極２２が向き合うように複数の電気化学セル２０を立体的に対向配置することにより、同数の電気化学セルを同一平面状に配置する従来構成に比べて酸素富化器をコンパクトに構成することができる。
また、セパレータ２の枠内５の空間をそのまま酸素流路として利用することにより、流路形成のための別部材を必要としないため、酸素富化器の構造を極めて簡便にでき、よって、コンパクトでありながら、多量の酸素を効率良く得ることができる。
【００４２】
また、全ての電気化学セル２０を直列接続することにより、単位セル当たりの電流量を少なくでき、その分、各電気化学セル２０内の抵抗ロスが小さくなり、性能を向上させることができる。
特に、電極２２、２３を細長矩形状に形成して、その長手両端部において電極間の接続を行うことにより、電流を各電極の一端部から他端部に亘って電極全体に流すことができ、これにより、電極の電流密度を均一化することが可能となり、性能を向上させることができる。
【００４３】
また、セパレータ２と電気化学セル集合体１とは、結晶化ガラス２５にて接合されているため、枠内５の空間によって構成される酸素流路内のガスシール性が良好であり、かつ、電気化学セル集合体１（即ち、電解質基板２１）が、このセパレータ２にて確実に支持されるため、酸素富化器の機械的強度が向上し、熱応力による電気化学セル２０の破損も防止できる。
【００４４】
これに加えて、結晶化ガラス２５を第１ないし第６のいずれかのパターンに形成した場合には、いずれも結晶化ガラス２５が細線状に形成されているため、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が細線の幅方向外方の中抜きパターンに向けて開口し、結晶化ガラス２５の気泡内と結晶化ガラス２５外方との間において気圧差が生じることを防止できる。
特に、結晶化ガラス２５を第１ないし第４のいずれかのパターンに形成した場合には、この気泡が枠内５又は枠外に連通する中抜きパターンに向けて開口することにより、結晶化ガラス２５内と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止でき、基板２１に気泡による応力が作用することを確実に防止し、より確実に基板２１に割れが生じることを防止できる。
【００４５】
具体的には、第１のパターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が枠内５又は枠外に連通する隙間４３に向けて開口することにより、結晶化ガラス２５内と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止できる。
【００４６】
また、第２のパターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、矩形渦巻き状に形成された結晶化ガラス２５が枠内５又は枠外に連通する隙間６３によって、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、結晶化ガラス２５内と枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止できる。
【００４７】
同様に、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、第３パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、気泡が枠内５又は枠外に連通する隙間６４に向けて開口することにより、第４パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、気泡が枠内５又は枠外に連通する隙間７１に向けて開口することにより、結晶化ガラス２５内と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間において気圧差が生じることを防止できる。
【００４８】
第５パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が穴５４又は結晶化ガラス２５の外方に向けて開口し、気圧差が穴５４と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間においてのみ発生する。このため、穴５４の外周辺の長さや間隔を調整することにより、気圧差を所定の範囲内に収めることができ、基板２１に割れが生じることを防止できる。
【００４９】
また、第６パターンの結晶化ガラス２５を形成した場合には、第１の矩形枠体５５、第２の矩形枠体５６及び第３の矩形枠体５７を構成する結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が隙間５８、５９又は結晶化ガラス２５の外方に向けて開口し、気圧差が隙間５８、５９と結晶化ガラス２５外の枠内５又は枠外との間においてのみ発生する。このため、隙間５８、５９の幅等を調整することにより、気圧差を所定の範囲内に収めることができ、基板２１に割れが生じることを防止できる。
【００５０】
次いで、上述の酸素富化器の製造方法について、２つの実施形態を説明する。
これらの第１の本実施形態及び第２の実施形態においては、上述の結晶化ガラス２５が塗布される前の基板２１及びセパレータ２を、以下、単に基板２１及びセパレータ２として説明することにより、基板２１及びセパレータ２の構成についての説明を省略する。
【００５１】
まず、第１の実施形態について、説明する。
最初に、結晶化ガラス２５として、Ａｌ2Ｏ3を含有するＳｉ−Ｃａ−Ｂａ−Ａｌ−Ｏ系のガラス粉を溶剤に混合させたペースト状のものを準備するとともに、図１１に示した第４のパターンに対応する第４のパターンマスクを用意する。
【００５２】
次いで、上記ペースト状のガラス原料を、冷却させ、１０．６×１０−６／℃にした状態において、第４のパターンマスクを用いて２枚の１０．３×１０−６／℃の基板２１のアノード電極２２の形成面であって、枠内５の外周部に対応する位置にスクリーン印刷した後、乾燥させる。
【００５３】
他方、上記ガラス原料を、同様に冷却させた状態において、第４のパターンマスクを用いて１０．３×１０−６／℃のセパレータ２の表裏面に、枠内５を取り囲むようにしてスクリーン印刷した後、乾燥させる。
【００５４】
次いで、第４のパターンの結晶化ガラス２５が形成されているセパレータ２の表裏面に、それぞれ第４のパターンの結晶化ガラス２５が形成されている基板２１のアノード電極２２の形成面を対向配置させ、互いに結晶化ガラス２５が積層されるように面方向に位置合わせをした状態において、積層させる。
次いで、積層方向に６００ｇの荷重を作用させた状態において、結晶化ガラス２５を焼成させる。
【００５５】
その際、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、この気泡が中抜きパターンに向けて開口し、結晶化ガラス２５の気泡内と結晶化ガラス２５外方との間において気圧差が生じることが防止され、確実に基板２１に対し応力が作用することが防止される。
これにより、セパレータ２の表裏面に第４のパターンの結晶化ガラス２５によって基板２１が貼着一体化された酸素富化器が得られる。
【００５６】
次に、第２の実施形態について説明する。
まず、第１の実施形態と同様に、上記ガラス原料を、第４のパターンマスクを用いて、基板２１にスクリーン印刷する。これとともに、第４のパターンマスクに替えて、矩形枠状のベタパターンのマスクを用いて、第１の実施形態と同様に、セパレータ２の表裏面に矩形枠状のベタパターンの結晶化ガラス２５をスクリーン印刷する。
【００５７】
次いで、セパレータ２の表裏面に、それぞれ第４のパターンの結晶化ガラス２５が形成されている基板２１のアノード電極２２の形成面を対向配置させ、互いに結晶化ガラス２５が積層されるように面方向に位置合わせをした状態において、積層させ、第１の実施形態と同様に、酸素富化器を製造する。
【００５８】
その際、結晶化ガラス２５の焼成時に気泡が発生しても、少なくとも基板２１との接触面において気泡が中抜きパターンに向けて開口し、結晶化ガラス２５の気泡内と結晶化ガラス２５外方との間において気圧差が生じることが防止され、第１の実施形態と比較すると劣るものの基板２１の割れが防止される。
これにより、セパレータ２の表裏面に、ベタパターンの結晶化ガラス２５と第４のパターンの結晶化ガラス２５とによって基板２１が貼着一体化された酸素富化器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る酸素富化器の構成を示す分解斜視図である。
【図２】同、酸素富化器の外観斜視図である。
【図３】基板２１とセパレータ２とを接合する結晶化ガラス２５の第１パターンを示す正面図である。
【図４】同、結晶化ガラス２５の第２パターンを示す正面図である。
【図５】同、結晶化ガラス２５の第３パターンを示す正面図である。
【図６】同、結晶化ガラス２５の第４パターンを示す正面図である。
【図７】同、結晶化ガラス２５の第５パターンを示す正面図である。
【図８】同、結晶化ガラス２５の第６パターンを示す正面図である。
【図９】電気化学セルの構成を示す断面図。
【図１０】電気化学セルの接続形態を示す説明図。
【図１１】従来の結晶化ガラスの塗布パターンを示す正面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 電気化学セル集合体
２ セパレータ
５ 枠内
１０ 配線
２１ 電解質基板
２２、２３ 電極
４３、５８、５９、６３ 隙間（中抜きパターン）
６４ 凹部（中抜きパターン）
５４、７１ 穴（中抜きパターン）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状体の板面が被貼着体の平らな表面に、両者の間に介装された枠状のガラス層によって貼設されてなるガラス層による接合体において、
上記ガラス層は、上記板状体が上記被貼着体に貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも上記板状体との接触面において、上記貼設に寄与しない中抜きパターンが形成されることにより細線状に形成されていることを特徴とするガラス層による接合体。
【請求項２】
上記中抜きパターンは、上記ガラス層による枠の内方及び／又は外方に連通するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガラス層による接合体。
【請求項３】
対向配置される板状体の板面及び被貼着体の平らな表面の少なくともいずれか一方に、請求項１又は２に記載のガラス層を印刷又は転写によってパターン形成し、
このパターン形成されたガラス層を乾燥させた後に、このガラス層を介して上記板状体を上記被貼着体に貼設し、次いで、上記板状体及び上記被貼着体に上記板厚方向に向けて荷重を作用させた状態において、上記ガラス層を大気圧下で焼成させることを特徴とするガラス層による接合体の製造方法。
【請求項４】
電解質基板の一方の面にアノード電極が形成され、他方の面に上記アノード電極と対になるカソード電極が形成された板状の電気化学セルと、この電気化学セルによって、上記カソード電極面から上記アノード電極面に酸素含有ガスから選択的に分離供給された酸素を取り出す酸素流路が形成された板状のセパレータとが、上記電気化学セルのアノード電極の形成面を上記セパレータの上記酸素流路に向けて対向配置される酸素富化器であって、
上記セパレータは、請求項１又は２に記載の被貼着体であり、
上記電気化学セルは、請求項１又は２に記載の板状体であり、かつ
上記電気化学セルと上記セパレータとは、上記酸素流路の外周部において、請求項１又２に記載のガラス層によって貼着一体化されていることを特徴とする酸素富化器。
【請求項１】
板状体の板面が被貼着体の平らな表面に、両者の間に介装された枠状のガラス層によって貼設されてなるガラス層による接合体において、
上記ガラス層は、上記板状体が上記被貼着体に貼設可能な枠幅を有し、かつ少なくとも上記板状体との接触面において、上記貼設に寄与しない中抜きパターンが形成されることにより細線状に形成されていることを特徴とするガラス層による接合体。
【請求項２】
上記中抜きパターンは、上記ガラス層による枠の内方及び／又は外方に連通するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガラス層による接合体。
【請求項３】
対向配置される板状体の板面及び被貼着体の平らな表面の少なくともいずれか一方に、請求項１又は２に記載のガラス層を印刷又は転写によってパターン形成し、
このパターン形成されたガラス層を乾燥させた後に、このガラス層を介して上記板状体を上記被貼着体に貼設し、次いで、上記板状体及び上記被貼着体に上記板厚方向に向けて荷重を作用させた状態において、上記ガラス層を大気圧下で焼成させることを特徴とするガラス層による接合体の製造方法。
【請求項４】
電解質基板の一方の面にアノード電極が形成され、他方の面に上記アノード電極と対になるカソード電極が形成された板状の電気化学セルと、この電気化学セルによって、上記カソード電極面から上記アノード電極面に酸素含有ガスから選択的に分離供給された酸素を取り出す酸素流路が形成された板状のセパレータとが、上記電気化学セルのアノード電極の形成面を上記セパレータの上記酸素流路に向けて対向配置される酸素富化器であって、
上記セパレータは、請求項１又は２に記載の被貼着体であり、
上記電気化学セルは、請求項１又は２に記載の板状体であり、かつ
上記電気化学セルと上記セパレータとは、上記酸素流路の外周部において、請求項１又２に記載のガラス層によって貼着一体化されていることを特徴とする酸素富化器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−７３８６（Ｐ２００８−７３８６Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８１８７０（Ｐ２００６−１８１８７０）
【出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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