JP3424912B2 - セラミック電解質エレメント、電気化学デバイス、セラミックエレメント物品、セラミック酸素生成器、並びにセラミック酸素生成方法 - Google Patents

セラミック電解質エレメント、電気化学デバイス、セラミックエレメント物品、セラミック酸素生成器、並びにセラミック酸素生成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は、電気化学デバイスに関し、よ
り詳細には、セラミック部材を一つ以上用いた電気化学
デバイスに関する。なお、本願は、１９９５年８月２４
日に出願された米国特許出願０８／５１８，６４６号の
一部継続出願に係る出願であり、この一部継続出願は、
なお審査係属中である。
【発明の背景】従来、電気化学プロセスによって、空気
中の酸素を除去することが可能であり、電解質の一方の
表面上に接触する酸素分子をイオン化して、固体電解質
を通じて酸素イオンを移動させることにより、上述の酸
素除去を行うことが知られている。この電解質の表面に
形成された適切な触媒化電極被覆に対して、電圧がかけ
られている。この電極被覆は、酸素分子に対しては透過
性を有し、電解質との界面において、酸素分子を解離さ
せて酸素イオンとするように作用する。この酸素イオン
は、電解質を通じて、他方側の表面へと移動する。な
お、この他方側の表面もまた、触媒化電極により被覆さ
れており、上述の電圧とは反対の電位がかけられた状態
となっていて、酸素イオンから過剰な電子を奪ってもと
の酸素分子としている。
【０００２】電気化学デバイスにおいては、周知のデバ
イスを酸素発生器として用いる場合、多くの不利な点が
あることが知られている。例えば、米国特許第4,640,87
5号や第5,306,574号に開示された燃料電池においては、
個々の電極はセラミック材から形成され、一方、各電極
が挿入されるマニフォルドは、ステンレス鋼よりなる。
この構造では、多くのパーツを組み立てる必要があるの
で、製造が困難でかつ高価となる。更に重要なことに、
電気化学デバイスは、通常７００〜１０００℃の高温で
作用し、一方、ステンレス鋼とセラミックとの熱膨張係
数は互いに異なるので、クラックの原因となることが多
い。これにより、セラミック電極とステンレス鋼との間
でリークが生じるおそれがある。このリークは、高圧条
件下で電気化学デバイスを用いる場合は、特に問題とな
る。例えば、２０００ｐｓｉという高圧で使用可能な酸
素生成器は、本発明者は知らない。
【０００３】これらの電気化学デバイスでは、そのデバ
イスが酸素生成器として用いられるか、燃料電池として
用いられるかにかかわらず、電極間の直列−並列アレイ
の形成に用いられる電気的相互接続は、個々の電極の外
周辺部の接点と直接に接続することが必要となる。この
相互接続構成の製造は高価となり、また、動作信頼性が
低くなり、更に、電気化学変換に使用可能な表面積が減
少してしまう。
【０００４】従って、本発明は、電気化学デバイスに使
用可能なセラミック電解質部材、即ちセラミック電解質
エレメントを提供することを目的とする。
【０００５】また、本発明は、セラミック材の体積や重
量あたりの有効表面積が広い構成を有するセラミック電
解質エレメントを提供することを目的とする。
【０００６】更に、本発明は、電解質と、射出成形によ
ってセラミック電解質を形成しうるバインダと、を含ん
だ組成物を提供することを目的とする。
【０００７】更にまた、本発明は、電極間の電気的接続
が簡素化されたセラミック電気化学デバイスを提供する
ことを目的とする。
【０００８】更にまた、本発明は、２０００ｐｓｉ以上
の圧力下で酸素の生成が可能な電気化学デバイスを提供
することを目的とする。
【０００９】本発明の更なる目的は、モジュールタイプ
の構成を有するセラミック電気化学デバイスを提供し、
これにより、生成される酸素量に対応しうる、簡素な
「ビルディングブロック」式、即ち積み重ねるブロック
の数を調整することで、生成される酸素量を調整可能な
電気化学デバイスを提供することにある。
【００１０】
【発明の概要】本発明の上記及び他の目的は、電解質や
バインダから射出成形可能なセラミックエレメントを提
供することで達成される。このセラミックエレメント
は、チューブサポート部即ちチューブ支持部と、このチ
ューブ支持部からのびる複数のチューブと、を有する。
これらのチューブは、行列配置される。チューブ支持部
の一方の表面から、反対側の表面へと、複数の通路が通
されている。このセラミックエレメントは、導電性被覆
と、電気コレクタ被覆と、の被覆がなされている。上述
の通路は、それぞれ導電性の被覆がなされ、プラグが差
し込まれている。セラミックエレメントの選択された領
域から被覆が除去された後に、セラミックエレメントの
チューブは、直列−並列アレイを形成する。なぜなら、
同じ列のチューブは、電気的に並列に接続され、かつ、
隣接する行のチューブは、電気的に直列に接続されてい
るからである。２つのセラミックエレメントが互いにシ
ールされて、１つのモジュールとなった電気化学デバイ
スが得られる。電気化学デバイスは、酸素生成器、燃料
電池のいずれでもよい。２つ以上の酸素生成器モジュー
ルを互いに積み重ねてマニフォルド(manifolding)の形
態とすることで、酸素生成能を向上することができる。
【００１１】これら及び他の目的は、単体のイオン伝導
性セラミック電解質エレメントを提供することで達成さ
れる。このエレメントは、第１の表面と第２の表面とを
備えたチューブ支持部と、該第１の表面からのびる複数
のチューブ部とを有する。チューブ部は、それぞれ閉鎖
端と開放端とを有する。該第２の表面は、少なくとも部
分的に空気に開放されている。チューブ部の開放端は、
該第２の表面を通じて空気に開放される。
【００１２】本発明の他の形態によれば、上述の目的及
びその他の目的は、支持部を備えた第１のセラミックエ
レメントと、この支持部からのびる長手部材即ち伸長し
た部材のアレイと、をそれぞれ有する電気化学デバイス
により達成される。第２のセラミックエレメントは、上
記第１のセラミックエレメントに隣接している。第１の
セラミックエレメントと第２のセラミックエレメントと
の間にはシールが設けられる。第１のセラミックエレメ
ント、第２のセラミックエレメント及びシールにより、
気密なチャンバが形成される。上記の長手部材は、チャ
ンバ内に開放状態とされる。
【００１３】本発明の他の形態によれば、これら及び他
の目的は、第１の電極と第２の電極とを備えた酸素生成
器を形成するステップを有する酸素生成方法によって達
成される。第１の電極には、第１の極性の電流が流さ
れ、第２の電極には、第２の極性の電流が流される。酸
素生成器内で酸素の圧力が高くなり、酸素生成器から２
０００ｐｓｉ以上の圧力で酸素が流出する。
【００１４】本発明の他の形態によれば、上記及び他の
目的は、セラミックパウダーとバインダとを混合するス
テップを有する方法によって製造されたセラミックモジ
ュール製品によって達成することができる。混合された
セラミックパウダーとバインダとは、射出成形されて、
支持部と、この支持部からのびる複数の突出部と、を備
えたセラミックモジュールとされる。
【００１５】多数のモジュールアセンブリの吐出ポート
を互いに接続して、容量の大きいシステムを構成するこ
ともできる。
【００１６】本発明のこれら及びその他の目的は、当業
者であれば、以下の好適実施例の説明から容易に理解さ
れるであろう。なお、好適実施例は、単に本発明の実施
の最適形態を示すものである。理解されるように、本発
明は、その趣旨を逸脱することなくその他の形態で実施
することが可能であり、その細部は、種々の明白な点に
関して修正が可能である。従って、添付図面は、本発明
を図示するためのものであり、本発明を限定するもので
はない。
【００１７】
【発明の詳細な記述】以下、図面を参照して本発明を説
明する。なお、この実施例の説明は、本発明を制限する
ものではない。また、図面において、同一部及び相当部
には同一符号を付して説明する。
【００１８】図１に、本発明により構成されたセラミッ
クモジュールエレメント１０を示す。図示のセラミック
モジュールエレメントは、図１〜５において直立配置し
た状態で示しているが、本発明はこのような直立状態に
限定されるものではない。従って、この実施例での「下
方」、「上方」、「左」、「右」等の用語は、説明の都
合上用いられるものであり、あくまでも相対的な意味で
用いられている。
【００１９】セラミックモジュールエレメントの実施例
は、好ましくは、射出成形された、単体のイオン伝導性
のセラミック電解質の形態である。このセラミックモジ
ュールエレメントは、同種あるいは同類のセラミック材
の固体ブロックから、機械加工により１つのピースの一
体物として機械加工により切り出してもよい。あるい
は、複数のピースにわけて切り出した後に、これらのピ
ースを互いに結合させてモジュールセラミックエレメン
トにしてもよい。射出成形、機械加工のいずれの場合に
おいても、好ましくは、エレメントを単一の材質から製
造することが好ましい。熱膨張係数の異なる異種材料を
使うことにより生じる問題をなくすためである。熱膨張
係数が異なることのない単一材料を用いることで、以下
に示すように、漏洩が生じることなく動作させることが
できる。
【００２０】好ましくは、モジュールセラミックエレメ
ントを用いることで、体積あたりの表面積を大きくな
る。後述するように、セラミックモジュールエレメント
１０は、好ましくは、ペアとして用いて、酸素生成器ア
センブリまたは燃料電池アセンブリを形成する。セラミ
ックエレメントのモジュールを対称的に構成すること
で、第２のモジュールを裏返して第１のモジュールに貼
付けて酸素生成器又は燃料電池アセンブリを形成するこ
とができる。第２のエレメント１０’は、好ましくは、
第１のエレメント１０と同等である。なお、特性的に同
等のものは、符号にアポストロフィーを付して示す。
【００２１】セラミックモジュールエレメント１０は、
略平板状のチューブ支持部材１４からのびて互いに離間
した長手チューブ即ち伸長したチューブ１２のアレイを
有する。支持部材１４は、略方形即ち略等角四角形の形
状となっている。なお、外面及び内表面を有する管状ま
たは円筒状のチューブ１２をこの実施例では示すが、
「チューブ」としてその他の形状や構成を用いることも
勿論可能である。ここでいう「チューブ」とは、単に説
明の便宜上用いているに過ぎない。図１に示されたアレ
イは、８行２８列を有し、全体では２２４本のチューブ
が用いられるが、チューブの本数はこれに限られる訳で
はない。酸素生成器に用いられる場合のチューブ１２の
本数、サイズ及び長さは、生成する酸素の量に依存す
る。各チューブ１２の外側末端は、その端部１５で閉鎖
されている。
【００２２】図１に示すように、第１の実施例における
セラミックモジュールエレメント１０の周囲にはフラン
ジ部２０が設けられ、セラミックモジュールエレメント
１０の下面１８から下方にのびている。
【００２３】酸素生成器として用いるために、セラミッ
クモジュールエレメント１０の外面の大部分は、図２に
示されるように、被覆プロセスにおいて、触媒化及び導
電材により被覆がなされている。加えて、好ましくは、
セラミックモジュールエレメント１０は、集電被覆によ
る被覆がなされる。エレメント１０の外面は、上面１６
と、チューブ１２の外面１３とを有し、このチューブ１
２は閉鎖端１５を備える。同様に、各チューブ１２下面
１８と内表面１７とは、同じ電気伝導材により被覆さ
れ、その後に、好ましくは集電被覆がなされる。チュー
ブ１２の閉鎖端１５は、図２に示されるように、平坦な
内面１９と平坦な外面２３を有し、いずれの実施例にお
いても、表面１９、２３は、平坦でも、曲がった形状で
も、あるいは両者を組み合わせた形状としても良い。チ
ューブ１２の内面１７は、図１に示されるように、空気
中に開放されている。
【００２４】燃料電池として用いる場合、どの実施例に
おいても、モジュールセラミックエレメントは、燃料に
さらされる表面状に金属セラミック組成物被覆のみに被
覆がなされる。空気あるいは酸素にさらされる表面は、
上述の酸素生成器にて用いられたのと同じ被覆がなされ
る。金属セラミック組成物は、電気伝導性を有するが、
動作中に燃料電池が酸化環境にさらされることから、酸
素生成器に用いられた被覆とは組成が異なる。被覆の組
成は、３０−７０％volのＮｉと３０−７０％volの安定
化ジルコニアであり、４０％volのＮｉと６０％volの安
定化ジルコニアの組成とすることが好ましい。ここでの
電気的接続は、セラミックエレメント１０が酸素生成器
アセンブリとして用いられるか、燃料電池アセンブリと
して用いられるかにかかわらず、同じものとなる。好ま
しくは、燃料電池としての壁厚は、電気効率を向上する
ために、同じサイズの酸素生成器における壁厚よりも薄
い。
【００２５】図３に示されるように、一連の通路２４
が、上面１５から下面１８へとのびている。これらの通
路は、セラミック電解質を貫通するホールである。各通
路は、対応するチューブ１２に隣接して配置され、その
チューブ１２から、図３に示されるようにその長さ方向
及び幅方向にずらされている。通路２４の数は、チュー
ブ１２の数に対応し、通路２４は、チューブ１２と同様
に行列配置されている。通路２４は、被覆プロセスの間
に、電気伝導性被覆によるメッキがなされ（及び被覆が
充填またはプラグが挿入され）る。
【００２６】図３に示す一連の強化リブ２６は、下面１
８から下方に伸びて、反対側の端部でフランジ部２０に
接続される。各強化リブ２６は、チューブ１２の列と通
路２４の列との間に配置される。強化リブ２６は、複数
のアーチ型セクションを有し、１つの通路２４に隣接し
て２つのアーチ型セクションが結合するようになってい
る。フランジ部２０は、下面１８からのび、強化リブ２
６よりも長くなっている。強化リブ２６は、被覆プロセ
ス間において被覆される。
【００２７】被覆プロセスを終えた後に、上面１６、下
面１８の触媒化及び導電材の一部は、それぞれ、除去さ
れて所望の電気的接続が、特定の通路２４を通じて形成
されるようにする。
【００２８】図１の２−２線に沿った部分断面図である
図２に戻ると、チューブは、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，
１２ｄと符号付けされており、通路には、２４ａ，２４
ｂ，２４ｃ，２４ｄと符号付けされている。従って、図
２は、４本のチューブの断面図であり、第１実施例で
の、２８本のチューブからなる行のそれぞれ最初のチュ
ーブである４本のチューブが示されている。ここで、チ
ューブ１２ａは、行ａのチューブ、チューブ１２ｂは、
行ｂのチューブであり、その他の行についても同様であ
る。チューブ１２とチューブ支持部材１４は、セラミッ
ク電解質材よりなる。チューブ１２の外面１３及びチュ
ーブ支持部材１４の上面１６は、イオン化及び導電材よ
りなる被覆３０によって連続的に被覆されている。同様
に、チューブ１２の内面１７、強化リブ２６の下面１８
は、同じまたは同様の導電材よりなる被覆３２により被
覆されている。上述したように、被覆プロセスにおいて
は、チューブ支持部材１４を通じてのびる通路２４は、
導電材が充填される。全表面は、例えば、浸漬法または
スプレー法等によって被覆される。
【００２９】これらの被覆３２、３４又は金属セラミッ
ク組成物被覆を、酸素生成器等の電気化学デバイスの製
造に使用可能な電気回路に形成するためには、所望の電
気的接続が得られるように、電極材の一部を選択的に除
去することが必要である。電極材の除去は、レーザを用
いて電極材を切断することで、互いに隣接するチューブ
上の電極材を絶縁することで、達成することもできる。
しかし、レーザを用いるよりも、放電加工装置を用いて
電極材を除去することが好ましい。放電加工装置であれ
ば、下層のセラミックまで切断することはないからであ
る。このため、一連の切り込み部４０ａ，４０ｂ，４０
ｃ，４０ｄが、チューブ支持部材の下面１８上の被覆３
２に形成されている。これらの切り込み部４０ａ−４０
ｄは、適切なレーザにより形成され、チューブ１２の列
の間に、長手方向にチューブ支持部材１４の全長にわた
ってのびる。このチューブ支持部材は、フランジ部位２
０の各対向する長手部位の間に設けられる。同様に、チ
ューブ支持部材１４の上面１６に形成された被覆３０に
は、切り込み部４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが設け
られている。また、これらの切り込み部４２ａ−ｄも、
各チューブ１２の列に沿い、チューブ支持部材の全長に
わたって、フランジ部２０の互いに対向する長手部位の
間に設けられる。これらの切り込み部は、被覆３０、３
２の全長にわたってのびるが、レーザを用いる場合、好
ましくは、セラミックの切り取り量を出来る限り少なく
する。フランジ部の垂直な外面４４が被覆プロセスの間
に被覆されてしまった場合、その被覆３０を除去すべき
である。
【００３０】特に、切り込み部４２ａは、通路２４ａで
のチューブ１２ａにより近い側に形成され、一方、切り
込み部４０ａは、通路２４ａでのチューブ１２ｂにより
近い側に形成される。従って、チューブ１２ａの内面１
７の被覆３２と、チューブ１２ｂの外面１３の被覆３０
との間が直列接続される。同様に、チューブ１２ｂの外
面１３の被覆３０と、チューブ１２ｃの内面の被覆３２
との間が直列接続される。更に、チューブ１２ｃの内面
の被覆３２と、チューブ１２ｄの外面の被覆３０との間
にも直列接続が確立される。このようにして、隣接して
連続するチューブ１２どうしの間に、同様の直列接続が
確立されるが、簡単のため、ここではこれ以上記載しな
い。従って、同じ行で違う列にあって互いに隣接するチ
ューブ１２が、直列接続される。一方、同じ列で違う行
にあるチューブ１２は、互いに電気的に並列に接続され
る。チューブの列の間に長手に設けられた切り込み部４
０、４２、例えばチューブ１２ａ、１２ｂにより形成さ
れる列の間の切り込み部４０ａ，４２ｂや、その他のチ
ューブ列の間の同様の切り込み部によって、列配置され
たチューブ１２は、事実上、並列電気回路となる。通路
２４に導電材を残すことで、チューブ１２どうしの電気
抵抗を可能な限り小さくすることができる。従って、チ
ューブ１２は電極となり、各チューブ１２の外面１３が
カソード、内面１７がアノードとして作用する。
【００３１】通路２４の拡大断面図を図２Ａに示す。こ
の図に示されるように、通路２４は、好ましくは、テー
パ状即ち先細になっていて、径が大きい方の端部は表面
１８側に、径が小さいは表面１６側にある。このように
テーパ状にすることで、表面１８が高圧にさらされて通
路２４に挿入されるプラグ（図示せず）がより緊密にシ
ールされるので、圧力が増すほどシール性も高くなると
いう利点が得られる。
【００３２】この構成とすることで、図１の実施例を例
にとると、２８列のチューブの各列が８本のチューブ
（８行）を有し、各列の８本のチューブのそれぞれの電
極（第１電極及び第２電極）が電気的に並列に接続され
る。上記２８列の各列は、電気的に直列に接続される。
この配置はあくまでも例示的なものであり、チューブの
サイズ及びチューブの行列配置を適切に変更すること
で、電流や電圧が最適に各チューブに分配されるよう
に、直列、並列接続が適切に選択可能である。また、図
示の形態では、図１の構成において電源が２４Ｖだと仮
定すると、各チューブにかかる電圧は、１ボルト未満な
る。各列のチューブは、実質的に、２８個の直列接続さ
れた抵抗のうちの一つとなるからである。イオン化及び
デバイスを通じての酸素移動を実現するために必要とさ
れる電圧は、いくつかのパラメータに依存する。これら
のパラメータとしては、動作温度、生成器にかけられる
酸素分圧の差圧、電解質のイオン伝導性、電解質の電気
抵抗、電極インターフェース、電極の収束抵抗及び生成
器の電気接点における抵抗等が挙げられる。しかし、一
般には、この電圧は、１ボルト未満であり、最適配置で
は、電圧のごく一部のみが印加されるようにもできる。
チューブの数あるいはチューブ列の数は、電源電圧や、
各チューブに所望される電圧に依存する。この実施例に
おける８本のチューブ（及び対応する通路）よりなる各
列を、更に、それぞれ２８本のチューブが直列接続され
て互いに分離した列としてもよい。しかし、各電極の特
性は必ずしも均一とは限らないので、一本のチューブが
加熱して焼損してしまうと、直列接続された２８本のチ
ューブ全体が使えなくなる。複数の通路を備えたチュー
ブを上述のような列に配置することで、電流の冗長化及
び規格化が達成される。
【００３３】図３に示されるように、チューブ支持部材
１４には、フランジ部位２０を通じてアウトレット５０
が設けられている。アウトレットポート５０は、フラン
ジ部位２０の短いほうの部位に設けられているが、これ
らのアウトレットポートをエレメント１０、１０’の長
い方の端部にも設けることで、端から端だけでなく、側
面から側面でも各モジュールアセンブリが接続されるよ
うにしても良い。酸素生成器アセンブリを形成するため
には、各セラミックエレメント１０にアウトレットを一
つだけ設ける。燃料電池アセンブリを形成するために
は、各セラミックエレメントに、インレットポート（図
示せず）一つとアウトレットポート５０一つとを設け
る。
【００３４】図４にモジュールアセンブリ７０を示す。
図４のモジュールアセンブリ７０を形成するエレメント
１０、１０’は、好ましくは同等で対称的となってい
て、完全なアセンブリ７０が形成される。フランジ部材
２０は、チューブ支持部材１４を囲むように、下面１８
から外側にのびてその周囲を囲んで、エレメント１０，
１０’が互いに配置されたときに、フランジ部材２０、
２０’が結合されて、シール空間またはマニフォルド
が、その内側で、２つのエレメント１０，１０’の下面
どうしの間に形成される。上述のどちらの実施例におい
ても、カバープレート（図示せず）をセラミックエレメ
ント１０’に配置し得る。
【００３５】酸素生成器としての動作時には、酸素を供
給するための空気やガスは、チューブ１２を通じて流
れ、イオン伝導性の原理により、酸素圧力の高いガスが
チューブ１２の内部に形成されて、２つのエレメントア
センブリ１０，１０’の間に形成されるシール空間に集
められる。各チューブ１２は電極として動作し、その外
面は第１の電位、内面は第２の電位となっている。外面
１３と内面１７との間の電位差により、外面１３で空気
から酸素分子が分離される。上記電位差によって、酸素
イオンが稠密なセラミック電解質を通じて移動し、内面
１７で酸素分子が再形成される。所望により、この酸素
の供給は、アウトレット５０を通じてなされる。電流
は、モジュール７０の外面の被覆に供給され、酸素は、
アウトレット５０（図３）を通じて流出される。アウト
レットにおける予想酸素濃度は、９９．５％あるいはそ
れ以上の純度の酸素である。
【００３６】燃料電池として使用した場合、このモジュ
ールアセンブリは、インレットポートとアウトレット５
０とを備えることとなる。水素や天然ガス等の燃料は、
インレットから流入し、アウトレット５０を通じて流出
される。空気や高純度酸素等の酸化剤が、燃料電池アセ
ンブリを取り巻く。空気と燃料とは、それぞれアノー
ド、カソードと反応する。
【００３７】中空のチューブの各列に対する他の配列
は、中空の「片持ち式棚（cantilevershelf）」状の構
成であり、この構成によれば、上述の構成とほぼ同じ実
効表面積が得られる。チューブが共通のアウトレットを
持つようにするために、一端が成形により閉鎖された平
坦な中空セクションは、互いにマニフォールドとされ
る。内部強化用リブを、互いに対向する平坦な壁面の間
に入れることで、所望の内部圧力に耐え得るように、強
度を高めることも可能である。
【００３８】特に、図１〜４に示されるセラミックモジ
ュラーエレメント１０は、第１の実施例に係るものであ
り、図５、図６及び図８でのセラミックモジュラーエレ
メント１００は、第２の実施例に係るものである。図
７、図９、図１０及びその説明は、双方の実施例に共通
する。
【００３９】図５に示すセラミックモジュラーエレメン
ト１００は、略平坦なチューブ支持部材１１４からのび
て互いに離間した伸長したチューブ１１２のアレイを含
む。支持部材１１４は、略方形状即ち等角四角形の形状
を有する。図５に示されるアレイは、７行９列の総数６
３本のチューブを有する。しかし、本発明は、この本数
に限定されるものではない。チューブ１１２の数、サイ
ズ及び長さは、例えば酸素生成器の場合、生成する酸素
の量に依存する。各チューブ１１２の外側の末端は、閉
鎖端１１５として閉鎖されている。これらのチューブ１
１２は、例えばその壁厚が略０．０１５インチとなって
いる。
【００４０】チューブ１１２は、平坦な内面１１９と、
曲がった外面１２３とを有する。チューブ１１２の内面
１１７は、図５に示すように空気中に露出している。チ
ューブ支持部材１１４は、平坦な上面１１６と平坦な下
面１１８とを有する。略方形状で互いに離間した窪み部
１２０が、下面１１８から内側に形成されている。これ
らの窪み部は、これらの窪み部の一方側に設けられた略
方形状の溝１２５によってつながっている。溝１２５の
位置や形状は、例示的なものであり、各窪み部が１つの
アウトレットと流体的に連通できる構成である限りは、
他の形状を用いてもよい。各窪み部１２０の端部１２２
は、各チューブ１１２の略中心部で、各チューブ１１２
の開放端と交わる。チューブ支持部材１１４の窪み部１
２０どうしの間の部位は、支持リブ１８０がとなってい
る。図６に示されるように、出口ポート１５０は、支持
部材１１４に設けられて、マニフォールド化されたチュ
ーブ１１２を、支持部材の長手方向（短い壁に沿って）
で、出口ポートに接続する。
【００４１】図５、６に示されるように、一連の通路１
２４が、上面１１６から窪み部１２０へとのびている。
これらの通路２４は、セラミック電解質を通じてのびて
いる。各通路１２４は、対応するチューブ１１２に隣接
して配置されており、図３に示されるように、そこから
長手、幅の両方の方向においてオフセットされている。
通路１２４の数は、チューブ１１２の数に対応してお
り、通路１２４は、これらのチューブと同様に行列配置
されている。通路１２４は、被覆プロセスの間にプレー
ト化即ち被覆の形成（及び被覆で満たされ、あるいは被
覆で塞がれ）がなされる。
【００４２】成形されたセラミック電解質の概略を図７
に示す。なお、セラミック１０の全外面及び内面にわた
って、電導性を有する電極被覆２００がなされている。
電流コレクタ被覆２１０が、その後、全電極被覆２００
にわたって形成される。隣接する列の隣接するチューブ
１１２の間での被覆２００、２１０を電気的に絶縁する
ために、支持部材１１４の底面１１８は、好ましくは、
研磨されて、この底面１１８から被覆が除去される。底
面１１８を研削することで、シーリングのために表面を
平坦とすることができる（図６）という利点が得られ
る。垂直な外面１４４にある被覆は、すべて研削して、
外面及び内面の被覆を電気的に絶縁させる必要がある。
他の実施例においては、電気的絶縁切り込み部１３２ａ
−１３２ｈを、図７に示されるように設けてもよい。電
気絶縁切り込み部１４２ａ−１４２ｈは、その後、第１
の実施例で説明されたように、図５に示されるように切
り込まれる。または、上面１１６の領域を選択的にマス
クして被覆２００、２１０がセラミックに接着されない
ようにしても良い。好ましくは、チューブ１１２は、互
いに離間して配置される一方で電気的には接続されてい
るので、チューブどうしで電気的に接続をとるための周
辺部や周辺部材は必要としない。完成したアセンブリ
は、酸素生成器や燃料電池として使用された場合におけ
る、極端な温度条件や化学的環境によって悪影響を受け
ることもない。
【００４３】動作時には、正電気端子がＡ（図８の参照
符号２６２を参照）に接続され、カソードを形成する。
陰電気端子は、この該略図では示されていない（図８の
参照符号２６４参照）。チューブを流れる電流は、アノ
ードへの矢線Ｂで示される。電流は、矢線Ｃに示される
ようにアノードを通じてながれ、矢線Ｄで示されるよう
に通路２４を通じて流れる。電気絶縁切り込み部１４２
ａによって、チューブ１２ａの外面１３ａと、チューブ
１２ｂの外面１３と、の間では電流が流れないようにさ
れる。同様に、電気絶縁切り込み部３２ａは、チューブ
１２ａの内面１７ａと、チューブ１２ｂの内面１７ｂ
と、の間で電流が流れないようにする。
【００４４】上述してどの実施例においても、電解質材
は、以下の群及びこれらの混合物の内から選択可能であ
る。
【００４５】１）ジルコニア（Ｚｒ1-x）ＡxＯ2（０．
０５＜ｘ＜０．１５） （Ａはイットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、
スカンジウム（Ｓｃ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシ
ウム（Ｍｇ）であり、Ａ＝Ｙ、ｘ＝０．０８とすること
が好ましい。）
【００４６】２）酸化セリウム（セリア）（Ｃｅ1-x）
ＡxＯ2（０．０５＜ｘ＜０．３０） （Ａはサマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、
Ｙ、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）であ
り、Ａ＝Ｇｄ，ｘ＝０．２０とすることが好ましい。）
【００４７】３）酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）1-x（Ａ2Ｏ
3）x（０．０５＜ｘ＜０．３０） （ＡはＹ、ネオジム（Ｎｄ）、Ｇｄ、エルビウム（Ｅ
ｒ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、Ｌａであり、Ａ＝Ｙ、
Ｘ＝０．２０とすることが好ましい。）
【００４８】４）バナジウム酸ビスマスＢｉ２Ｖ1-xＡx
Ｏ5.5-3x/2（０．０５＜ｘ＜０．３０） （Ａは銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッ
ケル（Ｎｉ）であり、Ａ＝Ｃｕ、ｘ＝０．１０とするこ
とが好ましい。）
【００４９】５）ガリウム酸ランタンＬａ1-xＳｒxＧａ
1-yＭｇyＯ3 （０＜ｘ＜０．３０）（ｘ＝０．１０が好ましい）で、
（０．００＜ｙ＜０．３０） （ｙ＝０．０２０が好ま
しい）
【００５０】上述の全実施例において、電極材は、以下
の群から選択可能である。
【００５１】１）Ｌａ1-xＡxＭｎＯ3（０．００＜ｘ＜
１．００） （Ａ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）で、Ｓｒ＝０．２０が好まし
い。
【００５２】２）Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3
【００５３】上記どの実施例において、電流のコレクタ
は、以下の群から選択可能である。
【００５４】１）貴金属（銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、パ
ラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ））、ただし銀が好まし
い。
【００５５】２）合金（Ａｇ−Ｐｄ（２０％Ｐｄ）、Ａ
ｕ−Ｐｄ）、ただし、Ｐｄが２０％であるＡｕ−Ｐｄが
好ましい。
【００５６】セラミックエレメント１００を射出成形す
るために、セラミック電解質は、バインダと混合され
る。射出成形バインダ系は、３０−７０ｖｏｌ％の固形
分を含有する。固形分は、セラミックパウダーまたは電
解質である。残りの体積分は、バインダである。
【００５７】バインダ材は、以下のうちから選択可能で
ある。
【００５８】１）アガー(Agar)即ち寒天（＜１０ｖｏｌ
％）、グリセリン（＜１０ｖｏｌ％）、水（＞８０％）
【００５９】２）ポリマー、ワックス、オイル、及び酸
であって、 ａ）上記ポリマーは（０−７５ｖｏｌ％）、ポリスチレ
ン（ＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン
（ＰＰ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ：ethylene vin
yl acetate）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ
エチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンクロレー
ト（ＰＥＣ：polyethylene chlorate）、ポリビニルク
ロレート（ＰＶＣ：polyvinyl chlorate）、ポリアセタ
ール； ｂ）上記ワックス（０−７５ｖｏｌ％）は、パラフィ
ン、ミクロクリスタンワックス、カルナウバワックス
（carnauba）、みつろう； ｃ）上記オイル（０−７５ｖｏｌ％）は、落花生油、植
物油、鉱油、 ｄ）上記酸（０−２０ｖｏｌ％）は、ステアリン酸、オ
レイン酸、硼酸（ｂｏｒｉｃ）
【００６０】３）メチルセルロース（５−３０ｖｏｌ
％）、水（＞５０ｖｏｌ％）、グリセリン（＜２０ｖｏ
ｌ％）、硼酸（＜１０ｖｏｌ％）
【００６１】酸素生成器用のモジュール完成体アセンブ
リ２５０を図８に示す。このモジュールアセンブリ２５
０は、セラミックエレメント１００、１００’を有し、
これらのセラミックエレメントどうしは、シール２６０
を形成する市販のセラミック装填セメント（ceremic lo
aded cement）によって結合されている。これに代え
て、市販のリチウム−アルミニウム−珪酸塩ガラスセメ
ントを用いることも可能である。好ましくは、強化リブ
１８０が互いに結合されて、２０００ｐｓｉを超える内
圧にも耐え得る強いアセンブリを形成する。モジュール
１００、１００’の周囲と、その中心部と、においてリ
ブ１８０どうしを結合させることで、更に強度が高くな
る。正電気端子２６２は、モジュールアセンブリ２５０
の一端の上面１１８の被覆２１０に接続され、陰電気端
子２６４は、被覆に対してモジュールの他方の端部に接
続されている。酸素アウトレット２６６は、バルブ（図
示せず）に接続され、このバルブは閉鎖可能で、モジュ
ールアセンブリ２５０ないで酸素圧力の上昇が可能とな
っている。図８に示した酸素生成器のサイズは、１．８
インチ幅で、長さは３インチであり、直径０．１３イン
チで長さ１．２インチのチューブが、１分間に約３００
−３５０立方センチメートルの酸素を生成し得るように
なっている。
【００６２】図９Ａに、セラミックエレメント１００の
製造プロセスのフローチャートにおけるステップを示
す。ステップ３００において、セラミックパウダーを用
意する。このセラミックパウダーは、上述の組成物のい
ずれでも良い。ステップ３０２において、用意されたセ
ラミックパウダーを検査する。セラミックパウダーの検
査結果、問題があった場合、セラミックパウダーは、ス
テップ３０４で処理される。この処理としては、セラミ
ックパウダーのか焼、セラミックの粉砕又は、セラミッ
クパウダーへの化学添加剤の添加等が挙げられる。ステ
ップ３０６において、原料バインダ系が調製される。こ
の原料バインダ系は、上述のどのバインダでも良い。ス
テップ３０８では、検査で問題なしと判定されたパウダ
ーとバインダ系とが混合される。ステップ３１０では、
パウダーとバインダ系とを含む原料が、射出成形装置に
移送される。ステップ３１２において、セラミックエレ
メント１００が射出成形される。ステップ３１４におい
て、成形されたセラミックエレメント１００が検査さ
れ、この検査で、成形パーツに問題があると判定された
場合、成形条件がステップ３１６で調整される。ステッ
プ３１８では、バインダは除去され、少なくとも密度９
２パーセントの密なセラミック電解質が残る。ステップ
３２０では、セラミックエレメント１００が焼結され、
エレメント１００に問題があると判定された場合は、そ
のエレメントは、ステップ３２４において廃棄される。
ステップ３２６では、電極インクが用意される。ステッ
プ３２８においては、電極被覆２００が、検査されたセ
ラミックエレメント１００上に形成される。ステップ３
３０において、被覆されたセラミックエレメント１００
が焼結される。ステップ３３２において、焼結後の被覆
されたセラミックエレメントが検査される。セラミック
エレメントが検査で問題ありとされた場合、ステップ３
３４において、焼結されたセラミックエレメントをリワ
ーク即ち再処理すべきかを判定する。セラミックエレメ
ント１００を再処理しないと判定した場合、セラミック
エレメント１００は、ステップ３３６で廃棄される。ス
テップ３３４で、セラミックエレメントを再処理すべき
と判定した場合、セラミックエレメントは、ステップ３
２８に戻される。一旦セラミックエレメントがステップ
３３２における検査をパスすると、ステップ３３６にお
いて、電流コレクタインクが用意される。ステップ３３
８では、電流コレクタ被覆２１０が、焼結された電極被
覆上に形成される。ステップ３４０では、形成された電
流コレクタ被覆が焼結される。ステップ３４２では、セ
ラミックエレメント１００上に焼結された電流コレクタ
被覆２１０が検査される。焼結されたセラミックエレメ
ント１００がステップ３４４での検査で問題ありとされ
た場合、セラミックエレメントを再処理すべきかどうか
が決定される。セラミックエレメント１００を再処理し
ないと決定した場合、セラミックエレメントは、ステッ
プ３４６で廃棄される。ステップ３４４で、焼結された
電流コレクタ被覆を再処理すると決定した場合、セラミ
ックエレメント１００は、ステップ３３８に戻される。
【００６３】図９Ｂのステップ３４８で、通路ペースト
が用意される。ステップ３５０では、電気通路ペースト
が通路１２４に形成される。ステップ３５４において、
通路１２４が検査される。通路１２４がステップ３５４
の検査で問題ありと判定された場合、通路の電気ペース
トの再処理を行なう。セラミックエレメント１００の再
処理をしないと判定されたときは、このセラミックエレ
メントは、ステップ３５６で廃棄される。通路の電気ペ
ーストの再処理を行なう場合、モジュールセラミックエ
レメントは、ステップ３５０に戻される。電気ペースト
が形成されて検査ステップ３５２で問題なしとされた場
合、ステップ３５４に進み、底面１１８がグラインド処
理される。また、垂直な側面１４４もまた、ステップ３
５４でグラインド処理される。ステップ３５６におい
て、上面１１６は、電導性被覆された部位を有し、この
被覆は、隣接する部位（１４２Ａ−１４２Ｈ参照）から
は絶縁され、この際、好ましくは放電装置を用いて絶縁
される。ステップ３５８において、隣接するチューブ列
の間での絶縁試験がなされる。セラミックエレメントの
切り込み部がこの試験で問題ありと判定された場合、ス
テップ３６０で、セラミックエレメント１００を再処理
するかどうかが判定される。セラミックエレメント１０
０を再処理しないと判定したときは、セラミックエレメ
ント１００は、ステップ３６２で廃棄される。ステップ
３６０でセラミックエレメント１００を再処理すると判
定されたときは、セラミックエレメント１００は、ステ
ップ３５４又は３５６に戻される。ステップ３５６にお
いては、シーリング材が用意される。ステップ３６６で
は、シーリング材が底面１１８、１１８’に塗布あるい
は配置される。ステップ３６８では、２つのセラミック
エレメント１１８、１１８’が互いに結合される。ステ
ップ３７０では、シーリング材が熱硬化される。ステッ
プ３７２では、シーリング試験がなされる。圧力試験ま
たはリーク試験でシーリングに問題があった場合、ステ
ップ３７４で、結合されたセラミックエレメント１０
０、１００’を再処理するかどうかが判定される。結合
されたセラミックエレメント１００、１００’を再処理
しないと判定された場合、ステップ３７６で、エレメン
ト１００、１００’の両方が廃棄される。結合されたセ
ラミックエレメント１００、１００’を再処理すると判
定されたときには、ステップ３７６で、セラミックエレ
メント１００、１００’が分離される。ステップ３７８
では、底面１１８、１１８’が再研削され、ステップ３
７８の後に、セラミックエレメントはステップ３７６に
戻される。結合されたセラミックエレメントがシーリン
グ試験に合格した場合、ステップ３７４で、セラミック
モジュールアセンブリ２５０が完成される。
【００６４】本発明は、独自の酸素生成器であって、２
０００ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）以上の圧力の高圧
酸素を、移動パーツを何も用いることなく生成すること
が可能なものを提供することができる。要求される酸素
量に応じて、複数のモジュール２５０を互いにマニフォ
ールド化して、高耐圧酸素ビンに酸素を満たすことがで
き、この際、高耐圧酸素ビンをガスプラントまで長距離
移送して戻すこともない。更に、本発明は、電気化学デ
バイスであって、電流の流通を簡素化し、製造コストを
より低くして、より信頼性の高いデバイスを提供するこ
とができる。
【００６５】本発明によれば上述の目的が達成されるこ
とが、当業者には理解されよう。上述の詳細な説明か
ら、当業者であれば、種々の変更、置換、等価物の使用
が可能であることが理解されよう。従って、本発明の権
利範囲は、添付した請求の範囲によってのみ限定される
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る電気化学モジュー
ルアセンブリに用いられる、射出成形により得られたモ
ジュール式のセラミックエレメントの上面斜視図であ
る。
【図２】図１のセラミックエレメントの断面斜視図であ
り、簡素化のために一部のチューブのみを示した側面断
面斜視図である。
【図２Ａ】図１の通路２４の拡大断面図である。
【図３】図である１のセラミックエレメントの底面図で
ある。
【図４】図である１の２つの成形エレメントを、１つの
電気化学モジュールアセンブリとした状態での上面斜視
図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る電気化学モジュー
ルアセンブリに用いられる、射出成形されたモジュール
セラミックエレメントの側面断面斜視図である。
【図６】図である４のセラミックエレメントの底面図で
ある。
【図７】図２、図５の電気接続を示す概略説明図であ
る。
【図８】図５の２つの成形エレメントを、１つの電気化
学モジュールアセンブリに形成した状態での斜視図であ
る。
【図９Ａ】電気化学エレメントの製造方法に用いられる
ステップを示すフローチャートを示す図である。
【図９Ｂ】電気化学エレメントの製造方法に用いられる
ステップを示すフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
１０ セラミックモジュールエレメント １２ 伸長したチューブ １３ 外面 １４ 支持部材 １５ 閉鎖端 １６ 上面 １８ 下面 ２０ フランジ部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ０１Ｇ 25/00 Ｃ０１Ｇ 25/00 29/00 29/00 31/00 31/00 45/00 45/00 51/00 51/00 Ｂ 53/00 53/00 Ａ Ｃ０４Ｂ 35/495 Ｈ０１Ｂ 1/08 Ｈ０１Ｂ 1/08 Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｊ (72)発明者 ラッセル エフ．ハート アメリカ合衆国，52726 アイオワ，ブ ルー グラス，ワンハンドレッドサーテ ィス ストリート 9104 (72)発明者 スコット アール．セーリン アメリカ合衆国，52722 アイオワ，ベ ッテンドルフ，ベイベリー コート 2505 (56)参考文献 特開 平８−239786（ＪＰ，Ａ) 特公 昭45−18126（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01J 19/08 C01B 13/02

Claims (66)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イオン伝導性セラミック電解質エレメン
    トであって、 第１の表面と第２の表面とを有するチューブ支持部と、
    該第１の表面からのびる複数のチューブ部とからなり、
    該チューブ部の各々は閉鎖端と開放端とを有し、該第２
    の表面は少なくともその一部が空気にさらされており、
    そして該複数のチューブ部の該開放端は空気にさらされ
    ていることを特徴とするセラミック電解質エレメント。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該複数のチューブ部と該チューブ支持
    部材が、成形プロセスによって一体構造に形成されてい
    ることを特徴とするセラミック電解質エレメント。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該複数のチューブ部の各々は内面と外
    面とを有し、該複数のチューブ部の各々はさらに、該内
    面上と外面上の電極被覆を有することを特徴とするセラ
    ミック電解質エレメント。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該電極被覆は、Ｌａ１−ｘＡｘＭｎＯ
    ３であり、ｘは０．００乃至１．００であり、ＡはＳ
    ｒ，Ｃａ，Ｂａからなる群から選択されることを特徴と
    するセラミック電解質エレメント。
  5. 【請求項５】 請求項３に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該電極被覆は、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ
    １−ｙＦｅｙＯ３であり、ｘは０．００乃至１．００で
    あることを特徴とするセラミック電解質エレメント。
  6. 【請求項６】 請求項３に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該セラミック電解質エレメントはさら
    に、該電極被覆上の電流コレクタ被覆を有することを特
    徴とするセラミック電解質エレメント。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該電流コレクタ被覆が、Ａｇ，Ａｕ，
    Ｐｄ，Ｐｔ並びにこれらの合金及び混合物からなる群か
    ら選択されることを特徴とするセラミック電解質エレメ
    ント。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該複数のチューブ部が、互いに離間し
    た行と列からなるアレイに形成されることを特徴とする
    請求項セラミック電解質エレメント。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載のセラミック電解質エレ
    メントにおいて、該複数のチューブ部の各々は伸長した
    部材であることを特徴とするセラミック電解質エレメン
    ト。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載のセラミック電解質エ
    レメントにおいて、該複数のチューブ部の各々は、離間
    した外面と内面とを有することを特徴とするセラミック
    電解質エレメント。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載のセラミック電解質エ
    レメントにおいて、該エレメントは、該チューブ部のア
    レイに対応するように行と列からなるアレイに形成され
    た複数の通路を有し、該複数の通路は、該第１の表面か
    ら該第２の表面へとのびる孔部であることを特徴とする
    セラミック電解質エレメント。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載のセラミック電解質エ
    レメントにおいて、該セラミック電解質エレメントは、 Ｚｒ１−ｘＡｘＯ２、Ｃｅ１−ｘＡｘＯ２、（Ｂｉ２Ｏ
    ３）１−ｘ（Ａ２Ｏ３）ｘ、Ｂｉ２Ｖ１−ｘＡｘＯ
    ５．５−３ｘ／２、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙ
    Ｏ３及びこれらの混合物からなる群から選択される電解
    質からなり、ｘは、０．００＜ｘ＜０．３０であり、ｙ
    は、０．００＜ｙ＜０．３０であり、Ａは、Ｙ，Ｙｂ，
    Ｓｃ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｎｄ，Ｅ
    ｒ，Ｄｙ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉからな
    る群から選択され、該電解質エレメントはさらに、射出
    成形の間に該電解質をバインドするバインダを有するこ
    とを特徴とするセラミック電解質エレメント。
  13. 【請求項１３】 支持部材と、該支持部材からのびる伸
    長した部材のアレイとを有する第１のセラミックエレメ
    ントと、 該第１のセラミックエレメントに隣接する第２のセラミ
    ックエレメントと、 該第１のセラミックエレメントと該第２のセラミックエ
    レメントとの間のシールとからなり、 該第１のセラミックエレメントと該第２のセラミックエ
    レメントと該シールは気密なチャンバを形成し、 該伸長した部材は、該チャンバに開放されていることを
    特徴とする電気化学デバイス。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、さらに、 該第１のセラミックエレメントの外面の少なくとも一部
    を覆う、第１の極性で電源に接続可能な第１の電導性被
    覆と、 該第１のセラミックエレメントの内面の少なくとも一部
    を覆う、第２の極性で電源に接続可能な第２の導電性被
    覆とを有することを特徴とする電気化学デバイス。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の電気化学デバイス
    において、該伸張した部材はチューブであり、該アレイ
    はチューブの行と列とから形成され、該第１の導電性被
    覆は該チューブの各々の外面を覆い、該第２の導電性被
    覆は該チューブの各々の内面を覆うことを特徴とする電
    気化学デバイス。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の電気化学デバイス
    において、ある一列の各チューブを覆う該第１の導電性
    被覆は、この列に隣接する列の各チューブを覆う該第１
    の導電性被覆から電気的に絶縁されており、ある一列の
    各チューブを覆う該第２の導電性被覆は、この列に隣接
    する列の各チューブを覆う該第２の導電性被覆から電気
    的に絶縁されていることを特徴とする電気化学デバイ
    ス。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の電気化学デバイス
    において、該外面と該内面との間にのびる通路を有し、
    該通路が導電性被覆により覆われていることを特徴とす
    る電気化学デバイス。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の電気化学デバイス
    において、該通路の該導電性被覆は、ある一列の各チュ
    ーブを覆う該第１の導電性被覆を、この列に隣接する列
    の各チューブを覆う該第２の導電性被覆と接続すること
    を特徴とする電気化学デバイス。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の電気化学デバイス
    において、該デバイスはさらに、該複数の通路のそれぞ
    れに挿入された複数のプラグを有することを特徴とする
    電気化学デバイス。
  20. 【請求項２０】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該第１のセラミックエレメントは、その外面
    と内面との間にのびてその内部に形成される複数の通路
    を有することを特徴とする電気化学デバイス。
  21. 【請求項２１】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該デバイスはさらにインレットからなり、該
    化学デバイスは酸素生成器であることを特徴とする電気
    化学デバイス。
  22. 【請求項２２】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該デバイスはさらにインレットとアウトレッ
    トからなり、該デバイスは燃料電池であることを特徴と
    する電気化学デバイス。
  23. 【請求項２３】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該第１のセラミックエレメントは、射出成形
    プロセスによって一体構造に形成されていることを特徴
    とする電気化学デバイス。
  24. 【請求項２４】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該第１のセラミックエレメントは矩形状であ
    り、該伸長した部材は円筒形状のチューブであることを
    特徴とする電気化学デバイス。
  25. 【請求項２５】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該シールはセラミック混合セメントであるこ
    とを特徴とする電気化学デバイス。
  26. 【請求項２６】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該第１のセラミックエレメントと該第２のセ
    ラミックエレメントは同一のものであることを特徴とす
    る電気化学デバイス。
  27. 【請求項２７】 請求項１３に記載の電気化学デバイス
    において、該チャンバは、２０００ｐｓｉの圧力を保持
    できることを特徴とする電気化学デバイス。
  28. 【請求項２８】 セラミック酸素生成器を用いて酸素を
    発生するセラミック酸素生成方法であって、該方法は、 第１の電極に第１の極性で電流を供給し、該第２の電極
    に第２の極性で電流を供給する段階と、 該セラミック酸素生成器内で、解離された酸素イオンか
    ら酸素を生成する段階と、 該セラミック酸素生成器内で酸素圧を高くしていく段階
    と、 酸素を２０００ｐｓｉ以上の圧力で排出する段階とから
    なることを特徴とするセラミック酸素生成方法。
  29. 【請求項２９】 請求項２８に記載のセラミック酸素生
    成方法において、該酸素圧を高くしていく段階は、該セ
    ラミック酸素生成器内の酸素圧力を増加させるためにバ
    ルブを閉じる段階を含むことを特徴とするセラミック酸
    素生成方法。
  30. 【請求項３０】 セラミック電解質パウダーとバインダ
    とを混合する段階と、 該混合されたセラミック電解質
    パウダーとバインダとを、支持部と該支持部からのびる
    複数の突出部とを有するセラミックエレメントに射出成
    形する段階とからなり、該セラミック電解質パウダー
    は、Ｚｒ１−ｘＡｘＯ２、Ｃｅ１−ｘＡｘＯ２、（Ｂｉ
    ２Ｏ３）１−ｘ（Ａ２Ｏ３）、Ｂｉ２Ｖ１−ｘＡｘＯ
    ５．５−３ｘ／２、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙ
    Ｏ３からなる群から選択される物質からなり、ｘは、
    ０．００＜ｘ＜０．３０であり、ｙは０．００＜ｙ＜
    ０．３０であり、Ａは、Ｙ，Ｙｂ，Ｓｃ，Ｃａ，Ｍｇ，
    Ｓｍ，Ｇｄ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｎｄ，Ｅｒ，Ｄｙ，Ｃｕ，Ｔ
    ｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉからなる群から選択される
    ことを特徴とする方法によって製造されるセラミックエ
    レメント物品。
  31. 【請求項３１】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３０であ
    ることを特徴とするセラミックエレメント物品。
  32. 【請求項３２】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．１５であ
    ることを特徴とするセラミックエレメント物品。
  33. 【請求項３３】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該セラミック電解質パウダーは、Ｚ
    ｒ１−ｘＡｘＯ２であり、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．１
    ５であり、Ａは、Ｙ，Ｙｂ，Ｓｃ，Ｃａ及びＭｇからな
    る群から選択されることを特徴とするセラミックエレメ
    ント物品。
  34. 【請求項３４】 請求項３２に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、ＡはＹであり、ｘは０．０８である
    ことを特徴とするセラミックエレメント物品。
  35. 【請求項３５】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該セラミック電解質パウダーは、Ｃ
    ｅ１−ｘＡｘＯ２であり、ｘは、０．０５＜ｘ＜０．３
    ０であり、Ａは、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｒからなる
    群から選択されることを特徴とするセラミックエレメン
    ト物品。
  36. 【請求項３６】 請求項３５に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、ＡはＧｄであり、ｘは０．２０であ
    ることを特徴とするセラミックエレメント物品。
  37. 【請求項３７】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該セラミック電解質パウダーは、
    （Ｂｉ２Ｏ３）１−ｘ（Ａ２Ｏ３）ｘであり、ｘは、
    ０．０５＜ｘ＜０．３０であり、Ａは、Ｙ、Ｎｄ、Ｇ
    ｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｌａからなる群から選択されることを
    特徴とするセラミックエレメント物品。
  38. 【請求項３８】 請求項３７に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、ＡはＹであり、ｘは０．２０である
    ことを特徴とするセラミックエレメント物品。
  39. 【請求項３９】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該セラミック電解質パウダーは、Ｂ
    ｉ２Ｖ１−ｘＡｘＯ５．５−３ｘ／２であり、ＡはＣ
    ｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択
    されることを特徴とするセラミックエレメント物品。
  40. 【請求項４０】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該バインダは、ポリマー、ワック
    ス、オイル及び酸からなる群から選択されることを特徴
    とするセラミックエレメント物品。
  41. 【請求項４１】 請求項４０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該ポリマーは、ポリスチレン、ポリ
    エチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル、ポリ
    ビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチ
    レンクロレート、ポリビニルクロレート、及びポリアセ
    タールからなる群から選択されることを特徴とするセラ
    ミックエレメント物品。
  42. 【請求項４２】 請求項４１に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該ワックスは、パラフィン、ミクロ
    クリスタンワックス、カルナウバワックス、及びみつろ
    うからなる群から選択され、該オイルは、落花生油、植
    物油、及び鉱油からなる群から選択され、そして、該酸
    は、ステアリン酸、オレイン酸、硼酸からなる群から選
    択されることを特徴とするセラミックエレメント物品。
  43. 【請求項４３】 請求項４２に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該ポリマーは、０乃至７５ｖｏｌ％
    であり、該ワックスは、０．７５ｖｏｌ％であり、該オ
    イルは、０乃至７５ｖｏｌ％であり、該酸は、０乃至２
    ０ｖｏｌ％であることを特徴とするセラミックエレメン
    ト物品。
  44. 【請求項４４】 請求項３０に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該バインダは、寒天、グリセリン、
    及び水からなることを特徴とするセラミックエレメント
    物品。
  45. 【請求項４５】 請求項４４に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該寒天は、＜１０ｖｏｌ％であり、
    該グリセリンは、＜１０ｖｏｌ％であり、該水は、＜８
    ０％であることを特徴とするセラミックエレメント物
    品。
  46. 【請求項４６】 請求項４５に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該バインダは、メチルセルロース、
    水、グリセリン、及び硼酸からなる群から選択されるこ
    とを特徴とするセラミックエレメント物品。
  47. 【請求項４７】 請求項４６に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該メチルセルロースは、５乃至３０
    ｖｏｌ％であり、水は、＞５０ｖｏｌ％であり、グリセ
    リンは、＜２０ｖｏｌ％であり、硼酸は、＜１０ｖｏｌ
    ％であることを特徴とするセラミックエレメント物品。
  48. 【請求項４８】 請求項４７に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、該セラミック電解質パウダーは、Ｌ
    ａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙＯ３であり、ｘは、
    ０．００＜ｘ＜０．３０であり、ｙは、０．００＜ｙ＜
    ０．３０であることを特徴とするセラミックエレメント
    物品。
  49. 【請求項４９】 請求項４８に記載のセラミックエレメ
    ント物品において、ｘは０．１０であり、ｙは０．２０
    であることを特徴とするセラミックエレメント物品。
  50. 【請求項５０】 支持部材と、該支持部材からのびる伸
    長した部材のアレイとを有する第１のセラミックエレメ
    ントと、 該第１のセラミックエレメントに隣接する第２のセラミ
    ックエレメントと、 該第１のセラミックエレメントと該第２のセラミックエ
    レメントとの間のシールとからなり、 該第１のセラミックエレメントと該第２のセラミックエ
    レメントと該シールは気密なチャンバを形成し、 該伸長した部材は、該チャンバに開放されており、さら
    に、該第１のセラミックエレメントの外面の少なくとも一部
    を覆う第１の導電性被覆と、該第１のセラミックエレメ
    ントの内面の少なくとも一部を覆う第２の導電性被覆と
    を有し、該第１の導電性被覆は、第１の極性で電源に接
    続可能であり、該第２の導電性被覆は、第２の極性で電
    源に接続可能であり、 該伸張した部材はチューブであり、該アレイはチューブ
    の行と列から形成され、該第１の導電性被覆は該チュー
    ブの各々の外面を覆い、該第２の導電性被覆は該チュー
    ブの各々の内面を覆うものであり、 ある一列の各チューブを覆う該第１の導電性被覆は、こ
    の列に隣接する列の各チューブを覆う該第１の導電性被
    覆から電気的に絶縁されており、ある一列の各チューブ
    を覆う該第２の導電性被覆は、これに隣接する列の各チ
    ューブを覆う該第２の導電性被覆から電気的に絶縁され
    ていることを特徴とするセラミック酸素生成器。
  51. 【請求項５１】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該外面と該内面との間にのびる通路を有
    し、該通路が導電性被覆により覆われていることを特徴
    とするセラミック酸素生成器。
  52. 【請求項５２】 請求項５１に記載のセラミック酸素生
    成器において、該通路の該導電性被覆は、ある一列の各
    チューブを覆う該第１の導電性被覆を、この列に隣接す
    る列の各チューブを覆う該第２の導電性被覆と接続する
    ことを特徴とするセラミック酸素生成器。
  53. 【請求項５３】 請求項５２に記載のセラミック酸素生
    成器において、該生成器はさらに、該複数の通路のそれ
    ぞれに挿入された複数のプラグを有することを特徴とす
    るセラミック酸素生成器。
  54. 【請求項５４】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該第１のセラミックエレメントは、その
    外面と内面との間にのびてその内部に形成される複数の
    通路を有することを特徴とするセラミック酸素生成器。
  55. 【請求項５５】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該第１のセラミックエレメントは、射出
    成形プロセスによって一体構造に形成されていることを
    特徴とするセラミック酸素生成器。
  56. 【請求項５６】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該第１のセラミックエレメントは矩形状
    であり、該伸長した部材は円筒形状のチューブであるこ
    とを特徴とするセラミック酸素生成器。
  57. 【請求項５７】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該シールはセラミック混合セメントであ
    ることを特徴とするセラミック酸素生成器。
  58. 【請求項５８】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該第１のセラミックエレメントと該第２
    のセラミックエレメントは同一のものであることを特徴
    とするセラミック酸素生成器。
  59. 【請求項５９】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該チャンバは、２０００ｐｓｉの圧力を
    保持できることを特徴とするセラミック酸素生成器。
  60. 【請求項６０】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該第１のセラミックエレメントと該第２
    のセラミックエレメントが、 Ｚｒ１−ｘＡｘＯ２、Ｃｅ１−ｘＡｘＯ２、（Ｂｉ２Ｏ
    ３）１−ｘ（Ａ２Ｏ３）ｘ、Ｂｉ２Ｖ１−ｘＡｘＯ
    ５．５−３ｘ／２、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙ
    Ｏ３からなる群から選択された物質からなり、ｘは、
    ０．００＜ｘ＜０．３０であり、ｙは０．００＜ｙ＜
    ０．３０であり、Ａは、Ｙ，Ｙｂ，Ｓｃ，Ｃａ，Ｍｇ，
    Ｓｍ，Ｇｄ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｎｄ，Ｅｒ，Ｄｙ，Ｃｕ，Ｔ
    ｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉからなる群から選択され、
    さらに、 電解質をバインドするバインダを有することを特徴とす
    るセラミック酸素生成器。
  61. 【請求項６１】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該チューブ部の各々は内面と外面とを有
    し、そして該チューブ部の各々はさらに、該内面及び外
    面上の電極被覆を有することを特徴とするセラミック酸
    素生成器。
  62. 【請求項６２】 請求項６１に記載のセラミック酸素生
    成器において、該電極被覆は、Ｌａ１−ｘＡｘＭｎＯ３
    であり、ｘは０．００乃至１．００であり、ＡはＳｒ，
    Ｃａ，Ｂａうちから選択されることを特徴とするセラミ
    ック酸素生成器。
  63. 【請求項６３】 請求項６１に記載のセラミック酸素生
    成器において、該電極被覆は、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ
    １−ｙＦｅｙＯ３であることを特徴とするセラミック酸
    素生成器。
  64. 【請求項６４】 請求項６１に記載のセラミック酸素生
    成器において、該生成器はさらに、該電極被覆上の電流
    コレクタ被覆を有することを特徴とするセラミック酸素
    生成器。
  65. 【請求項６５】 請求項６４に記載のセラミック酸素生
    成器において、該電流コレクタ被覆は、Ａｇ，Ａｕ，Ｐ
    ｄ，Ｐｔ及びこれらの合金及び混合物からなる群から選
    択されることを特徴とするセラミック酸素生成器。
  66. 【請求項６６】 請求項５０に記載のセラミック酸素生
    成器において、該複数のチューブ部が、互いに離間した
    行と列のアレイで形成されることを特徴とするセラミッ
    ク酸素生成器。
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