JP2004232019A

JP2004232019A - 酸素ポンプ素子及び該素子を搭載した酸素ポンプ装置

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Publication number: JP2004232019A
Application number: JP2003021834A
Authority: JP
Inventors: Yu Fukuda; 祐福田; Takahiro Umeda; 孝裕梅田; Akihiro Umeda; 章広梅田; Takeshi Nagai; 彪長井; Akio Fukuda; 明雄福田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP3985684B2

Abstract

【課題】電極膜における酸素イオン伝導性を向上すると共に、その密着性を改善して耐久性を向上すること。
【解決手段】酸素イオン伝導性基板２１の両面に、酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物からなる第１電極膜２２と、電気導電性に優れ主成分が金属粒子とガラス系結合材の焼成膜よりなる第２電極膜２３とを設けている。これによって、第１電極膜２２の電極面全体の電極反応を高めることができるので、酸素イオン伝導性を向上させることができるとともに、ガラス系結合材により第１電極膜２２と第２電極膜２３の密着性を向上させることができるので、耐久性を一層向上することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素イオン伝導体を用い電極膜が改良された酸素ポンプ素子及び該酸素ポンプ素子を搭載した酸素ポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の酸素ポンプ素子及び該素子を搭載した装置としては、図１０に示すようなものがある。図１０において、１は筐体、２はアルミナなどの多孔質基板３に形成された第１電極４と酸素イオン伝導体の薄膜５と第２電極６とから構成される酸素ポンプ素子であり、第１電極膜４は白金の微粒子を多孔質基板３に、第２電極６は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜５に結合して得られる薄膜を形成した構成としている。７はアルミナ基板などの絶縁性基板８上に導電性ペーストをスクリーン印刷でパターン形成してなるヒータ印刷膜９から構成される加熱手段であり、加熱手段７は、筐体１に内包されておらず大気に解放された状態で配置されている。
【０００３】
この構成において、加熱手段７によって酸素ポンプ素子２を酸素ポンプとして作動する温度に加熱し、第１電極４をカソード、第２電極５をアノードとして両電極間に直流電圧を印加すると、図中矢印で示すように第１電極４に解離吸着された空気中の酸素は、酸素イオンとして酸素イオン伝導体の薄膜５中を移動し第２電極６に運ばれ、酸素分子となって大気中に放出される。これによって、筐体１に取り付けられた容器内の酸素濃度を減少させることができるというものである（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来の酸素ポンプ素子としては図１１に示すようなものがある。図１１（ａ）は酸素ポンプ素子の平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した酸素ポンプ素子の断面図である。図１１において、１０は酸素イオン伝導体である固体電解質層、１１は電極であり、電極１１は固体電解質層１０の両面にそれぞれ１層が形成された構成の酸素ポンプ素子である。電極１１は白金などの粒子を混合したペーストをスクリーン印刷などの方法を用いて塗布し、乾燥、焼成して形成されている（例えば特許文献２参照）。そして、この酸素ポンプ素子は、特許文献１に示した酸素ポンプ装置と同様に作用する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２３５２５号公報（２−３頁、図２）
【特許文献２】
特開平１１−９４７９２号公報（２−３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１、特許文献２で開示されている白金微粒子の膜やスクリーン印刷による焼成膜で構成される電極は、膜の厚さが数十μｍ以下と薄く、かつ酸素との電極反応を活性化するために多孔質構造となっており、電気抵抗が高くなっている。このような電極では、例えば、電極の外周部から直流電圧を印加した場合、電極の中央部は電気抵抗によって電圧が降下するため、酸素との電極反応が低下し、酸素イオンの輸送量が少なくなるという問題があった。特に、酸素ポンプ素子が大きい場合は、電極面積が大きくなるので電圧降下が著しく大きくなり、電極面全体を有効に機能させることができなくなる。
【０００７】
また、特許文献１の酸素ポンプ装置の構成では、酸素ポンプ素子２と加熱手段７が大気に解放された状態にあるので、加熱手段７からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子２だけでなく大気中の空気の加熱にも使われ、その結果、熱効率が悪くなり、酸素ポンプ素子２を作動させる温度に昇温させるのに必要な加熱手段７の消費電力が高くなるとともに、前述した電極面の電圧降下の問題と合わせて酸素ポンプ素子２の酸素イオンの輸送効率が悪いという課題を有していた。また、実施例では加熱手段７は酸素ポンプ素子２の上部に配置されているので酸素ポンプ素子２の加熱は輻射熱がほとんどとなり、加熱された空気の対流熱を利用できないという課題を有している。
【０００８】
また、特許文献２の酸素ポンプ装置に用いられている電極膜１１の結合材は酸素のイオン伝導性を向上させるため、酸素分子の透過性のよいビスマス酸化物を主成分とするものが用いられているが、この結合材は固体電解質層１０との密着性が弱く、酸素ポンプ装置の作動と停止の繰り返しにより電極膜１１が剥離し易くなり、酸素ポンプ装置としての耐久性に課題があった。特に５００℃以上の高温、数アンペアの大電流が流れる環境下では耐久性が著しく低下する。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極膜の電気抵抗を小さくし電極面全体を有効に機能させ、電極膜の密着性を向上させた酸素ポンプ素子を提供するとともに、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、且つ加熱に必要な電力を低減する酸素ポンプ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプ素子は、酸素イオン伝導性基板の両面に酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物からなる第１電極膜を設け、さらに第１電極膜の表面に金属粒子とガラス系結合材を含む焼成膜よりなる第２電極膜を設けたものである。
【００１１】
本発明によれば、第１電極膜の表面に金属粒子とガラス系結合材からなる第２電極膜を設け、第２電極膜から第１電極膜へ電圧を供給することにより、第１電極膜における電圧降下を抑制することができるので酸素との電極反応（酸素の解離吸着とイオン化）を第１電極膜の面全体で起こさせることができ、酸素子ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができる。また、第２電極膜と第１電極膜の密着性を強固にすることができるので第２電極膜の剥離を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、酸素イオン伝導性基板の両面に酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物からなる第１電極膜を設け、さらに第１電極膜の表面に主成分が金属粒子とガラス系結合材の焼成膜よりなる第２電極膜を設けることにより、第１電極膜の面方向での電圧降下を抑制することができるので第１電極膜の面全体の酸素との電極反応を高めることができ、酸素ポンプとしての酸素イオン伝導性を向上させることができるとともに、第１電極膜における電圧降下を抑制できることにより、電極の自己発熱による温度分布を少なくすることができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が抑制され、優れた耐久性を実現することができる。また、第２電極膜に含まれるガラス系結合材によって第１電極膜と第２電極膜の密着性を強固なものにすることができるので第２電極膜の剥離を防止することができ、酸素ポンプ素子の耐久性を一層向上させることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、第２電極膜を第１電極膜の全面を覆わない構成とすることにより、第１電極膜の酸素分子が解離吸着する面積を拡大することができるので酸素ポンプ素子のイオン伝導性を向上させることができる。
請求項３から請求項６に記載の発明は、第２電極膜の構造を編目構造や渦巻き構造にしたり、また蛇行構造や環状構造にして、第２電極膜を第１電極膜の全面を覆わない構成としたことにより、第１電極膜の電極面全体に均一に電圧を印加することができるので酸素ポンプの性能をより一層向上させることができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、酸素イオン伝導性基板をランタンガレート系金属酸化物で構成することにより、酸素イオン伝導性を向上させることができるので低い温度で酸素ポンプ素子を作動させることができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、第１電極膜の酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物としてペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を用いることにより、酸素を解離吸着する電極反応を高めることができるので酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができる。
【００１６】
請求項９及び請求項１０に記載の発明は、前者の発明では、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を、Ａサイトにランタン、サマリウムの少なくとも１種と、Ｂサイトにコバルト、鉄、マンガンの少なくとも１種で構成しており、また、後者の発明では、同複合酸化物のＡサイトの一部をストロンチウムで置換して構成している。このように、第１電極膜としてペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を用いることにより、酸素の電極反応を一層高めることができるので酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性をより向上させることができる。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、第２電極膜の金属粒子を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種で構成することにより、耐熱性が高く、電気抵抗の低い電極膜を得ることができるので優れた酸素ポンプの性能と耐久性を実現することができる。
【００１８】
請求項１２に記載の発明は、酸素イオン伝導性基板の両面に酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物からなる第１電極膜を設け、さらに第１電極膜の表面に主成分が金属粒子とガラス系結合材の焼成膜よりなる第２電極膜を設けた酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝導性基板の両面の電極（第１電極膜と第２電極膜）を区画する区画手段と、酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、酸素ポンプ素子と区画手段と加熱手段を囲むように配置された通気機能を有する断熱材とで構成することにより、酸素ポンプ素子と加熱手段が大気に直接触れることがないので加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので、酸素ポンプ素子の破損防止効果が一層向上し、前述の第１電極膜での電圧降下の抑制効果と合わせて酸素ポンプ素子の優れた性能を長期にわたり維持することができる。
さらにまた、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が通気機能を有する断熱材に覆われた簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化が可能となり、機器への実装を容易にすることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜９を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における酸素ポンプ素子の構成図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ’の断面図である。図１において、２１は酸素イオン伝導性基板であり、イットリウムをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）系、サマリウムをドープしたセリア系（ＳＤＣ）、ランタンガレート系のセラミックが適用される。２２は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成した第１電極膜であり、酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物の少なくとも１種から構成され、スクリーン印刷、スパッタ蒸着などの方法で形成される。２３は第１電極膜２２の表面に複数の環状構造に形成した第２電極膜であり、第２電極膜２３は主成分が白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種の金属粒子とガラス系結合材からなる焼成膜が用いられ、スクリーン印刷法によって形成される。第２電極膜２３には、酸素ポンプ駆動電源（図示せず）からの電圧を酸素ポンプ素子に印加するためのリード部材２４が接続され、リード部材２４は環状構造の第２電極膜２３のそれぞれに電気的、機械的に接続した構成としている。
【００２１】
以上のように構成された酸素ポンプ素子について、以下その動作、作用を説明する。
【００２２】
酸素ポンプ素子を加熱手段によって酸素ポンプとして作動する温度に加熱する。次に酸素ポンプ駆動電源からリード部材２４を介して第２電極膜２３の一方をカソード、他方をアノードとして電圧が印加され、印加された電圧は第２電極膜２３から第１電極膜２２のそれぞれに供給される。酸素イオン伝導性基板２１が５００〜８００℃に昇温すると、カソード側の空間に存在する酸素分子が第１電極膜２２で電極反応によって解離吸着し、酸素イオンとして酸素イオン伝導性基板２１に取り込まれ、この中を酸素イオンとして移動し、アノード側の第１電極膜２２に到達する。第１電極膜２２に到達した酸素イオンは酸素分子となり外部空間に放出される。
【００２３】
スクリーン印刷やスパッタ蒸着などの方法で形成される第１電極膜２２は、膜の厚さが数十μｍ以下と薄く、かつ酸素との電極反応を活性化するために多孔質構造となっているため面方向の電気抵抗が高い。そのため第１電極膜２２の外周部から直流電圧を印加した場合、第１電極膜２２の中央部は電圧降下により外周部に比べて酸素分子の電極反応性が低く、その結果酸素イオン伝導性が低くなり、電極面全体が有効に機能しないという問題がある。本発明では第１電極膜２２の表面に環状構造の電気伝導性の高い金属粒子を含む第２電極膜２３を設け、第２電極２３に電圧を印加することにより、第１電極膜２２の面全体に比較的均一な電圧を供給することができるので第１電極膜２２の面方向の電圧降下を抑制することができる。したがって、酸素分子の電極反応が第１の電極膜２２の電極面全体で起こるため、酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を高くすることができ、酸素ポンプとしての性能を向上させることができる。また、第１電極膜２２の面方向の電圧降下を抑制できることにより、第１電極膜２２自身の自己発熱による温度分布を少なくすることができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が抑制され、優れた耐久性を実現することができる。
【００２４】
次に、本発明の具体的作用と効果について図２、図３を用いて説明する。
【００２５】
酸素イオン伝導性基板２１として、直径２１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのランタンガレート系金属酸化物Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３からなるセラミック板を用い、この酸素イオン伝導性基板２１の両面に導電性を有するペロブスカイト型複合酸化物Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３、有機溶剤、セルロース系ビヒクルを混合したペーストをスクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥、焼成することにより直径１６ｍｍで膜厚１０〜２０μｍの第１電極膜２２を形成した。次に第１電極膜２２の表面に金、有機溶剤、ガラスを主成分とする結合材、セルロース系ビヒクルを混合したペーストをスクリーン印刷で０．５ｍｍ幅の３つの環状構造の印刷膜を形成し、乾燥、焼成することにより膜厚１０〜２０μｍの第２電極膜２３を形成した。３つの環状構造の第２電極膜２３の直径は第１電極膜２２の面に対して印加する電圧が均等になるようにした。また、リード部材２４は環状構造の第２電極膜２３のそれぞれに電気的、機械的に接続している。
【００２６】
このように作製した酸素ポンプ素子についてＶ−Ｉ特性を評価した。
【００２７】
図２は本発明の酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を測定する回路構成図である。図２で示すように電源からの直流電圧はリード部材２４を介して３つの環状構造の第２電極膜２３に印加され、この第２電極膜２３から第１電極膜２２に供給する構成とした。
【００２８】
以上のように構成した酸素ポンプ素子について、図２に示す回路で直流電圧を印加し、Ｖ−Ｉ特性を評価した。図３は、本発明の実施例である酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性の示すグラフであり、比較のため従来の第１電極膜２２のみの構成である酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性も示している。図３で明らかなように、本発明の酸素ポンプ素子は電圧に対して酸素イオンによるイオン電流が従来の酸素ポンプ素子よりも大きくなっている。この原因は第２電極膜２３から第１電極膜２２に電圧を供給することにより、第１電極膜２２の面方向の電圧降下が抑制され、電極面全体で酸素分子の電極反応が起こり、イオン伝導性能が向上したことにある。このように、第１電極膜２２の表面に第２電極膜２３を形成することにより、酸素ポンプ素子のイオン電流を多くすることができ、酸素ポンプ素子の性能を向上させることができる。
【００２９】
また、第２電極膜２３は第１電極膜２２の全面を覆わない構成、すなわち本実施例では第２電極膜２３を環状構造とすることにより、第１電極膜２２の酸素分子が解離吸着する面積を拡大することができるので酸素ポンプ素子のイオン伝導性を向上させることができる。
【００３０】
また、酸素イオン伝導性基板２１として、特にランタンガレート系金属酸化物用いることにより、酸素イオン伝導性を向上させることができるので低い温度で酸素ポンプ素子を作動させることができる。
【００３１】
また、第２電極膜２３の金属粒子として白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種を用いることにより、耐熱性が高く、電気抵抗の低い電極膜とすることができるので第２電極２３に印加された電圧を第１電極膜２２へ効率よく供給することができ、優れた酸素ポンプ素子の性能と耐久性を実現することができる。
【００３２】
また、第１電極膜２２として用いるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物は酸素分子との電極反応性が高く、かつそれ自体が導電性を有するので優れた酸イオン伝導性を実現することができる。特に、ペロブスカイト型複合酸化物の中でもＡサイトにランタン、サマリウムの少なくとも１種と、Ｂサイトにコバルト、鉄、マンガンの少なくとも１種で構成されるもの、また、Ａサイトの一部をストロンチウムで置換したものが優れた導電性と高い酸素分子の電極反応性を有している。
【００３３】
一方、酸素ポンプ素子は５００℃以上の温度で作動するため、作動と停止において酸素ポンプ素子の第１電極膜２２と第２電極膜２３は大きな熱応力が発生する。この作動と停止が繰り返されると従来のように電極膜の結合材として酸化ビスマスを用いたものは密着性が弱いため、電極膜が剥離するという問題がある。
本実施例の第２電極膜２３は主成分がガラスからなる結合材を用いているので第１電極膜２２と第２電極膜２３の密着性を強固なものにすることができる。したがって、第２電極膜２３の剥離を防止することができ、酸素ポンプ素子の耐久性を一層向上させることができる。本実施例の酸素ポンプ素子と第２電極膜２３の結合材として酸化ビスマス系の結合材を用いた酸素ポンプ素子について、３０分作動、３０分停止の繰り返し試験を実施し、第２電極膜２３の剥離する回数を比較したところ、本実施例の酸素ポンプ素子は５倍以上の耐久性を示した。ガラスの結合材は酸素分子の透過が悪くイオン伝導性が低下するため、通常はこの種の電極材料として用いられない。しかしながら、本実施例では第２電極膜２３は第１電極膜２２の全面を覆わない構成としているため、第２電極膜２３を酸素分子が透過する特性は必要ない。
【００３４】
なお、環状構造の第２電極膜２５の数は限定されるものでなく、酸素ポンプ素子の大きさや必要とする性能に応じて適宜選択されるものである。
【００３５】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２における酸素ポンプ素子の平面図である。図４において、２５は第２電極膜であり、実施例１の構成と異なる点は、３つ環状構造の第１電極膜２３をリード部材２４の代わりに第２電極膜２３と同じ材料でスクリーン印刷により電気的に接続した構成とした点であり、図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。第２電極膜２５は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成された第１電極膜２２の表面に設け、リード部材２４を第２電極膜２５の一部に電気的、機械的に接続している。実施例２における酸素ポンプ素子の動作原理は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００３６】
以上のように構成された酸素ポンプ素子は３つの第２電極膜２５の電気的接続を同じ材料で構成しているのでリード部材２４による接続箇所を少なくすることができ、接続不良の発生を少なくすることができるとともに、電気的接続を電極膜と同時にスクリーン印刷で容易に形成できるので酸素ポンプ素子の生産性を向上させることができる。
【００３７】
（実施例３）
図５は、本発明の実施例３における酸素ポンプ素子の平面図である。図５において、２６は酸素イオン伝導性基板、２７は第１電極膜、２８は第２電極膜である。実施例１の構成と異なる点は、酸素イオン伝導性基板２６、第１電極膜２７が四角の形状を有する点、および第２電極膜２８が四角の環状構造を有する点である。図中、実施例１と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。第２電極膜２８は第１電極膜２７の両面に設けられ、本実施例では四角形の環状構造の第２電極膜２８を３つ形成し、リード部材２４は第２電極膜２８のそれぞれに電気的、機械的に接続した構成としている。
【００３８】
実施例３における酸素ポンプ素子の動作原理、作用は実施例１と同様であり、説明を省略する。以上のように構成された酸素ポンプ素子は、実施例１と同様な効果を有する。
【００３９】
（実施例４）
図６は、本発明の実施例４における酸素ポンプ素子の平面図である。図８において、２９は第２電極膜である。実施例３の構成と異なる点は、第２電極膜２９が網目構造を有する点である。図中、実施例３と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。網目構造の第２電極膜２９は第１電極膜２７の両面に設けられ、リード部材２４は第２電極膜２９に電気的、機械的に接続した構成としている。
【００４０】
実施例４における酸素ポンプ素子の動作原理、作用は実施例１と同様であり、説明を省略する。以上のように構成された酸素ポンプ素子は、実施例１と同様な効果を有する。
【００４１】
（実施例５）
図７は、本発明の実施例５における酸素ポンプ素子の平面図である。図７において、３０は第２電極膜である。実施例３の構成と異なる点は、第２電極膜３０が渦巻き構造を有する点である。図中、実施例３と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。渦巻き構造の第２電極膜３０は第１電極膜２７の両面に設けられ、リード部材２４は第２電極膜３０に電気的に接続した構成としている。
【００４２】
実施例５における酸素ポンプ素子の動作原理、作用は実施例１と同様であり、説明を省略する。以上のように構成された酸素ポンプ素子は、実施例１と同様な効果を有する。
【００４３】
（実施例６）
図８は、本発明の実施例６における酸素ポンプ素子の平面図である。図８において、３１は第２電極膜である。実施例３の構成と異なる点は、第２電極膜３１が蛇行構造を有する点である。図中、実施例３と同一構成要素については同一符号を付し、説明を省略する。蛇行構造の第２電極膜３１は第１電極膜２７の両面に設けられ、リード部材２４は第２電極膜３１２に電気的、機械的に接続した構成としている。
【００４４】
実施例６における酸素ポンプ素子の動作原理、作用は実施例１と同様であり、説明を省略する。以上のように構成された酸素ポンプ素子は、実施例１と同様な効果を有する。
【００４５】
（実施例７）
図９は、本発明の実施例７における酸素ポンプ装置の断面図である。図９１において、３３は酸素ポンプ素子であり、酸素ポンプ素子３１は実施例１から６で述べた構成のものを用いることができるが、図９では実施例１の酸素ポンプ素子の符号を付し、説明は省略する。
【００４６】
図９において、３４は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成している電極膜（第１電極膜２２と第２電極膜２３）を区画する区画手段であり、電極膜に対向する開口部を有しており、酸素イオン伝導性基板２１とガラスなどの接着材料によって接着されている。区画手段３４としては、ニッケル、鉄−クロム合金、チタン、金、白金などの金属板もしくは箔、アルミナ、ムライトなどのセラミック板が用いられるが、酸素イオン伝導性基板２１との熱膨脹差が少なく、熱歪みが小さいことが要求されることから、ニッケル、鉄−クロム合金の金属箔が適用される。３５は酸素ポンプ素子３３の下部に設けられた加熱手段であり、加熱手段３５に電力を印加する加熱用電源３６にリード線３７を介して接続されている。
加熱手段３５としては、鉄−クロム合金、ニッケル−クロム合金などの電熱線や箔が用いられる。
【００４７】
３８は通気機能を有する断熱材であり、多数の連通孔を有する多孔体で構成され、酸素ポンプ素子３３、区画手段３４、加熱手段３５の周囲を覆うように配置されており、大気からの空気と大気への酸素の流出が可能となるように開口部を設けた筐体３９に収納されている。この通気機能を有する断熱材３８としては主成分が無機酸化物のシリカ粒子の集合体が用いられる。
【００４８】
以上のように構成された酸素ポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４９】
まず、加熱用電源３６によって電力が加熱手段３５に印加されると、加熱手段３５は昇温し、酸素ポンプ素子３３を加熱する。次に酸素ポンプ素子３３に酸素ポンプ駆動電源４０からリード部材２４を介してそれぞれの第２電極膜２３に所定の電圧が印加され、第２電極膜２３に電気的に接合されている第１電極膜２２に供給される。本実施例の場合、下方の第２電極膜２３と第１電極膜２２がカソード、上方の第２電極膜２３と第１電極膜２２をアノードとしている。この状態で加熱手段３５によって酸素ポンプ素子３３が５００〜８００℃に昇温すると、カソード側の空間に存在する酸素分子が第１電極膜２２で解離吸着し、酸素イオンとして酸素イオン伝導性基板２１に取り込まれてアノード側の第１電極膜２２に到達する。第１電極膜２２に到達した酸素イオンは酸素分子となり、外部空間に放出される。カソード側とアノード側の空間は区画手段３４で分離されているので常にカソード側の空間に存在する酸素分子をアノード側の空間に移動することができる。カソード側の空間の酸素分子がアノード側の空間に移動すると、カソード側の酸素濃度が減少するが大気中の酸素分子を含む空気が通気機能を有するカソード側の断熱材３８の連通孔を拡散し、カソード側の空間に流入する。一方、アノード側の空間からは第１電極膜２２から放出された酸素分子がアノード側の通気機能を有する断熱材３８を拡散し、大気中に流出する。酸素ポンプ素子３３が動作している間、図中矢印で示すように酸素分子が移動し続けることになり、カソード側に密閉となるように容器を取り付けると、容器内の酸素濃度を下げることができる。
【００５０】
以上のように本実施例においては、酸素ポンプ素子３３と空間を区画する区画手段３４と酸素ポンプ素子３３を加熱する加熱手段３５とを囲むように通気機能を有する断熱材３８を配置した構成とすることにより、酸素ポンプ素子３３と加熱手段３５が大気に直接触れることがないので酸素ポンプ素子３３への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子３３の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子３３全体を均一に加熱することができるとともに、第２電極膜２３が第１電極膜２２により電圧降下が抑制されることにより、第１電極膜２２の自己発熱による温度分布が小さくすることができるので酸素ポンプ素子３３のクラックなどによる破損が防止され、酸素ポンプ装置の耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ素子３３、区画手段３４、加熱手段３５が通気機能を有する断熱材３８に覆われた簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【００５１】
また、特に本実施例のように通気機能を有する断熱材３８を多数の連通孔を有する多孔質体で構成することにより、酸素ポンプ素子３３へ導入される空気は多孔質体の連通孔を通過しながら徐々に加熱されるので酸素ポンプ素子３３の冷却が抑制され、加熱手段３５の熱効率をさらに高めることができる。
【００５２】
なお、本発明の酸素ポンプ装置は、食品保存庫などの低酸素雰囲気を必要とする機器や、逆に大気中よりも高い酸素濃度を必要とする機器に適用される。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかのように、本発明の酸素ポンプ素子及び該素子を搭載した酸素ポンプ装置によれば次の効果を奏する。
【００５４】
酸素ポンプ素子の第１電極膜の電極面全体で酸素の電極反応を起こさせることができるので酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができ、酸素ポンプとしての性能を向上させることができるとともに、第１電極膜の電圧降下を抑制できることにより、電極面全体の自己発熱による温度分布を小さくすることが可能となり、酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が抑制され、優れた耐久性を実現することができる。また、第２電極膜に含まれるガラス系結合材によって第１電極膜と第２電極膜の密着性を強固なものにすることができるので第２電極膜の剥離を防止することができ、酸素ポンプ素子の耐久性を一層向上させることができる。
【００５５】
また、酸素ポンプ装置としては、加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率を向上させることができるので酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができとともに、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができることにより酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が防止され、酸素ポンプ装置の耐久信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ装置を簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化を図ることができ、機器への実装をさらに容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１における酸素ポンプ素子の平面図
（ｂ）同酸素ポンプ素子の断面図
【図２】同酸素ポンプ素子の電圧Ｖ−電流Ｉ特性を測定する回路構成図
【図３】同酸素ポンプ素子の電圧Ｖと電流Ｉとの関係を示す特性図
【図４】本発明の実施例２における酸素ポンプ素子の平面図
【図５】本発明の実施例３における酸素ポンプ素子の平面図
【図６】本発明の実施例４における酸素ポンプ素子の平面図
【図７】本発明の実施例５における酸素ポンプ素子の平面図
【図８】本発明の実施例６における酸素ポンプ素子の平面図
【図９】本発明の実施例７における酸素ポンプ装置の構成を示す断面図
【図１０】従来の酸素ポンプ装置の構成を示す断面図
【図１１】（ａ）従来の酸素ポンプ素子の平面図
（ｂ）従来の酸素ポンプ素子の断面図
【符号の説明】
２１、２６酸素イオン伝導性基板
２２、２７第１電極膜
２３、２５、２８、２９、３０、３１第２電極膜
３３酸素ポンプ素子
３４区画手段
３５加熱手段
３８通気機能を有する断熱材

Claims

酸素イオン伝導性基板と、前記酸素イオン伝導性基板の両面に形成され、酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物からなる第１電極膜と、前記第１電極膜の表面に形成され、金属粒子とガラス系結合材を含む焼成膜よりなる第２電極膜とを備えた酸素ポンプ素子。
第２電極膜は、第１電極膜の全面を覆わないように構成された請求項１記載の酸素ポンプ素子。
第２電極膜は、網目構造を有する請求項２記載の酸素ポンプ素子。
第２電極膜は、渦巻き構造を有する請求項２記載の酸素ポンプ素子。
第２電極膜は、蛇行構造を有する請求項２記載の酸素ポンプ素子。
第２電極膜は、少なくとも１つの環状構造を有する請求項２記載の酸素ポンプ素子。
酸素イオン伝導性基板は、ランタンガレート系金属酸化物の焼結体で構成される請求項１〜６のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子。
第１電極膜の酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物は、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる請求項１〜７のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子。
ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物は、Ａサイトにランタン及びサマリウムの少なくとも１種と、Ｂサイトにコバルト、鉄及びマンガンの少なくとも１種から構成される請求項８記載の酸素ポンプ素子。
ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物は、Ａサイトの一部をストロンチウムで置換してなる請求項８記載の酸素ポンプ素子。
第２電極膜の金属粒子は、白金、金、銀、パラジウム及びロジウムの少なくとも１種からなる請求項１〜１０のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子。
第１電極膜と第２電極膜とを区画する区画手段と、酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子、前記区画手段及び前記加熱手段を囲むように配置され通気機能を有する断熱材とを備えた請求項１〜１１のいずれか１項記載の酸素ポンプ装置。