JP2004131357A

JP2004131357A - 酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置

Info

Publication number: JP2004131357A
Application number: JP2002300100A
Authority: JP
Inventors: Yu Fukuda; 福田　祐; Takahiro Umeda; 梅田　孝裕; Akihiro Umeda; 梅田　章広; Takeshi Nagai; 長井　彪
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】酸素ポンプ素子に用いられる電極は、面方向での電気抵抗が高く、電圧降下により、電極面全体が酸素イオンの輸送に有効に機能していないという課題があった。
【解決手段】酸素イオン伝導性基板２１の両面に設けた第１電極２２と、第１電極２２よりも導電性の高い金属からなる第２電極を第１電極２２の表面に設け、第２電極２３から第１電極２２に電圧を供給することにより、第１電極２２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２２の面全体で酸素との電極反応が起こり、酸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とともに、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。
【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た酸素ポンプ素子の電極の改良及びその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装置としては、例えば特許文献１に記載されているようなものがあった。図９は特許文献１に記載された従来の酸素ポンプ装置を示すものである。図９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。
【０００４】
また、従来の酸素ポンプ素子としては特許文献２に記載されているようなものがあった。図１０は特許文献２に記載された酸素ポンプ素子を示すものであり、（ａ）は酸素ポンプ素子の平面図、（ｂ）は（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が開示されている。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。この酸素ポンプ素子は、引用例１の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
【特許文献２】
特開平１１−９４７９２号公報
【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や特許文献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で、加熱された空気の対流熱を利用できないという欠点を有する。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極面の電気抵抗を小さくし、印可する電圧の降下を抑制することにより、電極面全体を有効に機能させる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、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。
【０００９】
【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第１電極を設け、さらにこの第１電極の表面に第１電極よりも導電性の高い金属からなる第２電極を設けた構成としたものである。
【００１０】
第１電極よりも導電性の高い第２電極を第１電極の表面に設け、第２電極から第１電極へ電圧を印加することにより、第１電極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電極の面全体で起こさせることができ、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。
【００１１】
【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第１電極を設け、さらにこの第１電極の表面に第１電極よりも導電性の高い金属からなる第２電極を設けることにより、第１電極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電極の面全体で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。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、酸素イオン伝導性基板の両面に第１電極を設け、さらにこの第１電極の表面に第１電極よりも導電性の高い金属からなる第２電極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電極と第２電極）を区画する区画手段と、前記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、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記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。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。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、金属からなる第２電極を空気の通過する開口部を有する構成とすることにより、第１電極への空気の拡散抵抗を小さくすることができるので酸素ポンプ素子の性能の低下を防止することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、金属からなる第２電極を少なくとも１つの環状構造とすることにより、第１電極の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向上させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、金属からなる第２電極を金属平板で構成することにより、第１電極に面で接触させることができ、電気的接続性を高めることができるので第２電極２７からの電圧をロスなく第１電極２２へ供給することができ、酸素ポンプ性能を向上させることができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、第２電極の金属平板を金属箔で構成することにより、第２電極の熱容量を小さくすることができるので酸素ポンプ素子の加熱効率を向上させることができ、少ない消費電力で酸素ポンプ素子を動作させることができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、金属からなる第２電極を金属線で構成することにより、第１電極との接触面積を小さくすることができるので第１電極での酸素の電極反応を起こさせる活性サイトを多くすることができ、酸素ポンプの性能を向上させることができる。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、第１電極を白金、金、銀、パラジウム、導電性を有する金属酸化物の少なくとも１種からなるペーストの焼成膜で構成することにより、酸素分子の拡散を妨げない多孔質の電極膜を作製することができるので酸素の電極反応の活性サイトを多く形成することができ、優れた酸素ポンプ素子の性能を実現することができる。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、金属からなる第２電極を白金、金、銀、ニッケル、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム合金、鉄−ニッケル−クロム合金のいずれか１種から構成することにより、耐熱性が高く、低い電気抵抗を有する電極を作製す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。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、第１電極と第２電極の間に導電性を有する接着層を設けることにより、第１電極と第２電極との強固な密着性を実現することができるとともに、電気的接続性を向上させることができ、酸素ポンプの性能を長期にわたり維持することができる。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は導電性を有する接着層を白金、金、銀、パラジウムの少なくとも１種からなる導電性ペーストを焼成して形成することにより、第１電極と第２電極の優れた接着性と電気的接続性を実現することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜図８を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例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、図１（ｃ）は同図（ｂ）のＣ部の要部拡大図である。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が用いられる。２２は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成した第１電極であり、白金、金、銀、パラジウムや導電性を有する金属酸化物の少なくとも１種からなるペーストの焼成膜で構成される。２３は第１電極２２の表面に形成した第１電極２２よりも導電性の高い金属線からなる環状構造の第２電極であり、本実施例では環状の第２電極を第１電極２２の表面にそれぞれ３つ形成しており、第２電極２３は第１電極２２と接触する部分以外は酸素が直接第１電極２２と接触できる開口部２４を有する構成としている。この第２電極２３としては白金、金、銀、ニッケル、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム合金、鉄−ニッケル−クロム合金のいずれか１種が用いられる。第２電極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２５が第２電極２３のそれぞれにそれぞれに電気的に接続され、第１電極２２と第２電極２３は、図１（ｃ）に示すように、導電性を有する接着層２６を介して固定した構成としている。導電性を有する接着層２６は白金、金、パラジウムの少なくとも１種からなる導電性ペーストを焼成して形成される。
【００２４】
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。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それぞれのリード部材２５を介して第２電極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２３から第１電極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開口部２４の第１電極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、この中を酸素イオンとして移動し、アノード側の開口部２４のある第１電極２２に到達する。第１電極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。
【００２５】
スクリーン印刷などによる焼成膜で構成される第１電極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く、例えば第１電極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て酸素イオンの輸送量が少な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２２よりも導電性の高い金属線からなる環状構造の第２電極２３を設け、第２電極２３から第１電極２２に電圧を供給することにより、第１電極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、酸素との電極反応が第１の電極２２の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２２の面方向での電圧降下を抑制できることにより、第１電極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。
【００２６】
次に、従来酸素ポンプ素子の電極に起こる電圧降下を具体的に説明する。酸素イオン伝導性基板２１として、直径２１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＳｍ_０．２Ｃｅ_０．８０_１．９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、バインダー、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２２を形成した。次に直径２ｍｍ、８ｍｍ、１６ｍｍの環状白金線（線径０．２ｍｍ）を作製し、これに金、有機溶剤、バインダー、セルロース系ビヒクルを混合した導電性ペーストを塗布した後、塗布面を両方の第１電極２２の表面に置き、乾燥、焼成し、直径２ｍｍ、８ｍｍ、１６ｍｍの環状白金線からなる電圧測定電極を第１電極２２の両面に形成した。
【００２７】
以上のように作製した酸素ポンプ素子について直流電圧を印加し、第１電極２２の電圧降下を直径２ｍｍ、８ｍｍ、１６ｍｍの電圧測定電極における電圧を測定することにより評価した。図２は従来の電極構成である第１電極２２の電圧降下を評価するための測定方法を示す回路構成図であり、図２に示すように直径１６ｍｍの電圧測定電極（最外周部）に直流電圧を印加して、半径８ｍｍの位置における電圧をＶ１、半径４ｍｍのそれをＶ２、半径２ｍｍのそれをＶ３として測定した。図３は従来の酸素ポンプ素子の電極における電圧降下を示すグラフであり、図３に直径１６ｍｍの電圧測定電極に３．５Ｖの直流電圧を印加し、酸素イオンが移動することにより発生する電流（イオン電流）を約０．８Ａ／ｃｍ^２（第１電極２２の面積で計算）としたときの図２で示したＶ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧を測定し、Ｖ１の電圧を基準としたときの比率を表したグラフである。図３で明らかなように最外周部に印加された電圧は、第１電極２２の面の中央部になるほど電圧が低下しており、電圧降下がみられる。この原因は第１電極２２の面方向での電気抵抗が高いことにあり、イオン電流は第１電極２２の外周部に多く流れるが中央部はあまり流れないということであり、第１電極２２の面全体が酸素イオンの輸送に有効に機能していないことがわかる。また、また、イオン電流が多く流れる第１電極２２の外周部は中央部よりも自己発熱が大きく、その結果、酸素ポンプ素子全体の温度分布が大きくなり、熱歪みによるクラックなどの破損が生じやすくなっていることがわかる。
【００２８】
次に、本発明の具体的作用と効果について図４、図５を用いて説明する。図４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４で示すように、前述した酸素ポンプ素子の環状白金線からなる電圧測定電極を第２電極２３として、また第２電極２３をリード部材として２５として白金線を用い、３つの第２電極２３を並列に接続している。この構成により、３つの第２電極２３に対して同じ電圧が印加され、第１電極２２の面方向での電圧降下を抑制している。なお、第１電極２２と第２電極２３は、前述の導電性ペーストを乾燥、焼成してなる接着層２６で固定した。
【００２９】
以上のように構成した酸素ポンプ素子について、図４に示す回路で直流電圧を印加し、Ｖ−Ｉ特性を評価した。図５は、本発明の実施例である酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を示すグラフであり、比較のため従来の第１電極２２のみの構成の酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性も示している。図５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。この理由は、３つの第２電極２３から第１電極２２に対して電圧が供給されるため、面方向で電圧降下が小さくなったことにある。このように、第１電極２２に第１電極２２よりも導電性に優れた第２電極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。
【００３０】
また、第２電極２３を環状構造とすることにより、第１電極２２の面全体に効率よく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向上させることができる。なお、本実施例では環状構造の第２電極２３を３つ用いたが、第１電極２１の面積を２分するように１つの環状構造の第２電極２３を１つ配置した構成や３つ以上の環状構造の第２電極２３を配置した構成でも同様な効果が得られるものであり、環状構造を有する第２電極２３の数は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。
【００３１】
また、第２電極２３を空気の通過する開口部２４を有する構成とすることにより、第１電極２２への空気の拡散の抵抗を小さくすることができるので酸素の解離吸着、イオン化、分子化の反応が妨げられることがなく、酸素ポンプ素子の性能の低下を防止することができる。
【００３２】
また、第２電極２３を金属線で構成することにより、図１の（ｃ）で示すように、第１電極２２との接触面積を小さくすることができるので第１電極２２での酸素の電極反応を起こさせる活性サイトを多くすることができ、酸素ポンプの性能を向上させることができる。
【００３３】
また、第１電極２２として白金、金、銀、パラジウム、導電性を有する金属酸化物の少なくとも１種からなるペーストの焼成膜で構成することにより、酸素分子の拡散を妨げない多孔質の電極を作製することができるので酸素の電極反応の活性サイトを多く形成することができ、優れた酸素ポンプ素子の性能を実現することができる。
【００３４】
また、第２電極２３として白金、金、銀、ニッケル、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム合金、鉄−ニッケル−クロム合金のいずれか１種から構成することにより、耐熱性が高く、低い電気抵抗を有する電極を作製す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。
【００３５】
また、第１電極２２と第２電極２３の間に導電性を有する接着層２６を設けることにより、第１電極２２と第２電極２３との強固な密着性を実現することができるとともに、電気的接続性を向上させることができるので酸素ポンプの性能を長期にわたり維持することができる。
【００３６】
また、導電性を有する接着層２６を白金、金、銀、パラジウムの少なくとも１種からなる導電性ペーストを焼成して形成することにより、第１電極２２と第２電極２３の優れた接着性と電気的接続性を実現することができる。
【００３７】
（実施例２）
図６は、本発明の第２の実施例における酸素ポンプ素子の構成図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ’の断面図、図６（ｃ）は同図（ｂ）のＥ部の要部拡大図である。図６において、２７は第２電極で、実施例１の構成と異なる点は、第１電極２２よりも導電性の高い金属線からなる環状構造の第２電極２２の代わりに第１電極２２よりも導電性の高い平板の金属箔からなる環状構造の第２電極２７を設けた点である。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２７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２２の両面に設けられており、本実施例では環状構造の第２電極２７を第１電極２２の表面にそれぞれ複数形成し、リード部材２５は第２電極２７のそれぞれに電気的に接続された構成としている。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。
【００３８】
以上のように構成された酸素ポンプ素子は、第２電極２７を金属平板で構成することにより、第１電極２２に面で接触させることができるので電気的接続性を高めることができる。その結果、第１電極２２と第２電極２７間の電気抵抗で起こる電圧効果を防止することができるので第２電極２７からの電圧をロスなく第１電極２２へ供給することができ、酸素ポンプ性能を向上させることができる。
【００３９】
また、第２電極２７を金属箔で構成することにより、第２電極２７の熱容量を小さくすることができるので酸素ポンプ素子の加熱効率を向上させることができ、少ない消費電力で酸素ポンプ素子を動作させることができる。
【００４０】
（実施例３）
図７は、本発明の第３の実施例における酸素ポンプ素子の構成図である。図７において、実施例２の構成と異なる点は、酸素イオン伝導性基板２８、第１電極２９が四角の形状を有する点、および第２電極３０が四角形の環状構造を有する点である。図中、実施例１、２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３０は、第１電極２９の両面に設けられ、本実施例では環状構造の第２電極３１を複数形成し、リード部材２５は第２電極３０のそれぞれに電気的に接続された構成としている。
【００４１】
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２と同様な効果を有する。
【００４２】
（実施例４）
図８は、本発明の第４の実施例における酸素ポンプ装置の断面図である。図８において、３１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３で述べた構成のものを用いることができるが、図８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。
【００４３】
図８において、３２は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成している電極（第１電極２２と第２電極２３）を区画する区画手段であり、電極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３２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。３３は酸素ポンプ素子３１の下部に設けられた加熱手段であり、加熱手段３３に電力を印加する加熱用電源３４にリード線３５を介して接続されている。加熱手段３３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。
【００４４】
３６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３１、区画手段３２、加熱手段３３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３７に収納されている。この通気機能を有する断熱材３６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。
【００４５】
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。まず、加熱用電源３４によって電力が加熱手段３３に印加されると、加熱手段３３は昇温し、酸素ポンプ素子３１を加熱する。次に酸素ポンプ素子３１に酸素ポンプ駆動電源３８からリード部材２５を介してそれぞれの第２電極２３に所定の電圧が印加され、第２電極２３に電気的に接合されている第１電極２２に供給される。本実施例の場合、下方の第２電極２３がカソード、上方の第２電極２３をアノードとしている。この状態で加熱手段３３によって酸素ポンプ素子３１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２２に到達する。第１電極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３２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輸送することができる。カソード側の空間の酸素分子がアノード側の空間に輸送されると、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３６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３６を拡散し、大気中に流出する。酸素ポンプ素子３１が動作している間、図中矢印で示すように酸素分子が輸送され続ける。このとき、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。
【００４６】
以上のように本実施例においては、酸素ポンプ素子３１と空間を区画する区画手段３２と酸素ポンプ素子３１を加熱する加熱手段３３とを囲むように通気機能を有する断熱材３６を配置した構成とすることにより、酸素ポンプ素子３１と加熱手段３３が大気に直接触れことがないので酸素ポンプ素子３１への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子３１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３１全体を均一に加熱することができるとともに、第２電極２３により第１電極２２の自己発熱による温度分布を抑制しているので酸素ポンプ素子３１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３１、区画手段３２、加熱手段３３が通気機能を有する断熱材３６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。
【００４７】
また、特に本実施例のように通気機能を有する断熱材３６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、空気や酸素分子が十分な通気量を確保することができるとともに、酸素ポンプ素子３１へ導入す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３１の冷却が抑制され、加熱手段３３の熱効率をさらに高めることができる。
【００４８】
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。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、酸素ポンプ素子の第１電極の面全体で酸素と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、電極面での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。
【００５０】
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ので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性、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）（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図
（ｃ）（ｂ）におけるＣ部の要部拡大図
【図２】従来の酸素ポンプ素子における電極面の電圧降下を評価するための電圧測定回路構成図
【図３】従来の酸素ポンプ素子における電極面の電圧降下を表すグラフ
【図４】本発明の実施例１における酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を測定する回路構成図
【図５】本発明の実施例１おける酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を示すグラフ
【図６】（ａ）本発明の実施例２における酸素ポンプ素子の平面図
（ｂ）（ａ）におけるＤ−Ｄ’断面図
（ｃ）（ｂ）におけるＥ部の要部拡大図
【図７】本発明の実施例３における酸素ポンプ素子の構成図
【図８】本発明の実施例４における酸素ポンプ装置の断面図
【図９】特許文献１における酸素ポンプ装置の断面図
【図１０】（ａ）特許文献２における酸素ポンプ素子の平面図
（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した酸素ポンプ素子の断面図
【符号の説明】
２１、２８　酸素イオン伝導性基板
２２、２９　第１電極
２３、２７、３０　第２電極
２４　開口部
２６　導電性を有する接着層
３１　酸素ポンプ素子
３２　区画手段
３３　加熱手段
３６　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た第１電極と、前記第１電極の表面に形成された前記第１電極よりも導電性の高い金属からなる第２電極とからなる酸素ポンプ素子。
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た第１電極と前記第１電極の表面に形成された前記第１電極よりも導電性の高い金属からなる第２電極ととからなる酸素ポンプ素子と、前記酸素イオン伝導性基板の両面の電極を区画する区画手段と、前記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、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記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される酸素ポンプ装置。
金属からなる第２電極は、空気の通過する開口部を有する請求項１または２記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
金属からなる第２電極は、少なくとも１つの環状構造を有する請求項１〜３のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
金属からなる第２電極は、金属平板で構成される請求項１〜４のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
金属平板が金属箔から構成される請求項５記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
金属からなる第２電極は、金属線で構成される請求項１〜４のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
第１電極は、白金、金、銀、パラジウム、導電性を有する金属酸化物の少なくとも１種からなるペーストの焼成膜で構成される請求項１または２記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
金属からなる第２電極は、白金、金、銀、ニッケル、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム合金、鉄−ニッケル−クロム合金のいずれか１種から構成される請求項１乃至７記載のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
第１電極と第２電極の間に導電性を有する接着層を設けて構成される請求項１または２記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
導電性を有する接着層は、白金、金、、銀、パラジウムの少なくとも１種からなる導電性ペーストを焼成して形成される請求項１０記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。