JP2004132927A - 酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸素イオン伝導性基板21の両面に設けた第1電極膜22と、第1電極膜22よりも導電性の高い多孔質の第2電極膜23を第1電極膜22の表面に設け、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の面方向での電圧降下を抑制することができるので第1電極膜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、電極膜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
【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膜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12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12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。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13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、図の(a)は酸素ポンプ素子の平面図、図の(b)は図13(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、特許文献1の酸素ポンプ装置と同様に作用する。
【0004】
【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
【0005】
【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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
【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電極膜を設け、さらにこの第1電極膜の表面に第1電極膜よりも導電性の高い第2電極膜を設けた構成としたものである。
【0009】
第1電極膜よりも導電性の高い第2電極膜を第1電極膜の表面に設け、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の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。
【0010】
【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電極膜を設け、さらにこの第1電極膜の表面に第1電極膜よりも導電性の高い第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。
【0011】
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電極膜を設け、さらにこの第1電極膜の表面に第1電極膜よりも導電性の高い第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、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。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。
【0012】
請求項3に記載の発明は、第2電極膜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電極膜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。
【0013】
請求項4に記載の発明は、第2電極膜を網目構造とすることにより、第1電極膜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。
【0014】
請求項5に記載の発明は、第2電極膜を渦巻き構造とすることにより、第1電極膜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6に記載の発明は、第2電極膜を蛇行構造とすることにより、第1電極膜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。
【0016】
請求項7に記載の発明は、第2電極膜を少なくとも1つの環状構造とすることにより、第1電極膜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。
【0017】
請求項8に記載の発明は、第2電極膜を白金、金、銀、パラジウムのいずれか1種からなるペーストの焼成膜で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9に記載の発明は、第1電極膜を導電性を有する金属酸化物からなるペーストの焼成膜で構成することにより、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。
【0019】
請求項10に記載の発明は、導電性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構成としている。
【0020】
請求項11に記載の発明は、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種で構成している。
【0021】
請求項12に記載の発明は、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物の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。
【0022】
請求項10〜12の構成とすることにより、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向上させることができる。
【0023】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図1〜図11を参照しながら説明する。
【0024】
(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電極膜であり、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電極膜22の表面に形成した第1電極膜22よりも導電性の高い多孔質の第2電極膜であり、第2電極膜23としては白金、金、銀、パラジウムのいずれか1種からなるペーストの焼成膜が用いられる。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がそれぞれ接続されている。
【0025】
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。
【0026】
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多孔質の第2電極膜23の孔を拡散し、第1電極膜22で解離吸着され、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、第2電極膜23の孔を拡散し外部空間に放出される。
【0027】
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く、例えば第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電極膜22よりも電気伝導性の高い多孔質の第2電極膜23を設け、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の電極膜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電極膜22の面方向の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。
【0028】
次に、第1電極膜22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Sm0.2Ce0.801.9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Sm0.5Sr0.5CoO3、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電極膜22を軽視した。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電極膜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電極膜22の両面に形成した。
【0029】
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電極膜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電極膜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/cm2(第1電極膜22の面積で計算)としたときの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で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電極膜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電極膜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電極膜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をであり、第1電極膜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、イオン電流が多く流れる第1電極膜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。
【0030】
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。酸素イオン伝導性基板21として、直径21mm、厚さ0.3mmのSm0.2Ce0.801.9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Sm0.5Sr0.5CoO3、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電極膜22を形成した。次に第1電極膜22の両面に金、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多孔質の直径16mmで膜厚10〜20μmの第2電極膜23を形成した。
【0031】
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。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で示すように電源からの直流電圧は、リード部材24を介して第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に供給した構成とした。
【0032】
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、導電性の高い第2電極膜23から第1電極膜22に電圧が供給されるため、第1電極膜22の面方向の電圧降下が小さくなったことにある。このように、第1電極膜22に第1電極膜22よりも導電性に優れた第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。
【0033】
また、第2電極膜23として白金、金、銀、パラジウム少なくともからなるペーストの焼成膜で構成することにより、多孔質で耐熱性が高く、低い電気抵抗を有する電極膜と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。
【0034】
また、第1電極膜22を導電性を有する金属酸化物からなるペーストの焼成膜で構成することにより、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。
【0035】
また、導電性を有する金属酸化物としては、実施例で用いたペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が酸素との電極反応の高く、第1電極膜22として有用である。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、酸素との電極反応性を有している。
【0036】
(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’の断面図である。図6において、25は第2電極膜、26は空気の通過する開口部であり、開口部26は第1電極膜22が露出した構成としている。実施例1の構成と異なる点は、第1電極膜22の全表面に形成された第2電極膜23の代わりに空気の通過する開口部26を有する環状構造の第2電極膜25を設けた点であり、第2電極膜25の材質は実施例と同じである。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電極膜25を第1電極膜22の表面に複数形成し、リード部材24は複数の第2電極膜25に電気的に並列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。
【0037】
以上のように構成された酸素ポンプ素子は、第2電極膜25を空気の通過する開口部26を有するとともに、第2電極25を環状構造とすることにより、第1電極膜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とともに、前述の優れた反応を維持しつつ、第1電極膜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電圧降下酸素ポンプの性能をより向上させることができる。
【0038】
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。
【0039】
また、リード部材25は、耐熱性が高く、導電性の良好な白金や金などの金属線や金属箔を第2電極膜25のそれぞれに耐熱性の導電性接着剤で接着して接続する方法、上記金属線や金属箔を第2電極膜25に直接溶接して接続する方法、また、複数の第2電極膜25を接続するように第1電極膜22と第2電極膜23表面に第2電極膜25と同じ材料でスクリーン印刷によって印刷し、乾燥、焼成した焼成膜を形成し、最外周部の第2電極膜25に上記金属線や金属箔を導電性接着剤や溶接で接続する方法などいずれも適用可能である。
【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平面図である。図7において、27は酸素イオン伝導性基板、28は第1電極膜、29は第2電極膜である。実施例2の構成と異なる点は、酸素イオン伝導性基板27、第1電極膜28が四角の形状を有する点、および第2電極膜29が四角の環状構造を有する点である。図中、実施例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電極膜29は第1電極膜28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29を複数形成し、リード部材24は第2電極膜29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素子の平面図である。図8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30は第1電極膜28の両面に設けられ、リード部材24は第2電極膜30に電気的に接続された構成としている。
【0043】
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2と同様な効果を有する。
【0044】
(実施例5)
図9は、本発明の第5の実施例における酸素ポンプ素子の平面図である。図9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31は第1電極膜28の両面に設けられ、リード部材24は第2電極膜31に電気的に接続された構成としている。
【0045】
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2と同様な効果を有する。
【0046】
(実施例6)
図10は、本発明の第6の実施例における酸素ポンプ素子の平面図である。図10において、32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32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32は第1電極膜28の両面に設けられ、リード部材24は第2電極膜32に電気的に接続された構成としている。
【0047】
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2と同様な効果を有する。
【0048】
(実施例7)
図11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11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11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。
【0049】
図11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。
【0050】
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。
【0051】
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2電極膜23の孔を拡散してきた第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、第2電極膜23の孔を拡散し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。
【0052】
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の電圧防止作用により第1電極膜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。
【0053】
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、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33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。
【0054】
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。
【0055】
【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電極膜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、電極膜の面での電圧降下を抑制できることにより、電極膜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。
【0056】
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。
【0057】
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
【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
【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素子の構成図
【図9】本発明の実施例5における酸素ポンプ素子の構成図
【図10】本発明の実施例6における酸素ポンプ素子の構成図
【図11】本発明の実施例7における酸素ポンプ装置の断面図
【図12】特許文献1における酸素ポンプ装置の断面図
【図13】(a)特許文献2における酸素ポンプ素子の断面図
(b)(a)における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、27 酸素イオン伝導性基板
22、28 第1電極膜
23、25、29、30、31、32 第2電極膜
26 開口部
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 (12)
- 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2つの第1電極膜と、前記第1電極膜の表面に形成された前記第1電極膜よりも導電性の高い多孔質の第2電極膜とから構成される酸素ポンプ素子。
- 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2つの第1電極膜と前記第1電極膜の表面に形成された前記第1電極膜よりも導電性の高い金属からなる第2電極膜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。
- 第2電極膜は、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。
- 第2電極膜は、網目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。
- 第2電極膜は、渦巻き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。
- 第2電極膜は、蛇行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。
- 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。
- 第2電極膜は、白金、金、銀、パラジウムのいずれか1種からなるペーストの焼成膜で構成される請求項1〜7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電極膜は、導電性を有する金属酸化物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。
- 導電性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9記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
- 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、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種から構成される請求項10記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
- 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10記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
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