JP2004212327A - 酸素ポンプ素子およびそれを用いた酸素ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素ポンプ素子の電極膜は、面方向での電気抵抗が高く、電圧降下により、電極膜面全体が酸素イオンの輸送に有効に機能しないものであった。
【解決手段】酸素イオン伝導性基板２１の両面に、酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子とこの金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子から構成される電極膜２２を設けることにより、金属酸化物粒子が酸素分子との電極反応活性化させることができるとともに、電極膜２２の面方向での電圧降下を抑制し、電極膜２２の面全体を電極として機能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が向上し、電極膜２２の自己発熱による温度分布を少なくすることができ、酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が防止され、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およびそれを用いた酸素ポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の酸素ポンプ素子および装置は知られている（例えば、特許文献１参照）。図６はその構成を示したものであり、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、薄膜５に形成された第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は白金微粒子を多孔質基板３に、第２電極６は白金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る。この加熱手段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４、５間に直流電圧を印加すると、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、先のものとは別な構成のものも知られている（例えば、特許文献１参照）。図７はその構成を示したものであり、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、固体電解質層１０とともに酸素ポンプ素子を構成している。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、酸素ポンプ装置に組み込まれ、先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、前記従来の白金微粒子による薄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前後で、酸素分子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、酸素分子との電極反応（酸素の解離吸着とイオン化）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。また、電圧降下を防止するため、白金微粒子の電極膜を厚くすると電極膜自身の多孔質項構造が失われ、酸素分子との電極反応が低下し、全体として酸素イオンの輸送量が少なくなるという問題があった。
【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、図に示すように、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て印加する電圧の降下を抑制するとともに、酸素分子との電極反応をより高めることにより、電極面全体を有効に機能させる酸素ポンプ素子と、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】
前記目的を達成するために、本発明の酸素ポンプ素子は、酸素イオン伝導性基板と、前記酸素イオン伝導性基板の両面に形成された、主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子から構成される電極膜とからなるものであり、酸素ポンプ装置はこの酸素ポンプ素子を用いたものである。
【００１０】
このように、電極膜に酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子とこの金属酸化物粒子より導電性の高い金属粒子が存在することにより、解離吸着作用を有する金属酸化物粒子が酸素分子の原子化反応を活性化するとともに、金属粒子が電極膜の面方向での導電性を高める。このことにより、電極膜に印加された電圧の降下が抑制され、電極膜全体に存在する金属酸化物粒子に電圧を供給することができるので、金属酸化物粒子で原子化された酸素のイオン化反応が活性化され、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。また、電極膜での電圧降下が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、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。同時にこの酸素ポンプ素子を用いて、加熱に必要な電力を低減する酸素ポンプ装置が得られる。
【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と、前記酸素イオン伝導性基板の両面に形成された、主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子から構成される電極膜とからなる酸素ポンプ素子とすることにより、解離吸着作用を有する金属酸化物粒子が酸素分子の原子化反応を活性化するとともに、金属粒子が電極膜の面方向での導電性を高める。このことにより電極膜に印加された電圧の降下が抑制され、電極膜全体に存在する金属酸化物粒子に電圧を供給することができるので、金属酸化物粒子で原子化された酸素のイオン化反応が活性化され、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。また、電極膜での電圧降下が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、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、酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子は、化学式ＡＢＯ_３で表される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に記載の酸素ポンプ素子とすることにより、酸素分子の電極反応を高めるとともに高い耐熱性を有するため、優れた酸素イオン伝導性を実現でき、その性能を長期間維持することができる。
【００１３】
請求項３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２に記載の酸素ポンプ素子とすることにより、酸素分子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。
【００１４】
請求項４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２または３に記載の酸素ポンプ素子とすることにより、請求項３に記載の発明と同様、酸素分子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。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子は、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルのいずれか１種からなる請求項１に記載の酸素ポンプ素子とすることにより、電気抵抗が低く、耐熱性の高い電極膜を得ることができ、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。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、電極膜は、少なくとも酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子と金属酸化物からなるバインダーの混合物を焼成して得られる焼成膜で構成される請求項１に記載の酸素ポンプ素子とすることにより、電極膜は優れた密着性を実現することができるので、ヒートショックなどの耐熱衝撃性に優れた酸素ポンプ素子を提供することができ、かつ長期にわたり酸素ポンプとしての性能を維持することができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、金属酸化物からなるバインダーは、主成分が酸化ビスマスからなる請求項６に記載の酸素ポンプ素子とすることにより、電極膜で原子化、イオン化された酸素が酸素イオン伝導性基板への移動の抵抗を低くすることができ、酸素イオン伝導性の低下を抑制することができる。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子における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とすることにより、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、電極膜での電圧降下の抑制効果と併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で囲ま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、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１〜図４は、本発明の実施例１における酸素ポンプ素子とその関連手段を示すものである。
【００２１】
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材料が用いられる。２２は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成した電極膜であり、酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子とこれら粒子間や酸素イオン伝導性基板２１との密着性を強固にするための金属酸化物からなるバインダーを混合したペーストを印刷、焼成した多孔質の膜で構成される。電極膜２２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２３がそれぞれ接続されている。
【００２２】
図２に示すように、電極膜２２は、少なくとも酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２４、金属酸化物粒子２４よりも導電性の高い金属粒子２５、金属酸化物からなり主成分が酸化ビスマスからなるバインダー２６で構成され、それらの粒子が分散した状態となっている。
【００２３】
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。
【００２４】
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２３を介して電極膜２２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、カソード側の電極膜２２では以下の電極反応が起こると考えられる。カソード側の空間に存在する酸素分子が多孔質の電極膜２２の多孔質の膜を拡散し、酸素分子は主として電極膜２２に存在する酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２４によって解離吸着され、原子化される。電極膜２２は金属酸化物粒子２４よりも導電性に優れた金属粒子２５を通して駆動電源から電圧が印加されているので、金属酸化物粒子２４に吸着している酸素原子および金属酸化物粒子２４よりも導電性に優れた金属粒子２５に拡散した酸素原子は電子をもらって酸素イオンとして酸素イオン伝導性基板２１に取り込まれる。一方、酸素イオンは酸素イオン伝導性基板２１中を移動し、アノード側の電極膜２２に到達する。電極膜２２に到達した酸素イオンはカソード側と逆の電極反応により酸素分子となり、電極膜２２の多孔質の膜を拡散し外部空間に放出される。
【００２５】
従来例でも述べたように、白金などの金属微粒子を用いたスクリーン印刷などによる電極膜は、膜の厚さが数十μｍ以下と薄く、かつ酸素分子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。このため、面方向の電気抵抗が高く、例えば電極膜の外周部から直流電圧を印加した場合、電極膜の中央部は電気抵抗によって電圧が降下し、酸素分子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。
【００２６】
しかしながら、本実施例の電極膜２２は、金属酸化物粒子２４よりも導電性の高い金属粒子２５を含むことにより、電極膜２２の面方向での電気抵抗を低くすることができるので、電極膜２２に印加した電圧の降下を抑制することができる。したがって、酸素分子との電極反応が電極膜２２の面全体で起きるため、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、電極膜２２の面方向の電圧降下を抑制できることにより、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。また、電極膜２２は酸素分子の原子化などの電極反応性を高くする金属酸化物粒子２４を含むことにより、酸素分子の原子化反応を活性化することができるので、より高い酸素イオン伝導性を実現することができる。
【００２７】
次に、本実施例の具体的効果について図３、図４を用いて説明する。
【００２８】
酸素イオン伝導性基板２１として、直径２１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのランタンガレート系固体電解質（ （Ｌａ_０．８ＳｒＳｒ_０．２）（Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２）Ｏ_３ ）を用い、この酸素イオン伝導性基板２１の両面に、酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２４としてペロブスカイト型複合酸化物（Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３）粒子、この金属酸化物粒子２４よりも導電性の高い金属粒子２５として金（Ａｕ）の微粒子、有機溶剤、金属酸化物からなるバインダー２６として酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）の粒子、セルロース系ビヒクルを用い、これ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の電極膜２２を形成した。このとき、ペロブスカイト型複合酸化物粒子と金微粒子は、１：１の比率とした。
【００２９】
図３に示すように、本実施例の酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を測定するために、電源２７からの直流電圧は、リード部材２３介して電極膜２２に印加される構成とした。
【００３０】
以上のように構成した酸素ポンプ素子について、図３において直流電圧を印加し、Ｖ−Ｉ特性を評価した。図４は本実施例である酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を示し、比較のため、本実施例の電極膜２２の代わりにペロブスカイト型複合酸化物（Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３）粒子と酸化ビスマスの粒子からなる電極膜（比較例１）、金の微粒子と酸化ビスマスの粒子からなる電極膜（比較例２）とした構成の酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性も示している。この図で明らかなように、本実施例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比較例１および比較例２の酸素ポンプ素子よりも大きくなっている。この理由は、導電性の高い金微粒子が電極膜２２の面方向での電気抵抗を低減し、印加された電圧の降下が抑制されることにより、電極膜２２の面全体が有効に機能していること、ペロブスカイト型複合酸化物（Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３）粒子が電極反応を活性化していることの相乗効果によるものと考えられる。
【００３１】
金属酸化物粒子２４よりも導電性の高い金属粒子２５としては、金の他に白金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルがあげられ、いずれか１種を用いることにより、金とほぼ同等の効果を得ることができるとともに、耐熱性の高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。
【００３２】
また、電極膜２２を少なくとも酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２４と、金属酸化物粒子２４よりも導電性の高い金属粒子２５と、金属酸化物からなるバインダー２６の混合物を焼成して得られる焼成膜で構成することにより、優れた密着性を実現することができるので、ヒートショックなどの耐熱衝撃性に優れた酸素ポンプ素子を提供することができ、かつ長期にわたり酸素ポンプとしての性能を維持することができる。
【００３３】
また、金属酸化物からなるバインダー２６として酸化ビスマスを用いることにより、電極膜２２で原子化、イオン化された酸素が酸素イオン伝導性基板２１への移動の抵抗を低くすることができるので、酸素イオン伝導性の低下を抑制することができる。
【００３４】
また、解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２４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分子との電極反応高めるとともに高い耐熱性を有するため、優れた酸素イオン伝導性を実現できるとともにその性能を長期間維持することができる。
【００３５】
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５は、本発明の実施例２における酸素ポンプ装置を示すものである。実施例１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図において、２８は酸素ポンプ素子であり、酸素ポンプ素子２８は実施例１で述べた構成のものが用いられる。２９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２２を区画する区画手段であり、電極膜２２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とガラスなどの耐熱性を有する接着材料によって接着されている。区画手段２９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。３０は酸素ポンプ素子２８の下部に設けられ酸素ポンプ素子２８を加熱する少なくとも一つの加熱手段であり、加熱手段３０に電力を印加する加熱用電源３１にリード線３２を介して接続されている。加熱手段３０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。
【００３８】
３３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２８、区画手段２９、加熱手段３０の周囲を囲む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３４に収納されている。この通気機能を有する断熱材３３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。３５は電極膜２２に所定の電圧を印加する酸素ポンプ駆動電源である。
【００３９】
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。
【００４０】
まず、加熱用電源３１によって電力が加熱手段３０に印加されると、加熱手段３０は酸素ポンプ素子２８を加熱する。次に酸素ポンプ素子２８に酸素ポンプ駆動電源３５からリード部材２３を介してそれぞれの電極膜２２に所定の電圧が印加される。本実施例の場合、下方の電極膜２２をカソード、上方の電極膜２２をアノードとしている。この状態で加熱手段３０によって酸素ポンプ素子２８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電極膜２２に運ばれる。アノード側の電極膜２２に到達した酸素イオンは酸素分子となり、電極膜２２から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２９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３３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３３を拡散し、大気中に流出する。酸素ポンプ素子２８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。
【００４１】
以上のように、通気機能を有する断熱材３３が酸素ポンプ素子２８と空間を区画する区画手段２９と酸素ポンプ素子２８を加熱する加熱手段３０とを囲むように配置された構成とすることにより、酸素ポンプ素子２８と加熱手段３０が大気に直接触れることがないので、熱効率が向上し、酸素ポンプ素子２８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２８全体を均一に加熱することができるとともに、電極膜２２の電圧降下の抑制作用により電極膜２２の自己発熱による温度分布を抑制することができるので、酸素ポンプ素子２８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２８、区画手段２９、加熱手段３０が通気機能を有する断熱材３３で囲ま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。
【００４２】
また、特に本実施例のように通気機能を有する断熱材３３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２８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２８の冷却が抑制され、加熱手段３０の熱効率をさらに高めることができる。
【００４３】
なお、本実施例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。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の酸素ポンプ素子によれば、電極膜の面全体で酸素分子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。
【００４５】
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Ａ−Ａ線による断面図
【図２】同酸素ポンプ素子における電極膜の拡大断面図
【図３】同酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を測定する回路構成図
【図４】同酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を示すグラフ
【図５】本発明の実施例２における酸素ポンプ装置の断面図
【図６】従来の酸素ポンプ装置の断面図
【図７】（ａ）従来における他の酸素ポンプ素子の断面図
（ｂ）（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図
【符号の説明】
２１ 酸素イオン伝導性基板
２２ 電極膜
２４ 酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子
２５ 導電性の高い金属粒子
２６ 金属酸化物からなるバインダー
２８ 酸素ポンプ素子
２９ 区画手段
３０ 加熱手段
３３ 通気機能を有する断熱材

Claims (8)

1. 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、主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子から構成される電極膜とからなる酸素ポンプ素子。
2. 酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子は、化学式ＡＢＯ_３で表される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に記載の酸素ポンプ素子。
3. 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２に記載の酸素ポンプ素子。
4. 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２または３に記載の酸素ポンプ素子。
5. 金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子は、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルのいずれか１種からなる請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
6. 電極膜は、少なくとも酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子と金属酸化物からなるバインダーの混合物を焼成して得られる焼成膜で構成される請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
7. 金属酸化物からなるバインダーは、主成分が酸化ビスマスからなる請求項６に記載の酸素ポンプ素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子における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。

Images