【書類名】 明細書
【発明の名称】 酸素ポンプ素子及び該素子を搭載した酸素ポンプ装置
【特許請求の範囲】
【請求項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、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。
【請求項２】 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。
【請求項３】 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。
【請求項４】 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。
【請求項５】 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。
【請求項６】 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。
【請求項７】 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１〜６のいずれか１項記載の酸素ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【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。
【００１５】
【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。
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３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
Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
（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。
【００３０】
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。
（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。
【００３１】
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。
（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。
【００３２】
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。
（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。
【００３３】
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。
（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。
【００３４】
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。
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
【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。
【００４３】
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。
【００４４】
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
[Document name] Description [Title of the invention] Oxygen pump element and oxygen pump device equipped with the element [Claims]
1. An oxygen ion conductive substrate, a first electrode film formed on both surfaces of the oxygen ion conductive substrate and made of a metal oxide having a dissociative adsorption function of oxygen, and a first electrode film on a surface of the first electrode film. An oxygen pump element, comprising: a second electrode film formed of a fired film containing metal particles and a glass-based binder.
2. The oxygen pump element according to claim 1, wherein the second electrode film does not cover the entire surface of the first electrode film.
3. The oxygen pump element according to claim 2, wherein the second electrode film has a network structure.
4. The oxygen pump element according to claim 2, wherein the second electrode film has a spiral structure.
5. The oxygen pump device according to claim 2, wherein the second electrode film has a meandering structure.
6. The oxygen pump element according to claim 2, wherein the second electrode film has at least one annular structure.
7. A partitioning means for partitioning the first electrode film and the second electrode film, a heating means for heating the oxygen pump element, and arranged so as to surround the oxygen pump element, the partitioning means and the heating means. The oxygen pump device according to any one of claims 1 to 6 , further comprising a heat insulating material having a ventilation function.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen pump element having an improved electrode film using an oxygen ion conductor and an oxygen pump device equipped with the oxygen pump element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is an oxygen pump element of this type and an apparatus equipped with the element as shown in FIG. In FIG. 10, 1 is a housing, 2 is an oxygen pump element composed of a first electrode 4, a thin film 5 of an oxygen ion conductor, and a second electrode 6 formed on a porous substrate 3 such as alumina. The first electrode film 4 has a structure in which fine particles of platinum are formed on the porous substrate 3, and the second electrode 6 has a structure in which fine particles of platinum are formed on the thin film 5 of the oxygen ion conductor. Reference numeral 7 denotes a heating unit including a heater printing film 9 formed by patterning a conductive paste on an insulating substrate 8 such as an alumina substrate by screen printing. The heating unit 7 is included in the housing 1. It is placed in a state where it is open to the atmosphere.
[0003]
In this configuration, when the oxygen pump element 2 is heated to a temperature at which the oxygen pump element 2 operates as an oxygen pump by the heating means 7 and a DC voltage is applied between the first electrode 4 as a cathode and the second electrode 5 as an anode. The oxygen in the air dissociated and adsorbed on the first electrode 4 moves through the oxygen ion conductor thin film 5 as oxygen ions, is carried to the second electrode 6, and is released to the atmosphere as oxygen molecules as shown by. Is done. Thereby, the oxygen concentration in the container attached to the housing 1 can be reduced (for example, see Patent Document 1).
[0004]
FIG. 11 shows a conventional oxygen pump element. 11A is a plan view of the oxygen pump element, and FIG. 11B is a cross-sectional view of the oxygen pump element taken along line AA ′ in FIG. In FIG. 11, reference numeral 10 denotes a solid electrolyte layer which is an oxygen ion conductor, 11 denotes an electrode, and the electrode 11 is an oxygen pump element having a structure in which one layer is formed on each of both surfaces of the solid electrolyte layer 10. The electrode 11 is formed by applying a paste in which particles such as platinum are mixed by using a method such as screen printing, drying and baking (for example, see Patent Document 2). And this oxygen pump element operates similarly to the oxygen pump device shown in patent document 1.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-23525 (page 2-3, FIG. 2)
[Patent Document 2]
JP-A-11-94792 (page 2-3, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the electrodes composed of a film of platinum fine particles or a fired film by screen printing disclosed in Patent Documents 1 and 2 have a thin film thickness of several tens μm or less, and have an electrode reaction with oxygen. It has a porous structure for activation and has high electrical resistance. In such an electrode, for example, when a DC voltage is applied from the outer peripheral portion of the electrode, the voltage drops at the central portion of the electrode due to electric resistance, so that the electrode reaction with oxygen is reduced and the transport amount of oxygen ions is small. There was a problem of becoming. In particular, when the oxygen pump element is large, the electrode area becomes large, so that the voltage drop becomes extremely large, and the entire electrode surface cannot be functioned effectively.
[0007]
Further, in the configuration of the oxygen pump device disclosed in Patent Document 1, since the oxygen pump element 2 and the heating means 7 are open to the atmosphere, the heat energy from the heating means 7 is generated not only in the oxygen pump element 2 but also in the atmosphere. It is also used for heating air, as a result, the thermal efficiency deteriorates, the power consumption of the heating means 7 required to raise the temperature to the temperature for operating the oxygen pump element 2 increases, and the voltage drop on the electrode surface described above. In addition to the problem described above, there is a problem that the oxygen pump element 2 has poor oxygen ion transport efficiency. Further, in the embodiment, since the heating means 7 is arranged above the oxygen pump element 2, the heating of the oxygen pump element 2 has a problem that radiant heat is almost used and convection heat of the heated air cannot be used. .
[0008]
Further, as a binder for the electrode film 11 used in the oxygen pump device of Patent Document 2, a material mainly composed of bismuth oxide having good permeability of oxygen molecules is used in order to improve ionic conductivity of oxygen. However, this bonding material has weak adhesion to the solid electrolyte layer 10, and the electrode film 11 is easily peeled off by repeatedly operating and stopping the oxygen pump device, and there is a problem in durability as the oxygen pump device. . Particularly, in an environment where a high current of 500 ° C. or more and a large current of several amperes flow, the durability is significantly reduced.
[0009]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides an oxygen pump element in which the electric resistance of an electrode film is reduced, the entire electrode surface functions effectively, and the adhesion of the electrode film is improved. It is an object of the present invention to provide an oxygen pump device that efficiently transfers heat from a gas to an oxygen pump element and reduces electric power required for heating.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned conventional problems, an oxygen pump element of the present invention is provided with a first electrode film made of a metal oxide having a dissociative adsorption function of oxygen on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate, Is provided with a second electrode film made of a fired film containing metal particles and a glass-based binder.
[0011]
According to the present invention, a second electrode film made of metal particles and a glass-based binder is provided on the surface of the first electrode film, and a voltage is supplied from the second electrode film to the first electrode film, whereby the first electrode film is formed. , The electrode reaction with oxygen (dissociative adsorption and ionization of oxygen) can be caused over the entire surface of the first electrode film, and the oxygen ion conductivity of the acid element pump element can be improved. be able to. Further, since the adhesion between the second electrode film and the first electrode film can be strengthened, peeling of the second electrode film can be prevented.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the first aspect of the present invention, a first electrode film made of a metal oxide having a dissociative adsorption function of oxygen is provided on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate, and a main component is formed of metal particles on the surface of the first electrode film. By providing a second electrode film made of a fired film of a glass-based binder, a voltage drop in the surface direction of the first electrode film can be suppressed, so that an electrode reaction with oxygen on the entire surface of the first electrode film can be suppressed. Oxygen pump element can be increased, oxygen ion conductivity as an oxygen pump can be improved, and a voltage drop in the first electrode film can be suppressed, so that temperature distribution due to self-heating of the electrode can be reduced. Damage such as cracks can be suppressed, and excellent durability can be realized. Further, the adhesion between the first electrode film and the second electrode film can be strengthened by the glass-based binder contained in the second electrode film, so that peeling of the second electrode film can be prevented, and oxygen can be prevented. The durability of the pump element can be further improved.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, since the second electrode film is configured not to cover the entire surface of the first electrode film, the area of the first electrode film in which oxygen molecules are dissociated and adsorbed can be enlarged. The ionic conductivity of the device can be improved.
According to a third aspect of the present invention, the structure of the second electrode film is a stitch structure, a spiral structure, or a meandering structure or an annular structure, and the second electrode film covers the entire surface of the first electrode film. With such a configuration, a voltage can be uniformly applied to the entire electrode surface of the first electrode film, so that the performance of the oxygen pump can be further improved.
[0014]
請 Motomeko seventh invention according to the first electrode film made of a metal oxide having a dissociation adsorption of oxygen on both sides of the oxygen ion conductive substrate provided further main component on the surface of the first electrode film is a metal particle An oxygen pump element provided with a second electrode film made of a sintering film of glass and a glass-based binder; a partitioning means for partitioning electrodes (first electrode film and second electrode film) on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate; By comprising at least one heating means for heating the pump element, and a heat insulating material having a ventilation function arranged so as to surround the oxygen pump element, the partition means and the heating means, the oxygen pump element and the heating means are exposed to the atmosphere. Since there is no direct contact, the thermal efficiency to the oxygen pump element by the heating means is improved, the power required for heating the oxygen pump element can be reduced, and energy saving can be achieved. In addition, since the entire oxygen pump element can be uniformly heated, the effect of preventing the damage of the oxygen pump element is further improved, and the excellent effect of the oxygen pump element can be obtained in combination with the above-described effect of suppressing the voltage drop in the first electrode film. Performance can be maintained for a long time. Furthermore, since the oxygen pump element, the partitioning means, and the heating means can have a simple structure covered with a heat insulating material having a ventilation function, the oxygen pump can be reduced in size and can be easily mounted on equipment. Can be.
[0015]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
(Example 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of an oxygen pump element according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. . In FIG. 1, reference numeral 21 denotes an oxygen ion conductive substrate, to which yttrium-doped zirconia (YSZ) -based, samarium-doped ceria-based (SDC), and lanthanum gallate-based ceramics are applied. Reference numeral 22 denotes a first electrode film formed on both surfaces of the oxygen ion conductive substrate 21 and is made of at least one kind of metal oxide having a dissociative adsorption function of oxygen, and is formed by a method such as screen printing or sputter deposition. . Reference numeral 23 denotes a second electrode film formed in a plurality of annular structures on the surface of the first electrode film 22. The second electrode film 23 has at least one kind of metal particles of at least one of platinum, gold, silver, palladium, and rhodium. A fired film made of a glass-based binder is used, and is formed by a screen printing method. A lead member 24 for applying a voltage from an oxygen pump driving power supply (not shown) to the oxygen pump element is connected to the second electrode film 23, and the lead member 24 is formed of each of the ring-shaped second electrode films 23. It is electrically and mechanically connected to the device.
[0016]
The operation and operation of the oxygen pump element configured as described above will be described below.
[0017]
The oxygen pump element is heated by the heating means to a temperature at which it operates as an oxygen pump. Next, a voltage is applied from the oxygen pump driving power source via the lead member 24 with one of the second electrode films 23 as a cathode and the other as an anode, and the applied voltage is applied to each of the second electrode film 23 to the first electrode film 22. Supplied to When the temperature of the oxygen ion conductive substrate 21 rises to 500 to 800 ° C., oxygen molecules existing in the space on the cathode side are dissociated and adsorbed on the first electrode film 22 by an electrode reaction, and are taken into the oxygen ion conductive substrate 21 as oxygen ions. Then, the ions move as oxygen ions and reach the first electrode film 22 on the anode side. The oxygen ions that reach the first electrode film 22 become oxygen molecules and are released to the external space.
[0018]
The first electrode film 22 formed by a method such as screen printing or sputter deposition has a thin film thickness of several tens μm or less, and has a porous structure to activate an electrode reaction with oxygen. Therefore, the electric resistance in the plane direction is high. Therefore, when a DC voltage is applied from the outer peripheral portion of the first electrode film 22, the electrode reactivity of oxygen molecules is lower in the central portion of the first electrode film 22 than in the outer peripheral portion due to a voltage drop, and as a result, oxygen ion conductivity is reduced. And the entire electrode surface does not function effectively. In the present invention, a second electrode film 23 containing metal particles having a high electrical conductivity having an annular structure is provided on the surface of the first electrode film 22, and a voltage is applied to the second electrode 23, whereby the surface of the first electrode film 22 is formed. Since a relatively uniform voltage can be supplied to the whole, a voltage drop in the surface direction of the first electrode film 22 can be suppressed. Therefore, since the electrode reaction of oxygen molecules occurs on the entire electrode surface of the first electrode film 22, the oxygen ion conductivity of the oxygen pump element can be increased, and the performance as an oxygen pump can be improved. In addition, since the voltage drop in the surface direction of the first electrode film 22 can be suppressed, the temperature distribution due to the self-heating of the first electrode film 22 itself can be reduced, so that damage such as cracks of the oxygen pump element is suppressed, which is excellent. Durability can be realized.
[0019]
Next, specific actions and effects of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0020]
As the oxygen ion conductive substrate 21, a ceramic plate made of a lanthanum gallate-based metal oxide La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 having a diameter of 21 mm and a thickness of 0.2 mm is used. A perovskite-type composite oxide having properties Sm0.5Sr0.5CoO3, an organic solvent, a paste obtained by mixing a cellulose-based vehicle, a printed film is formed by screen printing, and dried and fired to form a film having a diameter of 16 mm and a film thickness of 10 to 20 μm. One electrode film 22 was formed. Next, on a surface of the first electrode film 22, a paste obtained by mixing gold, an organic solvent, a binder containing glass as a main component, and a cellulosic vehicle is screen-printed to form three 0.5 mm-width print films having a width of three mm. Then, drying and baking were performed to form a second electrode film 23 having a thickness of 10 to 20 μm. The diameter of the second electrode film 23 having the three annular structures is such that the voltage applied to the surface of the first electrode film 22 is equal. The lead member 24 is electrically and mechanically connected to each of the ring-shaped second electrode films 23.
[0021]
The VI characteristics of the oxygen pump element thus manufactured were evaluated.
[0022]
FIG. 2 is a circuit configuration diagram for measuring the VI characteristics of the oxygen pump element of the present invention. As shown in FIG. 2, a DC voltage from a power supply is applied to a second electrode film 23 having three annular structures via a lead member 24, and the DC voltage is supplied from the second electrode film 23 to the first electrode film 22. .
[0023]
With respect to the oxygen pump element configured as described above, a DC voltage was applied by the circuit shown in FIG. 2 and the VI characteristics were evaluated. FIG. 3 is a graph showing the VI characteristics of the oxygen pump element according to the embodiment of the present invention. For comparison, the VI characteristics of the conventional oxygen pump element having only the first electrode film 22 are also shown. ing. As is apparent from FIG. 3, the oxygen pump element of the present invention has a larger ion current due to oxygen ions with respect to the voltage than the conventional oxygen pump element. The cause is that by supplying a voltage from the second electrode film 23 to the first electrode film 22, the voltage drop in the surface direction of the first electrode film 22 is suppressed, and an electrode reaction of oxygen molecules occurs on the entire electrode surface, and That is, the conduction performance is improved. As described above, by forming the second electrode film 23 on the surface of the first electrode film 22, the ion current of the oxygen pump element can be increased, and the performance of the oxygen pump element can be improved.
[0024]
In addition, the second electrode film 23 does not cover the entire surface of the first electrode film 22, that is, in the present embodiment, the second electrode film 23 has an annular structure, so that oxygen molecules of the first electrode film 22 are dissociated and adsorbed. Since the area can be increased, the ion conductivity of the oxygen pump element can be improved.
[0025]
In addition, by using a lanthanum gallate-based metal oxide as the oxygen ion conductive substrate 21, the oxygen ion conductivity can be improved, so that the oxygen pump element can be operated at a low temperature.
[0026]
Also, by using at least one of platinum, gold, silver, palladium, and rhodium as the metal particles of the second electrode film 23, an electrode film having high heat resistance and low electric resistance can be obtained. Can be efficiently supplied to the first electrode film 22, and excellent performance and durability of the oxygen pump element can be realized.
[0027]
Further, the composite oxide having a perovskite structure used as the first electrode film 22 has high electrode reactivity with oxygen molecules and has conductivity itself, so that it is possible to realize excellent acid ion conductivity. In particular, among the perovskite-type composite oxides, the A site is composed of at least one of lanthanum and samarium, the B site is composed of at least one of cobalt, iron, and manganese, and a part of the A site is substituted with strontium. It has excellent conductivity and high oxygen molecule electrode reactivity.
[0028]
On the other hand, since the oxygen pump element operates at a temperature of 500 ° C. or higher, a large thermal stress is generated in the first electrode film 22 and the second electrode film 23 of the oxygen pump element during operation and stop. If the operation and the stop are repeated, the conventional one using bismuth oxide as the binder of the electrode film has a problem that the electrode film is peeled off because of poor adhesion. Since the second electrode film 23 of this embodiment uses a binder whose main component is glass, the adhesion between the first electrode film 22 and the second electrode film 23 can be enhanced. Therefore, peeling of the second electrode film 23 can be prevented, and the durability of the oxygen pump element can be further improved. The oxygen pump element using a bismuth oxide-based binder as the binder between the oxygen pump element of the present embodiment and the second electrode film 23 was subjected to a repetition test of a 30-minute operation and a 30-minute stop. When the number of times of peeling was compared, the oxygen pump element of this example showed a durability of 5 times or more. A glass binder is not usually used as this kind of electrode material because of poor permeability of oxygen molecules and reduced ion conductivity. However, in the present embodiment, the second electrode film 23 does not cover the entire surface of the first electrode film 22, so that there is no need for the property that oxygen molecules permeate the second electrode film 23.
[0029]
The number of the second electrode films 25 having the annular structure is not limited, and is appropriately selected according to the size of the oxygen pump element and the required performance.
(Example 2)
FIG. 4 is a plan view of an oxygen pump element according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 4, reference numeral 25 denotes a second electrode film, which is different from the structure of the first embodiment in that the first electrode film 23 having a three-ring structure is screened with the same material as the second electrode film 23 instead of the lead member 24. The configuration is such that the components are electrically connected by printing. In the figure, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The second electrode film 25 is provided on the surface of the first electrode film 22 formed on both surfaces of the oxygen ion conductive substrate 21, and the lead member 24 is electrically and mechanically connected to a part of the second electrode film 25. I have. The operation principle of the oxygen pump element according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted.
[0030]
In the oxygen pump element configured as described above, since the electrical connection of the three second electrode films 25 is made of the same material, the number of connection points by the lead member 24 can be reduced, and the occurrence of poor connection is reduced. And the electrical connection can be easily formed by screen printing simultaneously with the electrode film, so that the productivity of the oxygen pump element can be improved.
(Example 3)
FIG. 5 is a plan view of an oxygen pump element according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 5, 26 is an oxygen ion conductive substrate, 27 is a first electrode film, and 28 is a second electrode film. The difference from the configuration of the first embodiment is that the oxygen ion conductive substrate 26, the first electrode film 27 has a square shape, and the second electrode film 28 has a square ring structure. In the figure, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The second electrode film 28 is provided on both surfaces of the first electrode film 27. In this embodiment, three second electrode films 28 having a rectangular ring structure are formed, and the lead member 24 is electrically connected to each of the second electrode films 28. And mechanically connected.
[0031]
The operation principle and operation of the oxygen pump element according to the third embodiment are the same as those of the first embodiment, and the description is omitted. The oxygen pump element configured as described above has the same effects as in the first embodiment.
(Example 4)
FIG. 6 is a plan view of an oxygen pump element according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 8, reference numeral 29 denotes a second electrode film. The difference from the configuration of the third embodiment is that the second electrode film 29 has a mesh structure. In the figure, the same components as those of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted. The second electrode film 29 having a mesh structure is provided on both surfaces of the first electrode film 27, and the lead member 24 is electrically and mechanically connected to the second electrode film 29.
[0032]
The operation principle and operation of the oxygen pump element according to the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The oxygen pump element configured as described above has the same effects as in the first embodiment.
(Example 5)
FIG. 7 is a plan view of an oxygen pump element according to Embodiment 5 of the present invention. In FIG. 7, reference numeral 30 denotes a second electrode film. The difference from the configuration of the third embodiment is that the second electrode film 30 has a spiral structure. In the figure, the same components as those of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted. The second electrode film 30 having a spiral structure is provided on both surfaces of the first electrode film 27, and the lead member 24 is electrically connected to the second electrode film 30.
[0033]
The operation principle and operation of the oxygen pump element in the fifth embodiment are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The oxygen pump element configured as described above has the same effects as in the first embodiment.
(Example 6)
FIG. 8 is a plan view of an oxygen pump element according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. 8, reference numeral 31 denotes a second electrode film. The difference from the configuration of the third embodiment is that the second electrode film 31 has a meandering structure. In the figure, the same components as those of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted. The meandering second electrode film 31 is provided on both surfaces of the first electrode film 27, and the lead member 24 is electrically and mechanically connected to the second electrode film 312.
[0034]
The operation principle and operation of the oxygen pump element in the sixth embodiment are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The oxygen pump element configured as described above has the same effects as in the first embodiment.
(Example 7)
FIG. 9 is a sectional view of an oxygen pump device according to Embodiment 7 of the present invention. In FIG. 91, reference numeral 33 denotes an oxygen pump element, and the oxygen pump element 31 having the configuration described in the first to sixth embodiments can be used. In FIG. The description is omitted.
[0035]
In FIG. 9, reference numeral 34 denotes partition means for partitioning the electrode films (the first electrode film 22 and the second electrode film 23) formed on both surfaces of the oxygen ion conductive substrate 21. And is bonded to the oxygen ion conductive substrate 21 with an adhesive material such as glass. As the partitioning means 34, a metal plate or a foil of nickel, iron-chromium alloy, titanium, gold, platinum or the like, a ceramic plate of alumina, mullite or the like is used, and the thermal expansion difference from the oxygen ion conductive substrate 21 is small, Since a small thermal distortion is required, a metal foil of nickel or an iron-chromium alloy is applied. Reference numeral 35 denotes a heating means provided below the oxygen pump element 33, and is connected via a lead wire 37 to a heating power supply 36 for applying electric power to the heating means 35. As the heating means 35, a heating wire or foil such as an iron-chromium alloy or a nickel-chromium alloy is used.
[0036]
Reference numeral 38 denotes a heat insulating material having a ventilation function, which is formed of a porous body having a large number of communication holes, and is arranged so as to cover the oxygen pump element 33, the partitioning means 34, and the heating means 35. It is housed in a housing 39 provided with an opening so that oxygen can flow out to the atmosphere. As the heat insulating material 38 having the ventilation function, an aggregate of silica particles whose main component is an inorganic oxide is used.
[0037]
The operation and operation of the oxygen pump device configured as described above will be described below.
[0038]
First, when power is applied to the heating means 35 by the heating power supply 36, the heating means 35 heats up and heats the oxygen pump element 33. Next, a predetermined voltage is applied to the oxygen pump element 33 from the oxygen pump driving power supply 40 via the lead member 24 to each of the second electrode films 23, and the first electrodes electrically connected to the second electrode films 23. It is supplied to the membrane 22. In the case of this embodiment, the lower second electrode film 23 and the first electrode film 22 serve as a cathode, and the upper second electrode film 23 and the first electrode film 22 serve as an anode. When the temperature of the oxygen pump element 33 is raised to 500 to 800 ° C. by the heating means 35 in this state, oxygen molecules existing in the space on the cathode side are dissociated and adsorbed by the first electrode film 22, and the oxygen ion conductive substrate 21 is converted into oxygen ions. And reaches the first electrode film 22 on the anode side. The oxygen ions that have reached the first electrode film 22 become oxygen molecules and are released to the external space. Since the space on the cathode side and the space on the anode side are separated by the partition means 34, oxygen molecules existing in the space on the cathode side can always be moved to the space on the anode side. When oxygen molecules in the space on the cathode side move to the space on the anode side, the oxygen concentration on the cathode side decreases, but air containing oxygen molecules in the atmosphere diffuses through the communication holes of the heat insulating material 38 on the cathode side having a ventilation function. Flows into the space on the cathode side. On the other hand, oxygen molecules released from the first electrode film 22 from the space on the anode side diffuse through the heat insulating material 38 having a ventilation function on the anode side, and flow out to the atmosphere. During the operation of the oxygen pump element 33, oxygen molecules continue to move as shown by arrows in the figure, and when a container is attached so as to be hermetically closed on the cathode side, the oxygen concentration in the container can be reduced. it can.
[0039]
As described above, in the present embodiment, the heat insulating material 38 having the ventilation function is arranged so as to surround the oxygen pump element 33, the partitioning means 34 for partitioning the space, and the heating means 35 for heating the oxygen pump element 33. By doing so, the oxygen pump element 33 and the heating means 35 do not come into direct contact with the atmosphere, so that the thermal efficiency of the oxygen pump element 33 is improved, and the power required for heating the oxygen pump element 33 can be reduced, thereby saving energy. Can be achieved. In addition, the entire oxygen pump element 33 can be uniformly heated, and the voltage distribution of the second electrode film 23 is suppressed by the first electrode film 22, so that the temperature distribution due to the self-heating of the first electrode film 22 is reduced. Since the size can be reduced, breakage of the oxygen pump element 33 due to cracks or the like can be prevented, and the durability and reliability of the oxygen pump device can be improved. Further, since the oxygen pump element 33, the partitioning means 34, and the heating means 35 can have a simple structure covered with a heat insulating material 38 having a ventilation function, the size of the oxygen pump can be reduced, and the apparatus can be mounted on equipment. Can be facilitated.
[0040]
In addition, by forming the heat insulating material 38 having a ventilation function as a porous body having a large number of communication holes as in the present embodiment, air introduced into the oxygen pump element 33 passes through the communication holes of the porous body. Since the heating is gradually performed, cooling of the oxygen pump element 33 is suppressed, and the thermal efficiency of the heating unit 35 can be further increased.
[0041]
Note that the oxygen pump device of the present invention is applied to a device requiring a low oxygen atmosphere such as a food storage or a device requiring a higher oxygen concentration than the atmosphere.
[0042]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the oxygen pump element of the present invention and the oxygen pump device equipped with the element have the following effects.
[0043]
Since the electrode reaction of oxygen can be caused on the entire electrode surface of the first electrode film of the oxygen pump element, the oxygen ion conductivity of the oxygen pump element can be improved, and the performance as an oxygen pump can be improved. In addition, since the voltage drop of the first electrode film can be suppressed, the temperature distribution due to self-heating on the entire electrode surface can be reduced, and damage such as cracks of the oxygen pump element is suppressed, and excellent durability is realized. be able to. Further, the adhesion between the first electrode film and the second electrode film can be strengthened by the glass-based binder contained in the second electrode film, so that peeling of the second electrode film can be prevented, and oxygen can be prevented. The durability of the pump element can be further improved.
[0044]
Further, as the oxygen pump device, the heat efficiency of the oxygen pump element by the heating means can be improved, so that the electric power required for heating the oxygen pump element can be reduced, energy can be saved, and oxygen can be saved. Since the entire pump element can be heated uniformly, breakage of the oxygen pump element, such as cracks, can be prevented, and the durability reliability of the oxygen pump device can be improved. In addition, since the oxygen pump device can have a simple structure, the size of the oxygen pump can be reduced, and mounting on the device can be further facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG.
(A) a plan view of an oxygen pump element in Embodiment 1 of the present invention,
(B) Sectional view of the oxygen pump element.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram for measuring a voltage V-current I characteristic of the oxygen pump element.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a voltage V and a current I of the oxygen pump element.
FIG. 5 is a plan view of an oxygen pump element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view of an oxygen pump element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of an oxygen pump element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of an oxygen pump element according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of an oxygen pump element according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an oxygen pump device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing the configuration of a conventional oxygen pump device.
(A) Plan view of conventional oxygen pump element (b) Cross-sectional view of conventional oxygen pump element
21, 26 Oxygen ion conductive substrate 22, 27 First electrode film 23, 25, 28, 29, 30, 31 Second electrode film 33 Oxygen pump element 34 Partitioning means 35 Heating means 38 Heat insulating material having ventilation function