JP2004269295A

JP2004269295A - 酸素ポンプ素子および該素子を搭載した酸素ポンプ装置

Info

Publication number: JP2004269295A
Application number: JP2003059925A
Authority: JP
Inventors: Yu Fukuda; 祐福田; 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: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】電極膜の密着性を改善し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のカソード電極側には、金属酸化物を含む第１電極膜２２と、該第１電極膜２２上に金属粒子を含む第２電極膜２３を設けた２層の電極膜を形成し、またアノード電極側には金属酸化物、金属粒子の少なくとも１種を含んだ１層の電極膜２４を形成している。これによって、電極膜の密着性が良くなり電極反応を高めることができると共に信頼耐久性が一層向上する。
【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膜の改良及びこ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において、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（ａ）、（ｂ）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（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
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。
【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となり、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】
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るとともに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、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、カソード電極側の酸素イオン伝導性基板の表面に金属酸化物を含む第１電極膜と前記第１電極膜上に金属粒子を含む第２電極膜の２層の電極膜を設け、アノード電極側の前記酸素伝導性基板の表面に金属酸化物、金属粒子の少なくとも１種を含む１層の電極膜を設けたものである。
【００１１】
本発明によれば、カソード電極側に酸素の解離吸着作用に優れた第１電極膜と導電性に優れた第２電極膜の２層の電極膜を設け、第２電極膜から第１電極膜に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、アノード電極側には１層の電極膜で構成することにより、電極膜形成の生産性を向上させることができるとともに、電極膜の膜厚を薄くすることができるので電極膜の熱応力を小さくすることができ、電極膜の剥離を抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によれば、カソード電極側の酸素イオン伝導性基板の表面に金属酸化物を含む第１電極膜と前記第１電極膜上に金属粒子を含む第２電極膜の２層の電極膜を設け、アノード電極側の前記酸素伝導性基板の表面に金属酸化物、金属粒子の少なくとも１種を含む１層の電極膜を設けることにより、カソード電極側は第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、アノード電極側は１層の電極膜とすることにより、電極膜形成の生産性を向上させることができるとともに、電極膜の膜厚を薄くすることができるので電極膜の熱応力を小さくすることができ、電極膜の剥離を抑制することができる。
【００１３】
また、第２電極膜は第１電極膜に部分的に設けられて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。
【００１４】
また、第２電極膜が第１電極膜に部分的に設けられてその全面を覆わない構成としての具体的形態として、第２電極膜が、網目構造や、渦巻き構造、あるいは蛇行構造であってもよいし、また、第２電極膜を少なくとも１つの環状構造とすることができ、これによって、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向上させることができる。
【００１５】
また、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。
【００１６】
また、第１電極膜の金属酸化物として結晶構造式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。
【００１７】
また、結晶構造式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の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。
【００１８】
また、結晶構造式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。この形態では、第１電極膜としての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。
【００１９】
また、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。
【００２０】
さらにまた、前述に記載の酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝導性基板のカソード電極とアノード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を向上させることができる。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。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜図９を参照しながら説明する。
【００２２】
（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）は断面図、図１（ｂ）はカソード電極側の平面図である。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のカソード電極側の表面に形成した酸素の解離吸着作用を有する金属酸化物含む第１電極膜であり、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白金、金、銀、パラジウム、ロジウムなどの金属粒子を含む第２電極膜であり、スクリーン印刷、スパッタ蒸着などの方法で形成される。一方、酸素イオン伝導性基板２１のアノード電極側には第１電極膜２２、第２電極膜２３で用いられる金属酸化物、金属粒子の少なくとも１種を含む電極膜２４であり、スクリーン印刷、スパッタ蒸着などの方法で形成される。２５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であり、リード部材２５を環状構造の第２電極膜２３と電極膜２４のそれぞれに電気的、機械的に接続している。
【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。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２５を介して第２電極膜２３をカソード電極、電極膜２４をアノード電極として電圧が印加される。カソード電極側の第１電極膜２２へ第２電極膜２３から第１電極膜２２から供給される。酸素イオン伝導性基板２１が５００〜８００℃に昇温すると、カソード電極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、酸素イオン伝導性基板２１中を酸素イオンとして移動し、アノード電極側の電極膜２４に到達する。電極膜２４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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
したがって、酸素分子の電極反応が第１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。
【００２７】
一方、アノード電極側の電極膜２４ではカソード電極側と逆反応が起こるがカソード電極側の反応が律速段階であるため、カソード電極側の反応は容易に起こりうる。したがって、カソード電極側のようにそれぞれの機能を有する２層の電極膜を必要とせず、第１電極膜２２、第２電極膜２３の少なくとも１種の電極材料で１層の電極膜とすることができるので生産性を向上させることができるとともに、電極膜２４の膜厚を薄くすることができるので酸素イオン伝導性基板２１と電極膜２４との間で発生する熱応力が小さくなり、電極膜２４の剥離を抑制することができ、信頼性を向上させることができる。
【００２８】
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。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と電極膜２４を形成した。
【００２９】
次に一方の第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ている。また、リード部材２５は環状構造の第２電極膜２３と電極膜２４のそれぞれに電気的、機械的に接続している。
【００３０】
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２５を介して３つの環状構造の第２電極膜２３をカソード電極、電極膜２４をアノード電極として印加する構成としている。
【００３１】
以上のように構成した酸素ポンプ素子について、電気炉で約６００℃に加熱した後、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
また、アノード電極側の電極膜２４のみで構成しても従来の酸素ポンプの電極膜の構成よりも高いイオン電流が得られることから、酸素を酸素イオン伝導基板２１に取り込む電極反応が律速段階であることがわかり、アノード電極は１層の構成でも十分高い酸素イオン伝導性を実現することができる。また、カソード電極の電極膜２４を第２電極膜２３で用いた金属粒子の材料で形成した構成においても前述と同様な高い酸素イオン伝導性を得ることができた。したがって、アノード電極側の電極膜２４は導電性を有する金属酸化物、金属粒子の少なくとも１種で構成することができる。
【００３７】
なお、環状構造の第２電極膜２３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。
【００３８】
（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カソード電極側の平面図である。図４において、２６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２５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２６は酸素イオン伝導性基板２１に形成された第１電極膜２２の表面に設けられ、リード部材２５と第２電極膜２６の一部に電気的、機械的に接続している。一方、アノード電極側はカソード電極側に形成した第１電極膜２２、第２電極膜２６で用いた材料の少なくとも１種で電極膜を形成し、リード部材２５と電気的、機械的に接続している。なお、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。
【００３９】
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２６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２５の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。
【００４０】
（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カソード電極側の平面図である。図５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１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２９は第１電極膜２８の表面に設けられ、本実施例では四角形の環状構造の第２電極膜２９を３つ形成し、リード部材２５を第２電極膜２９のそれぞれに電気的、機械的に接続した構成としている。一方、アノード電極側はカソード電極側に形成した第１電極膜２８、第２電極膜２９で用いた材料の少なくとも１種で電極膜を形成し、リード部材２５と電気的、機械的に接続している。
【００４１】
なお、実施例３における酸素ポンプ素子の動作原理、作用、効果は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００４２】
（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カソード電極側の平面図である。図６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の表面に設けられ、リード部材２５を第２電極膜３０に電気的、機械的に接続した構成としている。一方、アノード電極側はカソード電極側に形成した第１電極膜２８、第２電極膜３０で用いた材料の少なくとも１種で電極膜を形成し、リード部材２５と電気的、機械的に接続している。
【００４３】
実施例４における酸素ポンプ素子の動作原理、作用、効果も実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００４４】
（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カソード電極側の平面図である。図７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の表面に設けられ、リード部材２５を第２電極膜３１に電気的に接続した構成としている。一方、アノード電極側はカソード電極側に形成した第１電極膜２８、第２電極膜３１で用いた材料の少なくとも１種で電極膜を形成し、リード部材２５と電気的、機械的に接続している。
【００４５】
なお、実施例５における酸素ポンプ素子の動作原理、作用、効果も実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００４６】
（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、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の表面に設けられ、リード部材２５は第２電極膜３２に電気的、機械的に接続した構成としている。一方、アノード電極側はカソード電極側に形成した第１電極膜２８、第２電極膜３２で用いた材料の少なくとも１種で電極膜を形成し、リード部材２５と電気的、機械的に接続している。
【００４７】
なお、実施例４における酸素ポンプ素子の動作原理、作用、効果も実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００４８】
（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３３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。
【００４９】
図９において、３４は酸素イオン伝導性基板２１のカソード電極側に形成している第１電極膜２２、第２電極膜２３とアノード電極側に形成している電極膜２４を区画する区画手段であり、電極膜に対向した開口部を有しており、酸素イオン伝導性基板２１の周囲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２５を介してそれぞれの電極膜に所定の電圧が印加される。本実施例の場合、下方の第２電極膜２３と第１電極膜２２がカソード電極、上方の電極膜２４をアノード電極としている。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、カソード電極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、アノード電極側の電極膜２４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。カソード電極側とアノード電極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電極側の空間に存在する酸素分子をアノード電極側の空間に移動することができる。カソード電極側の空間の酸素分子がアノード電極側の空間に移動すると、カソード電極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電極側の断熱材３８の連通孔を拡散し、カソード電極側の空間に流入する。
【００５２】
一方、アノード電極側の空間からは電極膜２４から放出された酸素分子がアノード電極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、カソード電極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減少させることができ、逆にアノード電極側にほぼ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増加させることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の酸素ポンプ素子の発明によれば、そのカソード電極側に形成している第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、アノード電極側は１層の電極膜とすることにより、電極膜形成の生産性を向上させることができるとともに、電極膜の膜厚を薄くすることができるので電極膜の熱応力を小さくすることができ、電極膜の剥離を抑制することができる。
【００５８】
また、該素子を搭載した酸素ポンプ装置の発明によれば、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断面図
（ｂ）同酸素ポンプ素子のカソード電極側を視た平面図
【図２】同酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を測定する回路構成図
【図３】同酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ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カソード電極側の平面図
【図５】本発明の実施例３における酸素ポンプ素子のカソード電極側の平面図
【図６】本発明の実施例４における酸素ポンプ素子のカソード電極側の平面図
【図７】本発明の実施例５における酸素ポンプ素子のカソード電極側の平面図
【図８】本発明の実施例６における酸素ポンプ素子のカソード電極側の平面図
【図９】本発明の実施例７における酸素ポンプ装置の断面図
【図１０】従来の酸素ポンプ装置の断面図
【図１１】（ａ）従来の酸素ポンプ素子の平面図
（ｂ）同素子のＡ−Ａ線断面図
【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、２６、２９、３０、３１、３２第２電極膜
２４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、該酸素イオン伝導性基板の両面に電極膜を形成してなる酸素ポンプ素子において、カソード電極側の前記酸素イオン伝導性基板の表面に金属酸化物を含む第１電極膜と該第１電極膜上に金属粒子を含む第２電極膜を設け、アノード電極側の前記酸素伝導性基板の表面に金属酸化物、金属粒子の少なくとも１種を含む電極膜を設けた酸素ポンプ素子。
第１電極膜上に第２電極膜を部分的に設けた請求項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。
電極膜に含まれる金属酸化物は、結晶構造式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１〜７のいずれか１項記載の酸素ポンプ素子。
結晶構造式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８記載の酸素ポンプ素子。
結晶構造式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。
電極膜に含まれる金属粒子は、白金、金、銀、パラジウム、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。
酸素イオン伝導性基板のカソード電極とアノード電極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。