JP2005307286A - 酸素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】酸素イオン導電性基板１２を、高電圧、低電流で動作させることを目的とする。
【解決手段】酸素イオン導電性基板１２に複数の電極対１３、１４、１５、１６を形成し、各電極対を直列接続する構成とする。この構成により、高電圧、低電流が実現できる。また、各部の電極対に面積をイオン電流密度に反比例した構成にすることにより、信頼性の高い酸素ポンプを実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気中含まれる酸素をイオン導電性基板を利用して移動させる酸素ポンプに関するものである。

従来、この種の酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板の両面に電極膜を設け、電源電圧を印加、酸素ポンプとして動作させていた（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプ１の平面図である。図９に示すように、ジルコニアなどで構成された酸素イオン導電性基板２の上面および下面に電極膜３、４が形成され、電極膜３，４はリード線を介して直流電源５に接続されている。このような構成において、外部ヒーター（図示せず）などにより、酸素イオン導電性基板２を加熱し、約５００〜６００℃の高温に保持し、酸素ポンプとしていた。即ち、酸素を含む空気などが下面電極４に衝突すると、含まれる酸素分子がイオン化され酸素イオン導電性基板２内にイオンとして注入される。この注入されたイオンは、直流電源５からの供給電圧により上面電極３に向かって移動する。このイオンが、上面電極３においてイオンから分子に変換され空気中に放出される。このようにして、酸素イオン導電性基板２の下側の空気から酸素を上側に供給する酸素ポンプとして動作させていた。
特開平８−６７９９７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、酸素イオン導電性基板が大きくなり、電極面積が広くなると、駆動電圧が数ボルト、駆動電流が数十アンペアとなる低電圧・高電流型となり、電源回路が非常に複雑で高コストになるとう課題があった。また、イオン導電性基板を高温に保持して使用するため、基板に温度分布が発生した場合には、局所的に大電流が流れ、基板が破損するという課題もあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低電流・高電圧型の酸素ポンプを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプは、上面と下面とに複数個の電極対を設けた酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板を支持する支持部材と、前記酸素イオン導電性基板を加熱するヒーターとを備え、前記電極対を直列接続してなる構成とした。この複数個の電極対を直列接続する構成により、大面積の酸素イオン導電性基板であっても、高電圧、低電流とすることができ、電源回路が簡単に、また、低コストとすることができる。また、大面積の酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に大電流が流れることがなくなり、破損することもなくなる。

本発明の酸素ポンプは、高電圧、低電流で駆動することができ、電源回路を簡単にすることができ、低コストを実現できる。

第１の発明は、上面と下面とに複数対の電極を設けた酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板を支持する支持部材と、前記酸素イオン導電性基板を加熱するヒーターとを備え、前記電極対を直列接続する酸素ポンプの構成とした。この構成により、電源回路を高電圧、低電流とすることができ、電源回路を簡略に、低コストにすることができる。

第２の発明は、特に第１の発明の電極間接続を、酸素イオン導電性基板に形成されたスルーホールを介して接続する構成とした。この構成により、外部リードが不要となり、基板内だけで処理できるため、コンパクトに構成することができる。

第３の発明は、特に第１の発明の加熱ヒーターをセラミックヒーターを用いる構成とした。この構成により、ヒーター線が酸素イオン導電性基板に接触するなどの不具合が無くなり、信頼性の高い酸素ポンプを提供できる。

第４の発明は、特に第１の発明の複数対の電極の各々に概ね等しい電圧が印加される構成とした。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に大電流がながれなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することがなくなり、信頼性が向上する。

第５の発明は、特に第１の発明の複数対の電極の各々に概ね等しい電流が流れる構成とした。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に大電流が流れるようなことがなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することがなく、信頼性が向上する。

第６の発明は、特に第１の発明における複数対の電極の各々の面積比を、イオン電流密度に反比例するように構成した。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布があっても、各電極に流れる電流がほぼ一定となり、局所的に電流が集中することがなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することもなくなり、信頼性が向上する。

第７の発明は、特に第１〜６の発明におけるイオン導電性基板を円形に構成するともに、各電極対の面積比を、イオン電流密度に反比例する構成とした。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布があっても、各電極に流れる電流がほぼ一定となり、局所的に電流が集中することがなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することもなくなり、信頼性が向上する。

第８の発明は、特に第１〜７の発明における各電極対をポーラスな構成とした。この構成により、酸素イオンが多く流れても電極が破損することが無くなり、信頼性が向上する。

第９の発明は、特に第８の発明におけるポーラスな電極を、有機微粒子を含むペースト材料で形成する構成とした。これにより、簡単にポーラスな電極を構成することができる。

第１０の発明は、特に第８の発明における電極材料を、サマリウム・ストロンチウム・コバルトを含むペーストで構成した。この構成により、酸素分子を効率よくイオン化することができ、高効率な酸素ポンプを提供できる。

第１１の発明は、特に第１〜６の発明の支持部材を、シリカ、アルミナ、マイカの少なくとも一つを含む部材で構成した。この構成により、耐熱性に優れ、熱絶縁性に優れた酸素ポンプができ、高効率な酸素ポンプを提供できる。

第１２の発明は、特に第１〜９の発明の酸素イオン導電性基板を、ランタンガレートで構成した。この構成により、酸素イオン導電性に優れた酸素ポンプができ、高効率な酸素ポンプを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態における酸素ポンプ１１の平面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のＡーＡ’線における断面図を示す。１２は酸素イオン導電性基板を、１３、１４、１５、１６は酸素イオン導電性基板１２の上面に設けられた上部電極を、１７は酸素イオン導電性基板１２を保持する支持部材を、１８、１９は酸素イオン導電性基板１２の下面側に設けられた下部電極を、２０はヒーターを、それぞれ示す。２１は外部の直流電源を、２２は直流電源２１の＋端子と上電極１６とを接続するリード線を、２３は下電極１９と上電極１５とを接続するリード線を、２４は下電極１８と上電極１３とを接続するリード線とを、それぞれ示す。なお、図面が煩雑になるため図示していないが、上電極１３の下側に設けられた下電極と上電極１４と接続するリード線と、さらに、上電極１４の下側に設けられた下電極と直流電源２０のー端子とを接続するリード線２５とにより、それぞれの電極が直列接続される。

この構成において、ヒーター２０に通電し酸素イオン導電性基板１２を約５００〜６００℃の高温に加熱し、動作させる。この時、図１（ａ）に示した１３、１４、１５、１６の各電極は、上記したように、外部電源（図示せず）に直列接続されているため、それぞれの電極対において、上電極は下電極に対して＋電圧となる。従って、各電極対において、下側電極において空気中の酸素をイオン化し、酸素イオン導電性基板の注入し、上側電極において酸素おイオンから酸素分子へと変換するよう動作する。この場合、動作電流蜜度をＩｉ［Ａ／ｃｍ＾２］、動作電圧をＶｉ［Ｖ］とすると、４個の電極対からなる本発明の場合、動作電圧は、４＊Ｖｉ、動作電流はＩｉとなる。通常の場合、Ｉｉ＝５〜１０［Ａ］、Ｖｉ＝１〜２［Ｖ］であるので、動作電圧が４〜８［Ｖ］、動作電流が５〜１０［Ａ］となり、高電圧、低電流が実現でき、簡単な構成で、低価格の直流電源とすることができる。

なお、従来のような一対の電極構成であれば、動作電圧が１〜２［Ｖ］、動作電流が２０〜４０［Ａ］となり、低電圧、高電流となり、容易に実現することが困難となり、外部直流電源が高価格となる。このように本発明の効果は、酸素イオン導電性基板が大きくなればなるほど大いに発揮される。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における酸素ポンプの要部断面図を示す。２６は酸素イオン導電性基板１２に設けられたスルーホールを示し、２７はスルーホールに無機接着剤を用いて固定された金属の棒状端子を、２８は上電極１５と棒状端子２７と接続するリード線を、２９は下電極１９と棒状端子２７と接続するリード線を示す。

この構成により、リード線の引き回しが大幅に短縮された。また、リード線を酸素イオン導電性基板１２の下側から上側、あるいは上側から下側へと煩雑な引き回しもなくなり、作業性が大幅に向上した。更に、この場合にはワイヤーボンディングのように、上面は上面、下面は下面のように平面配線作業を採用することも可能となり、量産性に優れた構成とすることができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における酸素ポンプの要部断面図を示す。３０は酸素イオン導電性基板１２に近接して設けられた板状のセラミックヒーターを示し、３１、３２はヒーター通電のリード線を示す。この構成により、ヒーター３０を酸素イオン導電性基板２１に近接して設置することが可能となり、熱効率が非常に向上した。

即ち、図１に示したような線状のヒーターの場合には、通電し加熱しようとした場合、ヒーター線が温度上昇ととみ、熱膨張により撓むことがあったため、酸素イオン導電性基板に近接して設置できないことがあった。また近接して設置した場合には、ヒーター線が、温度上昇に伴って酸素イオン導電性基板と接触し、充分に昇温できないこともあった。また、接触し、充分な酸素ポンプとして性能を発揮できないこともあった。

なお、この構成にした場合には、通電直後の温度立上がり特性が大きく改善され、立上がり特性に優れた酸素ポンプを実現できる。図４にその結果を示す。図４は横軸に時間を、縦軸に酸素ポンプのイオン電流を示す。３３は本発明のセラミックヒーターを用い、セラミックヒーターを酸素イオン導電性基板に近接して設置した場合のイオン電流の立上がり特性を示す。３４は、従来のヒーター線による本発明と同電力での加熱結果を示す。近接することにより、立上がり特性が２０％程度改善された。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における酸素ポンプの要部断面図を示す。３６は電圧モニターを示し、リード線３７、３８を介して上電極１６および下電極１９に接続されている。他の各電極対にも同様の電圧モニターを設けた（図が煩雑になるため図示せず）。この構成により、各電極対に印加される電圧をモニターすることができ、酸素ポンプとしての動作時に、各電極対に概ね同じような電圧が印加されるようにした。

この構成により、異常な高電圧が印加されることが無くなり、信頼性が向上した。即ち、異常な高電圧が一部の電極対に印加されると、局所的に高温と成ったり、あるいは、局所的に異常に大きな酸素イオン電流が流れることになり、上下の電極が破損したり、あるいは酸素イオン導電性基板が破損したりして、信頼性が不十分であった。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における酸素ポンプの要部平面図を示す。３８は酸素イオン導電性基板を、３９は中央部の上電極を、４０は中間部の上電極を、４１は周辺部の上電極を示す。酸素イオン導電性基板３８の下面にはそれぞれの電極３９、４０、４１に対応した下電極を構成した。なお、４２には酸素イオン導電性基板３８を周辺部で支持する支持部材を示す。図７に、酸素イオン導電性基板３８を高温に保持したときの電圧電流特性を示す。同図は、横軸に印加電圧を、縦軸にイオン電流密度、即ち、単位面積あたりの電流値を示す。実線４３は中央部の電極３９での特性を、破線４４は中間部の電極４０での特性を、点線４５は周辺部の電極４１での特性をそれぞれ示す。このように電極の位置により、電圧電流特性が異なるのは酸素イオン導電性基板３８に温度分布が発生しているためと思われる。

即ち、中央部電極３９の部分の温度が最も高く、周辺にいくほど温度が低下してことを示している。従って、それぞれの電極対部分に同程度の電流を流すためには、電流密度の大きい中央部電極面積は小さく、周辺部の温度の低い、従って、電流密度の小さい周辺部電極面積を大きくなるようにすれば、それぞれの電極対部分を流れる電流を同一にすることができる。また、この場合には、それぞれに印加される電圧も、必然的に同一となる。

このように予め温度分布を想定して各部の電極面積を変えておくと、各部の電極を流れる電流が同一となり、また印加される電圧も同一となる。従って、酸素イオン導電性基板全体にわたって、同一の電圧値で動作することになり、局所的に大電流が流れたり、あるいは、局所的に高電圧が印加されたりすることがなくなる。このため、信頼性の高い酸素ポンプを構成することができる。

なお、各部の電極対での電流密度がわかっている場合には、各部の電極面積を電流密度に反比例するように設定すると、各部の電極対に印加される電圧は一定となり、また、各部の電極対を流れる電流も一定となる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６における酸素ポンプの要部平面図を示す。４６は円形の酸素イオン導電性基板を、４７、４８、４９はそれぞれ中央部の電極対の上電極、中間部の電極対の上電極を、周辺部の電極対の上電極をそれぞれ示す。この構成において、各部の電極対を直列接続とした。なお、５０は酸素イオン導電性基板４６を周辺部で支持する支持部材を示す。このように酸素イオン導電性基板、電極対、周辺支持部材を円対称に配置することにより、効率よく酸素ポンプを動作させることができる。

即ち、円対称に配置することにより、酸素イオン導電性基板を高温になるよう加熱した場合、周辺部で酸素イオン導電性基板を支持部材で支持しているため、中央部ほど温度が高く、周辺に向かって温度が低下することになる。従って、同図に示したようにイオン電流密度に反比例した電極面積にすることにより、各電極部分に同じ電圧が印加され、同じ電流が流れることになる。従って、酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に高温になったり、局所的にお題電流が流れたりすることがなくなる。このため、効率のよい、信頼性の高い酸素ポンプを実現できる。

（実施の形態７）
本発明の酸素ポンプの電極として、ポーラスな電極が適している。即ち、ポーラスな電極であれば、大電流が流れた場合、放熱効果が大きいため、局所的な高温部が発生しなくなる。また、酸素分子が容易に、電極膜の中まで浸透することができるので、酸素イオン化効率を大きくなる。スクリーン印刷による電極形成が適している。

即ち、印刷ペーストに焼成時に揮発してなくなる有機物成分で構成された微粒子を、予め混合しておく。印刷、焼成するとその部分が揮発・蒸発してなくなり、その跡が微小な気泡となり、ポーラスな電極膜を構成することができる。

より具体的には、アクリス樹脂からなる粒径数ミクロン以下の微粒子を、印刷ペーストに混入して用いた。なお、印刷ペーストはサマリム・ストロンチウム・コバルトを用いた。電極膜の厚さは数ミクロン以上であれば十分機能することがわかった。

また、酸素イオン導電性基板には、ジルコニアやセリア等の金属酸化物が用いられるが、ランタンガレートが特に適している。その中でも、ランタンーストロンチウムーガリウムーマグネシウムを組成に持つペロブスカイト型酸化物が特に、酸素イオン導電性に優れているので、最も適している。また酸素イオン導電性基板は周辺部を支持部材で支持したが、支持部材には、電気絶縁性であり、熱絶縁性の材質が適切であるが、高温で使用するため、ガラス等のシリカ板、アルミナ板やマイカ板が適している。

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは高電圧、低電流での動作が可能となり、電源回路を簡単に構成することができ、低コストが可能となり、酸素供給機器や脱酸素機器などへの用途にも適用できる。

（ａ）は本発明の実施の形態１における酸素ポンプの平面図（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図 本発明の実施の形態２における酸素ポンプの要部断面図 本発明の実施の形態３における酸素ポンプの要部断面図 本発明の実施の形態３における酸素ポンプの特性図 本発明の実施の形態４における酸素ポンプの要部断面図 本発明の実施の形態５における酸素ポンプの要部平面図 本発明の実施の形態５における酸素ポンプの特性図 本発明の実施の形態６における酸素ポンプの要部平面図 従来の酸素ポンプの断面図

符号の説明

１２ 酸素イオン導電性基板
１３、１４、１５、１６ 上電極
１７ 支持部材
１８、１９ 下電極
２０ ヒーター
２１ 外部電源
２６ スルーホール
３０ セラミックヒーター
３５ 電圧モニター

Claims (12)

1. 上面と下面とに複数対の電極を設けた酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板を支持する支持部材と、前記酸素イオン導電性基板を加熱するヒーターとを備え、前記電極対を直列接続してなる酸素ポンプ。
2. 酸素イオン導電性基板に形成されたスルーホールを介して直列接続された請求項１に記載の酸素ポンプ。
3. 加熱ヒーターをセラミックヒーターとした請求項１に記載の酸素ポンプ。
4. 複数対の電極の各々に概ね等しい電圧が印加される請求項１に記載の酸素ポンプ。
5. 複数対の電極の各々に概ね等しい電流が流れる請求項１に記載の酸素ポンプ。
6. 複数対の電極の各々の面積比は、イオン電流密度に反比例するよう設定された請求項１に記載の酸素ポンプ。
7. 酸素イオン導電性基板を円板状とし、その周辺部を支持部材で支持するとともに、複数の電極対を同心円状に形成した請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
8. 複数対の電極をポーラスな構成とした請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
9. ポーラスな構成とした電極を、有機微粒子を含むペースト材料で形成した請求項８に記載の酸素ポンプ。
10. ペースト材料は、サマリウム・ストロンチウム・コバルトを含む請求項９に記載の酸素ポンプ。
11. 支持部材の材質が、シリカ、アルミナ、マイカの少なくとも一つを含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
12. 酸素イオン導電性基板がランタンガレートである請求項１〜１０のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。

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