JP2005307319A - 酸素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】電極膜とリード線である金属部材５との接合部６での断線を抑えること。
【解決手段】アノード電極膜２またはカソード電極膜３と面状に金属部材５を接合することによって、接合面６の面積を拡大させ、結合力を増加させる。そして、接合面６に孔７を設けることによって酸素ガスの圧力を抑えることによって、通電による熱歪を抑え、熱歪に起因した断線を防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させることにより、一方の空間から酸素を排気したり、一方の空間へ酸素を富化したりする酸素ポンプに関するものである。

従来、この種の酸素イオン導電性基板からなる酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板の表裏両面に形成された電極膜の一箇所から線状のリード線が引き出された構成をしていた（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプの断面を示すものである。図４に示すように、酸素イオン導電性基板１の両面に電極膜２、３が形成され、リード線４が一箇所から引き出されている。リード線４は外部電極に繋がっている。また、電極膜の一方は酸素の入口側であるカソード電極膜３であり、電極膜のもう一方は酸素の出口側であるアノード電極２である。ここでアノード電極膜２とカソード電極膜３は同一の面積である。そしてリード線４は、直径数１００μｍの金属線であった。
国際公開第９６／２８５８９号パンフレット

しかしながら、前記従来の構成では、リード線と電極膜の接合面が小さく、界面抵抗が大きいため、リード線に高電流を流したときに接合部が発熱し、熱歪によって接合部が電極膜から剥離してしまうという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極膜とリード部材との接合強度を向上させた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、リード線として面状の金属部材を用い、電極膜に面状に接合させるとともに、接合面に孔を設けたものである。

これによって、酸素の発生量の低下を抑えつつ、接合面積を大きく確保することができるため、接合部の密着力を増加させることができる。

本発明の構成の酸素ポンプによれば、リード線としての金属部材と電極膜との密着力が増加するため、機械的強度や熱応力に対する強度を向上させることができる。

第１の発明は、アノード電極膜とカソード電極膜が表裏両面にそれぞれ形成された酸素イオン導電性基板と、金属ペーストの焼結体によって前記両電極膜に面状に接合された金属部材とを備え、前記金属部材の接合面の少なくとも一方に孔を設けたことを特徴とするものである。孔を開けることによって、酸素発生量の低下を抑えつつ、接合面の面積を増加させることによって、金属部材と電極膜との密着力を向上させることができるため、通電による熱歪等の応力による剥離を抑えることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の接合面が、少なくとも一方の電極膜の全面に形成されたものである。接合面の面積を増加させることによって、金属部材と電極膜との密着力を向上させることができる。したがって、酸素ポンプの加熱及び通電によって生じる熱歪に起因する剥離を抑えることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明のアノード電極膜の接合面の面積が、カソード電極膜の接合面の面積より大きいことを特徴とするものである。本発明の酸素ポンプの性能は、カソード電極膜に反応律速があるため、アノード電極膜の面積は、カソード電極膜の面積より小さくても性能の低下が見られない。したがって、アノード電極膜の接合面の面積をより大きくすることができるため、金属部材との密着力を向上させることができ、剥離を抑えることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３の接合面の孔が、スリット状に開けられたものである。金属部材の接着幅が同じであれば、孔を開けるより、スリット状の切れ目を入れた方が、接合面の面積は大きくなる。したがって、密着力を向上させることができ、剥離を抑えることができる。

第５の発明は、特に、第１〜３の接合面の孔が、格子状に開けられたものである。これにより、接合面で発生する酸素のガス抜きをすることができるため、密着力の低下を防止することができ、金属部材の剥離を抑えることができる。

第６の発明は、特に、第１〜３の金属部材が箔形状であり、材質が鉄とクロムとアルミニウムの合金である。本発明の金属部材は、高温における耐酸化性が高いため、接着面での酸化を抑えることができる。したがって、接合部位の密着性の減少を抑えることができ、金属部材の剥離を抑えることができる。

第７の発明は、特に、金属ペーストの主成分が電極膜の主成分と同じ金属である。同じ金属を主成分とすることで、異種金属間に発生する界面抵抗を減少させることができ、発熱を抑えることができる。したがって、発熱による熱歪を抑えることができるため、金属部材の剥離を抑えることができる。

第８の発明は、特に、金属部材の少なくとも一方の面に金属ペーストの焼結体を面状に形成させたものである。これによって、金属部材の抵抗が下がり、通電による発熱を抑えることができる。したがって、発熱に起因した熱歪を抑えることができるため、金属部材の剥離を抑えることができる。

第９の発明は、特に、金属ペーストの主成分が、金または銀またはパラジウムのうち少なくとも一つを含むものとする。これらの金属の焼成体は高い導電性を有しているだけでなく、高温雰囲気中で安定であるため、酸化による抵抗の上昇を抑えることができる。したがって、抵抗によって発生する発熱を抑えることができ、熱歪を減少させることができるため、金属部材の剥離を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

図１において、アノード電極膜２とカソード電極膜３のそれぞれと金属部材５とが面上で接合されており、幅３ｍｍの接合面６にカギ状の孔７が空けられた構成になっている。

酸素イオン導電性基板１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好ましい。その中でも、ランタン−ストロンチウム−ガリウム−マグネシウム（ＬＳＧＭＯ）を組成に持つペロブスカイト型酸化物は輸率が高いため、最も有用である。本実施の形態では、一辺３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの四角形のＬＳＧＭＯを用いた。

アノード電極膜２とカソード電極膜３はそれぞれ２層構造（図示せず）で、下層にサマリウム−ストロンチウム−コバルト（ＳＳＣＯ）の金属酸化物、上層に金を使用した。ただし、本発明の実施の形態としては、電極膜を１層構造にしてもよく、また電極材料として、銀や白金、金とパラジウムの合金、銀とパラジウムの合金を使用してもよい。これらの電極膜は、スクリーン印刷や電着、蒸着、スパッタリングによって形成するが、スクリーン印刷がコスト面で優れている。本実施の形態での電極膜は、スクリーン印刷によってＳＳＣＯの厚み１０〜２０μｍ、金の厚み５〜１０μｍ、それぞれの大きさは一辺２６ｍｍの四角形となっている。

そして、リード線としての金属部材５が、それぞれの電極膜の周縁に接続されている。金属部材５は、導電性かつ耐熱性の部材であればよく、ステンレス等が使用できる。ただし、本発明の実施の形態として使用する鉄クロム合金のステンレスにアルミニウムを添加した合金箔が最も好ましい。本実施の形態では、厚み１２μｍを使用したが、５〜２０μｍであれば良い。さらに、それぞれの金属部材５が上下に接して短絡しないように、それぞれの金属部材５の間に絶縁材（図示せず）を挟んでも良い。絶縁性の材質として、５００℃以上の高温状態で使用可能なシリカやアルミナ等のセラミックスやマイカ等の珪酸塩鉱物が良い。そして、金属部材５に接続されたリード線４によって外部の電源へ引き出されている。

また、電極膜と金属部材５を接合する部材として、金属ペーストを７５０℃以上で燒結させた焼結体６を使用する。焼結体６としては、導電性の高く、酸化の少ない金を用いた。

以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用を説明する。

まず、断熱材（図示せず）に挟まれた図１の酸素ポンプのユニットが、カソード電極膜側の断熱材に埋め込まれたヒータ（図示せず）によって６５０℃以上に加熱される。その後、金属部材５を介して電極膜、酸素イオン導電性基板１に電圧を印加すると、カソード電極膜３の酸素がイオン化する。そして電界によって酸素イオンが酸素イオン導電基板１の中を移動し、反対側のアノード電極膜２に到達する。その後、電子を放出して再び酸素分子になる。

本実施の形態では、印加電圧を１．０Ｖとした結果、初期電流は７．２Ａであった。酸素発生量は、推定で約２７ｃｃである。同電圧を１００時間連続して印加した後の電流低下は３％以内であった。一方、従来構成のように、アノード電極膜に直接リード線を接合した場合は、１００時間経過前に断線していた。また連続試験後、従来構成では、電極膜は劣化していたが、本実施例の構成では、劣化を目視で観察できなかった。

以上、本実施例により、アノード電極膜２とカソード電極膜３との接合面６を拡大することで、接着強度を増加させることができた。また、接合面に孔７を開けることで、酸素ガスの圧力による剥離を抑えることができた。

（実施の形態２）
図２（ａ）は本発明第２の実施の形態における酸素ポンプの平面図であり、図２（ｂ）は、それぞれ図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

実施の形態１と異なっている部分は、接合面６の孔がスリット構造である点と、アノード電極膜２の接合面６が、カソード電極膜３の接合面６より大きいことである。すなわち、カソード電極膜３の面積が、アノード電極膜２の面積より小さくなる。スリット８は、１辺に４本、角に１本の合計２０本で、１本の長さは約２ｍｍである。アノード電極膜２の面積に対するカソード電極膜３の面積は、約１．５倍である。

以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用を説明する。

まず、断熱材（図示せず）に挟まれた図１の酸素ポンプのユニットが、カソード電極膜側の断熱材に埋め込まれたヒータ（図示せず）によって６５０℃以上に加熱される。その後、金属部材５を介して電極膜、酸素イオン導電性基板１に電圧を印加すると、カソード電極膜３の酸素がイオン化する。そして電界によって酸素イオンが酸素イオン導電基板１の中を移動し、反対側のアノード電極膜２に到達する。その後、電子を放出して再び酸素分子になる。

本実施の形態では、印加電圧を１．０Ｖとした結果、初期電流は８．０Ａであった。酸素発生量は、推定で約３０ｃｃである。同電圧を１００時間連続して印加した後の電流低下は３％以内であった。一方、従来構成のように、アノード電極膜に直接リード線を接合した場合は、１００時間経過前に断線していた。また連続試験後、従来構成では、電極膜は劣化していたが、本実施例の構成では、劣化を目視で観察できなかった。

以上、本実施例により、アノード電極膜２とカソード電極膜３との接合面６を拡大することで、接着強度を増加させることができた。また、接合面にスリット８を開けることで、酸素ガスの圧力による剥離を抑えることができた。

（実施の形態３）
図３（ａ）は本発明第３の実施の形態における酸素ポンプの平面図であり、図３（ｂ）は、それぞれ図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

実施の形態１と異なっている部分は、接合面６がアノード電極膜２の全面に形成されている点と、その接合面６に１辺約３ｍｍの小孔９が複数個開いた状態である点と、アノード電極膜２の接合面６が、カソード電極膜３の接合面６より大きい点、さらに、金属部材５の面上に、金属ペーストの焼結体１０が形成されている点である。小孔９の大きさと形状、個数は、任意に決めることができる。ただし、開いている総面積は、カソード電極膜の面積の５０％以上でなければならない。本実施の形態では、アノード電極膜２の面積に対するカソード電極膜３の面積は、約１．５倍である。

以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用を説明する。

まず、断熱材（図示せず）に挟まれた図１の酸素ポンプのユニットが、カソード電極膜側の断熱材に埋め込まれたヒータ（図示せず）によって６５０℃以上に加熱される。その後、金属部材５を介して電極膜、酸素イオン導電性基板１に電圧を印加すると、カソード電極膜３の酸素がイオン化する。そして電界によって酸素イオンが酸素イオン導電基板１の中を移動し、反対側のアノード電極膜２に到達する。その後、電子を放出して再び酸素分子になる。

本実施の形態では、印加電圧を１．０Ｖとした結果、初期電流は８．０Ａであった。酸素発生量は、推定で約３０ｃｃである。同電圧を１００時間連続して印加した後の電流低下は２％以内であった。一方、従来構成のように、アノード電極膜に直接リード線を接合した場合は、１００時間経過前に断線していた。また連続試験後、従来構成では、電極膜は劣化していたが、本実施例の構成では、劣化を目視で観察できなかった。

以上、本実施例により、アノード電極膜２とカソード電極膜３との接合面６を拡大することで、接着強度を増加させることができた。また、アノード電極膜２の接合面に小孔９を開けることで、酸素ガスの圧力による剥離を抑えることができた。さらに、金属部材５に導電性の金属ペーストの焼結体を形成させることで、安定した通電が可能となり、長期間でも劣化の少ない酸素ポンプを実現できた。

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、長期間安定した酸素を発生させることができるため、家庭用の電化製品として利用できる。このような電化製品として、例えば酸素富化器や酸素吸引器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品があげられる。

（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（ａ）におけるＡ−Ａ断面図 （ａ）は本発明の実施の形態２における酸素ポンプの平面図（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図 （ａ）は本発明の実施の形態２における酸素ポンプの平面図（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図 従来例における酸素ポンプの断面図

符号の説明

１ 酸素イオン導電性基板
２ アノード電極膜
３ カソード電極膜
５ 金属部材
６ 接合面
７ 孔
８ スリット
９ 小孔
１０ 焼成体

Claims (9)

1. アノード電極膜とカソード電極膜が表裏両面にそれぞれ形成された酸素イオン導電性基板と、金属ペーストの焼結体によって前記両電極膜に面状に接合された金属部材とを備え、前記金属部材の接合面の少なくとも一方に孔を設けたことを特徴とする酸素ポンプ。
2. 少なくとも一方の電極膜の全面を接合面としたことを特徴とする請求項１に記載の酸素ポンプ。
3. アノード電極膜の接合面の面積が、カソード電極膜の接合面の面積より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の酸素ポンプ。
4. 接合面にスリット状の孔を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
5. 接合面に格子状の小孔を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
6. 金属部材が箔形状であり、かつ、材質が鉄とクロムとアルミニウムの合金である請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
7. 金属ペーストの主成分が電極膜の主成分と同じ金属である請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
8. 金属部材の少なくとも一方の面に金属ペーストの焼結体を面状に形成させた請求項１〜７いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
9. 金属ペーストの主成分が、金または銀またはパラジウムのうち少なくとも一つを含む請求項１〜８いずれか１項に記載の酸素ポンプ。

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