JP2007119285A - 酸素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱回収しながら負電極側に空気強制給して豊富な酸素を得ることを目的とするものである
【解決手段】少なくとも固体電解質２の表面に正電極膜と負電極膜が形成され、前記固体電解質２が接合された金属箔部材１０に対して、上方部に位置する正電極膜側に通気性を有する絶縁材を介して加熱用ヒータ２５が配置され、下方部に位置する負電極膜側に熱交換機能を有する送風回路１８が配設され、前記送風回路１８を使用して負電極膜側に強制的に空気を供給するようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた酸素供給装置に関するものである。

従来、この種の酸素供給装置において、その酸素ポンプ素子は通気機能を有する断熱材に囲まれた構成を採用していた（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、図７において、固体電解質１０１の表裏に正電極膜１０２と負電極膜１０３を形成した酸素ポンプ素子１０４は、区画手段１０５上に配置されるとともに、加熱手段１０６で間接的に加熱されるようにしてある。

そして、それらは通気機能を有する断熱材１０７によって囲まれており、さらに、自然対流によって負電極膜１０３側に酸素ポンプに必要な空気が供給される構造となっている。
特開２００３−２１５０９４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、負電極膜１０３側に自然対流によって空気が供給される構造となっているため、酸素ポンプの能力が大きくなった場合には空気の供給が追いつかず、固体電解質１０１での酸素イオン伝導が限界に達してしまう。

それを防止するために、断熱材１０７の厚みを薄くした場合には、大きな放熱ロスを生じて消費電力が膨大になってしまう。

前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素供給装置は、少なくとも固体電解質の表面に正電極膜と負電極膜が形成され、前記固体電解質が接合された金属箔部材に対して、上方部に位置する正電極膜側に通気性を有する絶縁材を介して加熱用ヒータが配置され、下方部に位置する負電極膜側に熱交換機能を有する送風回路が配設され、前記送風回路を使用して負電極膜側には強制的に空気が供給される構造としたものである。

これによって、負電極膜側には強制的に空気が供給される構造を有しているため、固体電解質の酸素ポンプ能力を大きくしても、酸素ガス不足になることはない。送風回路には熱交換機能が備わっているため、高温を有した窒素リッチな空気は新鮮な空気と熱交換されながら負電極膜側に供給されることになる。その結果熱損失を小さく抑えることで、酸素供給装置の消費電力も小さくすることが可能となる。固体電解質を酸素イオン伝導可能な状態にするために必要な加熱用ヒータは正電極膜側に通気性を有する絶縁材を介して配置することで、被加熱物と極力近接させた構造を保つことができる。正電極膜側に配置する絶縁材は電極膜表面で生じた酸素ガスが通気できるだけの通気構造を有していればよい。

本発明の酸素供給装置は、酸素ポンプ能力を大きくしても、供給空気に制限を受けることなく、熱回収しながら負電極側に必要な空気が供給されるため、消費電力も小さく抑えることができる。

第1の発明は、酸素供給装置に対して、少なくとも固体電解質の表面に正電極膜と負電極膜が形成され、前記固体電解質が接合された金属箔部材に対して、上方部に位置する正電極膜側に通気性を有する絶縁材を介してヒータが配置され、下方部に位置する負電極膜側に熱交換機能を有する送風回路が配設され、前記送風回路を使用して負電極膜側には強制的に空気が供給される構造を有することにより、固体電解質の酸素ポンプ能力を大きくしても、酸素ガス不足になることはない。送風回路には熱交換機能が備わっているため、高温を有した窒素リッチな空気は新鮮な空気と熱交換されながら負電極膜側に供給されることになる。その結果熱損失を小さく抑えることで、酸素供給装置の消費電力も小さくすることが可能となる。固体電解質を酸素イオン伝導可能な状態にするために必要な加熱用ヒータを、制約を受けにくい正電極膜側に通気性を有する絶縁材を介して配置することで、被加熱物と極力近接させた構造を保つことができる。

第２の発明は、酸素供給装置に対して、少なくとも固体電解質の表面に正電極膜と負電極膜が形成され、前記固体電解質が接合された金属箔部材に対して、上方部に位置する正電極膜側に通気性を有する絶縁材を介してヒータが配置され、下方部に位置する負電極膜側に熱交換機能を有する送風回路が配設され、負電極膜側には前記送風回路を使用して強制的空気が供給される構造を有するブロック構造体が複数個積み重なるように配置されることにより、固体電解質の酸素ポンプ能力を大きくしても、酸素ガス不足になることはない。送風回路には熱交換機能が備わっているため、高温を有した窒素リッチな空気は新鮮な空気と熱交換されながら負電極膜側に供給されることになる。その結果熱損失を小さく抑え、酸素供給装置の消費電力も小さくすることが可能となる。固体電解質を酸素イオン伝導可能な状態にするために必要なヒータを、制約を受けにくい正電極膜側に通気性を有する絶縁材を介して配置することで、被加熱物と極力近接させた構造を保つことができる。さらにブロック構造体を縦方向に積み重ねることで、外部への放熱ロスを抑えた大流量な酸素供給装置の提供が可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の熱交換機能を有する送風回路に対して、平板を積層して構成されることにより、流路の圧力損失も小さく、簡単な構成で必要な熱回収を達成することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の熱交換機能を有する送風回路に対して、複数の流路が対交流となるように構成されることにより、コンパクトな構成で熱回収効率を向上させることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか一つの発明の金属箔部材に対して、複数の開口部を備え、前記開口部に絶縁膜を有して固体電解質が前記金属箔部材と絶縁構造でガスシールされながら複数配置され、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜が形成され、前記正電極膜または前記負電極膜のいずれか一方は前記固体電解質の縁面部に導電膜を設けることで導電部を他方側に導くことで、電圧を印加する側を同一方向とし、複数の固体電解質は前記正電極膜および前記負電極膜が電気的に直列回路となるように構成されることにより、固体電解質に印加される電圧を積み上げることができ、酸素ポンプ素子を高電圧小電流化して汎用的な電源で動作させることが可能となる。複数の固体電解質を同一方向から結線できるため製造プロセスが簡素化できる。また固体電解質は金属箔部材上に配置されているので、熱衝撃、熱歪に対しても十分な柔軟性を有している。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか一つの発明の固体電解質に対して、一枚の固体電解質はワイヤーボンディング方法で複数本が電気的に直列回路となるように結線されることにより、流れる電流が固体電解質上の一箇所に集中することなく、分散できるとともに、複数の固体電解質を自動化して結線できるため、製造プロセスが大幅に簡素化さ
れる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか一つの発明の金属箔部材に対して、一枚の金属箔部材で複数の固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成されることにより、複数の固体電解質を介して両側に位置する空間部は一枚の金属箔部材によって区分されるので十分なガスシール性を保持させることができる。

第８の発明は、特に、第３〜第７のいずれか一つの発明のガラスセラミック膜に対して、主体がＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系、ＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系あるいはＳｉＯ２―Ａｌ２Ｏ３―ＣａＯ−ＢａＯ系でアルカリ土類金属の酸化物を１５〜２５ｗｔ％含有し、アルカリ金属の酸化物を２ｗｔ％以下含有する結晶化ガラスとすることにより、高い耐熱性を有しながら、固体電解質基板と熱膨張係数を整合化させることができるので熱歪を生じることなく、固体電解質基板と金属箔部材との間に必要な絶縁性を保持させることができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか一つの発明の正電極膜と負電極膜に対して、固体電解質に直接接合する第一電極膜と、前記第一電極膜上に形成された第二電極膜とで構成され、固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜を第一電極膜とし、貴金属成分を主体とする膜を第二電極膜として前記第一電極膜上に配設した構成とすることにより、第二電極膜は導電性の高い材料で構成されるので、ある程度の面積を有する電極部に対して等しい電位を印加することができた。また第一電極膜は固体電解質と第二電極膜の中間層として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分子から酸素イオンへと変化するための良好な触媒作用を得ることができる。

第１０の発明は、特に、第１〜第９の固体電解質に対して、ランタンガレートを使用することにより、ランタンガレートはランタンとガリウムを主成分としたペロブスカイト型複合金属酸化物であり、４００℃以上で酸素イオン伝導性を有す。したがって酸素ポンプ素子の動作温度を６００℃程度の比較的低温に保持することで十分な能力を得ることができるため、長期的にも酸素ポンプ素子の劣化を抑制できる。

第１１の発明は、特に、第９または第１０のいずれか一つの発明の第一電極膜の複合金属酸化物として、ペロブスカイト型構造を使用することにより、固体電解質と第二電極膜の中間層として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としての酸素イオン伝導性を向上させることができる。

第１２の発明は、特に、第１〜第１１のいずれか一つの発明の金属箔部材として、アルミニウムを含有したフェライト系ステンレスを使用することにより、高温酸化に対して優れた特性を有するようになり、８００℃付近で長期使用に対して安定した特性を維持できる。

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１〜３において、酸素ポンプ素子１は、固体電解質２とその表裏に設けた正電極膜３、および負電極膜４とから構成されている。

前記固体電解質２は置換型のランタンガレート（Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.2Ｏ_３）の焼結体を任意の厚さの平板状に成型したものであり、寸法１５×１５．５ｍｍ、厚み８０μｍに設定してある。

正，負電極膜３，４は酸素イオン伝導性を発現するもので、導電性を有するペロブスカイト型複合酸化物を用いた。具体的には、Ｓｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃を有機溶剤であるセルロース系ビヒクルと混合したペーストを、スクリーン印刷により印刷膜、寸法１２×１２ｍｍを形成し、乾燥後、１１００℃にて焼成することにより膜厚約１５μｍの多孔性を有した電極膜を形成した。

さらに、正電極膜３と負電極膜４の表面上には、多孔性の正第２電極膜５、負第２電極膜６が積層してある。

これら正第２電極膜５、負第２電極膜６は、Ａｕペーストを使い、スクリーン印刷により印刷膜、寸法１２．２×１２．２ｍｍを形成し、乾燥後、９３０℃にて焼成することにより膜厚約３μｍの電極膜を形成した。

前記正第２電極膜５、負第２電極膜６は、正電極膜３と負電極膜４間に電圧を印加した時の電位に対して固体電解質２の面分布ムラを改善するためのものである。

前記負第２電極膜６の周囲には第１の導電膜７を形成した。この第１導電膜７は、例えば、ＡｕにＢａＯ-ＣａＯ-Ａｌ２Ｏ３-ＳｉＯ２系のガラスセラミック粒子が７ｗｔ％含有されるＡｕペーストを使用し、スクリーン印刷により内寸法１２×１２ｍｍ、外寸法１５×１５．５ｍｍの導電膜を形成した。

また、正第２電極膜５側に１．５ｍｍの間隔を設けて第２導電膜８を形成した。この第２の導電膜８も前記第１の導電膜７と同様、ガラスセラミック粒子含有のＡｕペーストを使用し、スクリーン印刷により幅０．５ｍｍ、長さ１５ｍｍを導電膜を形成した。

さらに、第１，第２導電膜７，８が導通構造となるように固体電解質２の端面部に第３導電膜９を形成した。

この第３導導電膜９も先の第１の導電膜７と同様、ガラスセラミック粒子含有のＡｕペーストを使用し、ポッティング印刷によって形成した。第１，２，３導電膜７，８，９は、乾燥後、９２０℃にて焼成することにより形成した。この結果、負第２電極膜６は、第１，３導電膜を介して第２導電膜８と導通している。

図４は、固体電解質２が４９個使用された酸素ポンプ素子１を示し、個々の固体電解質２はそれらの負電極膜４側が１枚の金属箔部材１０と連結されている。前記金属箔部材１０としては、Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ、１２μｍを使用した。

金属箔部材１０には、固体電解質２の負第２電極膜４面が露出するように、１２×１２ｍｍの４９個の開口部が設けられている。固体電解質２の外周部負電極側は絶縁膜１１でガスシールできるように金属箔部材１０と接合されている。

前記したように、固体電解質２の寸法１５×１５．５ｍｍに対して金属箔部材１０に設けられた開口部は１２×１２ｍｍなので絶縁膜１１による接合部は固体電解質２の周囲に対してほぼ１．５ｍｍ幅となる。

絶縁膜１１としては、ＢａＯ-ＣａＯ-Ａｌ２Ｏ３-ＳｉＯ２系のガラスセラミックペーストをスクリーン印刷により形成し、８８０℃にて焼成することにより膜厚約２０μｍのものを形成した。その後、さらに同様なガラスセラミックペーストをスクリーン印刷により形成し、個々の固体電解質２に５０ｇの荷重を加えながら乾燥後、８５０℃にて焼成す
ることにより、固体電解質２を金属箔部材１０に接合させた。

隣接する固体電解質２の正第２電極膜６と第２導電膜８とが結線されることで電気的に直列回路となっている。結線はφ０．０３ｍｍの金線１２を３０本、ピッチ３００μｍでボールボンディングすることによって行った。

図４において、個々の固体電解質２には直列回路に結線した序列を番号付けしている。４９個の固体電解質２に対して最終的には１番目の固体電解質２の正第２電極膜６と結線されたリード部１３と、４９番の固体電解質２の負第２電極膜６と電気的に導通するリード部１４から酸素ポンプ素子１全体に電圧を印加する構成となる。

リード部１３，１４も固体電解質１の一箇所に電流が集中するのを抑制するために３箇所からのφ０．１０ｍｍの金線リードを導出し、撚り線にした構成とした。

本実施の形態では、固体電解質２と金属箔部材１０との絶縁構造を維持させるためにガラスセラミック膜で接合させている。固体電解質２と金属箔部材１０との絶縁構造を維持させる方法として、金属箔部材１０上にガラスセラミック膜で絶縁層を形成した後、導電体で接合する方法もある。しかし、その場合には導電体の印刷時あるいは焼成時にガラスセラミック膜のミクロな細孔部に導電体が進入して絶縁性が低下するというリスクを回避できない。したがって製造プロセス的には導電体を焼成して形成した後に絶縁層を形成した方が、信頼性の高い絶縁構造を保持させることができた。

図５は上記酸素ポンプ素子１を使用した酸素供給装置を示すものである。
４９個の固体電解質２に対して空間区画手段となる一枚の金属箔部材１０の周囲は、周囲幅１５ｍｍが断熱材１５内部に挿入された構造となり、断熱材１５で上下からサンドイッチされて固定されている。断熱材１５は酸素ポンプ素子１が収納される外郭構造を構成している。

ここでは、シリカとアルミナを主成分とする平板状に成型された断熱部材を用いた。断熱材１５としては断熱性が最も重要であり、通気性は要求されない。リード部１３，１４には、導線を介して電圧印加手段１６が接続されており、また、この電圧印加手段１６には、電圧制御手段１７が接続されている。

下方部に位置する負電極膜側には、熱交換機能を有する蛇行状の送風回路１８が配設されている。具体的にはス、テンレス平板１９を４層に組み合わせた構造となっており、Ｆｅ-２０Ｃｒ-５Ａｌ、１００μｍを流路間隔２ｍｍで設計した。

給気口２０を経て送風回路１８の第３層から給気され、第２層へと給気流路が折り返され、さらに第１層へと給気流路が折り返されることで、固体電解質２の負電極側に達する。その後、窒素リッチとなった排気が第４層へと下って流路が折り返され、最終的に排気口２１より排気される。

この平板流路を給気および排気が折り返し進むことで効果的に熱交換される構成となる。給気口２０には給気用の送風ポンプ２２が配置されている。送風回路１８の外郭には断熱材１５が配設されている。

上方部に位置する正電極膜側には、表面上に通気性を有する絶縁材として厚み１ｍｍのセラミックペーパー２３が配置され、加熱手段２４を構成するヒータ２５がセラミックペーパー２３と接しながら配置されている。前記ヒータ２５としては、Ｆｅ-２０Ｃｒ-５Ａｌからなるリボンヒータが使用されている。

ヒータ２５の上には正電極側から発生した酸素ガスが通気して外部へと排出されるための断熱材２６が配置されている。

断熱材２６と外郭構造となる断熱材１５との間には空間部２７が配設されており、発生した酸素ガスの淀み空間となる。

断熱材１５には酸素ガス排出口２８が配設されている。

固体電解質の温度を検知する手段２９を有する温度制御手段３０が加熱手段２４に信号を送っている。固体電解質の温度を検知する手段２９は、温度センサーあるいは他の方法であってもよい。温度センサーの場合、固体電解質２の近傍に配置させるか、あるいは、任意の個所に配置してよい。温度制御手段３０は固体電解質２の温度と連係してヒータ２５への入力制御を行う。

酸素ポンプ素子１が収納されている容器３１から酸素ガス排出口３２を介してガスの混合手段３３が連結されている。この混合手段３３は、ガス誘導管３４と、被混合ガス導入管３５と、ガス混合器３６と、ガスポンプ３７によって構成されている。

以上のように構成された酸素供給装置について、以下その動作、作用を説明する。

温度制御手段３０を介してヒータ２５に通電すると、固体電解質２の温度が上昇する。温度制御手段３０は固体電解質２が無理なく動作するのに必要な温度、すなわち、約６００℃となるようにヒータ２５への電流を制御する。但し、この温度が限定を受けるものではなく、固体電解質２の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。ここではヒータ２５に２５０Ｗを入力して酸素ポンプ素子１の起動を行った。

その結果、約６０ｓｅｃで６００℃とすることができた。その後は酸素供給装置全体への熱拡散も考慮しながら、温度制御手段３０での制御を行う。

固体電解質２のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正第２電極膜５と負第２電極膜６を介して個々の固体電解質２に電圧を印加すると、負電極膜４側の表面近傍の酸素が電気化学反応によって、この負電極膜４から固体電解質２の内部を酸素イオンとして正電極膜３へと移動し、その表面から酸素分子として放出される。

４９個の固体電解質２からなる酸素ポンプ素子１に２４Ｖを印加することによって４．０Ａの電流が流れる。その結果、酸素イオン伝導によって酸素ポンプ素子１の正極側から約７００ｍｌ／ｍｉｎの酸素ガスを得ることが可能となる。

この時、送風ポンプ２２も起動させることで所定量の外気が給気口２０を経て送風回路１８へ導かれ、熱交換されながら固体電解質２の負電極膜側へと給気される。ここでは４３００ｍｌ／ｍｉｎの空気を供給した。

酸素ポンプ素子１が動作していると固体電解質２の負極側から正極側へと酸素が引き抜かれ、負極側が窒素リッチ状態に陥る。これを抑制するために窒素リッチ状態の空気は送風回路１８を経て最終的に排気口２１から外部へと排出される。

その後、ヒータ２５への入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子１の電流値４．０Ａを維持させるように、印加する電圧を徐々に上昇させた。最終的には酸素ポンプ素子１への印加電圧を３６Ｖとして、ヒータ２５への入力をゼロにすることができた
。すなわち、酸素イオン伝導によって生じた３６Ｖ、４．０Ａの１４４Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質２を定常的に動作可能とさせることができた。

ここで、金属箔部材１０が１枚で構成されているため、固体電解質２を動作させる高温雰囲気でも絶縁膜１１は少なくとも３６Ｖの１／２以上の絶縁破壊電圧を有することが要求される。そのため、本実施の形態では、絶縁膜１６として約６０Ｖ以上の絶縁破壊電圧を有するように設計した。

この時、金属箔部材１０も６００℃の雰囲気温度に加えて高温状態に曝されることになる。金属箔部材１０として、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレスを使用することで優れた耐酸化性を得ることができる。

正電極膜３側の表面近傍は発生した酸素ガスによって純酸素に近い状態となり、通気性を有する断熱材２８を通過することになる。したがって、断熱材１５の内部に挿入された状態で、空間を区画する手段となる金属箔部材１０が負電極膜９側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。

また、固体電解質２と金属箔部材１０とをガスシールする絶縁膜１１も負電極膜側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。

正電極膜側から放出される酸素ガスは、断熱材２６を通過した後、空間部２７で淀んだ状態を維持しながら酸素ガス排出口２８、酸素ガス排出口３２を通り、ガス混合手段３３を構成するガス誘導管３４と、被混合ガス導入管３５と、ガス混合器３６とによって被混合ガスと混合される。

本実施の形態では、被混合ガスは大気である。生成される混合ガスは酸素富化ガスであり、その流量は、ガスポンプ３７の吸引と排出速度によって決められる。

また、混合ガス中の酸素濃度は、混合ガス流量と、固体電解質を流れる酸素イオン量、すなわち、イオン電流の大きさによって決められる。電圧制御手段３０による電圧制御とガスポンプ３７による混合ガス流量の制御によって任意の酸素濃度ガスを安定的に得ることができる。

本実施の形態における酸素供給装置によって得られる混合ガス中の酸素濃度は３６Ｖで動作時、酸素濃度９５％、０．７Ｌ／ｍｉｎ〜酸素濃度３０％、５Ｌ／ｍｉｎを供給することが可能であった。

（実施の形態２）
図６に示す実施の形態２の構成は、実施の形態１と同様な酸素ポンプ素子１を４段積み重ねるように配置したものである。実施の形態１と同一作用を行う構成については同一符号を付し、説明はこの実施の形態１のものを援用する。

すなわち、酸素ポンプ素子１となる金属箔部材１０に接合された固体電解質２と負電極側に位置する熱交換機能を有する送風回路１８と正電極側に位置するヒータ２５、通気性を有する断熱材２６が最小単位となるブロック構造体を４段積み重ねるように配置している。

各々の送風回路１８には送風ポンプ２２から導入管３８から分岐された分岐管３９，４０，４１，４２を介して必要な空気が給気される構造となっている。また各々酸素ポンプ
素子１から発生した酸素ガスも排出管４３，４４，４５，４６から統合管４７に至り、その後、ガス混合手段３３に導いている。

各々の酸素ポンプ素子１には導線を介して電圧印加手段４７が接続されており、この電圧印加手段４７には電圧制御手段４８が接続されている。

図６には示していないが、各々のヒータ２５には加熱手段によって、固体電解質の温度を検知しながら温度制御手段が制御する構成となっている。ブロック構造体に対してヒータは並列回路で構成した。また酸素ポンプ素子１は２個直列を並列回路とする構成とした。

その結果、起動時にはヒータ２５に合計７００Ｗを入力して酸素イオン伝導可能な温度とした後、合計１９６個の固体電解質からなる酸素ポンプ素子に対して、４９個の固体電解質からなる酸素ポンプ素子には２４Ｖを印加することによって４．０Ａの電流が流れ、酸素イオン伝導によって酸素ポンプ素子の正極側から約２、７Ｌ／ｍｉｎの酸素ガスを得ることが可能となった。

この時、送風ポンプ２２も起動させることで、所定量の外気が送風回路１８へと導かれ、熱交換されながら、固体電解質の負電極膜側へと給気される。ここでは１６Ｌ／ｍｉｎの空気を供給した。

その後、ヒータ２５への入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持させるように、印加する電圧を徐々に上昇させた。最終的には酸素供給装置の酸素ポンプ素子への電源部として印加電圧７０Ｖ、電流値８Ａとして、ヒータ２５への入力をゼロにすることができた。

すなわち、酸素イオン伝導によって生じた５６０Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。

実施の形態では熱交換機能を有する送風回路としてステンレス平板を４層にしたものを使用したがこれに限定されるものではない。しかし、送風回路をあまり複雑にすると送風時の圧力損失増大となるため、６層程度に止めるのが好ましいと考える。送風の構成としては対交流となるようにするもが最も効率的である。

また、実施の形態ではワイヤーボンディングとして、φ０．０３ｍｍの金線を３０本、ピッチ３００μｍでボールボンディングすることによって行った。これによって電流４Ａは９ｍｍ幅に拡散分布しながら供給されることになる。その結果１箇所に集中する場合よりも大幅に固体電解質がクラックに至ることを防止できた。

また、実施の形態では固体電解質の正電極膜側にヒータと接しながら配置する絶縁材としてセラミックペーパー、１ｍｍを使用したがこれに限定されるものではない。電極膜表面で発生した酸素を無理なく通気できるとともに、絶縁状態を保ちながらヒータの熱を固体電解質側に伝達できるものであれば良い。

また、実施の形態では、固体電解質としてランタンガレートを使用したがこれに限定させるものではなく、イットリウムドープ型のジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムト゛ープ型のセリア（ＳＤＣ）などであっても良い。但し現状ではランタンガレート系の材料が酸素イオン伝導体として動作温度が低いので材料の耐久性を鑑みた場合、もっとも好ましい材料といえる。

また、実施の形態では、第一電極膜の複合金属酸化物としてＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃を使用したがこれに限定されるものではない。しかしペロブスカイト型構造を有する複合金属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素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た。

また、実施の形態では、絶縁膜となるガラスセラミック膜としてＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系でアルカリ土類金属の酸化物を１５〜２５ｗｔ％含有し、アルカリ金属の酸化物を２ｗｔ％以下含有するもの使用したがこれに限定されるものではない。金属箔部材との充分な絶縁性が維持でき、電極膜や導電膜となる材料と製造工程での処理温度に不具合を生じないものであればよい。その他ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＢａＯ系またはＳｉＯ２―Ａｌ２Ｏ３―ＣａＯ−ＢａＯ系も適用可能であった。アルカリ金属の酸化物含有率を抑えることでガラスの特性は高温化し、アルカリ土類金属酸化物の含有率を１５〜２５ｗｔ％とすることで結晶化開始温度は７５０〜８５０℃とすることができ、金属箔部材との接合温度を８００〜９００℃にすることができた。

また、実施の形態では、金属箔部材としてＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌの材料を使用したがこれに限定させるものではなく、高温酸化に対して耐久性を有する材料であれば他の金属箔材料を使用することができる。しかし現状ではアルミニウムを含有したフェライト系ステンレスが高温酸化に対して優れた特性を有していた。さらに耐高温酸化性を向上させる目的で希土類金属を添加することも可能である。また厚み１２μｍを使用したが金属箔部材としては５〜２０μｍが好ましいと考えられる。

すなわち、固体電解質で発生した熱を外周部方向へと伝熱拡散させないためには厚みが薄いほど好ましい。しかし５μｍ以下になると製造時でのハンドリングが悪くなるためである。

また、実施の形態では、金属箔部材の構成として負電極膜側に接合させて固体電解質が空間部を区画する区画手段として使用した場合についてだけ説明したが、逆に正電極膜側に接合させて空間部を区画する区画手段として使用してもかまわない。

また、実施の形態では、第二電極膜、導電膜としてＡｕ系を使用したがこれに限定させるものではなく、抵抗値の小さな耐熱性を有する材料であれば他にもＡｇ系、ＡｇＰｄ系のものが使用できる。

また、本実施の形態では、固体電解質表面上の正電極膜と負電極膜にさらに第二電極膜を配置した場合について説明したが、第二電極膜を配置しない構造についても適用できる。例えば、固体電解質表面上に形成される電極膜の寸法が５×５ｍｍであれば、流す電流値も０．５Ａ程度となり、電極膜上で生ずる電位ムラもそれ程大きくないので第二電極膜は必要とならない。

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプ素子および酸素供給装置は、長期間に渡って安定した良好な電気電流特性が得られるため、酸素を利用する空気清浄機や空調機器あるいは健康促進機器、健康増進機器など広範な用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における酸素ポンプ素子の上面図 同酸素ポンプ素子の下面図 図１のＡ−Ａ線断面図 同酸素ポンプ素子全体の概略構成図 同酸素供給装置の概略断面図 本発明の実施の形態２における酸素供給装置の概略断面図 従来の酸素供給装置の断面図

符号の説明

１ 酸素ポンプ素子
２ 固体電解質
３ 正電極膜
４ 負電極膜
５ 正第２電極膜
６ 負第２電極膜
７ 第１導電膜
８ 第２導電膜
９ 第３導電膜
１０ 金属箔部材
１８ 送風回路
２２ 送風ポンプ
２３ 絶縁材（セラミックペーパー）
２５ ヒータ

Claims (12)

1. 固体電解質、その表裏面に形成された正電極膜と負電極膜、および前記固体電解質が接合された金属箔部材とからなる酸素ポンプ素子と、通気性を有する絶縁材を介して前記正電極膜側に配置したヒータと、前記負電極膜側に配設され、熱交換機能を有する送風回路とを具備し、前記送風回路を使用して負電極膜側に強制的に空気を供給するようにした酸素供給装置。
2. 酸素ポンプ素子、ヒータ、および送風回路のブロック構造体を複数個積み重なるように配置した請求項１記載の酸素供給装置。
3. 酸素ポンプ素子を複数集合させた請求項１または２記載の酸素供給装置。
4. 一枚の固体電解質はワイヤーボンディング方法で複数本が電気的に直列回路となるように結線した請求項１〜３のいずれか１項記載の酸素供給装置。
5. 一枚の金属箔部材は複数の固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成した請求項１〜４いずれか１項記載の酸素供給装置。
6. 絶縁材の主体がＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＢａＯ系またはＳｉＯ２―Ａｌ２Ｏ３―ＣａＯ−ＢａＯ系でアルカリ土類金属の酸化物を１５〜２５ｗｔ％含有し、アルカリ金属の酸化物を２ｗｔ％以下含有する結晶化ガラスである請求項１記載の酸素供給装置。
7. 正電極膜と負電極膜は固体電解質に直接接合する第１電極膜と、前記第１電極膜上に形成された第２電極膜とで構成され、前記固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜を前記第１電極膜とし、貴金属成分を主体とする膜を前記第２電極膜として前記第１電極膜上に配設した請求項１記載の酸素供給装置。
8. 固体電解質がランタンガレートであることを特徴とする請求項１記載の酸素供給装置。
9. 第１電極膜の複合金属酸化物がペロブスカイト型構造であることを特徴とする請求項７記載の酸素供給装置。
10. 金属箔部材がアルミニウムを含有したフェライト系ステンレスである請求項１記載の酸素供給装置。
11. 請求項１〜１０いずれか１項記載の酸素供給装置を搭載した空気清浄機。
12. 請求項１〜１０いずれか１項記載の酸素供給装置を搭載した空気調和機。