JPH09241003A - 酸素分離装置および酸素分離装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体電解質薄膜を用いた酸素分離装置におい
て、酸素の分離性能を改善するとともに、固体電解質を
加熱する手段を容易に形成し、さらには、食品等を脱酸
素雰囲気下で保存するために酸素分離装置を用いる際
に、脱酸素速度を高くすることを目的とする。 【解決手段】 多孔質基板３の片面に、第１の多孔質電
極４、酸素イオン伝導性を有する固体電解質薄膜６及び
第２の多孔質電極５を積層し、さらに、第１の多孔質電
極４と第２の多孔質電極５の間に相対的に正電圧と負電
圧を印加する手段及び固体電解質薄膜６を加熱する手段
を有し、多孔質基板３に積層した面を低酸素濃度側に配
置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気体中の酸素濃度の
富化または減少を行う酸素分離技術に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の酸素の分離に関する技術として
は、酸素富化膜で代表される膜分離技術や液体空気の沸
点差を利用して酸素を分離する深冷分離技術が一般的で
ある。

【０００３】一方、これらの技術とは異なり、固体電解
質の酸素ポンプ作用を利用した技術として燃焼装置など
に酸素センサが利用されている。これは酸素イオン伝導
性を有する固体電解質の両面に白金等の多孔質電極を設
けて直流電圧を印加することにより、固体電解質内を負
極側から正極側へ酸素がイオンとなって流れる現象を利
用したものである。この技術を使えば固体電解質で隔離
された一方から他方への酸素ガスの移動を行うことがで
きる。

【０００４】上記の酸素ポンプ作用を利用した技術を用
いた例としては、例えば特開昭６２−１４４０６３号公
報に記載されたものがある。これは多孔質基板上に、２
枚の多孔質な電極に挟持された固体電解質薄膜を形成し
たものであり、固体電解質膜を通過する酸素の量を多孔
質基板内の拡散によって制限することによって限界電流
方式の酸素センサを実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記固体電解質薄膜を
用いることにより、簡単な構成で酸素を分離することが
できる。

【０００６】しかしながら、上記従来の技術では上述し
たように酸素ガスの移動を多孔質板によって制限してい
るため、酸素の分離移動速度が遅いという課題があっ
た。

【０００７】また、固体電解質が酸素イオン伝導性を発
現させるには数百度程度に加熱する必要があるため、こ
の加熱のためのヒータを別途設ける必要があり構成的に
複雑になるという課題があった。

【０００８】更に、食品等を脱酸素雰囲気下で保存する
目的で固体電解質薄膜を用いて保存容器内を脱酸素化す
る際には、容器内の酸素濃度の減少にともなって分離速
度すなわち脱酸素速度が低下してしまうため、脱酸素に
長時間を要してしまうという課題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、多孔質基板の片面に、第１の多孔質電極
と、酸素イオン伝導性を有する固体電解質薄膜と、第２
の多孔質電極を積層し、前記第１電極と第２電極の間に
各々相対的に正電圧と負電圧を印加する手段と前記固体
電解質を加熱する手段を有し、前記多孔質基板に積層し
た面を低酸素濃度側に配置する。

【００１０】また、多孔質基板として、一方の面の空隙
率を他方の面の空隙率に比べて小としたものを用いる。

【００１１】更に、第１電極と第２電極を入力端子と出
力端子を有する略同一の線状パターンで重ねて形成し、
前記第１電極と第２電極に互いに逆方向に電圧を印加す
ることにより固体電解質を加熱する。

【００１２】一方、第１電極と第２電極の間に印加する
電圧を酸素分離の動作初期に大とする制御を行う。

【００１３】または、固体電解質の温度を酸素分離の動
作初期に高く設定する制御を行う。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）以下では本発明実施の形態１における
酸素分離装置について、図１を参照しながら説明する。

【００１５】図１は本発明の酸素分離装置を脱酸素雰囲
気保存庫に応用した場合の一実施の形態の概略構成図で
ある。脱酸素保存庫は食品等の酸化を防ぐためのもので
あり、このような目的の保存庫は、従来は窒素ガスや炭
酸ガス等の不活性ガスで庫内の空気を置換することによ
って脱酸素雰囲気を実現していたものであるが、本発明
の技術によって不活性ガスを用いることなく同様の効果
（食品喉の酸化を防止）を得ることができる。

【００１６】図１において、１は脱酸素雰囲気保存庫の
壁面であり、図中の下方向が庫内雰囲気側、上方向が大
気雰囲気側である。２は本発明の酸素分離装置であり、
分離部と加熱部とを有している。

【００１７】分離部は、アルミナからなる多孔質基板
３、白金薄膜からなる第１電極薄膜４と第２電極薄膜
５、酸素イオン電導性を有する固体電解質であるジルコ
ニア薄膜６、第１電極薄膜４と第２電極薄膜５に各々正
電圧と負電圧を印加する駆動電源７とを有している。こ
こで、第１電極薄膜４、固体電解質薄膜６、および第２
電極薄膜５はスパッタリング法を用いて多孔質基板２の
片面に積層して構成したものである。また両電極薄膜４
と５はスパッタリング条件を調整することによって、白
金微粒子が集合した厚さ２００ｎｍの多孔質状の電極と
している。また、固体電解質薄膜６もスパッタリング法
で形成し、その膜厚を例えば２μｍとしている。

【００１８】一方、加熱部はヒータ８と加熱電源９とを
有しており、部分的に配置したスペーサ１０を介して多
孔質基板３と狭持することによって固体電解質薄膜６を
所定の温度に加熱している。

【００１９】このように構成された本発明の酸素分離装
置の動作を次に説明する。先ず、加熱電源９によりヒー
タ８を加熱させ、発生した熱によって固体電解質薄膜６
を約８００℃に加熱する。これはジルコニアから構成さ
れた固体電解質薄膜６はこの程度の温度に加熱しないと
酸素イオン伝導度が低いためである。

【００２０】次に、動作電源７により第１電極薄膜４に
正電圧、第２電極薄膜５に負電圧を印加して固体電解質
薄膜６を動作させる。上記のように分離部が作動する
と、庫内雰囲気内の酸素ガスは第２電極薄膜５で電子を
与えられ負の酸素イオンとなる。この酸素イオンが動作
電源によって誘導された電界によって固体電解質薄膜６
内を第２電極薄膜５側へ移動する。そして第１電極薄膜
４へ到達した負イオンは電子を放出して酸素ガスとな
り、多孔質基板３内を拡散して大気雰囲気側へ放出され
る。ジルコニアからなる固体電解質薄膜６は酸素イオン
のみしか通さないので、上記の動作によって庫内の酸素
のみを矢印１１の方向へ排出し、庫内酸素濃度を下げる
ことができる。

【００２１】前述した従来の技術でも酸素ガスの除去は
可能であるが、本発明は従来技術とは逆に多孔質基板の
方向へ酸素を放出している点に特徴がある。従来の技術
では固体電界質内を移動する酸素量は僅かであるが、本
実施例のように脱酸素保存庫に応用する場合は、脱酸素
速度を大きくすることが望まれる。そのため、固体電解
質薄膜６表面への酸素の供給は速やかに行われなければ
ならない。従来技術では酸素ガスが固体電解質薄膜に接
触するまでには、多孔質基板内と多孔質電極薄膜内を拡
散移動なければならない。なお、多孔質電極薄膜に比べ
て多孔質基板は厚さが遥かに厚いため、実質的には多孔
質基板によって酸素の移動速度が大幅に制限されてい
る。しかも多孔質基板内を固体電解質の方向へ拡散する
ものは酸素ガスだけではなく、例えば窒素ガスなどの雰
囲気ガスも同時に拡散し、しかもこれら酸素以外のガス
は逆方向に戻らなければならず、酸素の拡散移動の妨げ
となっている。

【００２２】それに対し、本発明では第２の多孔質電極
薄膜５に酸素が直接接するため移動速度が多孔質基板３
によって制限されることがほとんどなく、酸素移動速度
を大幅に向上することができる。なお、本発明の構成で
は固体電解質薄膜６と第１電極薄膜４を通過した酸素ガ
スが多孔質基板３内を拡散移動して排出される必要があ
るが、この場合は固体電解質薄膜６から次々に放出され
るため、多孔質電極薄膜３とそれに接する多孔質基板３
の表面は酸素ガスによって大気圧よりも高い圧力となっ
ている。従って酸素は多孔質基板３内を単に拡散するだ
けではなく、その圧力と大気圧の差で移動するために速
やかに排出され、酸素の移動速度を制限することがな
い。

【００２３】すなわち、本発明により酸素分離装置は酸
素の分離移動速度を大幅に向上することができ、本技術
によって固体電解質を用いた酸素分離装置の実現が可能
となるものである。

【００２４】（実施の形態２）次に、本発明実施の形態
２における酸素分離装置について、図２を参照しながら
説明する。本実施の形態では基本的な構成は上記の図１
に示される実施の形態１における酸素分離装置と同様で
あるが、分離部の構成が図１とは異なる。そして図２は
その分離部のみを拡大したものである。

【００２５】本実施の形態は多孔質基板３を粒子の大き
さの異なるアルミナ粒子を２層にして焼結し形成したも
のを用いることにより空隙率の異なる２層構造とし、空
隙率の小さな面の上に第１電極薄膜４、固体電解質薄膜
６、第２電極薄膜５を積層したものである。

【００２６】本発明では前述したように第１電極薄膜
４、固体電解質薄膜６、第２電極薄膜５を薄膜で形成し
ているためにその基板となる多孔質基板３の表面は平滑
である必要がある。また、酸素ガスの分離速度を更に向
上するためには固体電解質薄膜６の酸素イオン電導量を
多くする必要がある。そのためには固体電解質薄膜６の
厚さを更に薄くする必要があり、そのためには多孔質基
板３の表面をより一層平滑にする必要がある。

【００２７】そこで本実施の形態では多孔質基板の表面
を平滑にするために、上記２層構造とし、第１電極薄膜
４に接する領域のアルミナ粒子を小さくし、その他の領
域のアルミナ粒子を上記の領域よりも大きくして酸素イ
オンが通過しやすいようにしていたものである。このよ
うに、第１電極薄膜４と接する多孔質基板３表面の空隙
率を小さくして構成することにより、固体電解質薄膜６
の厚さを１μｍ程度あるいはそれ以下にすることがで
き、酸素分離性能を大幅に向上することができる。な
お、本実施の形態では多孔質基板を２層構造としたが、
多孔質基板３の強度等の面から３層以上の構成としても
かまわない。

【００２８】（実施の形態３）次に、本発明実施の形態
３における酸素分離装置について、図３及び図４を参照
しながら説明する。図３は酸素分離装置単体の平面図で
あり、図４はその断面図である。

【００２９】前述したように固体電解質薄膜６を動作さ
せるには、固体電解質薄膜６を所定の温度まで加熱する
必要がありそのためにヒータからなる加熱部が必要であ
った。本実施の形態は固体電解質薄膜６を挟む多孔質電
極をヒータとしても利用することを特徴とする。

【００３０】図３において、１２と１３は同じ膜厚を有
する第１と第２の多孔質な電極薄膜であり、図示したよ
うにパターニングすることによってそれぞれの電極薄膜
が入力と出力の２つの端子を形成している。１４と１５
は各々電極薄膜１２と１３の加熱電源を示し、互いに逆
方向に同電圧を印加するように接続している。このよう
に逆方向に電圧を印加することにより、固体電解質薄膜
６の各部分にかかる電界強度を動作電源７で印加する電
圧のみで一定に制御することができる。

【００３１】このように多孔質電極１２、１３そのもの
をヒータとすることによって加熱部を別途用意する必要
が無く、装置の構成を簡単にすることができるととも
に、固体電解質薄膜６を効率よく加熱することができ
る。

【００３２】（実施の形態４）次に、本発明実施の形態
４における酸素分離装置について、図５を参照しながら
説明する。

【００３３】図５は酸素分離装置を動作させた場合の脱
酸素雰囲気保存庫内の酸素濃度の変化を示したものであ
る。図中Ａは大気中の酸素濃度である２１％の点を、Ｂ
と破線は目的とする保存時の酸素濃度を示している。

【００３４】酸素分離装置を一定温度、一定動作電圧で
動作した場合、庫内の酸素濃度は曲線１のように減少
し、Ｂの濃度に達するには比較的長いＴ１の所用時間が
必要になる。所用時間を短縮するには、固体電解質薄膜
６の温度を上げるか、あるいは固体電解質薄膜６に印加
する動作電圧を上げる必要がある。しかし、いづれの場
合も動作に必要な所用電力が増えてしまうため望ましい
方法ではない。

【００３５】そこで、本実施の形態では酸素分離動作の
初期に固体電解質薄膜６の温度を高めに設定したり、初
期に固体電解質に印加する電圧を通常より大きくしてや
る。あるいは、酸素分離動作の初期に固体電はなく、酸
素富化装置や大気からの純粋な酸素ガスの分離発生装置
等、幅広い応用に利用し得るものである。

【００３６】

【発明の効果】本発明を用いることにより、低消費電力
で極めて高い性能を有する酸素分離装置を得ることがで
き、また装置の構成を簡単にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態１における酸素分離装置の概
略断面図

【図２】本発明実施の形態２における酸素分離装置の分
離部の断面図

【図３】本発明実施の形態３における酸素分離装置の概
略平面図

【図４】本発明実施の形態３における酸素分離装置の概
略断面図

【図５】本発明実施の形態４における酸素分離装置を用
いた酸素濃度の変化を示す図

【符号の説明】

３ 多孔質基板 ４ 第１電極薄膜 ５ 第２電極薄膜 ６ 固体電解質薄膜 ７ 動作電源 ８ ヒータ ９ ヒータ電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質基板の一面に形成された第１の多孔
   質電極と、前記第１の多孔質電極上に形成された酸素イ
   オン伝導性を有する固体電解質薄膜と、前記固体電解質
   薄膜上に形成された第２の多孔質電極と、前記第１の多
   孔質電極と前記第２の多孔質電極に各々相対的に正電圧
   と負電圧を印加する手段と、前記固体電解質を加熱する
   手段とを有し、前記第２の多孔質電極側を低酸素濃度側
   に配置したことを特徴とする酸素分離装置。
2. 【請求項２】多孔質基板の厚さ方向において、第１の多
   孔質電極と接する領域の空隙率をその他の領域の空隙率
   よりも小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の酸
   素分離装置。
3. 【請求項３】第１の多孔質電極及び第２の多孔質電極に
   互いに逆方向に電圧を印加する手段を付加し、前記電圧
   を印加する手段により固体電解質を加熱することを特徴
   とする請求項１に記載の酸素分離装置。
4. 【請求項４】多孔質基板の一面に形成された第１の多孔
   質電極と、前記第１の多孔質電極上に形成された酸素イ
   オン伝導性を有する固体電解質薄膜と、前記固体電解質
   薄膜上に形成された第２の多孔質電極と、前記第１の多
   孔質電極と前記第２の多孔質電極に各々相対的に正電圧
   と負電圧を印加する手段と、前記固体電解質を加熱する
   手段とを有し、前記第２の多孔質電極側を低酸素濃度側
   に配置した酸素分離装置の制御方法であって、前記酸素
   分離装置の動作初期において、前記第１の多孔質電極と
   第２の多孔質電極の間に印加する電圧を通常より大きく
   するか、または前記固体電解質の温度を通常より高く設
   定することを特徴とする酸素分離装置の制御方法。