(57)【要約】【課題】従来の電解化学反応を利用した酸素ポンプは、常温下での酸素の吸引及び放出ができなかった。【解決手段】正極活物質１として酸素、負極活物質３として金属や金属イオンを有し、通電することによって、常温でも正極側から酸素の発生及び吸引を行うことができる。【選択図】図１
2010215481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質として酸素と、負極活物質として金属または金属イオンの少なくとも一つとを有し、通電することによって正極側のガス出入口から酸素を発生および吸引させることを特徴とした酸素ポンプ。
【請求項２】
正極のガス出入口にガス送風手段を有していることを特徴とした請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
正極のガス出入口にガスの流通路を切り換える切換手段を有していることを特徴とした請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
正極のガス出入口と開閉自在の密閉容器とが接続されていることを特徴とした請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
負極活物質に含まれる金属または金属イオンが、鉄、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、コバルト、ニッケルまたは当該金属のイオンの少なくとも一つである請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
負極活物質に炭素材料の粉末が含まれて成る請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
炭素材料の粉末が、カーボンブラックとグラファイトの混合物である請求項６に記載の酸素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的に酸素と結合させたり発生させたりする反応を利用することで、一定空間へ酸素を放出したり（酸素富化）、一定空間から酸素を吸引したり（脱酸素）する酸素ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気化学反応を利用して酸素を放出させたり、吸引したりするものとして、固体の酸素イオン導電性基板を用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、特許文献１に記載された従来の酸素イオン導電性基板を用いた酸素ポンプの断面を示すものである。図３に示すように、酸素イオン導電性基板２１の両面に電極が形成され、リード線２４が電極から引き出されている。電極の一方は酸素の入口側であるカソード電極２２であり、電極のもう一方は酸素の出口側であるアノード電極２３である。ここで通電することによって、カソード電極２２上で酸素がイオン化し、イオン化した酸素が酸素イオン導電性基板２１を移動して、アノード電極２３上で再び酸素イオンが酸素分子となる。これによって、カソード電極側の空間から酸素を吸引し、アノード電極側の空間に酸素を放出させることができる。
【特許文献１】国際公開第９６／２８５８９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、酸素イオン導電性基板を用いた酸素ポンプでは、動作させるために酸素イオン導電性基板を７００℃〜１０００℃まで加熱する必要があるため、熱歪みによる耐久性低下の問題、及び消費電力の問題があった。また、水の電気分解によって酸素を発生させる方法は、常温で酸素を発生させることができるが、同時に水素を発生させてしまう問題があり、原料である水の供給が常に必要である。さらに酸素の吸引ができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、正極活物質として酸素と、負極活物質として金属または金属イオンの少なくとも一つとを有し、通電することによって正極側のガス出入口から酸素を発生および吸引させることを特徴とした酸素ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、正極活物質として酸素と、負極活物質として金属または金属イオンの少なくとも一つとを有し、通電することによって酸素の分解反応及び結合反応を利用することを特徴とするものである。
【０００７】
これによって、最初の電圧の印加による通電によって水又は水酸化物イオンが酸素となって正極から放出され、次の負荷抵抗に接続することによる通電によって酸素を取り込み、水又は水酸化物イオンが生成されることになり、常温下で酸素の吸引及び放出が可能となる酸素ポンプを実現することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の酸素ポンプは、正極活物質として酸素と、負極活物質として金属または金属イオンの少なくとも一つとを有し、通電することによって正極側のガス出入口から酸素を発生及び吸引させることにより、常温下で動作可能な酸素ポンプを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、正極活物質として酸素と、負極活物質として金属または金属イオンの少なくとも一つとを有し、通電することによって正極側のガス出入口から酸素を発生および吸引させることにより、空孔のある正極と金属イオンを含んだ負極活物質と接した負極に電圧を印加して通電することによって、正極から水又は水酸化物イオンが酸化された酸素が放出され、負極では金属イオンが還元されて価数が変化した金属イオン又は金属になり、また、電圧の印加を止めて、負荷抵抗と接続して通電することによって、正極では酸素が吸入される還元反応が起こって水又は水酸化物イオンが生成し、負極では金属又は金属イオンが酸化されて金属イオンとなる。なお、負極の金属の酸化と正極の酸素の還元とから反応を開始することもできる。これらの反応は、常温で進行するため、常温下で酸素の吸入及び放出が可能となる酸素ポンプを実現することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明の正極のガス出入口にガス送風手段を有したことにより、酸素ガスの放出速度を調節することができ、さらに、別の流通路からの空気との混合比を調節することができ酸素濃度を制御することができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１の発明の正極のガス出入口にガスの通路を切り換える切換手段を有したことにより、酸素を吸入する空間、酸素を放出する空間を別空間とすることができ、効率の良い運転動作が可能となる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１の発明の正極のガス出入口と開閉自在の密閉容器とが接続されていることにより、迅速に特定の容器内の酸素濃度を調節することができる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１の発明の金属または金属イオンが、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム、コバルト、ニッケルの金属または金属イオンの少なくとも一つであることにより、酸素による酸化、還元が比較的容易であり、重量当たりの酸素吸入及び放出が大きいため、酸素ポンプの性能の向上を図ることができる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第１の発明の負極活物質に炭素材料の粉末が含まれていることにより、導電性を高めることができ、さらに水素過電圧の大きい炭素によって水素の発生を抑えることができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第６の発明の炭素材料の粉末が、カーボンブラックとグラファイトの混合物であることにより導電性がさらに高まり、グラファイトによって酸化劣化を抑えることができる。
【００１６】
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。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による酸素ポンプの断面図である。図１（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による酸素ポンプのガス出入口に備え付けられたガス送風手段の概略図である。
【００１８】
酸素ポンプの基本構成は、正極活物質１を含む正極２、負極活物質３に接する負極４、電解液を含むセパレータ５及び筐体６にから成っており、各電極から端子７を介して、電源８または負荷抵抗９に接続されるよう配置されている。
【００１９】
正極２は多孔性かつ導電性の材料で、カーボン又はグラファイトのシート状、クロス状（炭素繊維の編物）が使用でき、またニッケルやステンレス等の金属メッシュも使用でき
る。本実施の形態では、厚さ０．２ｍｍ、目付６０ｇ／ｍ２のカーボンシートにある種の触媒を担持したものを使用した。正極活物質１は外気から取り込んだ酸素、外気及び電解液からの水分であり、正極２の空孔を満たしている。
【００２０】
負極４は炭素性の板を使用したが、鉄等の金属性でも良い。負極活物質３は金属イオン又は金属酸化物など価数が変化する金属と炭素材料の粉末と電解液との混合物である。金属イオンとしてはＦｅＣｌ２を使用し、２価の鉄イオンと鉄の反応を利用したが、同種の反応を起こす金属であれば良く、その他に、２価の亜鉛イオンと亜鉛イオン又は金属亜鉛との反応、３価のアルミニウムイオンとアルミニウムイオン又は金属アルミニウムとの反応、２価のマンガンイオンとマンガンイオン又は金属マンガンとの反応、２価のコバルトイオンとコバルトイオン又は金属コバルトとの反応、２価のニッケルイオンとニッケルイオン又は金属ニッケルとの反応を利用しても良い。なお、鉄、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、コバルトまたはニッケルの少なくとも一つの金属単体を負極活物質として最初に使用してもよい。
【００２１】
炭素材料としては、平均粒子径が数十ｎｍ、比表面積が数百ｍ２／ｇのカーボンブラックと、平均粒子径が数十μｍ、比表面積が数ｍ２／ｇのグラファイトを重量比で１対１で混合させたものを使用した。電解液にはＣａＣｌ２の水溶液を使用したが、イオン伝導性の電解液であればＫＣｌ、ＫＦ、Ｋ２ＳＯ４、ＮＨ４Ｃｌ等でも良い。また、負極活物質中の金属種にもよるがＫＯＨ、ＮａＯＨ等のアルカリ溶液でも良い。そして電解液のモル比は、モル分率０．１７のＦｅＣｌ２、モル分率０．１７のＣａＣｌ２を水に溶かし、さらにカーボンブラックとグラファイトの混合物と混合させた。
【００２２】
セパレータ５は、樹脂性の多孔性フィルムであり、孔径０．１μｍ、厚み１０μｍの微細孔のポリエチレンフィルムに親水処理を施し、電解液がしみ込んだものを使用した。
【００２３】
以上のような構成材料について、端子７が設置された絶縁性の筐体６に厚み２ｍｍの炭素性の負極４が端子と接するように配置され、その上に厚み２ｍｍの負極活物質３、セパレータ５、そして正極活物質１を含む正極１が配置され、正極１は端子７と接続されている。負極活物質３の厚み（容量）は、酸素の吸収能力に由来するもので、必要に応じて増減することができる。正極１の端子は、切換スイッチ１０によって電源８、負荷抵抗９のどちらか一方に接続することができる。
【００２４】
ガス送風手段１２は遠心ファンである。静圧力の高い遠心ファンあるいはブロアータイプのファンが好ましいが、小型ポンプでも良い。また、外気を取り込むガス流入口１３を設けても良い。
【００２５】
次に、酸素ポンプの動作及び評価法について説明する。
【００２６】
酸素の放出時には、電源８がオンとなり、電圧が印加される。すると正極１では、水（又は水酸化物イオン）が酸化されて酸素と水素イオン（又は酸素と水）が生成され、酸素が外部に放出される。同時に、負極４では、２価の鉄イオンが還元され、０価の鉄等が生成する。酸素の放出時には、ガス送風手段１２を動作させ、ガス流入口１３から取り込まれた空気と混合することで、酸素濃度を調節でき、ガス流量を増加させることができる。
【００２７】
酸素の吸収時には、電源８がオフとなり、切換スイッチ１０によって負荷抵抗９に接続される。すると正極１では、外気から酸素が取り込まれて水素イオン（又は水）と反応し、水（又は水酸化物イオン）が生成する。負極４では、鉄が酸化されて２価の鉄イオン等になる。
【００２８】
このように切換スイッチ１０によって、電圧を印加して、酸素ポンプ内部に電荷を充電させたり、電荷を放電させてりすることで、酸素の放出、吸収を行うものである。これらの操作はすべて常温で行っている。
【００２９】
動作の評価法では、定電流となるように電圧を印加し、ガス出入口１１に微少流量を計測できる石鹸膜流量計（図示せず）を接続して石鹸膜の移動方向によって放出か吸引かを確認し、石鹸膜の移動速度によってガス流量を測定した。また、定期的に酸素濃度計（図示せず）によってガス種を確認した。さらに、電流計（図示せず）によって電流を測り、酸素の変換効率も調べた。
【００３０】
最後に、動作の結果を説明する。
【００３１】
電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２となるように電圧を印加した。石鹸膜は放出方向に移動し、ガス流量は０．４５ｍｌ／ｍｉｎを示した。酸素濃度計では、酸素濃度の上昇を確認できた。また、電流に対する酸素の酸化反応の変換効率はおよそ８５％であった。次に、５０オームの負荷抵抗に接続した。石鹸膜は吸収方向に移動し、ガス流量は０．４ｍｌ／ｍｉｎを示した。酸素濃度計では、酸素濃度の下降を確認できた。
【００３２】
さらに、ガス送風手段であるファンを動作させることで酸素濃度の上昇を抑え、酸素濃度計等によってモニタリングすることで酸素濃度を制御することができることを見出した。
【００３３】
以上において、常温において酸素を発生させたり、吸引したりする酸素ポンプを実現できることが確認できた。
【００３４】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態による酸素ポンプ及び密閉容器の断面図である。切換手段１５がガス出入口に備え付けられている。酸素ポンプの基本構成、構成材料及び材料組成は、実施の形態１と同様である。
【００３５】
密閉容器は１６は、酸化劣化を防止したい食物等を保存するための開閉可能な保存庫で材質は問わない。内部を攪拌したり、低温にしたりする機能を備えていてもよい。容量は、酸素ポンプの性能との兼ね合いで決定される。本実施の形態では、容量１００ｍｌのアクリル容器を使用した。
【００３６】
次に、本実施の形態における酸素ポンプの動作、評価法及びその結果について説明する。
【００３７】
酸素の放出時には、切換手段１５によって、ガス出入口１１は外気と連通することになる。そして、電源がオンされて酸素が放出されることは実施の形態１と同様である。
【００３８】
酸素の吸収時には、切換手段１５によって、ガス出入口１１と密閉容器１６が連通することになる。そして、電源がオフになり、負荷抵抗に接続されて、密閉容器１６の内部の酸素が吸引される。その後、酸素吸収の能力が低下したとき、さらに切換手段１５によってガス出入口１１と外気とが連通し、酸素が放出され、さらにその後、切換手段１５によって再度ガス出入口１１と密閉容器１６が連通することとなり内部の酸素が吸引される。動作は所定酸素濃度になるまで繰り返される。これによって、密閉容器１６の内部の酸素が外部に放出され、酸素濃度は低下する。これらの操作はすべて常温で行っている。
【００３９】
動作の評価法では、アクリル容器内に酸素濃度計のセンサー部（図示せず）を設置し、
内部の酸素濃度を測定することで行った。電流密度２０ｍＡとなるように電圧を印加した。その結果、酸素濃度計によって、アクリル容器内の酸素濃度の低下を確認することができた。
【００４０】
以上において、常温において容器内の雰囲気を低酸素に調節することができる酸素ポンプを実現した。
【００４１】
なお、上記のような酸素ポンプを冷蔵庫等の貯蔵室に採用することにより、食品の酸化を防止できるので鮮度を保ち長期の保存を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明による酸素ポンプは、空間へ高濃度の酸素を供給したり、空間を低濃度の酸素雰囲気にしたりする装置であり、前者としては、エアコン、空気清浄機、給湯器、家庭用若しくは医療用の酸素吸引器具等に利用でき、後者としては、冷蔵庫、保存庫、炊飯器、調理器等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態による酸素ポンプの断面図（ｂ）本発明の第１の実施の形態によるガス送風手段の概略図
【図２】本発明の第２の実施の形態による酸素ポンプ及び密閉容器の断面図
【図３】従来の酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
【００４４】
２  正極活物質
３  負極活物質
１１  ガス出入口
１２  ガス送風手段
１５  切換手段
１６  密閉容器
【図１】
2010215481.tif 000003
【図２】
2010215481.tif 000004
【図３】
2010215481.tif 000005