(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】多孔性の導電体から成る第一電極（正極）１及び第二電極（負極）２と、金属又は金属イオンの少なくとも一つを含有して成る電解液４と、前記電解液４に浸漬された多孔性の導電体から成る中間電極５と、セパレータ３とを有し、前記各電極１、２と前記中間電極５の間に前記電解液４と前記セパレータ３を挟み、前記第一電極１と前記中間電極５との間、及び前記中間電極５と前記第二電極２との間に電圧を印加することにより、第二電極２から酸素を吸引し、第一電極１から酸素を放出させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性の導電体から成る第一電極（正極）及び第二電極（負極）と、金属又は金属イオンの少なくとも一つを含有して成る電解液と、前記電解液に浸漬された多孔性の導電体から成る中間電極と、セパレータとを有し、前記各電極と前記中間電極の間に前記電解液と前記セパレータを挟み、前記第一電極と前記中間電極との間、及び前記中間電極と前記第二電極との間に電圧を印加することにより、第二電極から酸素を吸引し、第一電極から酸素を放出する酸素ポンプ。
【請求項２】
多孔性の導電体から成る第一電極（正極）及び第二電極（負極）と、金属又は金属イオンの少なくとも一つを含有して成る電解液と、前記電解液に浸漬された多孔性の導電体から成る中間電極と、セパレータとを有し、前記各電極と前記中間電極の間に前記電解液と前記セパレータを挟み、前記第一電極と前記中間電極との間、及び前記中間電極と前記第二電極との間に電圧を交互に印加することにより、第二電極から酸素を吸引し、第一電極から酸素を放出する酸素ポンプ。
【請求項３】
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から成る請求項１または２記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
第一電極及び第二電極がカーボンペーパーから成る請求項１または２記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
電解液に炭素材料の粉末が含有されて成る請求項１または２記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
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から成る請求項５記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
中間電極が金属製のメッシュから成る請求項１または２記載の酸素ポンプ。
【請求項８】
金属製のメッシュが金属ニッケルから成る請求項７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したり酸素を分解したりする反応を利用することで、一定空間から酸素を吸引し（脱酸素）、反対空間へ酸素を放出する（酸素富化）酸素ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気化学的に酸素を吸引したり、発生させたりするものとして、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の両面にカソード電極２２、アノード電極２３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。ここに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することになる。
【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、電気分解によって酸素を発生させる方法では、常温で酸素を発生させることができるものの同時に水素が発生し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。また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、常温で、酸素の吸引と酸素の放出が可能となる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、多孔性の導電体から成る第一電極（正極）及び第二電極（負極）と、金属又は金属イオンの少なくとも一つを含有して成る電解液と、前記電解液に浸漬された多孔性の導電体から成る中間電極と、セパレータとを有し、前記各電極と前記中間電極の間に前記電解液と前記セパレータを挟み、前記第一電極と前記中間電極との間、及び前記中間電極と前記第二電極との間に電圧を印加することにより、第二電極から酸素を吸引し、第一電極から酸素を放出するものである。
【０００７】
これによって、第一電極と中間電極との間の電圧の印加によって第一電極から酸素が放出され、中間電極と第二電極との間の電圧の印加によって第二電極へ酸素が吸引されることになり、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、多孔性の導電体から成る第一電極（正極）及び第二電極（負極）と、金属又は金属イオンの少なくとも一つを含有して成る電解液と、前記電解液に浸漬
された多孔性の導電体から成る中間電極と、セパレータとを有し、前記各電極と前記中間電極の間に前記電解液と前記セパレータを挟み、前記第一電極と前記中間電極との間、及び前記中間電極と前記第二電極との間に電圧を印加することにより、第二電極から酸素を吸引し、第一電極から酸素を放出することにより、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、多孔性の導電体から成る第一電極（正極）及び第二電極（負極）と、金属又は金属イオンの少なくとも一つを含有して成る電解液と、前記電解液に浸漬された多孔性の導電体から成る中間電極と、セパレータとを有し、前記各電極と前記中間電極の間に前記電解液と前記セパレータを挟み、前記第一電極と前記中間電極との間、及び前記中間電極と前記第二電極との間に電圧を印加することにより、第二電極から酸素を吸引し、第一電極から酸素を放出するものである。
【００１０】
空孔のある第一電極と金属イオン等を含有している電解液に浸漬された中間電極に電圧を印加して通電することによって、第一電極から水又は水酸化物イオンから酸化された酸素が放出され、中間電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る。また、空孔のある第二電極と金属等を含有している電解液に浸漬された中間電極に電圧を印加して通電することによって、第二電極から酸素が吸引された還元され、水又は水酸化物イオンが生成し、中間電極では金属が還元されて金属イオンになる。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。
【００１１】
第２の発明は、多孔性の導電体から成る第一電極（正極）及び第二電極（負極）と、金属又は金属イオンの少なくとも一つを含有して成る電解液と、前記電解液に浸漬された多孔性の導電体から成る中間電極と、セパレータとを有し、前記各電極と前記中間電極の間に前記電解液と前記セパレータを挟み、前記第一電極と前記中間電極との間、及び前記中間電極と前記第二電極との間に電圧を交互に印加することにより、第二電極から酸素を吸引し、第一電極から酸素を放出するものである。
【００１２】
最初に空孔のある第一電極と金属イオン等を含有している電解液に浸漬された中間電極に電圧を印加して通電することによって、第一電極から水又は水酸化物イオンから酸化された酸素が放出され、中間電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る。次に最初の電圧の印加を止め、空孔のある第二電極と金属等を含有している電解液に浸漬された中間電極に電圧を印加して通電することによって、第二電極から酸素が吸引された還元され、水又は水酸化物イオンが生成し、中間電極では金属が還元されて金属イオンになる。これにより金属の還元反応と酸素反応を別々に分けて行うことができるため、常温でかつ効率よく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。
【００１３】
第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の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ことにより、これらは酸素による酸化、還元が比較的容易であり、重量当たりの酸素との結合量及び分解量が大きいため、酸素の吸引及び放出量が向上した酸素ポンプを実現できる。
【００１４】
第４の発明は、特に、第１又は第２の発明の第一電極及び第二電極がカーボンペーパーから成ることにより、カーボンペーパーは通気性が良いだけでなく、導電性及び内容物の保持性能も良く、加工性も優れている。また水素過電圧が高く、水素が発生し難いものである。
【００１５】
第５の発明は、特に、第１又は第２の発明の電解液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、さらに水素の発生を抑えることができる。
【００１６】
第６の発明は、特に、第５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から成ることにより、両者を混合す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。
【００１７】
第７の発明は、特に、第１又は第２の発明の中間電極が金属製のメッシュから成ることにより、金属性を使用することで使用耐久性を高めることができ、安定した電力供給が可能となる。
【００１８】
第８の発明は、特に、第７の発明の金属製のメッシュがニッケルから成ることにより、ニッケルは水素過電圧が高く、水素の発生を抑えることができ、ニッケル又は酸化された酸化ニッケル等の触媒作用によって酸素の吸引及び放出量が向上した酸素ポンプを実現できる。
【００１９】
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。
【００２０】
（実施の形態１）
図１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。
【００２１】
酸素ポンプの基本構成は、第一電極（正極）１及び第二電極（負極）２の内側にそれぞれセパレータ３が配置され、第一電極１と第二電極２との間に、電解液４と中間電極５が封入された筐体６から成っており、各電極から端子７を介して、電源８、電源９に接続されている。
【００２２】
第一電極１及び第二電極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、炭素繊維を圧密した厚さ０．２ｍｍ、目付６０ｇ／ｍ２のカーボンペーパーにある種の触媒を担持したものを使用した。
【００２３】
中間電極５は多孔性かつ導電性の材料で、電解液の種類によって異なるが、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、線径０．０５ｍｍ、目開き１００メッシュのニッケルメッシュを３枚重ねたものを使用した。
【００２４】
電解液４の中の活物質は、価数が変化する金属又は金属イオンと炭素材料の粉末とを混合させた水溶液である。本実施の形態では、金属イオンとして酸化亜鉛を使用し、０価の亜鉛と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、３価の鉄イオンと金属鉄若しくは鉄イオンとの反応、３価のアルミニウムイオンと金属アルミニウム若しくはアルミニウムイオンとの反応、２価のマンガンイオンと金属マンガン若しくはマンガンイオンとの反応、２価のコバルトイオンと金属コバルト若しくはコバルトイオンとの反応、２価のニッケルイオンと金属ニッケル若しくはニッケルイオン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最初の活物質として使用してもよい。また、電解液４には１ＭのＫＯＨの水溶液を混合させたが、イオン伝導性の電解液であれば良く、上記活物質の種類によって最適なものがあるが、ＫＣｌ、ＫＦ、Ｋ２ＳＯ４、ＮＨ４Ｃｌ等の中性、酸性領域の水溶液でも良い。
【００２５】
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。
【００２６】
セパレータ３は、樹脂性の多孔性フィルムであり、孔径０．１μｍ、厚み２０μｍの微細孔のフッ素系樹脂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。
【００２７】
以上のような構成材料について、絶縁性の筐体６に設置された端子７と第一電極１、第二電極２、電解液４を含んだ中間電極５とが電気的に接続されている。第一電極１の端子は電源８の正極、中間電極５の端子は電源８の負極及び電源９の正極、第二電極２の端子は電源９の負極と接続されている。電解液４の厚み（容量）は、酸素の放出及び吸引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。
【００２８】
次に、酸素ポンプの動作及び評価法について説明する。
電源８、９をオンして第一電極１と中間電極５との間、中間電極５と第二電極２との間に電圧を印加する。電源８により、第一電極１では、水酸化物イオンが酸素と水に分解されて、酸素は空孔を通り外部に放出され、中間電極５では、酸化亜鉛と水が反応して亜鉛と水酸化物イオンが生成する。また、電源９により、中間電極５では、亜鉛と水酸化物イオンが反応して酸化亜鉛と水が生成され、第二電極では、外部から酸素が取り込まれて水と反応することにより、水酸化物イオンが生成する。これら一連の過程によって、第二電極２から酸素が取り込まれ、第一電極１から酸素が放出されることになる。
【００２９】
動作の評価法では、定電流となるように電圧を印加し、第一電極１のガスの出口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。
【００３０】
最後に、動作の結果を説明する。
電流密度１０ｍＡ／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０．０５ｍｌ／ｍｉｎを示した。また酸素濃度計によって、酸素濃度の上昇を確認できた。
【００３１】
以上において、常温において酸素を発生させることができる酸素ポンプを確認できた。
【００３２】
（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の断面図である。
【００３３】
酸素ポンプの基本構成、各部材の材質、組成等は、実施の形態１と同様である。異なっている点は、電源８と９との間に切換スイッチ１０が配置されていることである。
【００３４】
次に、酸素ポンプの動作及び評価法について説明する。
【００３５】
第一過程では、切換スイッチ１０によって電源８と接続される。これにより、第一電極１が正極、中間電極５が負極となる。第一電極１では、電解液４中の水酸化物イオンが酸素と水に分解されて、酸素は第一電極１の空孔を通り外部に放出され、中間電極５では、電解液４中の酸化亜鉛が亜鉛と水酸化物イオンに分解されて、亜鉛と水酸化物イオンとなる。この過程によって酸素が放出されることになる。
【００３６】
第二過程では、切換スイッチ１０によって電源９と接続される。これにより、中間電極５が正極、第二電極２が負極となる。中間電極５では、電解液４中の亜鉛と水酸化物イオ
ンが反応して酸化亜鉛と水が生成し、第二電極２では、外部の酸素が第二電極２の空孔を通り内部に取り込まれ、水と反応して水酸化物イオンが生成される。外部に放出され、中間電極５では、電解液４中の酸化亜鉛が亜鉛と水酸化物イオンに分解されて、亜鉛と水酸化物イオンとなる。この過程によって酸素が吸引されることになる。
【００３７】
切換スイッチ１０によって電圧を交互に印加することによって、これら第一過程と第二過程が交互に行われ、酸素の放出と吸引が交互に行われることになる。
【００３８】
動作の評価法では、定電流となるように電圧を印加し、第一電極１のガスの出口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。また、切換スイッチ１０の切り換えのタイミングは、電解液４中の金属の総モル量によって異なるが、実施の形態２の評価では、電圧計の表示によって、電圧の定常値から上昇へ転じるタイミングを目視によって判断し、切り換えを手動で行った。
【００３９】
最後に、動作の結果を説明する。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０．１５ｍｌ／ｍｉｎを示した。また酸素濃度計によって、酸素濃度の上昇を確認できた。
【００４０】
以上により、常温において、酸素の発生能力を向上させた酸素ポンプを実現することができた。
【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】本発明の実施の形態１による酸素ポンプの断面図
【図２】本発明の実施の形態２による酸素ポンプの断面図
【図３】従来の酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
【００４４】
１  第一電極（正極）
２  第二電極（負極）
３  セパレータ
４  電解液
５  中間電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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