(57)【要約】【課題】局部的な温度ムラを抑えた酸素ポンプ素子を提供することを目的とする。【解決手段】固体電解質１６と、その両面の正、負電極膜１７、１８と、正、負電極膜１７、１８と接合された金属箔部材２３、２６とを具備し、正、負両極膜１７、１８は、固体電解質１６に直接接合する第一電極膜（正、負両極膜１７、１８）と、第一電極膜上の第二電極膜１９、２０とで構成し、第二電極膜のうち少なくとも一方の第二電極膜１９の表面上にガラスセラミック膜２１を部分的に配置し、ガラスセラミック膜２１上にはヒータ用抵抗体２２を配設した。これにより、固体電解質１６はヒータ用抵抗体２２によって加熱されるようになり、固体電解質１６の面積が小さい時には、小さな電力エネルギーによって酸素イオン伝導に必要となる動作温度まで急速に温度ムラなく昇温できる。【選択図】図１
2006136812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質と、この固体電解質の両面に形成された正、負電極膜と、この正、負電極膜の外周部にそれぞれ接合された金属箔部材とを具備し、前記正、負電極膜は、それぞれ固体電解質に直接接合する第一電極膜と、第一電極膜上に形成された第二電極膜とで構成し、第二電極膜のうち少なくとも一方の第二電極膜の表面上にガラスセラミック膜を部分的に配置し、ガラスセラミック膜上にはヒータ用抵抗体を配設した酸素ポンプ素子。
【請求項２】
ガラスセラミック膜は、正電極膜側の第二電極膜上に部分的に配置した請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項３】
ガラスセラミック膜が部分的に配置される箇所の下層には第一電極膜を配設しないようにした請求項１または２に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項４】
ガラスセラミック膜が部分的に配置される箇所の下層には、絶縁膜を配した請求項１または２に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項５】
金属箔部材と正、負電極膜の外周部との接合部分に導電膜層を形成するとともに、金属箔部材には導電膜層と導通する導電膜を所定幅形成し、この導電膜にリード部材を接続して金属箔部材の一方向側から取り出している請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項６】
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１〜５のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項７】
金属箔部材の厚みが５〜２０μｍである請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項８】
ガラスセラミック膜がＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−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１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項９】
固体電解質がランタンガレートである請求項１〜８のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子と、酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体に電圧を印加して加熱する加熱手段と、酸素ポンプ素子の固体電解質温度を検知して加熱手段を制御する温度制御手段と、加熱手段および酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する通気性の断熱手段と、酸素ポンプ素子を介して発生した酸素を空気と混合して所定酸素濃度の混合ガスにする混合手段とを備えた酸素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた酸素ポンプ素子とそれを用いた酸素供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の酸素ポンプ素子としては、すでに知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、図５に示すように、酸素ポンプ素子は、酸素イオン導電性基板１の両側に電極膜２、３を形成して構成される。それぞれの電極膜２、３からはリード部材４、５がそれぞれ特定の一部分より取り出されて電源（図示せず）と接続されている。酸素イオン導電性基板１は支持材６で保持されているものである。
【０００３】
また、この種の酸素供給装置もすでに知られている（例えば、特許文献２参照）。これは、図６に示すように、酸素ポンプ素子７は、アルミナなどの多孔質基板８に形成された第１電極膜９と酸素イオン伝導体の薄膜１０と第２電極膜１１とから構成され、第１電極膜９は白金の微粒子を多孔質基板８に、第２電極膜１１は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜１０に結合して薄膜を形成した構成としている。加熱手段１２は、アルミナ基板などの絶縁性基板１３上に導電性ペーストをスクリーン印刷でパターン形成してなるヒータ印刷膜１４から構成され、加熱手段１２は筐体１５に内包されておらず大気に解放された状態で配置されている。
【０００４】
この構成において、加熱手段１２によって酸素ポンプ素子７を酸素ポンプとして動作する温度に加熱し、第１電極膜９をカソード、第２電極膜１１をアノードとして両電極膜間に直流電圧を印加すると、図中矢印で示すように第１電極膜９に解離吸着された空気中の酸素は酸素イオンとして酸素イオン伝導体の薄膜１０中を移動し第２電極膜１１に運ばれ、酸素分子となって大気中に放出される。これによって、筐体１５に取り付けられた容器内の酸素濃度を減少させることができるというものである。
【特許文献１】特開２０００−８６２０４号公報
【特許文献２】特開平１１−２３５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の酸素ポンプ素子では、酸素ポンプ素子動作時の熱量がリード部材４、５に集中し、酸素イオン導電性基板１に局部的な温度ムラ部分が生じるため、熱応力によって酸素イオン導電性基板１に割れが発生するという課題があった。このため酸素ポンプ素子の動作時に発生する大きな熱をいかにムラなく分散させ、かつその部分の長期的な保証を持たせるかが課題となっていた。
【０００６】
また、特許文献２の酸素供給装置では、酸素ポンプ素子７と加熱手段１２が大気に解放された状態にあるので、加熱手段１２からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子７だけでなく大気中の空気の加熱にも使われ、その結果、熱効率が悪くなり、酸素ポンプ素子７を作動させる温度に昇温させるのに必要な加熱手段１２の消費電力が高くなるとともに、酸素ポンプ素子７の酸素イオンの輸送効率が悪いという課題を有していた。また、加熱手段１２は酸素ポンプ素子７の上部に配置されているので、酸素ポンプ素子７の加熱は輻射熱がほとんどとなり、加熱された空気の対流熱を利用できないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、酸素ポンプ素子に発生する局部的な温度ムラを抑えた酸素ポンプ素子と、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減する酸素供給装置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】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプ素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質と、この固体電解質の両面に形成された正、負電極膜と、この正、負電極膜の外周部にそれぞれ接合された金属箔部材とを具備し、前記正、負両極膜は、それぞれ固体電解質に直接接合する第一電極膜と、第一電極膜上に形成された第二電極膜とで構成し、第二電極膜のうち少なくとも一方の第二電極膜の表面上にガラスセラミック膜を部分的に配置し、ガラスセラミック膜上にはヒータ用抵抗体を配設したものである。
【０００９】
これによって、固体電解質はガラスセラミック膜上のヒータ用抵抗体によって加熱されるようになり、固体電解質の面積が小さい時には、小さな電力エネルギーによって固体電解質を酸素イオン伝導に必要となる動作温度まで急速に昇温できる。またヒータ用抵抗体の熱は第二電極膜によって良好に熱伝達されるため動作温度を維持するために必要な電力エネルギーも小さく抑えることができる。
【００１０】
また、本発明の酸素供給装置は、酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段と、この電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体に電圧を印加して加熱する加熱手段と、酸素ポンプ素子における固体電解質の温度を検知して加熱手段を制御する温度制御手段と、加熱手段および酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する通気性の断熱手段と、酸素ポンプ素子を介して発生した酸素を空気と混合して所定酸素濃度の混合ガスにする混合手段とを備えたものである。
【００１１】
これによって、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減することができるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の酸素ポンプ素子とそれを用いた酸素供給装置は、局部的な温度ムラを抑えた酸素ポンプ素子と、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減する酸素供給装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質と、この固体電解質の両面に形成された正、負電極膜と、この正、負電極膜の外周部にそれぞれ接合された金属箔部材とを具備し、前記正、負両極膜は、それぞれ固体電解質に直接接合する第一電極膜と、第一電極膜上に形成された第二電極膜とで構成し、第二電極膜のうち少なくとも一方の第二電極膜の表面上にガラスセラミック膜を部分的に配置し、ガラスセラミック膜上にはヒータ用抵抗体を配設した酸素ポンプ素子とすることにより、固体電解質はガラスセラミック膜上のヒータ用抵抗体によって加熱されるようになり、固体電解質の面積が小さい時には、小さな電力エネルギーによって固体電解質を酸素イオン伝導に必要となる動作温度まで急速に昇温できる。またヒータ用抵抗体の熱は第二電極膜によって良好に熱伝達されるため動作温度を維持するために必要な電力エネルギーも小さく抑えることができる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、ガラスセラミック膜は、正電極膜側の第二電極膜上に部分的に配置したことにより、固体電解質で酸素イオン伝導させる場合に表面反応を律するのは負電極膜であるため、ヒータ用抵抗体を正電極膜上に設けても酸素イオン伝導の特性的なマイナス要因は生じず、固体電解質に対して構成的に有効な活用が図れる。
【００１５】
第３の発明は、第１または第２の発明において、ガラスセラミック膜が部分的に配置される箇所の下層には第一電極膜を配設しないようにしたことにより、固体電解質と電極膜との界面で起こる酸素分子の再結合反応を抑制でき、第二電極膜の表面上に配設されたガラスセラミック膜の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
第４の発明は、第１または第２の発明において、ガラスセラミック膜が部分的に配置される箇所の下層には、絶縁膜を配したことにより、固体電解質と第二電極膜との間に絶縁膜が配させるため、第二電極膜の表面上に配設されたガラスセラミック膜の耐久性をさらに向上させることができる。
【００１７】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、金属箔部材と正、負電極膜の外周部との接合部分に導電膜層を形成するとともに、金属箔部材には導電膜層と導通する導電膜を所定幅形成し、この導電膜にリード部材を接続して金属箔部材の一方向側から取り出していることにより、酸素ポンプ素子として使用された場合、電極膜から導電膜へと大電流が流れるが、この時に発生する大きな熱量に対しても所定の幅を有した導電膜によって金属箔部材の酸化腐食を防御することができる。また、リード部材を一方向側から取り出すことで酸素イオン伝導に必要な電源回路を一方向にまとめて限定できるため装置のレイアウト構成が簡素化できる。
【００１８】
第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明において、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℃付近での長期使用に対して安定した特性を維持できる。
【００１９】
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、金属箔部材の厚みが５〜２０μｍであることにより、固体電解質部分で発生した熱が金属箔部材を介して外周部へと無駄に熱拡散することを抑制することができる。
【００２０】
第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明において、ガラスセラミック膜がＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−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ことにより、ガラスセラミック膜がある程度結晶したガラスセラミック膜状態となり、金属箔部材との十分な密着性を保持させることができるとともに、ヒータ用抵抗体と金属箔部材との絶縁も十分に保つことができた。また金属箔表面が大電流によって高温になった場合にも酸化腐食を防御することができた。
【００２１】
第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明において、固体電解質がランタンガレートであることによって、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る。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。
【００２２】
第１０の発明は、特に、第１〜第９のいずれか１つの発明における酸素ポンプ素子と、酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体に電圧を印加して加熱する加熱手段と、酸素ポンプ素子の固体電解質温度を検知して加熱手段を制御する温度制御手段と、加熱手段および酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する通気性の断熱手段と、酸素ポンプ素子を介して発生した酸素を空気と混合して所定酸素濃度の混合ガスにする混合手段とを備えた酸素供給装置とすることにより、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減することができる。
【００２３】
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。
【００２４】
（実施の形態１）
図１〜図３は本発明の実施の形態１における酸素ポンプ素子とそれを用いた酸素供給装置を示すものである。
【００２５】
図１、図２において、酸素イオン伝導性の固体電解質１６は、置換型のランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）の焼結体を任意の厚さの平板状に成型したものであり、具体的は寸法２０×２０ｍｍ、厚み１００μｍである。固体電解質１６の両面には第一電極膜としてそれぞれ正電極膜１７と負電極膜１８が酸素イオン伝導性を発現するように形成されている。
【００２６】
正電極膜１７と負電極膜１８には、導電性を有する金属複合酸化物成分を主体とするもので、ペロブスカイト型複合酸化物を用いた。具体的には、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３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を形成し、乾燥後、１１００℃にて焼成することにより膜厚約１０μｍの多孔性を有した正、負電極膜１７、１８を形成した。
【００２７】
さらに、正電極膜１７と負電極膜１８の表面上には、貴金属成分を主体とした第二電極膜、すなわち、Ａｕの多孔性の正、負極側導電膜１９、２０を積層した。この場合、Ａｕペーストを使い、スクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥後、８００℃にて焼成することにより膜厚約３μｍの導電膜とした。
【００２８】
さらに、正極側導電膜１９の表面上にはガラスセラミック膜２１が形成されている。ガラスセラミック膜２１にはＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＢａＯ系でアルカリ土類金属の酸化物を２０ｗｔ％含有し、アルカリ金属の酸化物を約１．０ｗｔ％含有する結晶化ガラスを使用した。ガラスセラミック材料は先ず１３００℃にて溶解後、ロール冷却機にてカレット状態に加工され、その後さらにボールミル等にて所定の粒度に粉砕される。粉砕されたガラス粒子を印刷ペーストに加工して供した。結晶化ガラスの結晶化開始温度は約７７０℃であるため、印刷後、８００℃で焼成するとある程度結晶化が進み、耐熱衝撃性に強いガラスセラミック膜が形成される。
【００２９】
さらに、ガラスセラミック膜２１上にはヒータ用抵抗体２２が形成されている。ヒータ用抵抗体２２はＡｇＰｄ（Ａｇ：Ｐｄ＝７０：３０）ペーストにガラスセラミック膜２１を構成する結晶化ガラス粒子を１０ｗｔ％添加したものを使用した。同様に乾燥後、８００℃にて焼成することにより形成した。
【００３０】
正、負極側導電膜１９、２０は、正、負電極膜１７、１８間に１〜１．５Ｖ程度の電圧を印加した時の電位に対して固体電解質１６の面分布ムラを改善できるとともに、ヒータ用抵抗体２２で発生した熱を良好に固体電解質１６全体へと熱伝導することができる。
【００３１】
負電極膜１８側はその外周部に導電性を有する金属箔部材２３を接合している。金属箔部材２３としてはＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ、１０μｍを使用し、負電極膜１８側が露出するように開口部（図２参照）が設けられている。金属箔部材２３が固体電解質１６と接合される内周部の両側表面には導電膜２４、２５が形成されている。導電膜２４、２５はＡｇＰｄ（Ａｇ：Ｐｄ＝９５：５）ペーストを使用してスクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥後、８００℃にて焼成することにより膜厚約３μｍの導電膜を幅５ｍｍ形成した。
【００３２】
正電極膜１７側も導電性を有する金属箔部材２６を接合している。ここでも負電極膜１８側と同様なＡｇＰｄ（Ａｇ：Ｐｄ＝９５：５）ペースト材料を使用し、正電極膜１７側が露出するように開口部が設けられ、金属箔部材２６が固体電解質１６と接合される内周部の両側表面には導電膜２７、２８が形成されている。
【００３３】
負電極膜１８側に配置される金属箔部材２３は正電極膜１７側に配置される金属箔部材２６よりも大きく、固体電解質１６で選択的に酸素を輸送する時の空間区画手段としても使用されるようになっている。すなわち、この負電極膜１８側の大きな金属箔部材２３は固体電解質１６が接する空間部を区画する区画手段を構成する。金属箔部材２３、２６は、正電極膜１７側の正極側導電膜１９、負電極膜１８側の負極側導電膜２０と、導電層２９、３０を介して接合されている。導電層２９はＡｕペーストを使い、乾燥後、８００℃にて焼成することにより、膜厚約４μｍの導電層が金属箔部材２６の導電膜２７、２８と導通するように形成し、導電層３０もＡｕペーストを使い、乾燥後、８００℃にて焼成することにより、膜厚約４μｍの導電層が金属箔部材２３の導電膜２４、２５と導通するように形成した。
【００３４】
また、金属箔部材２３に形成された導電膜２４側よりリード部材３１が結線され、金属箔部材２６に形成された導電膜２８側よりリード部材３２が結線されている。また、絶縁部材３３によって金属箔部材２６が金属箔部材２３と短絡するのを防止している。絶縁部材３３としては厚み０．２ｍｍのマイカシートを使用した。リード部材３１および３２は固体電解質１６の面に対して同一方向（小さい金属箔部材２６側）に配置されるため、酸素供給装置を製造する上で、構造的なレイアウト構成を簡素化することができる。
【００３５】
図３は、図１、図２に示した酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置を示すものである。固体電解質１６に対して区画手段となる金属箔部材２３の周囲は、支持体３５に固定されている。そして、電気絶縁性のガス封止剤３４で封止されている。
【００３６】
また、正電極膜１７側および負電極膜１８側には、リード部材（図１とはその位置が異なるが作用は同じ）を介して電圧印加手段３６が接続されており、電圧印加手段３６には、電圧制御手段３７が接続されている。
【００３７】
加熱手段３８は酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体２２に電圧を印加するため結線され、固体電解質１６の温度を検知する手段３９ａを有する温度制御手段３９が、加熱手段３８に信号を送っている。
【００３８】
固体電解質１６の温度を検知する手段３９ａは、温度センサーあるいは他の方法であってもよい。センサーの場合、固体電解質１６の近傍に配置されるか、あるいは任意の個所に配置してよい。温度制御手段３９が検知する固体電解質１６の温度によって、温度制御手段３９が加熱手段３８を介してヒータ用抵抗体２２への入力を制御する。
【００３９】
ヒータ用抵抗体２２で発生する熱の損失を抑制するための通気性の断熱部材が断熱手段４０および４１である。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材を用いた。酸素供給装置を構成する各要素と全体の形状保持のための容器４２は、負電極膜１８側に、通気用の開口部４３を設けている。
【００４０】
また、容器４２の正電極膜１７側には、通気口４４を介して、ガスの混合手段４５が連結されている。混合手段４５は、ガス誘導管４６と、被混合ガス導入管４７と、ガス混合器４８と、ガスポンプ４９によって構成されている。
【００４１】
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。
【００４２】
まず、酸素供給装置は、室内空気等の大気中に置かれる。この時、窒素や酸素などの大気成分（以下、単に窒素、酸素とする）は、酸素供給装置を構成する通気性の断熱材である断熱手段４０および４１の内部を通過して正電極膜１７側および負電極膜１８側の表面まで拡散した状態で安定している。
【００４３】
この状態において、温度制御手段３９によってヒータ用抵抗体２２に通電すると、断熱手段４０および４１内の固体電解質１６の温度が上昇する。温度制御手段３９は、固体電解質１６が動作するに必要な温度、約６００℃となるよう、ヒータ用抵抗体２２を制御しながら通電していく。但し、この温度が限定を受けるものではなく、固体電解質１６の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。この場合にはヒータ用抵抗体２２に１８Ｗの電力を使用することで固体電解質を約４０秒で６００℃にすることができた。また定常状態では６００℃を維持するために必要な電力は１１Ｗであった。
【００４４】
固体電解質１６の酸素イオン伝導可能な温度に達した時点で、正電極膜１７と負電極膜１８を介して固体電解質１６に１〜１．５Ｖ程度の電圧を印加すると、負電極膜１８側の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜１８から固体電解質１６の内部を酸素イオンとして、正電極膜１７へと移動し、正電極膜１７側の表面から再結合された酸素分子として放出される。
【００４５】
この時、固体電解質１６には低電圧大電流が流れるとともに、加わった電圧で固体電解質１６内部を大電流が流れることによって自己発熱する。例えば、０．５〜２Ａ／cm2の電流を流すことになる。したがって、使用される金属箔部材２３、２６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２３、２６の表面上に形成された導電膜２４、２５、２７、２８は大電流に対する集電性を向上させるとともに、金属箔部材２３、２６の表面酸化に対しても効果的に防御させることができた。金属箔部材２３、２６の表面上に導電膜２４、２５、２７、２８を形成して高温酸化を防止するためには少なくとも正、負電極膜１７、１８との接合部から外周方向に３ｍｍ幅以上が必要であった。また、あまり幅が広すぎても高価な材料の無駄を生じさせることになるので実用的には金属箔部材２３、２６の表面上に形成させる導電膜２４、２５、２７、２８の幅は３〜７ｍｍが好ましいと考えられる。
【００４６】
正電極膜１７の表面近傍は、純酸素に近い状態となるが、ガスリークの完全な防止ができない限り、正電極膜１７の表面から離れるとともに、排出された酸素はリークしたガスと自然に混合される。したがって、空間を区画する手段となる金属箔部材２３とガス封止剤３４が、負電極膜１８側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。
【００４７】
一方、窒素は負電極膜１８の側に残される。残された窒素は、断熱手段４０の通気性により、大気中に拡散していくとともに、負電極膜１８側には新たな酸素が外部より供給される。
【００４８】
正電極膜１７から放出される酸素ガスは、通気口４４を通り、ガス混合手段４５を構成することによってガス誘導管４６と、被混合ガス導入管４７と、ガス混合器４８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４９の吸引と排出速度によって決められる。
【００４９】
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１６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。イオン電流は、固体電解質１６に印加される電圧の大きさによって制御できる。
【００５０】
最終的に、本実施の形態の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、電圧制御手段３７による電圧制御とガスポンプ４９による混合ガス流量の制御によって実行されることになる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態では、固体電解質１６と正電極膜１７側と負電極膜１８側とを酸素イオン伝導性を発現するように結合させ、固体電解質１６を介して空間部を区画手段によってガスリークを抑制し、加熱昇温と電圧印加を行うことにより、酸素分子を正電極膜１７から放出させ、酸素富化された混合ガスを生成することとなり、電圧制御手段３７による電圧制御とガスポンプ４９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。
【００５２】
本実施の形態との比較例として、固体電解質１６を同様な構成でリボンヒータによって間接加熱した場合には、立ち上げ時リボンヒータに４０Ｗの電力を使用することで固体電解質を約４０秒で６００℃にすることができ、定常状態で６００℃に維持するために必要な電力は２８Ｗであった。これにより、本実施の形態の酸素ポンプ素子は、小さな電力エネルギーで固体電解質１６を酸素イオン伝導に必要となる動作温度まで急速に昇温できる。また、近接しているので動作温度を維持するために必要な電力エネルギーも小さく抑えることができる。
【００５３】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における酸素ポンプ素子を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
本実施の形態では、固体電解質５０の表面には第一電極膜としてそれぞれ正電極膜５１と負電極膜５２が形成されている。しかし、正電極膜５１には、その後、上面にガラスセラミック膜５６が形成される箇所の下層には第一電極膜である正電極膜５１が配設されない構成とした。その正電極膜５１が配設されない箇所にはギャップを埋めるように同じ厚みとなるように絶縁膜５３を配設した。具体的にはＣｅＯ２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を形成し、乾燥後、１１００℃にて焼成した。正電極膜５１、負電極膜５２、絶縁膜５３の表面上には、第二電極膜としてそれぞれＡｕの多孔性の正、負極側導電膜５４、５５を積層した。さらに、正極側導電膜５４の表面上にはガラスセラミック膜５６が形成されている。その表面上にはヒータ用抵抗体５７が配設されている。ここで各電極膜および各導電膜の材料は実施の形態１と同じである。またガラスセラミック膜５６とヒータ用抵抗体５７の材料も実施の形態１と同じである。
【００５５】
固体電解質５０と第二電極膜である正極側導電膜５４との間に絶縁膜５３を配置することで、酸素イオン伝導体としての特性を完全に抑制することができる。すなわち、負極側から固体電解質内部を酸素イオン伝導した後に、第一電極膜である正電極膜５１が配設された箇所でしか酸素分子の再結合は行われない。ガラスセラミック膜５６と第二電極膜である正極側導電膜５４との界面で酸素イオン伝導してきたものが酸素ガスとして発生するようなことが全く心配なくなり、正極側導電膜５４の表面上に配設されたガラスセラミック膜５６の耐久性、信頼性を向上させることができる。
【００５６】
本実施の形態では、固体電解質５０表面に絶縁膜５３を形成するためにＣｅＯ２を使用したがこれに限定される訳ではない。固体電解質５０との密着性が確保でき、絶縁性を維持できるものであれば良い。また、正電極膜５１と熱処理温度が同じか近い方が製造プロセス的に適している。ＣｅＯ２の他に希土類金属系あるいは遷移金属系の単独酸化物が好ましいと考えられる。
【００５７】
上記した各実施の形態１、２では、ガラスセラミック膜およびヒータ用抵抗体を固体電解質の正極側だけに配設した場合について説明したが、これに限定される訳ではない。固体電解質に対して酸素イオン伝導の要求特性が低い場合、例えば、電流密度１Ａ／cm2以下であれば、固体電解質の両面にガラスセラミック膜およびヒータ用抵抗体を配設しても構わない。しかし、要求特性が電流密度１〜３Ａ／cm2であれば正極側だけに配設することが好ましい。すなわち、固体電解質で酸素イオン伝導させる場合に表面反応を律するのは負極側電極膜であるため、ヒータ用抵抗体を正極側電極膜上に設けても酸素イオン伝導の特性的なマイナス要因は生じないからである。
【００５８】
また、各実施の形態では、ガラスセラミック膜としてＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−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、導電膜やヒータ用抵抗体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。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７５０〜８００℃とすることができた。その結果、ＡｕペーストやＡｇＰｄペーストと熱処理温度条件をほど同一にすることができる。
【００５９】
また、各実施の形態では、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）、サマリウムドープ型のセリア（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、最も好ましい材料といえる。
【００６０】
また、各実施の形態では、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１０μｍ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、ヒータ用抵抗体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。しかしながら、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。
【００６１】
また、各実施の形態では、金属箔部材の構成として負電極膜側に接合させる方を他よりも大きくし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る方を大きくしてもよい。
【００６２】
また、各実施の形態では、導電膜としてＡｕ系、ＡｇＰｄ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のものも使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、本発明にかかる酸素ポンプ素子とそれを用いた酸素供給装置は、局部的な温度ムラを抑えた酸素ポンプ素子と、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減する酸素供給装置を得ることができるので、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、医療機器など広範な用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１における酸素ポンプ素子の断面図
【図２】同酸素ポンプ素子の分解斜視図
【図３】同酸素ポンプ素子を用いた酸素供給装置を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態２における酸素ポンプ素子の断面図
【図５】従来の酸素ポンプ素子を示す断面図
【図６】従来の酸素供給装置を示す断面図
【符号の説明】
【００６５】
１６  固体電解質
１７、５１  正電極膜（第一電極膜）
１８、５２  負電極膜（第一電極膜）
１９、５４  正極側導電膜（第二電極膜）
２０、５５  負極側導電膜（第二電極膜）
２１、５６  ガラスセラミック膜
２２、５７  ヒータ用抵抗体
２３、２６  金属箔部材
２４、２５、２７、２８  導電膜
２９、３０  導電膜層
３１、３２  リード部材
３６  電圧印加手段
３７  電圧制御手段
３８  加熱手段
３９  温度制御手段
４０  断熱手段
４１  断熱手段
４５  混合手段
５３  絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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