(57)【要約】【課題】高電圧小電流化して動作させることが可能となる酸素ポンプ素子を提供することを目的とする。【解決手段】絶縁膜で被覆された金属箔部材１２は複数の開口部を備え、この開口部に酸素イオン伝導性の固体電解質７をガスシールして複数配置し、固体電解質７の両面には正電極膜と負電極膜を形成し、複数の固体電解質７は正電極膜および負電極膜が電気的に直列回路となるようにしている。これによって、複数の固体電解質７を電気的に直列回路となるように構成することで、固体電解質７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動作させることが可能となる。また、固体電解質７は金属箔部材１２上に配置されており、熱衝撃、熱歪に対しても十分な柔軟性を有している。【選択図】図２
2006258623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜で被覆された金属箔部材は複数の開口部を備え、前記開口部に酸素イオン伝導性の固体電解質をガスシールして複数配置し、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜を形成し、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ている酸素ポンプ素子。
【請求項２】
１つの固体電解質には、正電極膜と負電極膜が複数に分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置され、前記正電極膜および前記負電極膜は電気的に直列回路となるように構成されている請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項３】
ガスシールは、金属箔部材の開口部周囲と固体電解質の外周部とが導電膜で接合され、少なくとも１つの正電極膜または負電極膜が前記導電膜と電気的に導通関係にある請求項１または２に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項４】
金属箔部材と固体電解質とのガスシールである導電膜と、固体電解質上の少なくとも１つの正電極膜または負電極膜とにリード部を接続し、リード部を金属箔部材面に対して同一面方向から取出した請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項５】
１つの固体電解質の両面に形成された正電極膜と負電極膜は、固体電解質に設けた貫通孔を介して結線することで直列回路となるようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項６】
一枚の金属箔部材は、固体電解質が位置する空間部を区画する区画手段として構成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項７】
正電極膜と負電極膜は、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し、第一電極膜は固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜とし、第二電極膜は貴金属成分を主体とする膜とした請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項８】
固体電解質がランタンガレートである請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項９】
第一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請求項７または８に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１０】
導電膜は貴金属成分を主体として構成した請求項３〜９のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１１】
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１〜１０のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１２】
絶縁膜が金属箔部材表面に液相析出法で形成されたＴｉＯ２膜またはＺｒＯ２膜である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段および前記酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する断熱手段と、前記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は、複数枚の酸素イオン伝導性基板を同時に使用する場合、同じ面側の電極膜をリード線等で電気的に接続し、電源電圧を並列に印加するものであった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これは、図８、図９に示すように、多数枚の酸素イオン導電性基板１が支持部材２に固定されている。それぞれの電極膜３の周縁部からリード線４が引き出されて集結し、配線に同電位の状態で接続されている。配線からはリード線５が引き出され、電源の一方の極に接続されている。また、裏面からは同様にして引き出されたリード線６が、電源のもう一方の極に接続されている。
【特許文献１】特表平８−５２７４８５号公報
【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、前記従来の構成では、複数個の酸素イオン伝導性基板１が並列に接続されているため、各リード線が集結したリード線には大きな電流が流れることになる。したがって、十分に太いリード線や電気抵抗の小さな特別なリード線を使う必要があるという課題を有していた。また、例えば、家庭での実使用を考慮した場合、数十ボルトの電圧よりも数十アンペアの電流の方が、電源回路の構成が複雑になり、高コストという課題もあった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、高電圧小電流化して動作させることが可能となる酸素ポンプ素子とそれを用いた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】
【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素子とそれを用いた酸素供給装置は、絶縁膜で被覆された金属箔部材は複数の開口部を備え、前記開口部に酸素イオン伝導性の固体電解質をガスシールして複数配置し、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜を形成し、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して酸素ポンプ素子を構成し、これを用いて酸素供給装置としているものである。
【０００７】
これによって、絶縁膜で被覆された金属箔部材に複数の固体電解質を電気的に直列回路となるように構成することで、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動作させることが可能となる。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。
【発明の効果】
【０００８】
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、固体電解質に印加される電圧を積み上げることができ、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、絶縁膜で被覆された金属箔部材は複数の開口部を備え、前記開口部に酸素イオン伝導性の固体電解質をガスシールして複数配置し、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜を形成し、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ている酸素ポンプ素子とすることにより、絶縁膜で被覆された金属箔部材に複数の固体電解質を電気的に直列回路となるように構成することで、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動作させることが可能となる。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。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明において、１つの固体電解質には、正電極膜と負電極膜が複数に分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置され、前記正電極膜および前記負電極膜は電気的に直列回路となるように構成されていることにより、１つの固体電解質に対して印加する電圧は正電極膜と負電極膜を分割することで積み上げることが可能となり、少ない固体電解質の枚数で酸素ポンプ素子全体への電流値を低く抑えることができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、ガスシールは、金属箔部材の開口部周囲と固体電解質の外周部とが導電膜で接合され、少なくとも１つの正電極膜または負電極膜が前記導電膜と電気的に導通関係にあることにより、導電膜でガスシールを行うとともに正電極膜または負電極膜からのリード取出し部として使用することができ、酸素ポンプ素子の構成レイアウトに自由度が広がる。また、固体電解質で生ずる大きな熱衝撃、熱歪に対しても導電膜は十分な柔軟性を有している。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、金属箔部材と固体電解質とのガスシールである導電膜と、固体電解質上の少なくとも１つの正電極膜または負電極膜とにリード部を接続し、リード部を金属箔部材面に対して同一面方向から取出したことにより、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。
【００１３】
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、１つの固体電解質の両面に形成された正電極膜と負電極膜は、固体電解質に設けた貫通孔を介して結線することで直列回路となるようにしたことにより、複数の正電極膜と負電極膜をスクリーン印刷等の方法によって片面は一度に結線処理することができるので、量産化時の製造プロセスを簡素化することができる。
【００１４】
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、一枚の金属箔部材は、固体電解質が位置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、十分なガスシール性を保持させることができる。
【００１５】
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、正電極膜と負電極膜は、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し、第一電極膜は固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜とし、第二電極膜は貴金属成分を主体とする膜としたことにより、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。
【００１６】
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、固体電解質がランタンガレートであることにより、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。
【００１７】
第９の発明は、特に、第７または第８の発明において、第一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。
【００１８】
第１０の発明は、特に、第３〜第９のいずれか１つの発明において、導電膜は貴金属成分を主体として構成したことにより、固体電解質で発生した熱衝撃、熱歪にも十分対応することができる柔軟性を有しているので、金属箔部材から固体電解質が剥離するのを抑制できる。
【００１９】
第１１の発明は、特に、第１〜第１０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℃付近で長期使用に対して安定した特性を維持できる。
【００２０】
第１２の発明は、特に、第１〜第１１のいずれか１つの発明において、絶縁膜が金属箔部材表面に液相析出法で形成されたＴｉＯ２膜またはＺｒＯ２膜であることにより、得られた絶縁膜は酸素ポンプで使用する高温にも十分対応することができるとともに、絶縁膜は非常に薄い膜なので、金属箔部材の柔軟性を損なうことなく、固体電解質が金属箔部材から剥離するのを抑制でき、固体電解質を直列回路とするために必要な絶縁性を保持させることができる。
【００２１】
第１３の発明は、特に、第１〜第１２のいずれか１つの発明における酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段および前記酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する断熱手段と、前記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、酸素ポンプ素子への印加電圧は複数の固体電解質が直列回路で構成されることで電圧が積み上げられ、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できる。また、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。また、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が断熱材に覆われた簡素な構造とすることができるので、酸素ポンプの小型化が可能となり、機器への実装を容易にすることができる。
【００２２】
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。
【００２３】
（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の実施の形態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。
【００２４】
図１、図２に示すように、本実施の形態における酸素ポンプ素子は、絶縁膜で被覆された金属箔部材１２は複数の開口部１２ａ（図３）を備え、前記開口部１２ａに酸素イオン伝導性の固体電解質７を導電膜１３でガスシールして複数配置し、前記固体電解質７の両面には正電極膜８と負電極膜９を形成し、複数の固体電解質７は前記正電極膜８および前記負電極膜９が電気的に直列回路となるように構成されているものである。本実施の形態では、正電極膜８と負電極膜９の表面上には、第二電極膜としてＡｕ多孔性の正第二電極膜１０、負第二電極膜１１を積層した。
【００２５】
前記した固体電解質７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、表面上には第一電極膜として、正電極膜８と負電極膜９が酸素イオン伝導性を発現するように形成されている。ここでは固体電解質として寸法１５×１５ｍｍ、厚み１００μｍを想定して説明する。
【００２６】
正電極膜８と負電極膜９には、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、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１５μｍの多孔性を有した電極膜を形成した。
【００２７】
更に、正電極膜８と負電極膜９の表面上に積層した正第二電極膜１０、負第二電極膜１１は、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の第二電極膜を形成した。正第二電極膜１０、負第二電極膜１１は、正電極膜８と負電極膜９間に電圧を印加した時の電位に対して固体電解質７の面分布ムラを改善できる。
【００２８】
ここで、図２に示すように、固体電解質７が３６個使用された酸素ポンプ素子について説明する。
【００２９】
個々の固体電解質７は、負電極膜９側が１枚の絶縁膜で被覆された金属箔部材１２と連結されている。金属箔部材１２としてはＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ、１２μｍを使用し、表面上には液相析出法によってＴｉＯ２が約０．２μｍ被覆されているため絶縁性を有する。金属箔部材１２には、固体電解質７の負第二電極膜１１面が露出するように３６個の開口部１２ａ、１２×１２ｍｍが設けられている。固体電解質７の外周部の負電極膜９側、すなわち負第二電極膜１１は導電膜１３によってガスシールして金属箔部材１２と接合されている。固体電解質７の寸法は１５×１５ｍｍに対して金属箔部材１２に設けられた開口部１２ａは１２×１２ｍｍなので導電膜１３による接合部は固体電解質７の周囲１．５ｍｍ幅となる。金属箔部材１２の開口部１２ａに導電膜１３としてＡｕペーストを使い、１６×１６ｍｍで一部にリード取出し部が形成できるようにスクリーン印刷を２回行った。その後、乾燥、７５０℃にて焼成することにより３６個の固体電解質７を金属箔部材１２と接合させた。
【００３０】
各固体電解質７の負第二電極膜１１と電気的に導通する導電膜１３によって形成されたリード取出し部と、隣の固体電解質７の正第二電極膜１０側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φ０．１ｍｍの金線１４によって行った。図２において、個々の固体電解質７には直列回路に結線した序列を番号付け（１〜３６）している。３６個の固体電解質７に対して最終的には１番目の固体電解質７の正第二電極膜１０と結線されたリード部１５と、３６番の固体電解質７の負第二電極膜１１と電気的に導通する導電膜１３と結線されたリード部１６から酸素ポンプ素子全体に電圧を印加する構成となる。リード部１５、１６は金属箔部材１２面に対して同一面方向から取出している。
【００３１】
図３は上記酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置の構成を示すものである。
【００３２】
３６個の固体電解質７に対して空間の区画手段となる一枚の金属箔部材１２の周囲は、電気絶縁性のガス封止剤１７で支持体１８に固定されている。また、リード部１５およびリード部１６には、導線を介して、酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段１９と電圧印加手段１９を制御する電圧制御手段２０が接続されている。酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段２１のヒータ２２は、負電極膜側の表面に対向して配置され、固体電解質７の温度を検知する手段２３ａを有する温度制御手段２３が、加熱手段２１に信号を送って加熱手段２１を制御する。
【００３３】
固体電解質７の温度を検知する手段２３ａは、温度センサーあるいは他の手段を用いてもよい。センサーの場合、固体電解質７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２３が検知する固体電解質７の温度によって、温度制御手段２３が、加熱手段２１を構成するヒータ２２の入力制御を行う。
【００３４】
ヒータ２２が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２４および２５であり、加熱手段２１および酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する。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。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２６は、負電極膜側に、通気用の開口部２７を設けている。
【００３５】
また、容器２６の正電極膜側には、通気口２８を介して、ガスの混合手段２９が連結されている。混合手段２９は、ガス誘導管３０と、被混合ガス導入管３１と、ガス混合器３２と、ガスポンプ３３によって構成されており、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、通気性の断熱材である断熱手段２４および２５の内部を通過して正電極膜８側および負電極膜９側の表面まで拡散した状態で安定している。
【００３８】
この状態において温度制御手段２３によってヒータ２２に通電すると、断熱手段２４および２５内の固体電解質７の温度が上昇する。温度制御手段２３は、固体電解質７が動作するに必要な温度、約６００℃となるよう、ヒータ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７の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。
【００３９】
固体電解質７のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正第二電極膜１０と負第二電極膜１１を介して個々の固体電解質７に電圧を印加すると、負電極膜９側の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜９から固体電解質７の内部を酸素イオンとして、正電極膜８へと移動し、正電極膜８側の表面から酸素分子として放出される。
【００４０】
この時、個々の固体電解質７には約０．７Ｖの電圧印加によって、２．９Ａの電流が流れる。したがって、３６個の固体電解質７からなる酸素ポンプ素子は２４Ｖで動作させることによって、酸素ガス  約３７０ｍｌ／ｍｉｎを得ることが可能となる。この時、金属箔部材１２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１２の表面上に形成されたＴｉＯ２膜は金属箔部材１２の表面酸化に対して効果的に防御させることができる。金属箔部材１２としても、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。
【００４１】
正電極膜８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、正電極膜８側の表面から離れ、断熱手段２５を通過して排出される。したがって、空間の区画手段となる金属箔部材１２とガス封止剤１７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７と金属箔部材１２とをガスシールする導電膜１３も負電極膜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。
【００４２】
一方、窒素は負電極膜９側に残される。残された窒素は、断熱手段２４の通気性により、大気中に拡散していくと共に、負電極膜９側には新たな空気とともに酸素が外部より供給される。
【００４３】
正電極膜８側から放出される酸素ガスは、通気口２８を通り、混合手段２９を構成するガス誘導管３０と、被混合ガス導入管３１と、ガス混合器３２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３３の吸引と排出速度によって決められる。
【００４４】
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７を流れる酸素イオン量、すなわちイオン電流の大きさとによって決められる。イオン電流は、固体電解質７に印加される電圧の大きさによって制御できる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態では、３６個の固体電解質７を電気的に直列回路で連結し、正電極膜８側と負電極膜９側を酸素イオン伝導性を発現するように固体電解質７を介して空間部を金属箔部材１２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８側から放出させ、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２０による電圧制御とガスポンプ３３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、２４Ｖで動作時、酸素濃度９０％、０．４Ｌ／ｍｉｎ〜酸素濃度３０％、３Ｌ／ｍｉｎを供給することが可能であった。
【００４６】
（実施の形態２）
図４、図５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。基本構成は実施の形態１と同じであるので相違点について説明する。
【００４７】
本実施の形態において、固体電解質３４の表面上に形成する第一電極膜および第二電極膜の構成は、実施の形態１と同じである。固体電解質３４の寸法は３１×３１ｍｍ、厚み１３０μｍである。ここでは１つの固体電解質３４に、正電極膜（図示せず）と正第二電極膜３６、負電極膜（図示せず）と負第二電極膜３７とが４分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置されている。４分割されたうちの１つの正第二電極膜３６と負第二電極膜３７の寸法は１２×１２ｍｍであり、隣り合う電極膜の間隔は２ｍｍとした。金属箔部材３５も実施の形態１と同様のものを使用し、９個の開口部、２８×２８ｍｍが設けられている。
【００４８】
４分割された正第二電極膜３６と負第二電極膜３７とは電気的に直列回路となるように構成されている。図に示すように、個々の固体電解質３４は直列回路に結線した電位序列を番号付け（１〜３６）している。
【００４９】
具体的には、１つの固体電解質３４の中心線位置に貫通孔３８が３箇所配設され、貫通孔３８を利用して正第二電極膜３６は隣の反対側に位置する負第二電極膜３７と電気的に結線されている。１番目の負第二電極膜３７は隣に位置する２番目の正第二電極膜３６と、２番目の負第二電極膜３７は中心に位置する貫通孔３８を使用して３番目の正第二電極膜３６と、３番目の負第二電極膜３７は隣に位置する４番目の正第二電極膜３６と結線されている。４番目の負第二電極膜３６は固体電解質３４が金属箔部材３５と接合される導電膜３９と結線され、導電膜３９は固体電解質３４からはみ出す部分が設けられ、その導電膜３９から隣に位置する固体電解質３４の５番目の正第二電極膜３６と金線４０で結線されている。順次同様に結線され、最終的には１番目の正第二電極膜３６と結線されたリード部４１と３６番目の負第二電極膜３７と導通するように結線されたリード部４２に電圧を印加することで酸素ポンプ素子を動作させることになる。
【００５０】
固体電解質３４は金属箔部材３５に対して１．５ｍｍ幅で導電膜３９により接合されている。金属箔部材３５の開口部に導電膜３９としてＡｕペーストを使い、開口部２８×２８ｍｍに対して３２×３４ｍｍの印刷を行うことで固体電解質３４からはみ出し、リード取出し部が形成できるようにスクリーン印刷を２回行った。その後、乾燥、７５０℃にて焼成することにより９個の固体電解質３４を金属箔部材３５と接合させた。
【００５１】
正第二電極膜３６と負第二電極膜３７との結線はＡｕペーストのスクリーン印刷によって同時に行った。したがって、正第二電極膜３６と負第二電極膜３７との結線のための製造プロセスは特に追加されていない。
【００５２】
そして、本実施の形態における酸素ポンプ素子を用いて実施の形態１と同様な酸素供給装置を作製した。その結果、２６Ｖで動作させることによって、２．９Ａの電流が流れ、酸素ガス  約３７０ｍｌ／ｍｉｎを得ることができた。したがって、９枚の固体電解質３４を使用して実施の形態１と同じ電流値で同等の性能を得ることができた。金属箔部材３５上に９個の固体電解質３４を配置し、少ない金線４０とリード部４１、４２を結線することで完成するため、製造プロセスは実施の形態１と比較すると簡素化されている。
【００５３】
（実施の形態３）
図６、図７は、本発明の実施の形態３における酸素ポンプ素子を示すものである。基本構成は実施の形態１と同じであるので相違点について説明する。
【００５４】
本実施の形態において、固体電解質４３の表面上に形成する第一電極膜および第二電極膜の構成は、実施の形態１と同じである。固体電解質４３の寸法は４６×４６ｍｍ、厚み２００μｍである。ここでは１つの固体電解質４３に、正電極膜（図示せず）と正第二電極膜４５、負電極膜（図示せず）と負第二電極膜４６とが９分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置されている。９分割されたうちの１つの正第二電極膜４５と負第二電極膜４６の寸法は１２×１２ｍｍであり、隣り合う電極膜の間隔は２ｍｍとした。金属箔部材４４も実施の形態１と同様のものを使用し、４個の開口部、４２×４２ｍｍが設けられている。
【００５５】
９分割された正第二電極膜４５と負第二電極膜４６とは電気的に直列回路となるように構成されている。図に示すように、個々の固体電解質４３は直列回路に結線した電位序列を番号付け（１〜３６）している。
【００５６】
具体的には、１つの固体電解質４３に貫通孔４７が８箇所配設され、貫通孔４７を利用して正第二電極膜４５は隣の反対側に位置する負第二電極膜４６と電気的に順次結線されている。９番目の負第二電極膜４６は固体電解質４３が金属箔部材４４と接合される導電膜４８と結線され、導電膜４８は固体電解質４３からはみ出す部分が設けられ、その導電膜４８から隣に位置する固体電解質４３の１０番目の正第二電極膜４５と金線４９で結線されている。さらに順次同様に結線され、最終的には１番目の正第二電極膜４５と結線されたリード部５０と３６番目の負第二電極膜４６と導通するように結線されたリード部５１に電圧を印加することで酸素ポンプ素子を動作させることになる。
【００５７】
固体電解質４３は金属箔部材４４に対して２ｍｍ幅で導電膜４８により接合されている。金属箔部材４４の開口部に導電膜４８としてＡｕペーストを使い、開口部４２×４２ｍｍに対して４７×４９ｍｍの印刷を行うことで固体電解質４３からはみ出し、リード取出し部が形成できるようにスクリーン印刷を２回行った。その後、乾燥、７５０℃にて焼成することにより４個の固体電解質４３を金属箔部材４４と接合させた。
【００５８】
正第二電極膜４５と負第二電極膜４６との結線はＡｕペーストのスクリーン印刷によって同時に行った。したがって、正第二電極膜４５と負第二電極膜４６との結線のための製造プロセスは特に追加されていない。
【００５９】
そして、本実施の形態における酸素ポンプ素子を用いて実施の形態１と同様な酸素供給装置を作製した。その結果、３２Ｖで動作させることによって、２．９Ａの電流が流れ、酸素ガス  約３７０ｍｌ／ｍｉｎを得ることができた。したがって、４枚の固体電解質４３を使用して実施の形態１と同じ電流値で同等の性能を得ることができた。金属箔部材４４上に４個の固体電解質４３を配置し、より少ない金線４９とリード部５０、５１を結線することで完成するため、製造プロセスは実施の形態１と比較するとより簡素化されている。
【００６０】
上記した各実施の形態１〜３では、固体電解質７、３４、４３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。
【００６１】
また、第一電極膜（正電極膜８、負電極膜９）の複合金属酸化物としてＳｍ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3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。
【００６２】
また、金属箔部材１２、３５、４４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。
【００６３】
また、絶縁膜で被覆された金属箔部材１２、３５、４４として、ＴｉＯ２膜を液相析出法で形成したものを使用したがこれに限定されるものではない。その他にＺｒＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜が使用できる。これらは処理水溶液中に浸漬することによって薄い酸化被膜を短時間で形成させることができ、酸素ポンプ素子を動作させる高温雰囲気下でも十分な絶縁性を保持させることができた。絶縁膜は非常に薄い膜なので、金属箔部材の柔軟性を損なうことなく、固体電解質が金属箔部材から剥離するのを抑制でき、固体電解質を直列回路とするために必要な絶縁性を保持させることができた。
【００６４】
また、金属箔部材１２、３５、４４の構成として負電極膜９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のみ説明したが、逆に正電極膜８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。
【００６５】
また、正第二電極膜１０、３６、４５、導電膜１３、３９、４８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。
【００６６】
また、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。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
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、固体電解質に印加される電圧を積み上げることができ、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、健康増進機器など広範な用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１における酸素ポンプ素子の固体電解質を示す断面図
【図２】同酸素ポンプ素子の平面図
【図３】同酸素ポンプ素子を用いた酸素供給装置の断面図
【図４】本発明の実施の形態２における酸素ポンプ素子の正極側の平面図
【図５】同酸素ポンプ素子の負極側の平面図
【図６】本発明の実施の形態３における酸素ポンプ素子の正極側の平面図
【図７】同酸素ポンプ素子の負極側の平面図
【図８】従来例を示す酸素ポンプ素子の平面図
【図９】同酸素ポンプ素子用いた酸素供給装置の断面図
【符号の説明】
【００６９】
７、３４、４３  固体電解質
８  正電極膜
９  負電極膜
１０、３６、４５  正第二電極膜
１１、３７、４６  負第二電極膜
１２、３５、４４  金属箔部材
１３、３９、４８  導電膜
１４、４０、４９  金線
１５、１６、４１、４２、５０、５１  リード部
１９  電圧印加手段
２０  電圧制御手段
２１  加熱手段
２３  温度制御手段
２４、２５  断熱手段
２９  混合手段
３８、４７  貫通孔
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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