(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の両面に形成された正、負電極膜１７、１８と、この正、負電極膜１７、１８に接合された金属箔部材２１、２５とを具備し、金属箔部材２１は他方より大きくして固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成し、金属箔部材２１、２５の少なくともいずれか一方の片面部分にはガラスセラミック膜２３を配設するとともに、このガラスセラミック膜２３上にはヒータ用抵抗体２４を配設したものである。これによって、固体電解質１６はヒータ用抵抗体２４によって金属箔部材２１を介しながら加熱されるようになり、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２４が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。【選択図】図１
2006133106.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、金属箔部材はいずれか一方を他方より大きくして固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成し、金属箔部材の少なくともいずれか一方の片面部分にはガラスセラミック膜を配設するとともに、この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】
正、負電極膜と各金属箔部材との接合部分に導電膜を形成するとともに、この導電膜に接続するリード部材は小さい金属箔部材側から取り出すようにした請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項３】
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または２に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項４】
金属箔部材の厚みが５〜２０μｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項６】
導電膜の幅またはガラスセラミック膜の幅が３〜７ｍｍ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】
固体電解質がランタンガレートである請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子と、この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７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８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、金属箔部材はいずれか一方を他方より大きくして固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成し、金属箔部材の少なくともいずれか一方の片面部分にはガラスセラミック膜を配設するとともに、この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、固体電解質は外周部に設けられたヒータ用抵抗体によって金属箔部材を介しながら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。
【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、金属箔部材はいずれか一方を他方より大きくして固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成し、金属箔部材の少なくともいずれか一方の片面部分にはガラスセラミック膜を配設するとともに、この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、固体電解質は外周部に設けられたヒータ用抵抗体によって金属箔部材を介しながら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。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明において、正、負電極膜と各金属箔部材との接合部分に導電膜を形成するとともに、この導電膜に接続するリード部材は小さい金属箔部材側から取り出すようにしたことにより、酸素ポンプ素子として使用された場合、正、負電極膜と導電膜間には大電流が流れるが、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。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１または第２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。
【００１６】
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、金属箔部材の厚みが５〜２０μｍであることにより、ヒータ用抵抗体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。
【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、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、約８００℃で焼成することにより、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る。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、導電膜の幅またはガラスセラミック膜の幅が３〜７ｍｍあることにより、金属箔部材に形成された導電膜に大電流が流れることによって正、負電極膜との接合部付近が局部的に高温になった場合にも酸化腐食を防御することができ、酸素ポンプ素子の長期安定性を向上させることができる。
【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、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。
【００２０】
第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明における酸素ポンプ素子と、この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。
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１〜図４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。
【００２３】
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。
【００２４】
正電極膜１７と負電極膜１８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１０μｍの多孔性を有した正、負電極膜１７、１８を形成した。
【００２５】
更に、正電極膜１７と負電極膜１８の表面上には、Ａｕの多孔性の導電膜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。導電膜１９、２０は、正、負電極膜１７、１８間に電圧を印加した時の電位に対して固体電解質の面分布ムラを改善できる。
【００２６】
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２１を接合している。金属箔部材２１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中央に開口部（図２参照）が設けられている。金属箔部材２１が固体電解質１６と接合される内周部の片側表面には導電膜２２が形成されている。導電膜２２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。
【００２７】
さらに、金属箔部材２１の他の片側表面にはガラスセラミック膜２３が形成されている。ガラスセラミック膜２３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２３が形成される。
【００２８】
さらに、ガラスセラミック膜２３上にはヒータ用抵抗体２４が配設されている。ヒータ用抵抗体２４はＡｇＰｄ（Ａｇ：Ｐｄ＝７０：３０）ペーストにガラスセラミック膜２３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。酸素ポンプ素子の負電極膜１８側からみて示した状態を図３に示した。
【００２９】
正電極膜１７側も導電性を有する金属箔部材２５と連結されている。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２５が固体電解質１６と接合される両側表面には導電膜２６、２７が形成されている。負電極膜１８側に配置される金属箔部材２１は正電極膜１７側に配置される金属箔部材２５よりも大きくして固体電解質１６が接する空間部を区画する区画手段として構成している。金属箔部材２１、２５は正電極膜１７側の導電膜１９、負電極膜１８側の導電膜２０と導電層２８、２９を介して接合されている。導電層２８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２５の導電膜２６、２７と導通するように形成し、導電層２９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２１の導電膜２２と導通するように形成した。
【００３０】
また、金属箔部材２１に形成された導電膜２２側よりリード部材３０が接続され、金属箔部材２５に形成された導電膜２７側よりリード部材３１が接続されている。また、絶縁部材３２によって金属箔部材２５が金属箔部材２１と短絡するのを防止している。絶縁部材３２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３０および３１は固体電解質１６の面に対して同一方向、すなわち、リード部材３０、３１は小さい方の金属箔部材２５側から取り出すように配置したため、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。
【００３１】
図４は、図１〜図３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。
【００３２】
固体電解質１６に対して区画手段となる金属箔部材２１の周囲は、支持体３４に固定されている。そして、電気絶縁性のガス封止剤３３で封止されている。
【００３３】
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３５が接続されており、電圧印加手段３５には、電圧制御手段３６が接続されている。
【００３４】
加熱手段３７は酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体２４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３８ａを有する温度制御手段３８が、加熱手段３７に信号を送っている。
【００３５】
固体電解質１６の温度を検知する手段３８ａ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３８が検知する固体電解質１６の温度によって、温度制御手段３８が加熱手段３７を介してヒータ用抵抗体２４への入力を制御する。
【００３６】
ヒータ用抵抗体２４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３９および４０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４１は、負電極膜１８側に、通気用の開口部４２を設けている。
【００３７】
また、容器４１の正電極膜１７側には、通気口４３を介して、ガスの混合手段４４が連結されている。混合手段４４は、ガス誘導管４５と、被混合ガス導入管４６と、ガス混合器４７と、ガスポンプ４８によって構成されている。
【００３８】
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。
【００３９】
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３９および４０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。
【００４０】
この状態において、温度制御手段３８によってヒータ用抵抗体２４に通電すると、断熱手段３９および４０内の固体電解質１６の温度が上昇する。温度制御手段３８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２４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２４に２０Ｗ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１２Ｗであった。
【００４１】
固体電解質１６の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側の表面から酸素分子として放出される。
【００４２】
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。したがって、使用される金属箔部材２１、２５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２１、２５の表面上に形成された導電膜２２、２７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２１、２５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２１、２５の表面上に導電膜２２、２７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２１、２５の表面上に形成させる導電膜２２、２７の幅は３〜７ｍｍが好ましいと考えられる。このことは、ガラスセラミック膜２３の幅についても同様である。
【００４３】
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２１とガス封止剤３３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。
【００４４】
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３９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。
【００４５】
正電極膜１７から放出される酸素ガスは、通気口４３を通り、ガス混合手段４４を構成することによってガス誘導管４５と、被混合ガス導入管４６と、ガス混合器４７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４８の吸引と排出速度によって決められる。
【００４６】
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。
【００４７】
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３６による電圧制御とガスポンプ４８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。
【００４８】
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３６による電圧制御とガスポンプ４８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。
【００４９】
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１６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。
【００５０】
（実施の形態２）
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。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。
【００５１】
本実施の形態では、正電極膜１７側と連結される金属箔部材４９に対して導電膜５０とガラスセラミック膜５１を設け、ガラスセラミック膜５１上にはヒータ用抵抗体５２を配設した。したがって、固体電解質１６に対して連結された２枚の金属箔部材２１、４９の両方から加熱される構成としている。
【００５２】
このような構成とすることで、ヒータ用抵抗体２４、５２への入力を分散するとともに固体電解質１６の外周両面方向から熱が供給され、より均熱化される。この場合にはヒータ用抵抗体２４、５２に１８Ｗの電力を使用することで固体電解質１６を約４０秒で６００℃にすることができた。
【００５３】
（実施の形態３）
図６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。実施の形態１、２と基本構成は同じであるのでその説明は省略する。
【００５４】
本実施の形態では、負電極膜１８側と接合される金属箔部材５３に対してガラスセラミック膜５４を設け、ガラスセラミック膜５４上にはヒータ線が固体電解質外周部を二重に取り囲むようにヒータ用抵抗体５５を配設した。
【００５５】
このような構成とすることで、ヒータ用抵抗体５５から固体電解質１６へ供給される熱がより均熱化されることとなる。
【００５６】
以上、各実施の形態１〜３では、ガラスセラミック膜２３、５１、５４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２１、４９、５３との充分な絶縁性が維持でき、導電膜２２、５０やヒータ用抵抗体２４、５２、５５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。
【００５７】
また、各実施の形態では、固体電解質１６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、もっとも好ましい材料といえる。
【００５８】
また、各実施の形態では、金属箔部材２１、２５、４９、５３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２４、５２、５５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。
【００５９】
また、各実施の形態では、金属箔部材２１、２５、４９、５３の構成として負電極膜１８側に接合させる方を大きくして固体電解質１６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１７側に接合させる方を大きくしてもよい。
【００６０】
また、各実施の形態では、導電膜２２、２６、２７、５０、５１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。また、固体電解質１６表面上の正、負電極膜１７、１８にさらに導電膜１９、２０を配置した場合について説明したが、この導電膜を配置しない構造についても適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
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】
【００６２】
【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負電極側からみた平面図
【図４】同酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置の断面図
【図５】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６】本発明の実施の形態３における酸素ポンプ素子を負電極側からみた平面図
【図７】従来の酸素ポンプ素子を示す断面図
【図８】従来の酸素供給装置を示す断面図
【符号の説明】
【００６３】
１６  固体電解質
１７  正電極膜
１８  負電極膜
２１、２５、４９、５３  金属箔部材
２２、２６、２７、５０、５１  導電膜
２３、５１、５４  ガラスセラミック膜
２４、５２、５５  ヒータ用抵抗体
３０、３１  リード部材
３９、４０  断熱手段
４４  混合手段
【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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