(57)【要約】【課題】酸素ポンプ素子に用いられる電極膜は、面方向での電気抵抗が高く、電圧降下により、電極膜面全体が酸素イオンの輸送に有効に機能していないという課題があった。【解決手段】酸素イオン伝導性基板２１の両面に酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２４と金属酸化物粒子２４よりも導電性の高い金属粒子２５から構成される第１電極膜２２と、第１電極膜２３よりも導電性の高い第２の電極膜２３を設けることにより、第１電極膜２２、第２電極膜２３の面方向での電圧降下を抑制し、電極膜の面全体を電極として機能させることができるとともに第１電極膜２２での酸素分子の電極反応を活性化させることができるので酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上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】
酸素イオン伝導性基板と、前記酸素イオン伝導性基板の両面に形成された主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子からなる第１電極膜と、前記第１電極膜の表面に形成された前記第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子からなる第２電極膜とで構成された酸素ポンプ素子。
【請求項２】
酸素イオン伝導性基板と、前記酸素イオン伝導性基板の両面に形成された主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子から構成される第１電極膜と前記第１電極膜の表面に形成された前記第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子からなる第２電極膜とで構成された酸素ポンプ素子と、前記酸素イオン伝導性基板の両面の電極を区画する区画手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、前記酸素ポンプ素子と前記区画手段と前記加熱手段を囲むように配置された通気機能を有する断熱材とで構成される酸素ポンプ装置。
【請求項３】
酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子は、化学式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる請求項１または２記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【請求項４】
ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物は、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種から構成される請求項３記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【請求項５】
ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物は、Ａサイトの一部をストロンチウムで置換してなる請求項３または４記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【請求項６】
金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子は、少なくとも白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルの１種からなる請求項１または２項記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【請求項７】
第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子は、少なくとも白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルの１種からなる請求項１または２項記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【請求項８】
第１電極膜は、酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子と金属酸化物からなるバインダーの混合物を焼成して得られる焼成膜で構成される請求項１または２記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【請求項９】
第２電極膜は、第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子と金属酸化物からなるバインダーの混合物を焼成して得られる焼成膜で構成される請求項１または２記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【請求項１０】
金属酸化物からなるバインダーは、主成分が酸化ビスマスからなる請求項８または９記載の酸素ポンプ素子および酸素ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素イオン伝導体を用いた酸素ポンプ素子の電極膜の改良及びその酸素ポンプ素子を搭載した酸素ポンプ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の酸素ポンプ装置を図７に示すものである。図７において、１は筐体、２はアルミナなどの多孔質基板３に形成された第１電極４と酸素イオン伝導体の薄膜５と第２電極６とから構成される酸素ポンプ素子であり、第１電極膜４は白金の微粒子を多孔質基板３に、第２電極６は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜５に結合して得られる薄膜を形成した構成としている。７はアルミナ基板などの絶縁性基板８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９から構成される加熱手段であり、加熱手段７は、筐体１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。
【０００３】
この構成において、加熱手段７によって酸素ポンプ素子２を酸素ポンプとして作動する温度に加熱し、第１電極４をカソード、第２電極５をアノードとして両電極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４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５中を移動し第２電極６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１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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、従来の酸素ポンプ素子を図８に示す。図８の（ａ）は酸素ポンプ素子の平面図、図８の（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した酸素ポンプ素子の断面図である。図において、１０は酸素イオン伝導体である固体電解質層、１１は電極であり、電極１１は固体電解質層１０の両面にそれぞれ１層が形成された構成の酸素ポンプ素子が開示されている。電極１１は白金などの粒子を混合したペーストをスクリーン印刷などの方法を用いて塗布し、乾燥、焼成して形成されている。
【０００５】
この酸素ポンプ素子は、特許文献１の酸素ポンプ装置と同様に作用する（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２３５２５号公報
【特許文献２】
特開平１１−９４７９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１や特許文献２で開示されている白金微粒子の膜やスクリーン印刷による焼成膜で構成される電極は、膜の厚さが数十μｍ前後で、酸素分子との電極反応を活性化するために多孔質構造となっており、電気抵抗が高くなっている。このような電極では、例えば電極の外周部から直流電圧を印加した場合、電極の中央部は電気抵抗によって電圧が降下するため、酸素分子との電極反応（酸素の解離吸着とイオン化）が低下し、酸素イオンの輸送量が少なくなるという問題があった。特に、酸素ポンプ素子が大きい場合は、電極面積が大きくなるので電圧降下が著しく大きくなり、電極面全体を有効に機能させることができなくなる。また、電圧降下を防止するため、白金微粒子の電極膜を厚くすると電極膜自身の多孔質項構造が失われ、酸素分子との電極反応が低下し、全体として酸素イオンの輸送量が少なくなるという問題があった。
【０００８】
また、特許文献２の酸素ポンプ装置の構成では、酸素ポンプ素子２と加熱手段７が大気に解放された状態にあるので、加熱手段７からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子２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、酸素ポンプ素子を作動させる温度に昇温させるのに必要な加熱手段７の消費電力が高くなるとともに、前述した電極面の電圧降下の問題と合わせて酸素ポンプ素子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、実施例では加熱手段７は酸素ポンプ素子２の上部に配置されているので、酸素ポンプ素子２の加熱は輻射熱がほとんどで、加熱された空気の対流熱を利用できないという欠点を有する。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極面の電気抵抗を小さくし、印加する電圧の降下を抑制するとともに、酸素分子との電極反応をより高めることにより、電極面全体を有効に機能させる酸素ポンプ素子を提供するとともに、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ポンプ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、酸素イオン伝導性基板と、前記酸素イオン伝導性基板の両面に形成された主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子と前記金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子からなる第１電極膜と、前記第１電極膜の表面に形成された前記第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子からなる第２電極膜とを設けた構成としたものである。
【００１１】
第１電極膜よりも導電性の高い第２電極膜を設けることにより、電源からの電圧を第１電極膜の全面に電圧降下させることなく印加することができるとともに、第１電極膜に存在する金属酸化物粒子より導電性の高い金属粒子が金属酸化物粒子に第２電極膜からの電圧を効率よく供給することができるので解離吸着作用を有する金属酸化物粒子の酸素分子の原子化反応と原子化された酸素のイオン化反応を活性化させることができ、酸素子ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、酸素イオン伝導性基板の両面に主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子とこの金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子からなる第１電極膜とさらにその上に第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子からなる第２電極膜を設けることにより、第２電極膜によって電源からの電圧を第１電極膜の全面に電圧降下させることなく印加することができる。また、第２電極膜を拡散して通過した酸素分子は第１電極膜に存在する金属酸化物粒子の触媒的作用により原子化反応が活性化されるとともに、第２電極から印加された電圧が第１電極膜に存在する金属粒子を通して隣接した解離吸着作用を有する金属酸化物粒子に供給されるので原子化された酸素のイオン化反応が活性化され、酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができる。また、第１電極膜、第２電極膜での電圧降下が抑制できることにより、第１電極膜、第２電極膜の自己発熱による温度分布を少なくすることができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が抑制され、優れた耐久性を実現することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、酸素イオン伝導性基板の両面に主成分が酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子とこの金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子からなる第１電極膜とさらにその上に第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子からなる第２電極膜を設けた酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝導性基板の両面の電極膜を区画する区画手段と、酸素ポンプ素子を加熱する少なくとも一つの加熱手段と、酸素ポンプ素子と区画手段と加熱手段を囲むように配置された通気機能を有する断熱材とで構成することにより、酸素ポンプ素子と加熱手段が大気に直接触れることがないので加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので、酸素ポンプ素子の破損防止効果が一層向上し、前述の第１電極膜と第２電極膜での電圧降下の抑制効果と合わせて酸素ポンプ素子の優れた性能を長期にわたり維持することができる。また、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が通気機能を有する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。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物としてペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を用いる構成とすることにより、酸素分子の電極反応を高めるとともに耐熱性を向上させることができるので優れた酸素イオン伝導性を実現できるとともにその性能を長期間維持することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を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種で構成している。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物のＡサイトの一部をストロンチウムで置換して構成している。
【００１７】
請求項４と５の構成とすることにより、酸素分子の電極反応を一層高めることができるので酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子として少なくとも白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルの１種を用いる構成としている。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子として少なくとも白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルの１種を用いる構成としている。
【００２０】
請求項６と７の構成とすることにより電気抵抗が低く、耐熱性の高い電極膜を得ることができるので優れた酸素ポンプの性能と耐久性を実現することができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、第１電極膜を酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子とこの金属酸化物粒子よりも導電性の高い金属粒子と金属酸化物からなるバインダーの混合物を焼成して得られる焼成膜で構成している。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、第２電極膜を第１電極膜よりも導電性の高い金属粒子と金属酸化物からなるバインダーの混合物を焼成して得られる焼成膜で構成している。
【００２３】
請求項８と９の構成とすることにより、密着性に優れた第１電極膜と第２電極膜を形成することができるのでヒートショックなどの耐熱衝撃性に優れた酸素ポンプ素子を提供することができ、かつ長期にわたり酸素ポンプとしての性能を維持することができる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、金属酸化物からなるバインダーとして酸化ビスマスを用いることにより、電極膜の酸素分子の拡散抵抗、および電極膜で原子化、イオン化された酸素の酸素イオン伝導性基板への拡散抵抗を低くすることができるので酸素イオン伝導性の低下を抑制することができる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜６を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における酸素ポンプ素子の構成図であり、図１（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１において、２１は酸素イオン伝導性基板であり、イットリウムをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）系、サマリウムをドープしたセリア系（ＳＤＣ）、ランタンガレート系の材料が用いられる。２２は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成した第１電極膜、２３は第１第１電極膜２２の表面に形成された第２電極膜であり、第１電極膜２２、第２電極膜２３は密着性を強固にするための金属酸化物からなるバインダーを混合したペーストを印刷、焼成した多孔質の膜で構成される。電極膜２３には、酸素ポンプ駆動電源（図示せず）からの電圧を酸素ポンプ素子に印加するためのリード部材２４がそれぞれ接続されている。
【００２７】
図２は、図１の酸素ポンプ素子の第１電極膜２２の断面図であり、第１電極膜２２を構成する各粒子の状態を模式的に示している。図２で示すように、第１電極膜２２は酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２５、金属酸化物粒子２５よりも導電性の高い金属粒子２６、金属酸化物からなるバインダー２７で構成され、それらの粒子が分散した状態となっている。
【００２８】
図３は、図１の酸素ポンプ素子の第２電極膜２３の断面図であり、第２電極膜２３を構成する各粒子の状態を模式的に示しており、図２と同一材料は同一符号を付けている。図３で示すように、第２電極膜２３は第１電極膜２２よりも導電性の高い金属粒子２６金属酸化物からなるバインダー２７で構成され、それらの粒子が分散した状態となっている。
【００２９】
以上のように構成された酸素ポンプ素子について、以下その動作、作用を説明する。
【００３０】
酸素ポンプ素子を加熱手段によって酸素ポンプとして作動する温度に加熱する。次に酸素ポンプ駆動電源からリード部材２４を介して第２電極膜２３の一方をカソード、他方をアノードとして電圧が印加される。酸素イオン伝導性基板２１が５００〜８００℃に昇温すると、カソード側の第１電極膜２２では以下の電極反応が起こると考えられる。カソード側の空間に存在する酸素分子が第２電極膜２３と第１電極膜２２の多孔質の膜を拡散し、酸素分子は主として第１電極膜２２に存在する酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２４によって解離吸着され、原子化される。駆動電源からの電圧が第２電極膜２３を通して第１電極膜２２含まれる金属酸化物粒子２４よりも導電性に優れた金属粒子２５に印加されることにより、金属酸化物粒子２４に吸着している酸素原子および金属酸化物粒子２４よりも導電性に優れた金属粒子２５に拡散した酸素原子は電子をもらって酸素イオンとして酸素イオン伝導性基板２１に取り込まれる。一方、酸素イオンは酸素イオン伝導性基板２１中を移動し、アノード側の第１電極膜２２に到達する。第１電極膜２２に到達した酸素イオンはカソード側と逆の電極反応により酸素分子となり、第１電極膜２２と第２電極膜２３の多孔質の膜を拡散し外部空間に放出される。
【００３１】
第２電極膜２３は第１電極膜２２より導電性が高いので電源からの電圧を第１電極膜２２の全面に電圧降下させることなく印加することができ、第１電極膜２２の面全体を有効に機能させることができる。
【００３２】
また、第２電極膜２３を拡散して通過した酸素分子は第１電極膜に存在する金属酸化物粒子２５の触媒的作用により原子化反応が活性化されるとともに、第２電極２３から印加された電圧が第１電極膜２２に存在する金属粒子２６を通して隣接した金属酸化物粒子２５に供給されるので原子化された酸素のイオン化反応が活性化され、酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができる。
【００３３】
また、第１電極膜２２、第２電極膜２３の面方向の電圧降下を抑制できることにより、第１電極膜２２、第２電極膜２３自身の自己発熱による温度分布を少なくすることができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が抑制され、優れた耐久性を実現することができる。また、第１電極膜２２は酸素分子の原子化などの電極反応性を高くする金属酸化物粒子２５を含むことにより、酸素分子の原子化反応を活性化することができるのでより高い酸素イオン伝導性を実現することができる。
【００３４】
次に、本発明の具体的効果について図４、図５を用いて説明する。
【００３５】
酸素イオン伝導性基板２１として直径２１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのランタンガレート系固体電解質（（Ｌａ０．８ＳｒＳｒ０．２）（Ｇａ０．８Ｍｇ０．２）Ｏ３）を用い、この酸素イオン伝導性基板２１の両面に、酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２５としてペロブスカイト型複合酸化物（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）粒子、この金属酸化物粒子２５よりも導電性の高い金属粒子２６として金（Ａｕ）の微粒子、有機溶剤、金属酸化物からなるバインダー２７として酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）の粒子、セルロース系ビヒクルを用い、これを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、焼成することにより直径１６ｍｍで膜厚１０〜２０μｍの第１電極膜２２を形成した。このとき、ペロブスカイト型複合酸化物粒子と金微粒子は、１：１の比率とした。次に、第１電極膜２２のそれぞれの表面に金属粒子２６として金（Ａｕ）の微粒子、有機溶剤、金属酸化物からなるバインダー２７として酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）の粒子、セルロース系ビヒクルを用い、これを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、焼成することにより直径１６ｍｍで膜厚１０〜２０μｍの第２電極膜２３を形成した。第２電極膜２３は、第１電極膜２２の金属酸化物微粒子２５を含まないため、第１電極膜２２よりも導電性が高い電極膜とすることができる。
【００３６】
図４は、本発明の酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を測定する回路構成図である。図４で示すように電源２８からの直流電圧は、リード部材２４介して第２電極膜２３に印加される構成とした。
【００３７】
以上のように構成した酸素ポンプ素子について、図４に示す回路で直流電圧を印加し、Ｖ−Ｉ特性を評価した。図５は、本発明の実施例である酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性の示すグラフであり、比較のため、本発明の第１電極膜２２のみの構成とした酸素ポンプ素子（比較例）のＶ−Ｉ特性も示している。図５で明らかなように、本発明の酸素ポンプ素子は電圧に対して酸素イオンによるイオン電流が比較例の酸素ポンプ素子よりも大きくなっている。
【００３８】
第１電極膜２２、第２電極膜２３に用いられる導電性の高い金属粒子２６としては、金の他に白金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケルがあげられ、少なくとも１種を用いることにより、金とほぼ同等の効果を得ることができるとともに、耐熱性の高い電極膜を得ることができるので優れた酸素ポンプの性能と耐久性を実現することができる。
【００３９】
また、第１電極膜２２を酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２５と金属酸化物粒子２５よりも導電性の高い金属粒子２６と金属酸化物からなるバインダー２７の混合物を焼成して得られる焼成膜、および第２電極膜２３を第１電極膜２２よりも導電性の高い金属粒子２６と金属酸化物からなるバインダー２７の混合物を焼成して得られる焼成膜で構成することにより、優れた密着性を実現することができるのでヒートショックなどの耐熱衝撃性に優れた酸素ポンプ素子を提供することができ、かつ長期にわたり酸素ポンプとしての性能を維持することができる。
【００４０】
また、金属酸化物からなるバインダー２７として酸化ビスマスを用いることにより、第２電極膜２３での酸素分子の拡散抵抗、および第１電極膜２２で原子化、イオン化された酸素の酸素イオン伝導性基板への拡散抵抗を低くすることができるので酸素イオン伝導性の低下を抑制することができる。
【００４１】
また、解離吸着作用を有する金属酸化物粒子２５としては、酸素分子との電極反応高めるとともに高い耐熱性を有するペロブスカイト型構造を有する複合酸化物が適しており、優れた酸素イオン伝導性を実現できるとともにその性能を長期間維持することができる。
【００４２】
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、酸素との電極反応性を有している。
【００４３】
（実施例２）
図６は、本発明の第２の実施例における酸素ポンプ装置の断面図である。図６において、２９は酸素ポンプ素子であり、酸素ポンプ素子２９は実施例１で述べた構成のものが用いられる。図６中、酸素ポンプ素子２９は実施例１の酸素ポンプ素子の符号を付し、説明は省略する。
【００４４】
図６において、３０は酸素イオン伝導性基板２１の両面に形成している第１電極膜２２、第２電極膜２３を区画する区画手段であり、第２電極膜２３に対向する開口部を有しており、酸素イオン伝導性基板２１とガラスなどの耐熱性を有する接着材料によって接着されている。区画手段３０としては、ニッケル、鉄−クロム合金、チタン、金、白金などの金属板もしくは箔、アルミナ、ムライトなどのセラミック板が用いられるが、酸素イオン伝導性基板２１との熱膨脹差が少なく、熱歪みが小さいことが要求されることから、ニッケル、鉄−クロム合金の金属箔が適用される。３１は酸素ポンプ素子２９の下部に設けられた加熱手段であり、加熱手段３１に電力を印加する加熱用電源３２にリード線３３を介して接続されている。加熱手段３１としては、鉄−クロム合金、ニッケル−クロム合金などの電熱線や箔が用いられる。
【００４５】
３４は通気機能を有する断熱材であり、多数の連通孔を有する多孔体で構成され、酸素ポンプ素子２９、区画手段３０、加熱手段３１の周囲を覆うように配置されており、大気からの空気と大気への酸素の流出が可能となるように開口部を設けた筐体３５に収納されている。この通気機能を有する断熱材３４としては主成分が無機酸化物のシリカ粒子の集合体が用いられる。
【００４６】
以上のように構成された酸素ポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４７】
まず、加熱用電源３２によって電力が加熱手段３１に印加されると、加熱手段３１は酸素ポンプ素子２９を加熱する。次に酸素ポンプ素子２９に酸素ポンプ駆動電源３６からリード部材２４を介してそれぞれの第２電極膜２３に所定の電圧が印加される。本実施例の場合、下方の第２電極膜２３をカソード、上方の第２電極膜２３をアノードとしている。この状態で加熱手段３１によって酸素ポンプ素子２９が５００〜８００℃に昇温すると、カソード側の空間に存在する酸素分子が第１電極膜２２で解離吸着し、酸素イオンとして酸素イオン伝導性基板２１に取り込まれてアノード側の第１電極膜２２に運ばれる。アノード側の第１電極膜２２に到達した酸素イオンは酸素分子となり、第１電極膜２２、第２電極膜２３を拡散し外部空間に放出される。カソード側とアノード側の空間は区画手段３０で分離されているので常にカソード側の空間に存在する酸素分子をアノード側の空間に輸送することができる。カソード側の空間の酸素分子がアノード側の空間に輸送されると、カソード側の酸素濃度が減少するが大気中の酸素分子を含む空気が通気機能を有するカソード側の断熱材３４の連通孔を拡散し、カソード側の空間に流入する。一方、アノード側の空間からは第２電極膜２３から放出された酸素分子がアノード側の通気機能を有する断熱材３４を拡散し、大気中に流出する。酸素ポンプ素子２９が動作している間、図中矢印で示すように酸素分子が輸送され続ける。このとき、カソード側に密閉となるように容器を取り付けると、容器内の酸素濃度を下げることができる。
【００４８】
以上のように、通気機能を有する断熱材３４が酸素ポンプ素子２９と空間を区画する区画手段３０と酸素ポンプ素子２９を加熱する加熱手段３１とを囲むように配置された構成とすることにより、酸素ポンプ素子２９と加熱手段３１が大気に直接触れことがないので熱効率が向上し、酸素ポンプ素子２９の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、酸素ポンプ素子２９全体を均一に加熱することができるとともに、第１電極膜２２、第２電極膜２３の電圧降下の抑制作用によりそれぞれの電極膜の自己発熱による温度分布を抑制することができるので酸素ポンプ素子２９のクラックなどによる破損が防止され、酸素ポンプ装置の耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ素子２９、区画手段３０、加熱手段３１が通気機能を有する断熱材３４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を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【００４９】
また、特に本実施例のように通気機能を有する断熱材３４を多数の連通孔を有する多孔質体で構成することにより、空気や酸素分子が十分な通気量を確保することができるとともに、酸素ポンプ素子２９へ導入する空気は多孔質体の連通孔を通過しながら徐々に加熱されるので酸素ポンプ素子２９の冷却が抑制され、加熱手段３１の熱効率をさらに高めることができる。
【００５０】
なお、本発明の酸素ポンプ装置は、食品保存庫などの低酸素雰囲気を必要とする機器や、逆に大気中よりも高い酸素濃度を必要とする機器に適用される。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、酸素ポンプ素子の電極膜の面全体で酸素分子との電極反応を起こさせることができるので酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導性を向上させることができ、酸素ポンプとしての性能を向上させることができるとともに、電極膜の面での電圧降下を抑制できることにより、電極膜の自己発熱による温度分布を少なくすることができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が抑制され、優れた耐久性を実現することができる。
【００５２】
また、酸素ポンプ装置としては加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率を向上させることができるので酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができとともに、酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので酸素ポンプ素子のクラックなどの破損が防止され、酸素ポンプ装置の耐久性、信頼性を向上させることができる。また、酸素ポンプ装置を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を図ることができ、機器への実装を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１における酸素ポンプ素子の断面図
（ｂ）本発明の実施例１における酸素ポンプ素子の平面図
【図２】本発明の第１電極膜の断面図
【図３】本発明の第２電極膜の断面図
【図４】本発明の実施例１における酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を測定する回路構成図
【図５】本発明の実施例１おける酸素ポンプ素子のＶ−Ｉ特性を示すグラフ
【図６】本発明の実施例２における酸素ポンプ装置の断面図
【図７】従来の特許文献１における酸素ポンプ装置の断面図
【図８】従来の特許文献２における酸素ポンプ素子の断面図
【符号の説明】
２１　酸素イオン伝導性基板
２２　第１電極膜
２３　第２電極膜
２５　酸素分子の解離吸着作用を有する金属酸化物粒子
２６　導電性の高い金属粒子
２７　金属酸化物からなるバインダー
２９　酸素ポンプ素子
３０　区画手段
３１　加熱手段
３４　通気機能を有する断熱材
【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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