(57)【要約】【課題】リード部材から熱が奪われて、電極膜に局部的な温度分布が生じることを緩和する酸素ポンプに関する。【解決手段】酸素イオン導電性基板２の両面に電極膜３ａ、３ｂが形成された酸素ポンプ素子１と、電極膜の外周部７と電気的に接続された複数の金属部材６ａ、６ｂとを有し、金属部材が絶縁材９によって互いに絶縁されている。これによって、絶縁材９を形成させた金属部材６ａ、６ｂを電極膜３ａ、３ｂの外周部７に配置することで、金属部材６ａ、６ｂ同士が短絡することなく、電極膜の局部的な温度低下を抑えることができる。したがって、熱応力による酸素ポンプ素子１の割れを防ぐことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性基板の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、前記電極膜の外周部と電気的に接続された複数の金属部材とを有し、前記金属部材が絶縁材によって互いに絶縁されていることを特徴とする酸素ポンプ。
【請求項２】
金属部材は、平板に形成してなる請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
一方の金属部材は、他方の金属部材より寸法を小さくしてなる請求項２に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
絶縁材は、ガラスペーストの焼成体で形成してなる請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
焼成体は、複数に形成してなる請求項４に記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
焼成体は、凹凸形状を有する請求項４または請求項５に記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
凹凸形状の焼成体は、凸部がガラス球である請求項６に記載の酸素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させる酸素ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の酸素ポンプとして、図５に示す酸素ポンプが開示されている（例えば、特許文献１参照）。酸素ポンプ素子１は、酸素イオン導電性基板２の両側に電極膜３ａ、３ｂを形成して構成され、支持材５によって支持されている。それぞれの電極膜３ａ、３ｂからは、リード部材４ａ、４ｂがそれぞれ特定の一部分より取出されて電源（図示せず）に接続されている。
【０００３】
しかしながら、従来の酸素ポンプは、酸素ポンプの動作時の熱がリード部材４ａ、４ｂより放熱され、酸素イオン導電性基板２に局部的な温度斑が生じるため、熱応力によって割れが発生するという問題があった。また、リード部材４ａ、４ｂが電極膜３ａ、３ｂに直接接続されているため、リード部材の取出し部の配置が一意的に決まってしまい、酸素ポンプ素子の構成が限定されるという問題もあった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−８６２０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、酸素ポンプの動作時に発生する熱移動を緩和して熱応力に強い酸素ポンプを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、前記電極膜の外周と電気的に接続された複数の金属部材とを有し、前記金属部材が絶縁材によって互いに絶縁されている酸素ポンプである。
【０００７】
このように電極部の外周と接続した金属部材を介してリード部材を接続することになるので、リード部材が電極膜の一部分との接続ではなくなり、局部的な温度斑を抑えることができる。そして、絶縁材を配置することで金属部材同士の短絡を防ぐことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記した本発明の目的は、各請求項に記載した構成を実施の形態とすることにより達成できるので、以下には各請求項の構成にその構成による作用効果を併記し併せて請求項記載の構成のうち説明を必要とする特定用語については詳細な説明を加えて、本発明における実施の形態の説明とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、前記電極膜の外周と電気的に接続された複数の金属部材とを有し、前記金属部材が絶縁材によって互いに絶縁されたものである。
【００１０】
これによって、導電性のある金属部材が電極膜の外周に電気的に接続されているため、動作による酸素ポンプ素子の熱が、金属部材の内周から外周に向かった均一で穏やかな温度低下を実現できる。したがって、温度斑による熱応力を小さくすることができ、酸素イオン導電性基板の割れを抑えることができる。また、絶縁材を配置することによって、金属部材同士の短絡を防ぐことができる。
【００１１】
請求項２記載に係る発明は、請求項１記載において金属部材を平板に形成したものである。これによって、酸素イオン導電性基板やリード線の発熱による熱応力を平板による歪によって緩和させることができる。したがって、酸素イオン導電性基板や電極膜の割れを防ぐことができる。
【００１２】
請求項３記載に係る発明は、請求項１または２の記載において、一方の金属部材は、他方の金属部材より寸法を小さくしたものである。これによって、一方の金属部材は、機密性を保つために寸法が限られてしまうが、それ以外の他方の金属部材は同じ寸法である必要がなくなり、小さくしているので、放熱が少なくなるため、酸素ポンプ素子の温度の低下によるエネルギー損失を抑えることができる。
【００１３】
請求項４記載に係る発明は、請求項１の記載において、絶縁材がガラスペーストの焼成体で形成したものである。これによって、絶縁材を固定させることができ、金属部材の短絡を防止することができる。
【００１４】
請求項５記載に係る発明は、請求項４の記載において、焼成体を複数に形成したものである。これによって、複数の焼成体同士の間は空気層による断熱作用が得られ、酸素ポンプ素子のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
【００１５】
請求項６記載に係る発明は、請求項４または請求項５の記載において、焼成体が凹凸形状を有するものである。これによって、凹部による空気断熱の作用が得られ、酸素ポンプ素子のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
【００１６】
請求項７記載に係る発明は、請求項６の記載において、凹凸形状の焼成体の凸部がガラス球である。これによって、ガラス球とガラス球の間の凹部による空気断熱の作用によって、酸素ポンプ素子のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における酸素ポンプの構成を示す断面図で、図２は同酸素ポンプの構成を示す分解斜視図で、図３は同酸素ポンプにおける金属部材間の絶縁材を変えた例の断面図で、図４も同酸素ポンプにおける金属部材間の絶縁材を変えた他の断面図である。
【００１９】
酸素イオン導電性基板２は、その両面に電極膜３ａ、３ｂを形成させて酸素ポンプ素子１が構成される。酸素イオン導電性基板２として、イットリウムをドープしたジルコニアやサマリウムをドープしたセリア、ストロンチウムやマグネシウムで置換したランタンガレートが用いられる。また、電極膜３ａ、３ｂとして、白金、銀、サマリウム−ストロンチウム−コバルトから成る複合金属酸化物などの焼成膜、蒸着膜が用いられる。ここで、酸素イオン導電性基板２の直径は２０ｍｍ、厚みは０．３ｍｍである。
【００２０】
本実施例の酸素ポンプは、スクリーン印刷によって酸素ポンプ素子１を作成後、酸素ポンプ素子１の作動熱の移動緩和を図るため、輪状（ドーナッツ状）の金属部材６ａ、６ｂの内周部を、電極膜３ａ、３ｂの外周部７に接着剤１１で接着して製造される。このとき、金属部材６ａ、６ｂの内周部による開口部８に隣接した金属部材６ａの内径部と電極膜３ａの外周部７と対向するように配置され、また同じように開口部８に隣接した金属部材６ｂの内径部と電極膜３ｂの外周部７と対向するように配置される。
【００２１】
ここで、金属部材６ａと６ｂとが電気的に接触することを避けるため、金属部材６ｂには、絶縁材９としてのガラスペーストの焼成体が形成されている。この焼成体は、ガラスペーストをスクリーン印刷によって印刷し、７５０℃で１０分間焼成して形成させたものである。
【００２２】
また、絶縁材９ａとしての焼成体は、図４に示すような印刷パターンによって、間に断熱作用を成す空気層１２が形成されるように複数個に形成しても良い。さらに、絶縁材９ｂとしての焼成体は、図５に示すように、ガラス球１０を混合させたペーストによって印刷することで、焼成体を凹凸状に形成しても良く、凸部はガラス球１０で構成し、また凹部で断熱作用としての空気層１３を形成する。
【００２３】
また金属部材６ａ、６ｂとしては、ニッケル部材または鉄クロム合金部材が良いが、チタン、金、白金から選んでも良い。また、金属部材の厚さは５〜５０μｍであることが望ましい。５μｍ未満の厚さでは、物理的な強度が小さくなり過ぎて実用的でない。また、５０μｍより大きな厚さでは、熱的応力が大きくなって剥離し易くなるからであり、さらに放熱も大きくなるからである。そして、金属部材６ａ、６ｂの寸法は、酸素ポンプ素子の機密性を保つため、他方の金属部材６ｂにおける外周の直径が６０ｍｍに限られ、一方の金属部材６ａの外周の直径が３０ｍｍであるが、酸素ポンプ素子の放熱を少なくするため、金属部材６ａの外周の直径は小さいほど良い。
【００２４】
金属部材６ａ、６ｂには、導電端子としてのリ−ド部材４ａ、４ｂが接続されており、その接続する方法として、ロウ付け法、溶接法、物理的なカシメ法などがあるが、溶接法が作業性と信頼性の点で優れている。溶接のとき、リ−ド部材４ａ、４ｂと金属部材６ａ、６ｂが同じ材質であることが最も好ましい。特に、リ−ド部材４ａ、４ｂと金属部材６ａ、６ｂの材質が、原料価格の安いニッケルである場合、厚さ１０〜２０μｍのニッケル箔および直径０．１ｍｍ程度のニッケル部材は、工業的にも利用されているので低価格である。
【００２５】
以上の構成において、ヒーター（図示せず）によって酸素イオン導電性基板を加熱し、６００℃以上となった状態で、電極膜３ｂをカソ−ド電極、電極膜３ａをアノ−ド電極として直流電圧を印加すると、カソ−ド側外部空間の酸素分子は、カソ−ド電極膜から酸素イオンとして酸素イオン導電性基板２に取り込まれて、アノ−ド電極に到達する。アノ−ド電極に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノ−ド側の外部空間に拡散する。
【００２６】
カソ−ド側外部空間とアノ−ド側外部空間とは金属部材６ｂによって隔離されているため、酸素をアノード側外部空間からカソード側外部空間に逆戻りせずに移動させることができる。この際、酸素イオン導電性基板２には自己発熱が起こり、その熱はリード部材４ａ、４ｂを伝わって外部に移動する。
【００２７】
然るに、本実施例のリード部材４ａ、４ｂは、電極膜３ａ、３ｂの外周部に設けた金属部材６ａ、６ｂに接続してあるので、酸素イオン導電性基板２の自己発熱が金属部材６ａ、６ｂの内周部から外周部に向かった均一な移動となり、穏やかな温度分布を実現でき、局部的な熱移動を抑えることができる。また、アノード電極とカソード電極同士のショートを絶縁材９によって防ぐことができる。したがって、熱応力による酸素イオン導電性基板２および電極膜３ａ、３ｂの割れを防ぐことができる。
【００２８】
また本実施例では、金属部材６ａ、６ｂを平板に形成しているので、酸素イオン導電性基板２やリード部材４ａ、４ｂの発熱による熱応力を平板による歪によって緩和させ、酸素イオン導電性基板２や電極膜３ａ，３ｂの割れを防ぐことができる。
【００２９】
さらに本実施例では、一方の金属部材６ａが他方の金属部材６ｂより寸法を小さくしているので、他方の金属部材６ｂは、機密性を保つために寸法が限られてしまうが、一方の金属部材６ａにより、放熱が少なくなるため、酸素ポンプ素子の温度の低下によるエネルギー損失を抑えることができる。
【００３０】
さらに本実施例では、絶縁材９がガラスペーストの焼成体で形成しているので、金属部材の短絡を防止するとともに、絶縁材９ａとしての焼成体を複数に形成することで、複数の焼成体同士の間は空気層１２としての断熱作用を成し、酸素ポンプ素子のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
【００３１】
さらに本実施例では、絶縁材９ｂとしての焼成体が凹凸形状にしているので、凹部による空気断熱の作用が得られ、酸素ポンプ素子のエネルギー損失を小さく抑えることができるとともに、凹凸形状の焼成体の凸部がガラス球１０なので、ガラス球とガラス球の間の凹部による空気層１３の断熱作用によって、酸素ポンプ素子のエネルギー損失を小さく抑えることもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように発明によれば、酸素イオン導電性基板の熱応力による割れを防ぐことができるとともに、金属部材の短絡を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における酸素ポンプの構成を示す断面図
【図２】同実施例１における酸素ポンプの構成を示す分解斜視図
【図３】同実施例１の酸素ポンプにおける金属部材間の絶縁材の一例を示す断面図
【図４】同実施例１の酸素ポンプにおける金属部材間の絶縁材の他例を示す断面図
【図５】従来の酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
１  酸素ポンプ素子
２  酸素イオン導電性基板
３ａ、３ｂ  電極膜
６ａ、６ｂ  金属部材
７  外周部
９、９ａ、９ｂ  絶縁材
１０  ガラス球
【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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