(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できることを緩和することを目的とする。【解決手段】リード部材４ａ、４ｂを電極膜に直接接合するのではなく、電極膜３ａ、３ｂの外周部７に配置した金属部材６ａ、６ｂを介して通電することで、局部的な温度低下を抑えることができる。したがって、熱応力による酸素イオン導電性基板２の割れを防ぐことができる酸素ポンプを提供できる。【選択図】  図３
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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、前記電極膜の外周と電気的に接続された金属部材と、前記金属部材に接続されたリード部材とを有する酸素ポンプ。
【請求項２】
２枚の金属部材の間に絶縁材を配置した請求項１記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
絶縁材の形状が多孔形状と中空形状の少なくとも一つである請求項２記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
絶縁材がマイカとアルミナとシリカの少なくとも一つである請求項２または３に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
金属部材がニッケルと鉄クロム合金の少なくとも一つである請求項１記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
金属部材の厚さが、５〜５０μｍである請求項５記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
リード部材が金属部材に溶接された請求項１記載の酸素ポンプ。
【請求項８】
リード部材と金属部材が同一の成分である請求項７記載の酸素ポンプ。
【請求項９】
金属成分がニッケルである請求項８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１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る。それぞれの電極膜からはリード部材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】
【特許文献１】
特開２０００−８６２０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の酸素ポンプでは、酸素ポンプ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に局部的な温度の低い部分が生じるため、熱応力によって割れが発生するという課題があった。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課題もあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために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金属部材と、前記金属部材に接続されたリード部材によって構成された酸素ポンプである。
【０００６】
このようにリード部材が電極膜の一部分とではなく外周と金属部材を接続することによって、放熱による局部的な温度低下による温度斑を抑えることができる。さらに、リード部材を金属部材の任意の位置に接続すれば電源までの取出しの選択自由度も上がる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、電極膜の外周と電気的に接続された金属部材と前記金属部材にリード部材を取り付けた構成である。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、中央部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、金属部材に接続するリード部材の位置を任意に変えることができるため、酸素ポンプの構成の自由度が上がる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、２枚の金属部材の間に絶縁材を配置したものである。これによって、二枚の金属部材が接触して短絡することを防ぐことができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、絶縁材が多孔形状と中空形状の少なくとも一つである。これらの形状を取ることによって空気による断熱が可能となり、熱損失を小さくすることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、絶縁材がマイカとアルミナとシリカの少なくとも一つである。これらの絶縁材は酸素ポンプの使用温度での耐熱性があるため、絶縁材の熱劣化を抑えることができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、金属部材がニッケルと鉄クロム合金から選ばれた一つを用いている。これら金属部材は酸素イオン導電性基板に比べてヤング率が小さいので、両者の熱膨張係数差に起因して発生する金属部材部の熱応力も小さい。したがって、高温でも酸素イオン導電性基板と金属部材間の密着性が保持される。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、金属部材の厚さが５〜５０μｍである。したがって、金属部材の面に平行な方向に歪が発生したとき、金属部材生じる応力を小さくできると共に実用的な物理的強度を確保できる。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、リード部材が金属部材に溶接されたものである。したがって、容易でかつ強度よく接続することができる。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、リード部材と金属部材が同じ材質である。したがって、接着力が向上してリード接続の信頼性が高くなる。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、リード部材と金属部材の材質がニッケルである。したがって、低価格で信頼性の高い接続が得られる。
【００１６】
【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。
【００１７】
（実施例１）
図２は本発明における実施例１の酸素ポンプの構成を示す分解斜視図である。また図３はその断面図である。
【００１８】
酸素イオン導電性基板２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、サマリウムーストロンチウムー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。
【００１９】
本発明の酸素ポンプは、スクリーン印刷によって酸素ポンプ素子１を作成後、金属部材６ａ、６ｂと電極膜の外周部７とを接着して製造される。このとき、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の外周部と対向するように配置される。ここで、金属部材６ａと６ｂとが接触することを避けるため、その間に絶縁材９を挿んでも良い。絶縁材９としては、マイカとアルミナとシリカを使うことができるが、多孔性のシリカや、グラスウールが好ましい。
【００２０】
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、さらに熱放熱も大きくなるからである。
【００２１】
金属部材６ａ、６ｂにリード部材４ａ、４ｂを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、作業性の点でも、溶接法が信頼性の点でも優れている。溶接のとき、リード部材と金属部材が同じ材質であることが最も好ましい。特に、リード部材と金属部材の材質が、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。
【００２２】
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をカソード電極、電極膜３ａをアノード電極として直流電圧を印加すると、カソード側外部空間の酸素分子は、カソー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、アノード電極に到達する。アノード電極に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノード側の外部空間に拡散する。カソード側外部空間とアノード側外部空間とは金属部材６ａと６ｂの少なくとも一方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、その熱はリード部を伝わって外部に移動する。しかし、本実施例のリード部は電極膜３ａ、３ｂの外周に設けた金属部材６ａ、６ｂであるので、局部的な熱移動を抑えることができ、中央部から外周に向かった均一で穏やかな温度分布を実現できる。したがって、熱応力による酸素イオン導電性基板および電極膜の割れを防ぐことができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、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。
【００２４】
また、請求項２〜９に記載の発明によれば、酸素ポンプの動作信頼性を確保でき、使用耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の酸素ポンプの断面図
【図２】本発明の実施例１における酸素ポンプの構成を示す分解斜視図
【図３】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
【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
４ａ、４ｂ  リード部材
６ａ、６ｂ  金属部材
７  外周部
９  絶縁材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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