(57)【要約】【課題】酸素ポンプ素子を効率的に加熱し、加熱エネルギーを低減すると共に、ヒータを含めた酸素ポンプ素子構成の簡素化を図ることで、少ない占有体積で設置可能な酸素ポンプ素子を提供すること。【解決手段】酸素ポンプ素子３４は、固体電解質１８と、正負第１電極膜１９、２０と正負第２電極膜２１、２２と加熱手段２３を備え、固体電解質１８のいずれか一面もしくは両面に直接的あるいは間接的に接するように設けられた面状の加熱手段２３が、効率的に酸素ポンプ素子３４を加熱するので、少ない熱エネルギーでの安定動作と、設置に必要な占有体積の省スペース化を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質の両面に形成された正負両極を構成する電極膜とを設け、前記電極膜は、前記固体電解質に直接接合するように形成された金属酸化物を含む正負の各第１電極膜と、前記各第１電極膜表面に形成された金属粒子を含む正負の各第２電極膜とで構成され、前記固体電解質のいずれか一面もしくは両面に前記固体電解質を加熱する面状の加熱手段を設けた酸素ポンプ素子。
【請求項２】
加熱手段は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１つを含む多孔性膜である請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項３】
加熱手段は、固体電解質と第１電極膜の間に設ける構成とした請求項１または２に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項４】
加熱手段は、第１電極膜の表面に設ける構成とした請求項１または２に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項５】
加熱手段は、固体電解質あるいは第１電極膜の全面を覆わない構成とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項６】
加熱手段は、正負電極膜と多孔性膜が直接的に接触しないように設けた請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項７】
負電極膜は、その面積が正電極膜と等しいかもしくは正電極膜より大きい構成とした請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【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の構造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は、筐体内部に酸素ポンプ素子を設け、絶縁性基板上に設けた加熱手段が、酸素ポンプ素子の外部に筐体に内包しないような構成となっている（例えば、特許文献１参照）。また、酸素ポンプ素子の外周に隙間を確保して配置されたアルミナ管のような管状構造体の外周に、電熱線などをコイル状に巻いた加熱手段を設け、酸素ポンプ素子を加熱する構成としている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプ素子を示すものである。図４に示すように、筐体１に、アルミナなどの多孔質基板３に形成された第一電極４と酸素イオン導電性の薄膜５と第二電極６とから構成される酸素ポンプ素子２が設けられ、アルミナなどの絶縁性基板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９から構成される加熱手段７が設けられている。加熱手段７は、筐体１に内包されておらず、酸素ポンプ素子２の酸素流出側に大気に解放された状態で配置され全体が構成されている。
【０００４】
この構成において、加熱手段７に電圧を印加して発熱させ、酸素ポンプ素子２が酸素ポンプとして作動する温度に加熱され、第一電極４に負電圧、第二電極６に正電圧を印加すると、図４中矢印で示すように第一電極４に解離吸着された空気中の酸素は酸素イオン導電性の薄膜５に取り込まれて酸素イオンとして運ばれ、第二電極６から酸素分子となって大気中に放出される。
【０００５】
これによって、筐体１に取付られた容器内の酸素濃度を減少させることができる。
【０００６】
また、図５は、特許文献２に記載された従来の酸素ポンプ素子を示すものである。図５に示すように、固体電解質の酸素イオン伝導体１１と両面に形成された電極１２、１３から構成された酸素ポンプ素子１０の外周に、隙間を確保して配置されたアルミナ管１４が設けられている。このアルミナ管１４の一端に、酸素の導入口となる吸気管１５と、その外周に電熱線などをコイル状に巻いた加熱手段１６と、断熱手段１７が設けられている。酸素ポンプ素子１０は加熱手段１６によってアルミナ管１４と空気層を介して間接的に加熱される構成としている。
【０００７】
この構成において、加熱手段１６に電圧を印加して発熱させ、酸素ポンプ素子１０が酸素ポンプとして作動する温度に加熱され、電極１２に負電圧、電極１３に正電圧を印加すると、図５中矢印で示すように電極１２に解離吸着された空気中の酸素は酸素イオン伝導体１１に取り込まれて酸素イオンとして運ばれ、電極１３から酸素分子となって大気中に放出される。
【特許文献１】特開平１１−２３５２５号公報
【特許文献２】特開平１０−１６０３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、酸素ポンプ素子と距離を隔てて加熱手段が配置されていることと、被加熱部分が多いことから、全体の熱容量が大きくなり、酸素ポンプ素子に対する加熱効率が低くなる。
【０００９】
従って、動作温度までの到達時間すなわち昇温速度が遅くなり、且つ動作温度の維持のために相対的に加熱エネルギーが大きくなり、不要なエネルギー消費をもたらしていた。
【００１０】
また、熱損失を小さくするには、断熱効果を高める必要があることから、断熱材の必要量や断熱構造の占有体積が増加し、酸素ポンプ素子全体のサイズが大きくなるという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、酸素ポンプ素子を効率的に加熱し、加熱エネルギーを低減すると共に、ヒータを含めた酸素ポンプ素子構成の簡素化を図ることで、少ない占有体積で設置可能な酸素ポンプ素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、前記酸素イオン伝導性の固体電解質の両面に形成された正負両極を構成する電極膜を設け、前記電極膜は、前記固体電解質に直接接合するように形成された金属酸化物を含む正負の各第１電極膜と、前記各第１電極膜表面に形成された金属粒子を含む正負の各第２電極膜とで構成され、前記固体電解質のいずれか一面もしくは両面に前記固体電解質を加熱する面状の加熱手段を設けた構成としている。
【００１３】
これによって、加熱手段が固体電解質の近傍に設けられたことから、固体電解質に対する加熱効率が高まると共に、加熱手段が加熱すべき被加熱部分の熱容量を小さくすることが可能になる。これによって、酸素ポンプ素子は動作温度まで効率的に加熱され、昇温速度は速く、且つ動作温度維持のエネルギー消費が少なくなる。
【００１４】
また、従来に比較して熱容量が小さくなり熱損失の低減も図れるので、断熱効率が高まり、断熱構造の占有体積の低減と、酸素ポンプを設置するに必要な体積の低減が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の酸素ポンプ素子は、少ない熱エネルギーでの安定動作と、設置に必要な占有体積を小さくできるので、酸素ポンプを搭載する様々な機器の省エネルギー化と機器運転コストの低減が促進できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質の両面に形成された正負両極を構成する電極膜を設けた酸素ポンプ素子において、前記電極膜は、前記固体電解質に直接接合するように形成された金属酸化物を含む正負の各第１電極膜と、前記各第１電極膜表面に形成された金属粒子を含む正負の各第２電極膜とで構成され、前記固体電解質のいずれか一面もしくは両面に前記固体電解質を加熱する面状の加熱手段を設けた構成とすることにより、固体電解質に対する加熱効率が高まると共に、加熱手段が加熱すべき被加熱部分の熱容量を小さくすることが可能になる。これによって、酸素ポンプ素子は動作温度まで効率的に加熱され、昇温速度は速く、且つ動作温度維持のエネルギー消費が少なくなる。
【００１７】
また、従来に比較して熱容量が小さくなり熱損失の低減も図れるので、断熱効率が高まり、断熱構造の占有体積の低減と、酸素ポンプを設置するに必要な体積の低減が可能となる。
【００１８】
第２の発明は、特に第１の発明の加熱手段を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムのうち少なくとも１つを含む多孔性膜とすることにより、面状に形成された電気抵抗性の多孔性膜が、電解質を均一且つ効率的に加熱することとなり、固体電解質面方向のイオン電流のムラを抑制し、酸素ポンプ素子の動作を安定させる。
【００１９】
第３の発明は、特に第１の発明の加熱手段を、前記固体電解質と前記第１電極膜の間に設けることにより、多孔性膜が直接的に固体電解質を加熱し、加熱のエネルギー効率を高める。
【００２０】
第４の発明は、特に第１の発明の加熱手段を、前記第１電極膜の表面に設けることにより、多孔性膜と固体電解質の密着性が得にくい場合の、加熱手段として有効に固体電解質の加熱を行うことができる。
【００２１】
第５の発明は、特に第１の発明の加熱手段を、前記固体電解質あるいは前記第１電極膜の全面を覆わない構成とすることにより、酸素イオン伝導に対する第１電極膜の動作への妨げの影響を低減し、酸素ポンプ素子の動作効率の低減を抑制する。
【００２２】
第６の発明は、特に第１の発明の加熱手段を、前記正負電極膜と前記多孔性膜が直接的に接触しないように設けることにより、正負電極の動作への多孔性膜の影響を低減し、酸素ポンプ素子の動作を安定させることになる。特に、正負電極と多孔性膜の相互作用が、強い場合に適している。
【００２３】
第７の発明は、特に第１〜６の発明の負電極膜を、その面積が正電極膜と等しいかもしくは正電極膜より大きいに構成とすることにより、可能な限り固体電解質の一方の表面上で負電極膜面積の最大化を図り、正電極膜側に加熱手段を設ける構成で、負電極膜による酸素のイオン化反応を効率的に推進させることが可能となり、酸素ポンプ素子の動作において、負電極膜側から正電極膜側への酸素イオン移動量の低減を抑制できる。
【００２４】
以上、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。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子の概略の断面図を示すものである。図１において、酸素ポンプ素子３４は、主に固体電解質１８と、正負の第１電極膜１９および２０と、正負の第２電極膜２１および２２と、加熱手段２３とで構成されている。
【００２６】
固体電解質１８は、酸素イオン導電性を有し、例えばランタンガレート系の複合酸化物の焼結体や安定化ジルコニアの焼結体やセリア等の酸素イオン導電性の高い材料が適している。特に、ランタンガレート（Ｌａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ３）系のように比較的低温での酸素イオン伝導性を有するものがよい。
【００２７】
固体電解質１８の表面には、金属酸化物粒子を含む正負の第１電極膜１９および２０と、金属粒子を含む正負の第２電極膜２１および２２が設けられている。
【００２８】
正負の第１電極膜１９および２０に含まれる金属酸化物粒子は、ＡＢＯ３型結晶構造を有するペロブスカイト型複合酸化物のような、酸素の吸着特性に優れ、かつ電子移動や酸素イオン伝導による電気伝導性も有する材料が適している。正負の第１電極膜１９および２０は、印刷法や蒸着法、スパッタ法などで形成できるが、得られる電極膜は、多孔質であり酸素などのガス分子が拡散しやすい構造になっている。
【００２９】
例えば、Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3を有機溶剤、セルロース系ビヒクルを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、焼成することにより膜厚１０〜２０μｍの多孔性電極膜を形成できる。
【００３０】
正負の第２電極膜２１および２２に含まれる金属粒子は、電子伝導に優れ、図１中の矢印に示された酸素分子の移動方向に垂直な、正負第１電極膜１９および２０の面方向の電位分布を、均一化できる。
【００３１】
金属粒子としては、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムなどが適しているが、特に、酸素イオン伝導に関しては、白金あるいは金が更に適している。
【００３２】
加熱手段２３は、電気抵抗性を有する面状の抵抗体であり、ペースト等を使っての印刷法をはじめとして種々の造膜法で形成できる。特に、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種で構成される多孔性膜が適している。
【００３３】
区画手段２６は、正電極空間３２と負電極空間３３とを隔離するために設けられている。区画手段２６は、耐熱性金属やセラミック板など耐熱性かつ通気性の低い材料であればよい。そして、通気性を有する断熱手段２４および２５が、区画手段２６を介して正負の電極空間を構成し、内部に酸素ポンプ素子３４を設けた状態で、筐体３１が、全体の形状を構成している。
【００３４】
更に、正負の第２電極膜２１および２２には、電気接続手段２８を介して素子電圧印加手段２７が接続されている。また、加熱手段２３には、電気接続手段３０を介して、加熱印加手段２９が接続されている。
【００３５】
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。まず、酸素ポンプ素子３４は、筐体３１に内包されて、酸素を含む任意の空間に置かれる。この時、空間のガスは、大気に限るものではない。空間中の酸素分子をはじめとするガス分子は、断熱手段２４および２５を介して、正負の電極空間３２および３３内に拡散している。
【００３６】
次に、加熱印加手段２９によって加熱手段２３に通電し、加熱手段２３の電気抵抗による発熱で、酸素ポンプ素子３４を動作温度まで昇温させる。酸素ポンプ素子３４の動作温度は、固体電解質１８にもよるが、例えば、ランタンガレート系であれば、６００℃程度が必要である。
【００３７】
加熱手段２３は、固体電解質１８を直接的に加熱するので、加熱における熱効率が高くなり、従来に比べて短時間かつ少ない消費エネルギーでの昇温と温度維持が可能である。また、加熱手段２３は、固体電解質１８のいずれか一面もしくは両面に設けることを妨げるものではない。加熱手段２３を両面に設けることは、消費電力の増加要因ではあるが、両面から加熱することで更に短時間で昇温が可能になり、消費エネルギーは必ずしも増加するとも限らない。
【００３８】
図１では、加熱手段２３は、固体電解質１８と正の第１電極膜１９の間に設けられているが（直接的）、電極膜と加熱手段２３との相互作用が強い場合は、正の第１電極膜１９および第２の電極膜２１と接しないような構成（間接的）とすることで、電極膜の動作への加熱手段２３の影響を低減し、酸素ポンプ素子の動作を安定させることができる。また、加熱手段２３は酸素ポンプ素子３４の温度維持のために、温度調節手段を備えてもよい。さらに、加熱手段２３は、多孔性であることから、ガス分子は容易に拡散することが可能で、酸素ポンプにおける酸素分子の拡散を大きく妨げることはない。
【００３９】
動作温度に昇温させた後、素子電圧印加手段２７によって、正負の第２電極膜２１および２２の間に、電圧を印加する。これによって、負電極空間３３の酸素分子が、負電極膜２０において電子供与を受けてイオン化し、固体電解質１８内部へ酸素イオンとして拡散していく。素子電圧印加手段２７は、酸素イオンの移動量を制御するための、素子電圧調整手段を備えることもできる。
【００４０】
固体電解質１８の内部に拡散した酸素イオンは、正の第１電極膜１９の方向へと拡散移動する。移動した酸素イオンは、正の第１電極膜１９の表面で再結合し、表面から離脱し酸素分子として、正の電極空間３２へと飛散する。
【００４１】
正負の第２電極膜２１および２２は、既述したように電子伝導に優れ、図１中の矢印に示された酸素分子の移動方向に垂直な、正負第１電極膜１９および２０の面方向の電位分布を、均一化できる。これによって、イオン電流のムラを抑制することが可能となり、より効率的に酸素ポンプ素子３４を動作させることができる。
【００４２】
正の電極空間３２へと飛散した酸素分子は、断熱手段２５を通過して、酸素ポンプ３４が置かれた任意の空間中に飛散していく。
【００４３】
また、断熱手段２４を通過して、任意の空間中の酸素が負電極膜側に供給されるので、酸素ポンプ素子３４が、動作温度に保持された状態であれば、安定して酸素イオンの伝導が起こり、酸素分子のポンピング作用が維持される。
【００４４】
正負の電極膜の面積は、負電極膜の面積が正電極膜に比較して、等しいかもしくはそれ以上であることが望ましい。これは、負電極膜における酸素分子のイオン化反応が、正電極膜の酸素イオンの再結合反応に比較して、その反応速度が遅いことによる。
【００４５】
このことは、実際に正負の電極膜の面積が異なる酸素ポンプ素子の電圧−電流特性により、裏付けられる。正電極膜の面積が、負電極膜のそれに比較して小さい場合でも、電流値に大きな変化が認められなかったが、逆に負電極膜の面積が小さい場合は、電流値の減少が認められた。正電極膜の面積は、負電極膜に比較して１０〜２０％もしくはそれ以上小さくしてもよい。
【００４６】
このように、本実施の形態では、固体電解質１８に対する加熱効率が高まると共に、加熱手段２３が加熱すべき被加熱部分の熱容量を小さくすることが可能になる。これによって、酸素ポンプ素子３４は動作温度まで効率的に加熱され、昇温速度は速く、且つ動作温度維持のエネルギー消費が少なくなる。
【００４７】
また、従来に比較して熱容量が小さくなり熱損失の低減も図れるので、断熱効率が高まり、断熱構造の占有体積の低減と、酸素ポンプ素子３４を設置するに必要な体積の低減が可能となり省スペース化が図れる。
【００４８】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプ素子の概略の断面図を示すものである。図２において、加熱手段３５が、正の第１電極膜１９の表面に、正の第２電極膜と直接的に接しないように形成されている。正の第１電極膜１９は、固体電解質１８と全面が接触している。
【００４９】
他の構成は、実施の形態１と同様であり、作用も同様である。特に、加熱手段３５を正の第１電極膜１９の表面に、正の第２電極膜と直接的に接しないように形成したことにより、加熱手段３５と固体電解質１８の密着性が得にくい場合に適しており、有効に酸素ポンプ素子３４の加熱を行うことができる。
【００５０】
更に、図２においてわかるように、加熱手段３５は、酸素分子の拡散を阻害する要因とならぬように、正の第１電極膜１９の全面を覆うことはしない。
【００５１】
これによって、酸素イオン伝導に対する正の第１電極膜１９の動作への妨げの影響を低減し、酸素ポンプ素子３４の動作効率の低減を抑制する。
【００５２】
（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における酸素ポンプ素子の加熱手段形状の概略図を示すものである。
【００５３】
図３において、加熱手段３６は、固体電解質１８に対して、（ａ）及び（ｂ）に示すはしご型構造、（ｃ）に示す渦巻き型構造、（ｄ）に示す蛇行型構造、（ｅ）に示す環状型構造のいずれかの構造をとることができる。
【００５４】
これによって、面状に形成された加熱手段３６が、固体電解質１８を均一加熱することとなり、固体電解質１８の面方向の電位分布を均一化し、酸素ポンプ素子の動作を安定させる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明にかかる酸素ポンプ素子は、少ない熱エネルギーでの安定動作と、設置に必要な占有体積を小さくできるので、酸素ポンプを搭載する様々な機器の省エネルギー化と機器運転コストの低減が促進できる。例えば、酸素ポンプ素子を搭載する機器としては、エアコンや空気清浄機などの空調機器、また酸素による劣化防止が必要な炊飯器などの調理機器や食料品の保管庫、あるいは高酸素濃度ガスの発生装置、酸素による酸化反応で汚染性物質を除去する機器、オゾン発生装置等がある。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１における酸素ポンプ素子の概略の断面図
【図２】本発明の実施の形態２における酸素ポンプ素子の概略の断面図
【図３】本発明の実施の形態３における酸素ポンプ素子の加熱手段形状の概略図
【図４】従来の酸素ポンプ素子の概略の断面図
【図５】従来の酸素ポンプ素子の概略の断面図
【符号の説明】
【００５７】
１８  固体電解質
１９  正の第１電極膜
２０  負の第１電極膜
２１  正の第２電極膜
２２  負の第２電極膜
２３  加熱手段
【図１】
2005164529.tif 000003
【図２】
2005164529.tif 000004
【図３】
2005164529.tif 000005
【図４】
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【図５】
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