(57)【要約】【課題】複数個の酸素イオン導電性基板２を用いても、回路に流れる電流を抑えること。【解決手段】酸素イオン導電性基板２に形成させた電極膜１を並列接続したユニットを作り、そのユニット７を直列で接続する。これによって、従来の並列接続の場合と同等の能力を保持しつつ、流れる電流量を抑えることができる。したがって、回路の発熱量を減少させることができ、エネルギー損失を抑えることができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏両面に電極膜が形成された複数個の酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板が電気的に並列接続された複数個のユニットと、前記ユニットを支持する支持部材とを備え、前記ユニットが電気的に直列接続されたことを特徴とする酸素ポンプ。
【請求項２】
支持部材の一部が導電性を有した導電部であり、ユニットと電気的に接続された請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
電極膜の中央近傍から引き出されたリード線によって、並列接続された請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
表裏両面に形成された電極膜の少なくとも一方の周縁に接続された導電性のユニット支持部材によって、並列接続された請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
ユニット支持部材の厚さが５〜５０μｍであり、材質が単一金属と合金の少なくとも一方である請求項４に記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
酸素イオン導電性基板の材質がランタンガレートである請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
並列接続させるための金属ペーストの主成分が電極膜の主成分と同じ金属である請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項８】
金属が、金と、銀と、白金と、パラジウムの少なくとも一つである請求項７に記載の酸素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させることにより、一方の空間から酸素を排気したり、一方の空間へ酸素を富化したりする酸素ポンプ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は、複数枚の酸素イオン導電性基板を同時に使用する場合、同じ極側の電極膜をリード線等で電気的に接続し、電源電圧を並列に印可するものであった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１は、特許文献１に記載されている内容と同等な従来の酸素ポンプの平面図である。図１に示すように、電極膜１が形成された１６枚の酸素イオン導電性基板２（特許文献１では、２５枚の酸素イオン導電性基板が図示されている）が、支持部材３に固定されている。それぞれの電極膜１の周縁部からリード線４が引き出されて集結し、配線５に同電位の状態で接続されている。配線５からはリード線４が引き出され、電源の一方の極に接続されている。また、裏面（図示せず）からも同様な構成でリード線４が引き出され、電源のもう一方の極に接続されている。すなわち、１６枚の酸素イオン導電性基板は、電気的に並列接続されたものである。
【特許文献１】国際公開第９６／２８５８９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、複数個の酸素イオン導電性基板が並列に接続されているため、各リード線が集結したリード線には、各リード線に流れる電流の個数倍の高電流が流れることになる。したがって、リード線やリード線接続部、スイッチ部などの電源回路が発熱し、エネルギー損失の原因となっていた。さらに、例えば家庭での実使用を目的とした場合、数十ボルトの電圧よりも数十アンペアの電流の方が、電源回路の構成が複雑になって高コストになるという課題もあった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低電流型の酸素ポンプ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】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプは、表裏両面に電極膜を形成させた複数個の酸素イオン導電性基板を並列に接続したユニットを作り、そのユニットを直列に接続させたものである。
【０００７】
これによって、平面状に並んだ酸素イオン導電性基板の片側からもう片側へ移動する酸素の移動量を減少させることなく、電源回路に流れる電流の大きさを小さくすることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の構成の酸素ポンプによれば、酸素を移動させるために構成された回路の発熱を抑えることができるため、エネルギー損失を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、表裏両面に電極膜が形成された複数個の酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板が電気的に並列接続された複数個のユニットと、前記ユニットを支持する支持部材とを備え、前記ユニットが電気的に直列接続されたものである。これによって、酸素ポンプに接続された電源回路に流れる電流の大きさを小さくすることができ、発熱を抑え、エネルギー損失を減少させることができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明の酸素ポンプの支持部材の一部が導電性を有した導電部であり、ユニットと電気的に接続されたものである。これによって、第１発明の作用と効果が得られるだけでなく、導電部にリード線を代用させることで、リード線が通る孔を無くすことができ、発生させた酸素の逆流を防止することができる。また、導電部の面積をリード線の断面積より大きく取ることができるため、酸素ポンプ内の回路での発熱を減少させることができる。したがって、エネルギー損失を抑えることができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１の発明の電極膜間の接続法がリード線接続であり、リード線が電極膜の中央近傍から引き出されたものである。リード線からは熱も外部へ伝導し、接合部位の温度は低下する傾向がある。接合部位が中央近傍にあることによって、電極膜上の熱分布が中央から放射状に対称性よく変化することで、熱応力を小さく抑えることができる。したがって、酸素イオン導電性基板への熱歪を緩和させることができ、割れやクラック等の酸素イオン導電性基板の破壊、界面抵抗の上昇を抑えることができる。以上の構成によって、回路に流れる電流の大きさを小さくすることができ、回路通電部の発熱を抑えることができる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１の発明の並列接続法が、表裏両面に形成された電極膜の少なくとも一方の周縁に接続された導電性部材によるものである。これによって、複数個の電極膜の並列接続を一度に行うことができ簡便である。また、リード線の断面積より大きくすることができるため、酸素ポンプ内の回路での発熱を減少させることができる。したがって、無駄なエネルギー損失を抑えることができる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第４の発明の導電性部材の厚さが５〜５０μｍであり、材質が単一金属と合金の少なくとも一方であるものである。この厚みによって、導電性部材の面に平行な方向に熱応力が発生したときは、歪みによって応力を吸収できると同時に、実用的な物理的強度も確保することができる。また、単一金属や合金を使用することで、通電部の抵抗を小さくでき、発熱を減少させることができる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第１発明の酸素イオン導電性基板の材質がランタンガレートである。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の金属酸化物で、酸素イオン導電性が高い。したがって、酸素ポンプの動作温度を低く設定しても所定の性能を確保できる。すなわち、動作温度を低く設定することができるため、消費電力を小さく抑えることができる。以上によって、エネルギー損失を抑えることができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第１〜第４の発明の並列接続させるための金属ペーストの主成分が電極膜の主成分と同じ金属であるものである。同じ金属を主成分とすることで、異種金属間に発生する界面抵抗を減少させることができ、発熱を抑えることができる。以上の構成によって、エネルギー損失を小さく抑えることができる。
【００１６】
第８の発明は、特に、第６発明の金属が、金と銀、白金、パラジウムの少なくとも一つであるものである。これらの金属の焼成体は高い導電性を有しているだけでなく、高温雰囲気中で安定であるため、酸化による抵抗の上昇を抑えることができる。したがって、抵抗によって発生する発熱を小さくすることができ、エネルギー損失を抑えることができる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図２〜５を参照しながら説明する。なお、この実施の形態では、４個の酸素イオン導電性基板によって１組のユニットが構成され、４組のユニットによって酸素ポンプが構成されているが、本発明はこれらの数に限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図２は、本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの平面図である。図２において、電極膜１は酸素イオン導電性基板２の表裏両面に、酸素イオン導電性基板２の周縁部を２ｍｍ残す形で形成されている。
【００１９】
電極膜１には、白金や銀、金等の貴金属、サマリウム−ストロンチウム−コバルト（ＳＳＣＯ）等の金属酸化物を用いる。これらの電極膜１は、スクリーン印刷や電着、蒸着、スパッタリングによって形成するが、スクリーン印刷がコスト面で優れている。本実施の形態での電極膜は、スクリーン印刷によって厚み５〜１５μｍとなるように金の薄膜が形成されている。
【００２０】
酸素イオン導電性基板２には、ジルコニアやセリア等の金属酸化物が用いられるが、ランタンガレートが特に好ましい。その中でも、ランタン−ストロンチウム−ガリウム−マグネシウム（ＬＳＧＭＯ）を組成に持つペロブスカイト型酸化物は輸率が高いため、最も有用である。本実施の形態では、直径３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍのＬＳＧＭＯを用いている。
【００２１】
そして、酸素イオン導電性基板２は周縁を挟まれる形でユニット支持部材６に支持されている。ユニット支持部材６には、絶縁性の材質として、５００℃以上の高温状態で使用するため、シリカやアルミナ等のセラミックスやマイカ等の珪酸塩鉱物がよい。本実施の形態では、電極形状とほぼ等しい孔を４箇所開けた汎用のシリカ−アルミナ板を使用する。
【００２２】
以上の基本部材を用いて、ユニット７が構成される。酸素イオン導電性基板２は、ユニット支持部材６により、スペーサ（図示せず）などを用いて挟まれ、固定されている。各電極膜は直径０．３ｍｍの金のリード線４によって並列に接続されている。ここでリード線と電極膜を接着させる金属ペーストは、主成分が電極膜と同じ金属である金ペーストを用いる。
【００２３】
以上によって、等電位の配線５が裏と表に２箇所でき、その配線５から他のユニットまたは電源回路にリード線が２本引き出されることになる。そして、４組のユニット７が直列に接続されている。そのため、配線５から引き出されたリード線４は、支持部材８に対して反対側の別の配線５に接合されている。この場合、リード線４が通るための孔が必要であるが、本実施の形態では、孔を設けず、支持部材３を貫通した導電部８にリード線４が接続されている。
【００２４】
リード線４の材質には、ニッケル線等を使用することができるが、電極膜と接合用の金属ペーストの主成分を同じにする点から、金と銀、白金のいずれかが好ましい。本実施の形態では、直径０．３ｍｍの金線を使用した。
【００２５】
以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用を説明する。まず、断熱材（図示せず）に覆われた４組のユニット７が、断熱材に埋め込まれたヒータ（図示せず）によって６５０℃以上に加熱される。その後、各ユニット７を直列に繋いだリード線４に電圧を印加すると、支持部材３の一方側の酸素が電極膜１でイオン化する。そして電界によって酸素イオンが酸素イオン導電性基板２の中を移動し、反対側の電極膜１に到達する。その後、電子を放出して再び酸素分子となる。このとき、配線５から引き出されたリード線４は隣のユニットと導電部８を介して交互に接続されているため、酸素分子が取り込まれる側、酸素分子が発生する側は支持部材３によって分離されることになり、従来例の並列接続の場合と同等の能力を有することになる。一方、電源回路を流れる電流の大きさは（表１）に示すように従来例の４分の１となり、ユニットの組数が増えるに従って反比例して小さくなる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
本実施の形態では、６．４Ｖの電圧を印加し、６．０Ａの通電量で約９０ｃｃの酸素を得ることができた。同量の酸素を従来例によって得るためには、２４．０Ａが必要であり、電源回路部の抵抗が１００℃近くまで上昇した。
【００２８】
以上、本実施例により、酸素発生量を減少させることなく、電源回路部の発熱を抑えることができ、エネルギー損失を抑えることができる。
【００２９】
（実施の形態２）
図３（ａ）は、本発明第２の実施の形態における酸素ポンプのユニット部の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００３０】
実施の形態１と異なっている部分は、電極膜１とリード線４との接点であるリード線接続部９が、電極膜の中央近傍から引き出されている点である。酸素イオン導電性基板２が四角形であることも異なる点であるが、円形や多角形などの形状でもよい。
【００３１】
酸素ポンプの動作や作用は、実施の形態１と同様である。しかし、リード線接続部９が電極膜１の中央付近にあることによって、電極膜上の熱分布が中央から放射状に対称性よく変化することで、熱応力を小さく抑えることができる。したがって、酸素イオン導電性基板への熱歪を緩和させることができ、割れやクラック等の酸素イオン導電性基板の破壊を抑え、リード接続部９との密着性を保持することができる。密着性が低下すると接触抵抗が大きくなり、無駄な発熱の原因となる。
【００３２】
以上、本実施例により、酸素発生量を減少させることなく、電源回路部の発熱、酸素ポンプの酸素イオン導電特性向上に直接影響しない発熱を抑えることができ、エネルギー損失を抑えることができる。
【００３３】
（実施の形態３）
図４（ａ）は、本発明の第３の実施の形態における酸素ポンプのユニット部の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図４のユニットは並列接続されている。また、図５は、図４のユニットが４組直列に接続された酸素ポンプの平面図である。
【００３４】
実施の形態１と異なっている部分は、導電性を有したユニット支持部材６を使用することで、電極膜間の接続に使用していたリード線を無くし、工程を簡便にした点にある。
導電性のユニット支持部材６の材質としては、単一金属であるニッケル、チタン、金、白金等、合金である鉄クロム合金があるが、安価であり加工が容易である点で鉄クロム合金が好ましい。
【００３５】
また、導電性のユニット支持部材６の厚みは、５〜５０μｍである。この範囲の厚みは、熱応力が発生したとき、歪みによって応力を吸収できると同時に、実用的な物理的強度も確保することができる。また、通電部の抵抗を小さくでき、発熱を減少させることができる。本実施の形態では、厚さ１０μｍの鉄クロム合金を用いる。
【００３６】
このようなユニットが、図５に示すように直列に接続されている。各ユニットを繋ぐリード線４は、導電部８と接続する必要はなく、一方の面上で直列に接続されている。
【００３７】
以上のように構成された酸素ポンプの動作や作用は、実施の形態１と同様である。しかし、導電性のユニット支持部材６によって各電極を接続している点、一方の面側でリード線４によって各ユニットを接続している点で、酸素ポンプの作製工程が簡便になる。また面積の広いユニット支持部材６を使用しているため、抵抗が小さく、発熱を抑えることができる。
【００３８】
以上、本実施例により、酸素発生量を減少させることなく、電源回路部の発熱、酸素ポンプの酸素イオン導電特性向上に直接影響しない発熱を抑えることができ、エネルギー損失を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、回路の低電流化が可能となるので、家庭用の電化製品として利用できる。このような電化製品として、例えば酸素富化器や酸素吸引器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品があげられる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来例における酸素ポンプの平面図
【図２】本発明の実施の形態１における酸素ポンプの平面図
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態２における酸素ポンプの構成ユニットの平面図（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図
【図４】（ａ）は本発明の実施の形態３における酸素ポンプの構成ユニットの平面図（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図
【図５】本発明の実施の形態３における酸素ポンプの平面図
【符号の説明】
【００４１】
１  電極膜
２  酸素イオン導電性基板
３  支持部材
４  リード線
６  ユニット支持部材
７  ユニット
８  導電部
【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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