(57)【要約】【課題】アノード電極膜とリード線である金属部材との接着部での断線を抑えることを目的とする。【解決手段】アノード電極膜３の面積をカソード電極膜２の面積より小さくすることによって、焼結体８による接着部の面積を拡大する。これによって、密着力が向上するため、加熱及び通電によって発生する熱歪を抑え、熱歪に起因した断線を防止することができる。【選択図】図３
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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酸素イオン導電性基板と、金属ペーストの焼結体によって前記両電極膜と接続された金属部材とを備え、前記電極膜の一方であるアノード電極膜の外気に接する面積が、前記電極膜のもう一方であるカソード電極膜の外気に接する面積より小さいことを特徴とする酸素ポンプ。
【請求項２】
アノード電極膜の外気に接する面積はカソード電極膜の外気に接する面積の面積比で５０％以上かつ１００％未満である請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
アノード電極膜に接続する金属部材で、アノード電極膜と重なる部分に孔を開けたことを特徴とする請求項１または２に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
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１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
金属部材の材質が鉄とクロムとアルミニウムの合金である請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
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１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
金属が、金と、銀と、金とパラジウムの合金、銀とパラジウムの合金の少なくとも一つである請求項６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、一方の外気から酸素を排気したり、一方の外気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、この種の酸素イオン導電性基板からなる酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板の表裏両面に形成された外気に接する電極膜の面積が同一のものであった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプの断面を示すものである。図４に示すように、酸素イオン導電性基板１の両面に電極膜２、３が形成され、リード線４が一箇所から引き出されている。電極膜の一方は酸素の入口側であるカソード電極膜２であり、電極膜のもう一方は酸素の出口側であるアノード電極３である。ここでカソード電極膜２とアノード電極膜３は同一の面積である。酸素発生時では、酸素の入口側と出口側の通電量は等しいため、反応場である電極膜の面積を同一にするのは一般的であり、面積を変えることは行われていない。
【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、酸素イオン導電性基板の面上全体に電極膜を形成させていたため、リード線の接続面積が限定されていた。したがって、電極膜とリード線との接合が弱く、加熱して使用する酸素ポンプでは、熱歪で断線してしまうという課題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極膜とリード部材との接合強度を向上させた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、アノード電極膜で外気に接する面積が、カソード電極膜で外気に接する面積より小さくしたものである。
【０００７】
これによって、酸素イオン導電性基板の面上のアノード電極膜側の接続面積を広く確保することができ、リード線として用いている金属部材との密着力を増加させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の構成の酸素ポンプによれば、酸素イオン導電性基板とアノード電極膜側のリード線との密着力が向上するため、熱歪による断線を防止することができる。
【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酸素イオン導電性基板と、金属ペーストの焼結体によって前記両電極膜と接続された金属部材とを備え、前記電極膜の一方であるアノード電極膜の外気に接する面積が、前記電極膜のもう一方であるカソード電極膜の外気に接する面積より小さいことを特徴とするものである。これによって、酸素イオン導電性基板とアノード電極膜側のリード線との密着力が向上するため、通電による熱歪等による断線を防止することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明の面積比が、５０％以上かつ１００％未満であるものである。アノード電極膜側では、酸素イオン導電性基板の半分程度まで接着部位として焼結体を形成させることができるため、密着力を向上させることができる。したがって、酸素ポンプの加熱及び通電によって生じる熱歪に起因する断線を防止することができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の酸素ポンプで、アノード電極膜に接続する金属部材でアノード電極膜と重なる部分に孔を開けたことを特徴とするものである。接着部位の面積を増加させた分、密着力が向上することは第２の発明と同様であるが、孔を開けたため、孔からの酸素分子の発生を可能とすることができる。したがって、焼結体の接着部位の界面で発生する酸素の気圧によって生じる接着力の低下を抑えることができる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１または第２、第３の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く、低電圧で高電流が流れる。したがって、所定の電流を得る場合、接着部位に印加される電圧が小さくなり、酸素イオン導電性基板の還元劣化を減少させることができる。すなわち接合部位の密着性の減少を抑えることができ、金属部材の断線を防止することができる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１または第２、第３の発明の金属部材の材質が、鉄とクロムとアルミニウムの合金であるものである。本発明の金属部材は、高温における耐酸化性が高いため、接着面での酸化を抑えることができる。したがって、接合部位の密着性の減少を抑えることができ、リード部材の断線を防止することができる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第１または第２、第３の発明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。したがって、発熱による熱歪を抑えることができるため、リード部材の断線を防止することができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第６の発明の金属が、金と、銀と、金とパラジウムの合金、銀とパラジウムの合金の少なくとも一つである。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抑えることができ、熱歪を減少させることができるため、リード部材の断線を防止することができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）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り、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図１において、アノード電極膜の外気に接する面積５が、カソード電極膜の外気に接する面積６より小さくなるように構成されている。
【００１８】
酸素イオン導電性基板１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、一辺３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの四角形のＬＳＧＭＯを用いた。
【００１９】
アノード電極膜２とカソード電極膜３はそれぞれ２層構造（図示せず）で、下層にサマリウム−ストロンチウム−コバルト（ＳＳＣＯ）の金属酸化物、上層に金を使用した。ただし、本発明の実施の形態としては、電極膜を１層構造にしてもよく、また電極材料として、銀や白金、金とパラジウムの合金、銀とパラジウムの合金を使用してもよい。これらの電極膜は、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ＳＳＣＯの厚み１０〜２０μｍ、金の厚み５〜１０μｍ、それぞれの大きさは一辺２６ｍｍの四角形となっている。
【００２０】
そして、リード線としての金属部材７が、それぞれの電極膜の周縁に接続されている。金属部材７は、導電性かつ耐熱性の部材であればよく、ステンレス等が使用できる。ただし、本発明の実施の形態として使用する鉄クロム合金のステンレスにアルミニウムを添加した合金箔が最も好ましい。本実施の形態では、厚み１２μｍを使用したが、５〜２０μｍであれば良い。さらに、それぞれの金属部材７が接して短絡しないように、それぞれの金属部材７の間に絶縁材（図示せず）を挟んでも良い。絶縁性の材質として、５００℃以上の高温状態で使用可能な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良い。そして、金属部材７に接続されたリード線４によって外部の電源へ引き出されている。
【００２１】
また、電極膜と金属部材７を接合する部材として、金属ペーストを７５０℃以上で燒結させた焼結体８を使用する。焼結体８としては、導電性の高く、酸化の少ない金を用いた。そして、カソード電極膜の接着面積を、電極膜の外周を１．５ｍｍの幅で形成した。一方、アノード電極膜の接着面積は、電極膜の外周を１．５ｍｍ、３．０ｍｍ、５．０ｍｍ、７．０ｍｍの４種類で形成させた。この場合のアノード電極膜の外気に接する面積は、カソード電極膜の外気に接する面積の、それぞれ１００％、７６％、４８％、２７％である。
【００２２】
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）に挟まれた図１の酸素ポンプのユニットが、カソード電極膜側の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、金属部材７を介して電極膜、酸素イオン導電性基板１に電圧を印加すると、カソード電極膜２の酸素がイオン化する。そして電界によって酸素イオンが酸素イオン導電基板１の中を移動し、反対側のアノード電極膜３に到達する。その後、電子を放出して再び酸素分子になる。
【００２３】
本実施の形態では、アノード電極膜３の外気に接する面積を変えた４種類について電圧を１．０Ｖ印加した結果、面積比で１００％、７６％、４８％については約６．０Ａの電流が流れた。酸素発生量は、推定で約２３ｃｃである。しかし、通電後３００時間では、面積比が大きいものほど電圧上昇、電流低下が発生し、劣化が生じた。通電試験後の酸素ポンプを観察すると、金属部材と電極膜との接合面が部分的に剥離していた。また、面積比２７％では、約４．５Ａの電流しか流れなかった。したがって、初期性能が低下しないのは、面積比で５０％程度以上であり、耐久性能が低下しないのは、５０％程度以下である。
【００２４】
以上、本実施例により、アノード電極膜３で外気に接する面積が、カソード電極膜２で外気に接する面積より、面積比で５０％小さくしても、初期の酸素発生量は減少せず、むしろ、接着面積を大きくすることができるため、耐久性能を向上させることができた。すなわち、アノード電極膜３の接続面積を広く確保することによって、アノード電極膜３と金属部材７との密着力を増加させることができた。
【００２５】
（実施の形態２）
図２（ａ）、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平面図であり、図２（ｂ）、図３（ｂ）は、それぞれ図２（ａ）、図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００２６】
実施の形態１と異なっている部分は、従来の電極面の他、金属部材７に複数箇所の孔が開いていることである。なお、本実施例では、切り取って開いた孔のみを図示しているが、切り取った孔に切り裂いたスリット形状を組み合わせても良い。
【００２７】
図２では、従来の四角形の電極面の四辺近くにに、スリット状の孔９が形成されたものである。また、図３では、従来の四角形の電極面は無く、金属部材の電極面上に小さな孔が複数個開いた状態である。これらの形状は例示であり、孔の大きさと形状、個数は、任意に決めることができる。ただし、開いている総面積は、カソード電極膜の外気に接する面積の５０％以上でなければならない。
【００２８】
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）に挟まれた図２、図３の酸素ポンプのユニットが、カソード電極膜２側の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、金属部材７を介して電極膜、酸素イオン導電性基板１に電圧を印加すると、カソード電極膜２の酸素がイオン化する。そして電界によって酸素イオンが酸素イオン導電基板１の中を移動し、反対側のアノード電極膜２に到達する。その後、電子を放出し、孔９の開いた外気から酸素が発生する。
【００２９】
本実施の形態では、図２、図３のどちらの形状とも、電圧を１．０Ｖ印加した結果、約６．０Ａの電流が流れた。酸素発生量は、推定で約２３ｃｃである。また、通電３００時間後での劣化も小さく抑えることができた。
【００３０】
以上、本実施例により、アノード電極膜３で外気に接する面積が、カソード電極膜２で外気に接する面積より５０％まで小さくしても、初期の酸素発生量は減少せず、むしろ、接着面積を大きくすることができるため、耐久劣化が減少した。さらに、複数個の孔９を開けることによって、接着界面で発生する酸素が原因の剥離を抑えることができる。すなわち、アノード電極膜３の接続面積を広く確保することによって、電極膜と金属部材との密着力を増加させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、性能劣化が少なく、安定動作が可能となるので、長期間使用する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】
【００３２】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における酸素ポンプの平面図（ｂ）同酸素ポンプの断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態２における酸素ポンプの平面図（ｂ）同酸素ポンプの断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における酸素ポンプの平面図（ｂ）同酸素ポンプの断面図
【図４】従来例における酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
【００３３】
１  酸素イオン導電性基板
２  カソード電極膜
３  アノード電極膜
５  アノード電極膜の外気に接する面積
６  カソード電極膜の外気に接する面積
７  金属部材
８  焼結体
９  孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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