(57)【要約】【課題】高温での導電性を維持することにより酸素ポンプ装置としての機能低下の抑制を図ることで装置寿命の長期化を図ることを目的とする。【解決手段】固体電解質１０と、正電極膜１１と、負電極膜１２と、区画手段１３と、電圧印加手段１５と、電圧制御手段１６と、加熱手段１７と、温度制御手段１９と、断熱手段２０、２１、２２と、混合手段２６と、赤外線反射層３１と赤外線輻射層３２を備え、赤外線反射層３１と赤外線輻射層３２によって、区画手段１３の温度上昇が抑制され、酸化物生成量が減少し、酸素ポンプ装置での長期間の良好な電気的接続が可能となるので、装置寿命の長期化と、任意濃度での酸素混合ガスの安定生成が可能な酸素ポンプ装置の提供が可能となる。【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、前記正負両極の電極膜が接する空間を区画する前記電極膜のいずれか一方に連結された導電性を有する区画手段と、前記電極膜を介して前記酸素イオン伝導性の固体電解質に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質と前記電極膜を加熱する加熱手段と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質の温度を検知し前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段の熱発散を防止する通気性の断熱手段と、正の電極膜を介して発生する酸素と被混合ガスとを混合して混合ガスを生成する混合手段とを備え、前記区画手段は前記加熱手段が配置されている側の一方の表面に赤外線反射層を有し、前記区画手段の残る一方の表面に赤外線輻射層を有する酸素ポンプ装置。
【請求項２】
赤外線反射層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄの少なくとも１種を含むか、もしくは合金である請求項１記載の酸素ポンプ装置。
【請求項３】
赤外線輻射層は、ポリボロシロキサンあるいはポリチタノシロキサンを結合剤とする赤外線輻射被膜である請求項１または２に記載の酸素ポンプ装置。
【請求項４】
赤外線輻射層は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの少なくとも１種以上を含む金属酸化物もしくは複合酸化物を含有する請求項１〜３いずれか１項に記載の酸素ポンプ装置。
【請求項５】
赤外線輻射層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒの少なくとも１種以上を含む酸化物もしくは複合酸化物を含有する請求項１〜３いずれか１項に記載の酸素ポンプ装置。
【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装置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装置は、固体電解質基板上に電極を設けた電気化学素子において、電極を酸化物電極層、混合電極層、金属電極層の三層電極構造として、金属電極層により導電性を高め、突起を有する導電性のセパレータが酸素と空気を隔離する機能を有しながら、突起によって前記電極と電気的接続を可能とする構成としていた。また、固体電解質円筒体の両面に白金電極を設けた固体電解質酸素ポンプにおいて、前記白金電極上に白金ネットを設けたものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプ装置を示すものである。図２に示すように、セラミック基板１の表面には、三層電極構造の陰極層２と陽極層３が形成され、セパレータ４及び５には突起６（６ａ、６ｂ）が設けられた構成となっている。
【０００４】
また、図３は、特許文献２に記載された従来の酸素ポンプを示すものである。図３に示すように、固体電解質円筒体７と、白金電極８と白金ネット９とから構成されている。
【特許文献１】特表２００３−２８８９０４号公報
【特許文献２】特開平９−１２７０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、金属電極により導電性を高め、セパレータとの接触抵抗を低減させ電気接点の数も低減させるものの、使用温度が高いことによりセパレータの材質の選定が限定を受け、場合によっては高酸素雰囲気での酸化や高温による熱歪が発生すると接触不良により導電性が低下し、更に高電流領域では電流集中による局所的な温度上昇等が、酸素ポンプとしての機能低下を招くという課題を有していた。
【０００６】
また、白金ネットによる電気的接続においては、実用的にするには接触抵抗を一定に保つための構成上の工夫が必要であり、なおかつ高価であるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、区画手段によるガス隔離機能と高温での導電性を維持することにより酸素ポンプ装置としての機能低下の抑制を図ることで装置寿命の長期化を図り、任意濃度での酸素混合ガスの安定生成が可能な酸素ポンプ装置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】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプ装置は、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と、前記正負両極の電極膜が接する空間を区画する前記電極膜のいずれか一方に連結された導電性を有する区画手段と、前記電極膜を介して前記酸素イオン伝導性の固体電解質に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質と前記電極膜を加熱する加熱手段と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質の温度を検知し前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段の熱発散を防止する通気性の断熱手段と、正の電極膜を介して発生する酸素と被混合ガスとを混合して混合ガスを生成する混合手段とを備え、前記区画手段は前記加熱手段が配置されている側の一方の表面に赤外線反射層を有し、前記区画手段の残る一方の表面に赤外線輻射層を有する構成としたものである。
【０００９】
これによって、区画手段の一方の表面、即ち前記加熱手段が配置されている側の一方の表面に設けた赤外線反射層が良好な電気伝導性を維持しながら、赤外線反射作用により区画手段の温度上昇を抑制し、併せて表面保護膜として区画手段の熱による酸化を抑制する。
【００１０】
また、区画手段の残る一方の表面に形成された赤外線輻射層は、赤外線輻射により区画手段の温度上昇を抑制するように作用し、あわせて表面保護膜として区画手段の熱による酸化を抑制する。
【００１１】
例えば、区画手段が薄い金属箔等である場合、赤外線反射層がより良好な電気伝導性を維持するように作用し、赤外線輻射層による温度上昇抑制効果と相まって、区画手段の酸化反応による酸化物生成量が減少する。
【００１２】
これによって、上述したように赤外線反射層と赤外線輻射層の両方の効果により、酸素ポンプ装置での長期間の良好な電気的接続が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の酸素ポンプ装置は、長期間の良好な電気的接続が可能となるので、装置寿命の長期化と、任意濃度での酸素混合ガスの安定生成が可能な酸素ポンプ装置の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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と、前記正負両極の電極膜が接する空間を区画する前記電極膜のいずれか一方に連結された導電性を有する区画手段と、前記電極膜を介して前記酸素イオン伝導性の固体電解質に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質と前記電極膜を加熱する加熱手段と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質の温度を検知し前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段の熱発散を防止する通気性の断熱手段と、正の電極膜を介して発生する酸素と被混合ガスとを混合して混合ガスを生成する混合手段とを備え、前記区画手段は前記加熱手段が配置されている側の一方の表面に赤外線反射層を有し、前記区画手段の残る一方の表面に赤外線輻射層を有する構成とすることにより、赤外線反射層の電気伝導作用と酸化抑制作用、そして赤外線輻射層の温度上昇抑制作用と酸化抑制被膜としての作用により、区画手段における酸化物生成量が減少する。これにより、長期間の良好な電気的接続が可能となる。
【００１５】
第２の発明は、特に、第１の発明の赤外線反射層を、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄの少なくとも１種を含むか、もしくは合金で構成することにより、膜厚が数μｍの比較的薄膜で高い赤外線反射率と良好な電気伝導性を持つ赤外線反射層を得ることができる。
【００１６】
赤外線反射率が高いことは、区画手段の温度上昇抑制により効果的であり、膜厚が薄いことが、基材である区画手段の変形への追随性を高め、密着性を強化し、また赤外線反射層による区画手段への機械的影響を少なくすることができる。
【００１７】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の赤外線輻射層を、ポリボロシロキサンあるいはポリチタノシロキサンを結合剤とする赤外線輻射被膜で構成することにより、膜厚が数μｍの比較的薄膜で高い赤外線輻射率を持つ赤外線輻射層を得ることができる。
【００１８】
赤外線輻射率が高いことは、区画手段の温度上昇抑制により効果的であり、膜厚が薄いことが、基材である区画手段の変形への追随性を高め、密着性を強化し、また赤外線輻射層による区画手段への機械的影響を少なくすることができる。
【００１９】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の赤外線輻射層を、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの少なくとも１種以上を含む金属酸化物もしくは複合酸化物を含有する構成とすることにより、赤外線の広い波長領域において高い赤外線輻射率を持たせることが可能となる。これによって、薄膜の赤外線輻射層が、更に効果的に温度上昇を抑制することになる。
【００２０】
第５の発明は、特に、第１〜第３のいずれか一つの発明の赤外線輻射層を、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒの少なくとも１種以上を含む酸化物もしくは複合酸化物を含有する構成とすることにより、赤外線の６〜７μｍ以上の長波長領域において赤外線輻射率を高めることが可能となる。使用の条件によって、金属酸化物や金属複合酸化物の使用が困難である場合に適している。
【００２１】
以下、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。
【００２２】
（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装置の断面構成図を示すものである。
【００２３】
図１において、固体電解質１０は置換型のランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）の焼結体を任意の厚さの平板状に成型したものであり、表面に正電極膜１１と負電極膜１２が酸素イオン伝導性を発現するように結合されている。固体電解質１０は、ランタンガレートに限るものではなく、イットリウムドープ型のジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドープ型のセリア（ＳＤＣ）などであっても良い。
【００２４】
正電極膜１１と負電極膜１２には、導電性を有するペロブスカイト型複合酸化物を用いた。例えば、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を有機溶剤であるセルロース系ビヒクル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した。
【００２５】
更に、正電極膜１１と負電極膜１２は、上記多孔性電極膜の上にＡｕやＰｔのような多孔性金属膜を積層しても良い。この場合、ＡｕペーストあるいはＰｔペーストを使い、上記と同様の行程で造膜できる。得られた積層型の電極膜は、金属膜により導電性が高まり、電極膜での電位の面分布のムラを改善できる。
【００２６】
負電極膜１２には、導電性の金属箔である区画手段１３が連結されている。ここでは、ＳＵＳ４３０を用いた。区画手段１３は、負電極膜１２を露出するための開口１３ａを有している。区画手段１３の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤１４を付加している。
また、正電極膜１１および負電極膜１２には、導線１５ａを介して電圧印加手段１５が接続されており、電圧印加手段１５には、電圧制御手段１６が接続されている。導線１５ａは、導入口３３を介して各電極膜に接続されている。
【００２７】
より詳細には、負電極膜１２は、区画手段１３との接触界面において接着により電気的に接続され、区画手段１３が導線１５ａと接続されている。従って、区画手段１３の電気抵抗の安定を図ることが求められる。そのためには、熱などによる区画手段１３の酸化を抑制することが必要である。
【００２８】
区画手段１３の表面には、赤外線反射層３１と赤外線輻射層３２を設けている。赤外線反射層３１は、Ａｕペーストを前駆体として用いている。赤外線反射層３１の形成は、予め区画手段１３の表面にＡｕペーストを塗布した後、乾燥、焼成行程で造膜することによって行った。膜厚は、１〜３μｍであった。
【００２９】
Ａｕは赤外線反射率が約９８％と高く、かつ電気伝導性も高い。また、酸化しにくいので両者の作用が長期間維持できる。Ａｕ以外にもＰｔ、Ａｇ、Ｐｄが使用可能であり、ＡｇについてはＰｄとの合金が好ましい。
【００３０】
赤外線輻射層３２の前駆体は、ポリボロシロキサンとＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２とＦｅ・Ｃｕ・Ｍｎ複合酸化物と溶剤との混合物である。赤外線輻射層３２の形成は、予め区画手段１３の表面に前記混合物である前駆体を塗布した後、乾燥、焼成行程で造膜することによって行った。膜厚は、３〜５μｍであった。このようにしてできた赤外線輻射層３２の輻射率を、熱平衡型放射率計で測定すると０．７〜０．８であった。区画手段１３の素材であるＳＵＳ４３０は、熱的な酸化による酸化物の生成が少ない場合に、輻射率０．１〜０．１５である。
【００３１】
この赤外線輻射層３２は、赤外線輻射率が高いので被加熱時に輻射により区画手段の温度上昇を抑制する。例えば、加熱温度が５００〜６００℃の場合において、赤外線輻射層３２を形成した場合とそうでない場合とで、その表面温度は、前者が５０℃以上低いことが確認できた。
【００３２】
赤外線輻射層３２の前駆体を構成するポリボロシロキサンは、焼成することによりセラミック化し、基材との密着性や添加する酸化物粒子の結合保持力に優れ、比較的薄い膜形成のための結合材として適している。同様の機能を持つものとして、ポリチタノシロキサンがある。
【００３３】
Ｆｅ・Ｃｕ・Ｍｎ複合酸化物のような金属酸化物や複合酸化物は、広い波長領域での赤外線吸収性に優れており、そのことが輻射性能を高めている。他に、ＮｉやＣｕも同様に使用可能である。
【００３４】
ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２などは、上記複合酸化物に比べると短波長側で輻射性能が劣るが、長波長側では同等の輻射性能を有する。従って、遷移金属系の使用が難しい時には、適している。前記の前駆体成分を、ポリボロシロキサンとＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２とＴｉＯ２とした場合、得られた赤外線輻射層３２の輻射率は、０．６〜０．７である。他に、Ｙ２Ｏ３も同様の理由で使用するが可能である。
【００３５】
このように赤外線輻射層３２は、区画手段１３の温度上昇を抑制するので、酸化反応による酸化物生成量を減少させ、これにより、長期間の良好な電気的接続が可能となる。
【００３６】
また、赤外線輻射層３２は、区画手段１３の両面に形成してもよい。この場合、次に記載するヒータ１８に面する輻射層は、赤外線の吸収層として機能し、熱伝度により固体電解質１０の昇温を促進する。加えて、輻射層自体が酸化抑制被膜として作用するので区画手段１３の酸化抑制が可能である。
【００３７】
加熱手段１７を構成するヒータ１８は、負電極１２の表面に対向して配置され、固体電解質１０の温度を検知する手段１９ａを有する温度制御手段１９が、加熱手段１７と接続されている。
【００３８】
固体電解質１０の温度を検知する手段１９ａは、温度センサーあるいは他の方法であってもよい。センサーの場合、固体電解質１０の近傍に配置されるかあるいは、任意の個所に配置してよい。温度制御手段１９が検知する固体電解質１０の温度によって、温度制御手段１９が、加熱手段１７を構成するヒータ１８の入力制御を行う。
【００３９】
ヒータ１８が発生する熱の損失を抑制するための通気性の断熱材が断熱手段２０および２１、２２である。ここでは、シリカとアルミナを主成分とする平板状に成型された断熱材を用いた。酸素ポンプ装置を構成する各要素と全体の形状保持のための容器２３は、負電極膜１２側に、通気用の開口部２４を設けている。
【００４０】
また、容器２３の正電極膜１１側には、通気口２５を介して、ガスの混合手段２６が連結されている。混合手段２６は、ガス誘導管２７と、被混合ガス導入管２８と、ガス混合器２９と、ガスポンプ３０によって構成されている。
【００４１】
以上のように構成された酸素ポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４２】
まず、酸素ポンプ装置は、室内空気等の大気中に置かれる。この時、窒素や酸素などの大気成分（以下、単に窒素、酸素とする）は、酸素ポンプ装置を構成する通気性の断熱材である断熱手段２０および２１、２２の内部を通過して正電極膜１１および負電極膜１２の表面まで拡散した状態で安定している。
【００４３】
この状態において温度制御手段１９によってヒータ１８に通電すると、断熱手段２０および２１、２２内の固体電解質１０および正電極膜１１、負電極膜１２の温度が上昇する。温度制御手段１９は、固体電解質１０が動作するに必要な温度となるよう、予め定められた所定の電圧を、ヒータ１８に通電する。固体電解質１０がランタンガレートである場合、動作に必要な温度は、約６００℃が好ましい。但し、この温度が限定を受けるものではなく、固体電解質１０の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。
【００４４】
このようにして、固体電解質１０が配置された空間は動作温度近傍で、ほぼ熱的平衡状態となるので、固体電解質１０に連結された区画手段１３の温度も熱分布はあるが、同程度の温度まで上昇することが予想される。
【００４５】
しかしながら、この時に、赤外線反射層３１と赤外線輻射層３２が、区画手段１３の温度上昇を抑制するように作用するため、実際の温度測定によると、いずれの被膜も無い場合に比べて５０℃以上の温度低下が認められた。
【００４６】
固体電解質１０の温度が上昇した状態においても、窒素と酸素の正電極膜１１および負電極膜１２の表面への拡散は行われている。固体電解質１０の温度が安定した時点で、正電極膜１１と負電極膜１２を介して固体電解質１０に電圧を印加すると、負電極膜１２の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜１２から固体電解質１０の内部を酸素イオンとして、正電極膜１１へと移動し、正電極膜１１の表面から酸素分子として放出される。
【００４７】
正電極膜１１の表面近傍は、純酸素に近い状態となるが、ガスリークの完全な防止ができない限り、正電極膜１１の表面から離れるとともに、排出された酸素はリークしたガスと自然に混合される。したがって、区画手段１３とガス封止剤１４が、負電極膜１２側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。
【００４８】
一方、窒素は負電極膜１２の側に残される。残された窒素は、断熱手段２２の通気性により、大気中に拡散していくと共に、負電極膜１２には酸素が供給される。
【００４９】
正電極膜１１から放出される酸素は、通気口２５を通り、ガス混合手段２６を構成することによってガス誘導管２７と、被混合ガス導入管２８と、ガス混合器２９とによって被混合ガスと混合される。本実施例では、被混合ガスは大気である。生成される混合ガスは酸素富化ガスであり、その流量は、ガスポンプ３０の吸引と排出速度によって決められる。
【００５０】
また、混合ガス中の酸素濃度は、混合ガス流量と、固体電解質１０を流れる酸素イオン量すなわちイオン電流の大きさによって決められる。イオン電流は、固体電解質１０に印加される電圧の大きさによって制御できる。
【００５１】
最終的に、本発明の酸素ポンプ装置によって得られる混合ガス中の酸素濃度は、電圧制御手段１６による電圧制御とガスポンプ３０による混合ガス流量の制御によって実行されることになる。
【００５２】
以上のように、本実施の形態では、固体電解質１０と正電極膜１１と負電極膜１２を酸素イオン伝導性を発現するように結合させ、区画手段１３等によってガスリークを抑制し、加熱昇温と電圧印加を行うことにより、酸素分子を正電極１１から放出させ、酸素富化された混合ガスを生成することとなり、電圧制御手段１６による電圧制御とガスポンプ３０による混合ガス流量の制御によって、任意の酸素濃度ガスを安定的に得ることができる。
【００５３】
また、本実施の形態では正電極膜１１と負電極膜１２は、それぞれ単層構造に限るものではなく、上記のペロブスカイト型酸化物を使った正負両電極膜の表面に、金あるいは白金のような導電性の優れた材料の多孔性膜を形成した２層構造の電極膜としたことにより、正電極膜１１と負電極膜１２のイオン電流と垂直方向すなわち電極膜の面方向の電位分布が均一になり、正電極膜１１と負電極膜１２の動作が、ムラなく行われることから、消費電力の低減を図ることができると共に効率的な酸素イオンの移動が可能となる。
【００５４】
更に、以上の動作による区画手段１３の状態変化は、赤外線反射層３１と赤外線輻射層３２の作用により明らかに酸化物生成の抑制が確認された。このことにより、酸素ポンプ装置での長期間の良好な電気的接続が可能となる。
【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装置は、導電性を有する区画手段の酸化抑制が図られるので、酸素ポンプ装置での長期間の良好な電気的接続が可能となり、酸素を利用する空気清浄機や空調機器あるいは健康促進機器、健康増進機器など広範な用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ装置の断面構成図
【図２】特許文献１における従来の酸素ポンプ装置を示す図
【図３】特許文献２における従来の酸素ポンプを示す図
【符号の説明】
【００５７】
１０  固体電解質
１１  正電極膜
１２  負電極膜
１３  区画手段
１５、１５ａ  電圧印加手段
１６  電圧制御手段
１７  加熱手段
１９  温度制御手段
２０、２１、２２  断熱手段
２６  混合手段
３１  赤外線反射層
３２  赤外線輻射層
【図１】
2005307249.tif 000003
【図２】
2005307249.tif 000004
【図３】
2005307249.tif 000005