(57)【要約】【課題】酸化触媒機能を有する酸素ポンプにおいて、高酸素雰囲気を生成し、酸化反応の促進を可能とすることを目的とする。【解決手段】酸素イオン伝導性の固体電解質６と、正電極膜７と、負電極膜８と、酸化触媒が担持された多孔質体１１と、ガス供給手段２３とを備えたものであり、多孔質体１１近傍に高酸素雰囲気が生成されるので、酸化反応の促進が可能となる。【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、負電極膜と、前記正電極膜の近傍に配置した多孔質体と、前記多孔質体近傍にガスを供給するガス供給手段とを備え、前記多孔質体は、酸化触媒を担持した酸素ポンプ。
【請求項２】
酸化触媒は、金属酸化物、２種以上の金属酸化物の混合物、またはペロブスカイト型構造を有するような複合酸化物とした請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
酸化触媒は、白金やロジウム等の貴金属とした請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
多孔質体は、ハニカム構造体、セラミック繊維の不織シート、または発泡セラミックである請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
固体電解質は、ランタンガレートとした請求項１〜４のいずれか１項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、酸化触媒機能を付加した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、固体電解質層の両面に第１および第２電極層を形成して、所定の作動温度に加熱した状態で、第１および第２電極層の間に直流電圧を印加し、酸素を選択的に排出または供給している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】再公表９６／２８５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の酸素ポンプの構成では、酸素の除去あるいは供給を目的としていたこから、得られた酸素を使って、酸化触媒による一酸化炭素等の酸化反応を促進するようなものではなかった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、高酸素雰囲気によって酸化反応を促進する酸化触媒機能を有する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】
【０００５】
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、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、負電極膜と、前記正電極膜の近傍に配置した多孔質体と、前記多孔質体近傍にガスを供給するガス供給手段とを備え、前記多孔質体は、酸化触媒を担持した構成としたものである。
【０００６】
これによって、正電極膜表面から発生する酸素ガスが高酸素雰囲気を生成するとともに、酸化反応速度が速まる方向に作用し、ガス供給手段から酸化触媒表面に供給される一酸化炭素等の被酸化成分と酸素が、酸化触媒表面にて反応し、有害性ガス等の低減が可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の酸素ポンプは、酸化反応による有害性ガス等の低減が可能であり、室内環境等の汚染防止あるいは汚染性物質の除去ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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、負電極膜と、前記正電極膜の近傍に配置した多孔質体と、前記多孔質体近傍にガスを供給するガス供給手段とを備え、前記多孔質体は、酸化触媒を担持することにより、正電極膜表面から発生する酸素ガスが高酸素雰囲気を生成するとともに、酸化反応速度が速まる方向に作用し、ガス供給手段から酸化触媒表面に供給される一酸化炭素等の被酸化成分と酸素が、酸化触媒表面にて反応し、有害性ガス等の低減が可能となる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明の酸化触媒を、金属酸化物、２種以上の金属酸化物の混合物、またはペロブスカイト型構造を有するような複合酸化物としたことにより、高酸素雰囲気であることから酸化触媒の安定性が増して、比較的安価で高活性な酸化触媒である金属酸化物あるいは複合酸化物を使うことが可能となる。
【００１０】
第３の発明は、特に、第１の発明の酸化触媒を、白金やロジウム等の貴金属としたことにより、酸化物触媒に比較して酸化反応速度をより速くすることができる。
【００１１】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の多孔質体を、ハニカム構造体、セラミック繊維の不織シート、または発泡セラミックとすることにより、いずれも耐熱性を有する多孔質体であることから、酸化触媒を高い分散状態に担持することが可能となり、酸化触媒の表面積を効率よく反応に寄与させることが可能となる。
【００１２】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の固体電解質を、ランタンガレートとしたことにより、ランタンガレートの酸素イオン伝導度が高いので、比較的低温で酸素ポンプを動作できる。
【００１３】
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。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における酸素ポンプを示すものである。
【００１５】
図において、固体電解質６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７と負電極膜８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６は、ランタンガレートとすることにより、酸素イオン伝導度が高いので、比較的低温で酸素ポンプを動作できるものである。しかし、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）、サマリウムト゛ープ型のセリア（ＳＤＣ）等であっても良い。
【００１６】
正電極膜７と負電極膜８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有機溶剤と、セルロース系ビヒクルとを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。
【００１７】
負電極膜８には、電導性の金属箔である区画手段９が連結されている。区画手段９の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤１０を付加し、正電極膜７近傍には、酸化触媒を担持した多孔質体１１を配置している。
【００１８】
また、正電極膜７および負電極膜８には、導線１２を介して電圧印加手段１３が接続されている。加熱手段１４を構成するヒータ１５は、負電極膜８の表面に対向して配置され、固体電解質６の温度を検知する検知手段１６を有する温度制御手段１７が、加熱手段１４と接続されている。
【００１９】
固体電解質６の温度を検知する検知手段１６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６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。検知手段１６が検知する固体電解質６の温度によって、温度制御手段１７が、加熱手段１４を構成するヒータ１５の入力制御を行う。
【００２０】
ヒータ１５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１８〜２０である。酸素ポンプを構成する各要素と全体の形状保持のための容器２１は、負電極膜８側に、通気用の開口部２２を設けている。
【００２１】
また、容器２１の正電極膜７側には、逆止機能によって外部のガスの流れを正電極膜７側に規制し供給できるガス供給手段２３と、容器２１外にガスを排出するための排気手段２４が設けられている。
【００２２】
以上のように構成された酸素ポンプについて、以下その動作、作用を説明する。
【００２３】
まず、酸素ポンプは、室内空気等の大気中に置かれる。この時、窒素や酸素等の大気成分（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１８〜２０の内部を通過して正電極膜７および負電極膜８の表面まで拡散した状態で安定している。
【００２４】
この状態において温度制御手段１７によってヒータ１５に通電すると、断熱手段１８〜２０内の固体電解質６および正電極膜７、負電極膜８、多孔質体１１の温度が上昇する。温度制御手段１７は、固体電解質６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１５に通電する。固体電解質６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６の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。
【００２５】
固体電解質６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７および負電極膜８の表面への拡散は行われている。固体電解質６の温度が安定した時点で、正電極膜７と負電極膜８を介して固体電解質６に電圧を印加すると、負電極膜８の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜８から固体電解質６の内部を酸素イオンとして、正電極膜７へと移動し、正電極膜７の表面から酸素分子として放出される。
【００２６】
正電極膜７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９とガス封止剤１０が、負電極膜８側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。
【００２７】
一方、窒素は負電極膜８の側に残される。残された窒素は、断熱手段２０の通気性により、大気中に拡散していくとともに、負電極膜８には酸素が供給される。
【００２８】
正電極膜７から放出される酸素は、多孔質体１１近傍に拡散し、高酸素濃度雰囲気を形成する。一方、ガス供給手段２３が、多孔質体１１近傍に、大気中の各成分ガスを供給するが、大気中に一酸化炭素や炭化水素系化合物等の汚染性ガスが含まれるときに、それらの汚染性ガスを、同時に供給する。
【００２９】
ガス供給手段２３によって供給されるガスによって、多孔質体１１近傍の酸素濃度は、薄められて低下することになるが、供給されるガス量と、正電極膜７から放出される酸素量の量的バランスをとれば、十分な酸素濃度が確保できる。
【００３０】
酸素濃度雰囲気中で、一酸化炭素や炭化水素系化合物等が存在することにより、多孔質体１１に担持された酸化触媒表面で、一酸化炭素や炭化水素系化合物等の酸化反応が進行し、一酸化炭素は二酸化炭素へ、炭化水素系化合物は酸化分解生成物へと変化する。反応後のガスは、排出手段２４から排出される。
【００３１】
酸素濃度は、一般的に化学反応速度式の構造からわかるように、酸化反応速度を速めるように作用する。
【００３２】
酸化触媒は、金属酸化物、２種以上の金属酸化物の混合物、またはペロブスカイト型構造を有するような複合酸化物とすることにより、比較的安価で高活性であり、高酸素雰囲気であることから酸化触媒の安定性が増すものである。また、酸化触媒を、白金やロジウム等の貴金属とすることにより、酸化物触媒に比較して酸化反応速度をより速くすることができ、多孔質体１１が比較的低温であっても酸化反応を進行させることが可能となる。
【００３３】
図２は、本実施の形態の酸素ポンプに適用した酸化触媒による一酸化炭素の二酸化炭素への転化率を示す温度−転化率グラフである。この時、酸化触媒は多孔質体１１に担持している。図において、酸化触媒は、白金とロジウムの混合物と、ペロブスカイト型酸化物であるＬａ0.8Ｃｅ0.2ＣｏＯ３である。
【００３４】
転化率は、流通系にて測定し、ＳＶ値は約１０５Ｌ／ｈとした。いずれの酸化触媒も、約６００Ｋで０．８もしくはそれ以上の転化率を示していることから、多孔質体１１の温度を約６００Ｋに保持することで、酸化触媒の作用を有効に発揮させることが可能である。
【００３５】
この時、多孔質体１１には、セラミック繊維の不職シートを用いて、白金とロジウムの混合物は含浸法にて担持した。また、Ｌａ0.8Ｃｅ0.2ＣｏＯ３は、粉末とセラミック繊維を水中に分散させ、混抄したものを用いた。その他の多孔質体としては、市販されているハニカム構造体や発泡セラミックであっても良い。その場合の、ハニカム構造体や発泡セラミックの多孔質体としての有効性は、既に知られているところである。
【００３６】
図３は、本実施の形態の酸素ポンプに適用した固体電解質６の酸素イオン伝導度を表す公知の温度−伝導度グラフである。固体電化質６として、ランタンガレート（Ｌａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ３）や安定化ジルコニア（８−ＹＳＺ）が適用できる。
【００３７】
この図より、ランタンガレートの伝導度が、安定化ジルコニアに比べて高いことから、ランタンガレートは安定化ジルコニアより、低温動作が可能となるので、加熱手段１４の省電力化が可能となる。また、正、負電極膜７、８間が、より低い電圧で、酸素イオンを移動させることが可能となる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態においては、酸素イオン伝導性の固体電解質６と、前記酸素イオン伝導性の固体電解質６の両面に形成された正、負電極膜７、８と、前記正電極膜７の近傍に配置した多孔質体１１と、前記多孔質体１１近傍にガスを供給するガス供給手段２３とを備え、前記多孔質体１１は、酸化触媒を担持することにより、正電極膜７から発生する酸素が、高酸素雰囲気を生成し、酸化触媒による酸化反応を促進することから、有害性ガスや汚染性物質の速やかな低減を図ることができる。
【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、酸化触媒近傍に高酸素雰囲気を生成することにより、酸化触媒による酸化反応を促進することが可能となることから、有害性あるいは汚染性物質以外に、種々の物質の酸化反応を利用する機器あるいは酸化反応によって得られる生成物を利用する機器等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態における酸素ポンプの断面図
【図２】同酸素ポンプにおける酸化触媒の温度−転化率を示すグラフ
【図３】同酸素ポンプにおける固体電化質の温度−伝導度を示すグラフ
【符号の説明】
【００４１】
６  固体電解質
７  正電極膜
８  負電極膜
１１  多孔質体
２３  ガス供給手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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