(57)【要約】【課題】複数の固体電解質に印加される電圧を積み上げることで、酸素ポンプ素子を高電圧小電流化して汎用的な電源で動作させることを目的とする。【解決手段】金属箔部材１５は複数の開口部を備え、前記開口部に酸素イオン伝導性の固体電解質７が金属箔部材１５と絶縁構造でガスシールされながら複数配置され、固体電解質７の両面には正電極膜８と負電極膜９が形成され、正電極膜８または負電極膜９のいずれか一方は固体電解質７の縁面部に導電膜を設けることで導電部を他方側に導くことで、電圧を印加する側を同一方向とし、複数の固体電解質７は正電極膜８および負電極膜９が電気的に直列回路となるように構成されている酸素ポンプ素子とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口部を備えた金属箔部材と、前記開口部に前記金属箔部材と絶縁構造でガスシールされながら複数配置された酸素イオン伝導性の固体電解質と、前記固体電解質の両面に形成された正電極膜と負電極膜と、前記正電極膜または前記負電極膜のいずれか一方に設けられた前記固体電解質の縁面部に導電膜とを有し、導電部を他方側に導くことで電圧を印加する側を同一方向とし、複数の固体電解質は前記正電極膜および前記負電極膜が電気的に直列回路となるように構成されていることを特徴とする酸素ポンプ素子。
【請求項２】
金属箔部材の開口部周囲にはガラスセラミック膜が配設され、固体電解質は前記ガラスセラミック膜を介して接合固定されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項３】
金属箔部材と接合されていない固体電解質の電極膜の周囲にはガラスセラミック膜が配設されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の酸素ポンプ素子。
【請求項４】
一枚の固体電解質はワイヤーボンディングを複数本使用することで電気的に直列回路となるように結線されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項５】
一枚の金属箔部材は複数の固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項６】
ガラスセラミック膜の主体がＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＢａＯ系またはＳｉＯ２―Ａｌ２Ｏ３―ＣａＯ−ＢａＯ系でアルカリ土類金属の酸化物を１５〜２５ｗｔ％含有し、アルカリ金属の酸化物を２ｗｔ％以下含有する結晶化ガラスであることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項７】
正電極膜と負電極膜は固体電解質に直接接合する第一電極膜と、前記第一電極膜上に形成された第二電極膜とで構成され、前記固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜を前記第一電極膜とし、貴金属成分を主体とする膜を前記第二電極膜として前記第一電極膜上に配設したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項８】
固体電解質がランタンガレートであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項９】
第一電極膜の複合金属酸化物がペロブスカイト型構造であることを特徴とする請求項７または８に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１０】
金属箔部材がアルミニウムを含有したフェライト系ステンレスであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の酸素ポンプ素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０いずれか１項に記載の酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子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、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段および前記酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する断熱手段と、前記酸素ポンプ素子を介して発生した酸素を空気と混合して所定酸素濃度の混合ガスにする混合手段とを備えたことを特徴とする酸素供給装置。
【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素子とそれを用いた酸素供給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は複数枚の酸素イオン伝導性基板を同時に使用する場合、同じ面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加するものであった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は特許文献１に記載された酸素ポンプの平面図であり、図９は酸素ポンプの断面図である。２５枚の酸素イオン導電性の固体電解質１が図示され、支持部材２に固定されている。それぞれの電極膜３の周縁部からリード線４が引き出されて集結し、配線に同電位の状態で接続されている。配線からはリード線５が引き出され、電源の一方の極に接続されている。また裏面からは同様にして引き出されたリード６線が、電源のもう一方の極に接続されている。
【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伝導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大きな電流が流れることになる。したがって、十分に太いリード線や電気抵抗の小さな特別なリード線を使う必要があるという課題を有していた。また、接続部やスイッチ部などの抵抗値が小さい部分でも発熱することがあった。さらに、例えば家庭での実使用を考慮した場合、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り、高コスト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のもので、小電流型の酸素ポンプを提供するとともに、固体電解質を介して両側に存する空間部を十分にガスシールし、酸素ポンプ素子の急激な熱衝撃に対してもクラックあるいは剥離を生じることのない酸素ポンプ素子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素子は、複数の開口部を備えた金属箔部材と、前記開口部に前記金属箔部材と絶縁構造でガスシールされながら複数配置された酸素イオン伝導性の固体電解質と、前記固体電解質の両面に形成された正電極膜と負電極膜と、前記正電極膜または前記負電極膜のいずれか一方に設けられた前記固体電解質の縁面部に導電膜とを有し、導電部を他方側に導くことで電圧を印加する側を同一方向とし、複数の固体電解質は前記正電極膜および前記負電極膜が電気的に直列回路となるように構成されていることを特徴とする酸素ポンプ素子としたものである。
【０００７】
これによって、金属箔部材に複数の固体電解質を電気的に直列回路となるように構成することで、固体電解質に印加される電圧を積み上げることができ、酸素ポンプ素子を高電圧小電流化して動作させることが可能となる。複数の固体電解質を同一方向から結線できるため製造プロセスが簡素化できる。また固体電解質は金属箔部材上に配置されているので、熱衝撃、熱歪に対しても十分な柔軟性を有している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の酸素ポンプ素子は、固体電解質に印加される電圧を積み上げることができ、高電圧小電流化して汎用的な電源で動作させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、金属箔部材は複数の開口部を備え、前記開口部に酸素イオン伝導性の固体電解質が前記金属箔部材と絶縁構造でガスシールされながら複数配置され、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜が形成され、前記正電極膜または前記負電極膜のいずれか一方は前記固体電解質の縁面部に導電膜を設けることで導電部を他方側に導くことで、電圧を印加する側を同一方向とし、複数の固体電解質は前記正電極膜および前記負電極膜が電気的に直列回路となるように構成されることにより、固体電解質に印加される電圧を積み上げることができ、酸素ポンプ素子を高電圧小電流化して汎用的な電源で動作させることが可能となる。複数の固体電解質を同一方向から結線できるため製造プロセスが簡素化できる。また固体電解質は金属箔部材上に配置されているので、熱衝撃、熱歪に対しても十分な柔軟性を有している。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明の金属箔部材に対して、開口部周囲にはガラスセラミック膜が配設され、固体電解質は前記ガラスセラミック膜を介して接合固定される構成となることにより、固体電解質表面上の電極膜は金属箔部材と十分な絶縁性を維持することができ、複数の固体電解質を確実に直列回路として、印加した電圧を積み上げることが可能となる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の固体電解質に対して、金属箔部材と接合されていない側の電極膜周囲にはガラスセラミック膜が配設されることにより、固体電解質を金属箔部材と接合されていない側からもバランスよく補強するとともに、固体電解質で生じた熱の放熱を抑制することもできる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の固体電解質に対して、一枚の固体電解質はワイヤーボンディングを複数本使用することで電気的に直列回路となるように結線されていることにより、流れる電流が固体電解質上の一箇所に集中することなく、分散できるとともに、複数の固体電解質を自動化して結線できるため、製造プロセスが大幅に簡素化される。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか一つの発明の金属箔部材に対して、一枚の金属箔部材で複数の固体電解質が接する空間部を区画する区画手段として構成されることにより、複数の固体電解質を介して両側に位置する空間部は一枚の金属箔部材によって区分されるので十分なガスシール性を保持させることができる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第２〜第５のいずれか一つの発明のガラスセラミック膜に対して、主体がＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系、ＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系あるいはＳｉＯ２―Ａｌ２Ｏ３―ＣａＯ−ＢａＯ系でアルカリ土類金属の酸化物を１５〜２５ｗｔ％含有し、アルカリ金属の酸化物を２ｗｔ％以下含有する結晶化ガラスとすることにより、高い耐熱性を有しながら、固体電解質基板と熱膨張係数を整合化させることができるので熱歪を生じることなく、固体電解質基板と金属箔部材との間に必要な絶縁性を保持させることができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか一つの発明の正電極膜と負電極膜に対して、固体電解質に直接接合する第一電極膜と、前記第一電極膜上に形成された第二電極膜とで構成され、固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜を第一電極膜とし、貴金属成分を主体とする膜を第二電極膜として前記第一電極膜上に配設した構成とすることにより、第二電極膜は導電性の高い材料で構成されるので、ある程度の面積を有する電極部
に対して等しい電位を印加することができた。また第一電極膜は固体電解質と第二電極膜の中間層として酸素を解離吸着する電極反応を高めることができるので酸素分子から酸素イオンへと変化するための良好な触媒作用を得ることができる。
【００１６】
第８の発明は、特に、第１〜第７の固体電解質に対して、ランタンガレートを使用することにより、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複合金属酸化物であり、４００℃以上で酸素イオン伝導性を有す。したがって酸素ポンプ素子の動作温度を６００℃程度の比較的低温に保持することで十分な能力を得ることができるため、長期的にも酸素ポンプ素子の劣化を抑制できる。
【００１７】
第９の発明は、特に、第７または第８のいずれか一つの発明の第一電極膜の複合金属酸化物として、ペロブスカイト型構造を使用することにより、固体電解質と第二電極膜の中間層として酸素を解離吸着する電極反応を高めることができるので酸素ポンプ素子としての酸素イオン伝導性を向上させることができる。
【００１８】
第１０の発明は、特に、第１〜第９のいずれか一つの発明の金属箔部材として、アルミニウムを含有したフェライト系ステンレスを使用することにより、高温酸化に対して優れた特性を有するようになり、８００℃付近で長期使用に対して安定した特性を維持できる。
【００１９】
第１１の発明は、特に、第１〜第１０のいずれか一つの発明の酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子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、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の固体電解質温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段と、前記加熱手段および前記酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する通気性の断熱手段と、前記酸素ポンプ素子を介して発生した酸素を空気と混合して所定酸素濃度の混合ガスにする混合手段とを備えた構成とすることにより、固体電解質に印加される電圧を積み上げることができ、酸素ポンプ素子を高電圧小電流化して汎用的な電源で動作させることが可能となる。複数の固体電解質を同一方向から結線できるため製造プロセスが簡素化できる。また固体電解質は金属箔部材上に配置されているので、熱衝撃、熱歪に対しても十分な柔軟性を有している。また固体電解質を介して両側に位置する空間部は一枚の金属箔部材によって区分されるので十分なガスシール性を保持させることができる。また酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が断熱材に覆われた簡素な構造とすることができるので酸素ポンプの小型化が可能となり、機器への実装を容易にすることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
（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となる固体電解質の正極側の概略構成図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質の負極側の概略構成図であり、図３は、本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質のＡ−Ａラインにおける断面構成図を示すものである。
【００２２】
固体電解質７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、表面上には第一電極膜として、正電極膜８と負電極膜９が酸素イオン伝導性を発現するように形成されている。ここでは固体電解質として寸法１５×１５．５ｍｍ、厚み１００μｍを想定して説明する。
【００２３】
正電極膜８と負電極膜９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。
具体的には、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、寸法１２×１２ｍｍを形成し、乾燥後、１１００℃にて焼成することにより膜厚約１５μｍの多孔性を有した電極膜を形成した。
【００２４】
更に、正電極膜８と負電極膜９の表面上には、第二電極膜としてＡｕ多孔性の正第二電極膜１０、負第二電極膜１１を積層した。この場合、Ａｕペーストを使い、スクリーン印刷により印刷膜、寸法１２．２×１２．２ｍｍを形成し、乾燥後、９００℃にて焼成することにより膜厚約３μｍの第二電極膜を形成した。正第二電極膜１０、負第二電極膜１１は、正電極膜８と負電極膜９間に電圧を印加した時の電位に対して固体電解質の面分布ムラを改善できる。
【００２５】
負第二電極膜１１の周囲には導電膜Ａ１２を形成した。導電膜ＡとしてＡｕにＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系のガラスセラミック粒子が３ｗｔ％含有されるＡｕペーストを使用し、スクリーン印刷により印刷膜、内寸法１２×１２ｍｍ、外寸法１５×１５．５ｍｍを形成した。その後正第二電極膜１０側に１．５ｍｍの間隔を設けて導電膜Ｂ１３を形成した。導電膜Ｂも導電膜Ａと同じガラスセラミック粒子含有のＡｕペーストを使用し、スクリーン印刷により印刷膜、幅０．５ｍｍ、長さ１５ｍｍを形成した。さらに導電膜Ａと導電膜Ｂとが導通構造となるように固体電解質７の端面部に導電膜Ｃ１４を形成した。導電膜Ｃも導電膜Ａと同じガラスセラミック粒子含有のＡｕペーストを使用し、ポッティング印刷によって形成した。導電膜Ａ、導電膜Ｂ、導電膜Ｃは乾燥後、８５０℃にて焼成することにより形成した。この結果負第二電極膜１１は導電膜Ａと導電膜Ｃを介して導電膜Ｂと導通構造となっている。
【００２６】
図４は酸素ポンプ素子の概略構成図を示すものである。ここでは固体電解質７が４９個使用された酸素ポンプ素子について説明する。個々の固体電解質は負電極膜９側が１枚の金属箔部材１５と連結されている。金属箔部材１５としてはＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ、１２μｍを使用した。金属箔部材１５には、固体電解質の負第二電極膜１１面が露出するように４９個の開口部、１２×１２ｍｍが設けられている。固体電解質の外周部負電極側は絶縁膜１６によって金属箔部材１５と接合されている。固体電解質の寸法は１５×１５．５ｍｍに対して金属箔部材１５に設けられた開口部は１２×１２ｍｍなので絶縁膜１６による接合部は固体電解質の周囲に対してほぼ１．５ｍｍ幅となる。金属箔部材１５の開口部に絶縁膜１６として、具体的にはＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系のガラスセラミックペーストを、スクリーン印刷により印刷膜を形成し、個々の固体電解質に５０ｇの荷重を加えながら乾燥後、８５０℃にて焼成することにより膜厚約２０μｍの絶縁膜１６を形成しつつ、固体電解質を金属箔部材１５と接合させた。
【００２７】
隣合う固体電解質の正第二電極膜１１と導電膜Ｂ１３とが結線されることで電気的に直列回路となっている。結線はφ０．７５ｍｍの金線１７を３本ボールボンディングすることによって行った。図４において、個々の固体電解質には直列回路に結線した序列を番号付けしている。４９個の固体電解質に対して最終的には１番目の固体電解質の正第二電極膜と結線されたリード部１８と、４９番の固体電解質の負第二電極膜と電気的に導通する導電膜と結線されたリード部１９から酸素ポンプ素子全体に電圧を印加する構成となる。リード部１８およびリード部１９も固体電解質の一箇所に電流が集中するのを抑制するために３箇所からのリードを撚り線にする構成とした。
【００２８】
本実施の形態では固体電解質と金属箔部材との絶縁構造を維持させるためにガラスセラミック膜で接合させている。固体電解質と金属箔部材との絶縁構造を維持させる方法として、金属箔部材上にガラスセラミック膜で絶縁層を形成した後、導電体で接合する方法もある。しかし、その場合には導電体の印刷時あるいは焼成時にガラスセラミック膜のミク
ロな細孔部に導電体が進入して絶縁性が低下するというリスクを回避できない。したがって製造プロセス的には導電体を焼成して形成した後に絶縁層を形成したほうが、信頼性の高い絶縁構造を保持させることができた。
【００２９】
図５は上記酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置の概略断面構成図を示すものである。
【００３０】
４９個の固体電解質に対して空間区画手段となる一枚の金属箔部材１５の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤２０で支持体２１に固定されている。また、リード部１８およびリード部１９には、導線を介して電圧印加手段２２が接続されており、電圧印加手段２２には、電圧制御手段２３が接続されている。加熱手段２４を構成するヒータ２５は、負電極側の表面に対向して配置され、固体電解質の温度を検知する手段２６１を有する温度制御手段２６が、加熱手段２４に信号を送っている。ここではヒータ２５としてＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌからなるリボンヒータを使用した。
【００３１】
固体電解質の温度を検知する手段２６１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２６が検知する固体電解質の温度によって、温度制御手段２６が、加熱手段２４を構成するヒータ２５の入力制御を行う。
【００３２】
ヒータ２５が発生する熱の損失を抑制するための断熱部材が断熱手段２７および断熱手段２８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部材を用いた。断熱手段２７には給気のために通気孔２７１が配設されている。通気孔２７１断熱部材の広い面積に空間部を設け、通気に伴う拡散抵抗によって均一に固体電解質７の負極側へ供給されるように設計した。
【００３３】
送風ポンプ２９から外気は熱交換器３０１を具備した送風回路３０の給気通路３０２を経て、通気孔２７１へと導かれ、最後に断熱手段２７によって給気が受熱して固体電解質７の負極側へ至る。したがって冷たい外気が固体電解質７の負極側へ来ることはない。その後排気通路３０３を経て外部へと排出される。この時熱交換器３０１によって給気通路３０２を通過する空気は排気通路３０３を通過する空気から熱を得る。
【００３４】
酸素ポンプ素子が収納されている容器３１の正極側には、通気口３１１を介して、ガスの混合手段３２が連結されている。混合手段３２は、ガス誘導管３３と、被混合ガス導入管３４と、ガス混合器３５と、ガスポンプ３６によって構成されている。
【００３５】
以上のように構成された酸素供給装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３６】
温度制御手段２６によってヒータ２５に通電すると、断熱手段２７および断熱手段２８内の固体電解質の温度が上昇する。温度制御手段２６は、固体電解質が動作するに必要な温度、約６００℃となるよう、ヒータ２５を制御しながら通電していく。但し、この温度が限定を受けるものではなく、固体電解質の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。ここではヒータ２５に２５０Ｗを入力して酸素ポンプ素子の起動を行った。その結果、約６０ｓｅｃで６００℃とすることができた。その後は酸素供給装置全体への熱拡散も考慮しながら、温度制御手段２６で制御する。
【００３７】
固体電解質のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正第二電極膜と負第二電極膜を介して個々の固体電解質に電圧を印加すると、負電極膜側の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜から固体電解質の内部を酸素イオンとして、正電極膜へと移動し、正電極膜側の表面から酸素分子として放出される。４９個の固体電解質からなる酸素ポンプ
素子に３０Ｖを印加することによって４．０Ａの電流が流れる。その結果、酸素イオン伝導によって酸素ポンプ素子の正極側から酸素ガス約７００ｍｌ／ｍｉｎを得ることが可能となる。
【００３８】
この時送風ポンプ２９も起動させることで、所定量の外気が給気通路３０２を経て、通気孔２７１へと導かれ、最後に断熱手段２７によって受熱しながら、固体電解質７の負極側へと給気される。ここでは４３００ｍｌ／ｍｉｎの空気を供給した。酸素ポンプ素子が動作していると固体電解質７の負極側から正極側へと酸素が引き抜かれ、負極側が窒素リッチ状態に陥る。これを抑制するために窒素リッチ状態の空気は排気通路３０３を経て外部へと排出し、新たな空気を連続的に給気通路３０２から供給している。この時熱交換器３０１によって給気通路３０２を通過する空気は排気通路３０３を通過する空気から熱を得ることになる。熱交換器３０１による熱回収率はほぼ５０％で設計した。ここでは熱交換用部材としてアルミニウムのフィンを使用した。
【００３９】
その後ヒータ２５への入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持させるように、印加する電圧を徐々に上昇させた。最終的には酸素ポンプ素子への印加電圧を４５Ｖとして、加熱手段Ａによるヒータ２５への入力をゼロにすることができた。すなわち酸素イオン伝導によって生じた４５Ｖ、４．０Ａの１８０Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。
【００４０】
したがって金属箔部材１５は１枚で構成されているため、固体電解質を動作させる高温雰囲気でも絶縁膜１６は少なくとも４５Ｖの１／２以上の絶縁破壊電圧を有することが要求されたが、絶縁膜１６は約６０Ｖ以上の絶縁破壊電圧を有するように設計した。
【００４１】
この時金属箔部材も６００℃の雰囲気温度に加えて高温状態に曝されることになる。金属箔部材として、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレスを使用することで優れた耐酸化性を得ることができる。
【００４２】
正電極膜側の表面近傍は、発生した酸素ガスによって純酸素に近い状態となり、正電極側の表面から離れ、通気性を有する断熱手段２８を通過することになる。したがって、空間を区画する手段となる金属箔部材１５とガス封止剤２０が、負電極膜側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。また固体電解質と金属箔部材１５とをガスシールする絶縁膜１６も負電極膜側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。
【００４３】
正電極側から放出される酸素ガスは、通気口３１１を通り、ガス混合手段３２を構成するガス誘導管３３と、被混合ガス導入管３４と、ガス混合器３５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３６の吸引と排出速度によって決められる。
【００４４】
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。
【００４５】
（実施の形態２）
図６は、本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質の正極側概略構成図を示し、図７は、本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質のＢ−Ｂラインにおける断面構成図を示すものである。概略の構成は実施の形態１と重複しているので異なる部分について説明を加える。固体電解質３７の表面上に形成する第一電極膜および第二電極膜の構成は同じである。固体電解質３７には第一電極膜となる正電極膜３８と負電極膜３９が形成され、その上に正第二電極膜４０と負第二電極膜
４１が形成されている。正第二電極膜４０の周囲にはガラスセラミック膜４２が形成されている。ガラスセラミック膜４２は実施の形態１と同様にＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系を使用した。また導電膜Ａ４３、導電膜Ｂ４４および導電膜Ｃ４５によって負第二電極膜４１が正電極膜側に導通部を有する構造となっている。
【００４６】
さらに実施の形態１と同様に負電極膜側が金属箔部材とガラスセラミック膜を介して接合されることで酸素ポンプ素子となる。固体電解質の結線も実施の形態１と同様に金線のボールボンディング方法で行った。
【００４７】
得られた酸素ポンプ素子を使用して酸素供給装置を作製した。この場合にも構成は実施の形態１と同様にした。その結果４２Ｖ、４．０Ａの１６８Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。したがって実施の形態１と比較すると少しだけ省エネルギー化ができた。
【００４８】
また本実施の形態の固体電解質は正電極膜側からもガラスセラミック膜によって補強されているので、酸素ポンプに印加する電圧をある程度急激に変動させてもクラック破損に至ることはなかった。
【００４９】
実施の形態では、絶縁膜となるガラスセラミック膜としてＳｉＯ２―ＺｎＯ―ＣａＯ−ＢａＯ系でアルカリ土類金属の酸化物を１５〜２５ｗｔ％含有し、アルカリ金属の酸化物を２ｗｔ％以下含有するもの使用したがこれに限定されるものではない。金属箔部材との充分な絶縁性が維持でき、電極膜や導電膜となる材料と製造工程での処理温度に不具合を生じないものであればよい。その他ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＢａＯ系またはＳｉＯ２―Ａｌ２Ｏ３―ＣａＯ−ＢａＯ系も適用可能であった。アルカリ金属の酸化物含有率を抑えることでガラスの特性は高温化し、アルカリ土類金属酸化物の含有率を１５〜２５ｗｔ％とすることで結晶化開始温度は７５０〜８００℃とすることができ、金属箔部材との接合温度を８００〜８５０℃にすることができた。
【００５０】
また、実施の形態では、固体電解質としてランタンガレートを使用したがこれに限定させるものではなく、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。但し現状ではランタンガレート系の材料が酸素イオン伝導体として動作温度が低いので材料の耐久性を鑑みた場合、もっとも好ましい材料といえる。
【００５１】
また、実施の形態では、第一電極膜の複合金属酸化物としてＳｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を使用したがこれに限定されるものではない。しかしペロブスカイト型構造を有する複合金属酸化物は酸素分子との電極反応性が高く、かつそれ自体が導電性を有するので優れた酸素イオン伝導性を実現することができる。特に、ペロブスカイト型複合酸化物の中でもＡサイトにランタン、サマリウムの少なくとも１種と、Ｂサイトにコバルト、鉄、マンガンの少なくとも１種で構成されるもの、また、Ａサイトの一部をストロンチウムで置換したものが優れた導電性と高い酸素分子の電極反応性を有していた。
【００５２】
また、実施の形態では、金属箔部材としてＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌの材料を使用したがこれに限定させるものではなく、高温酸化に対して耐久性を有する材料であれば他の金属箔材料を使用することができる。しかし現状ではアルミニウムを含有したフェライト系ステンレスが高温酸化に対して優れた特性を有していた。さらに耐高温酸化性を向上させる目的で希土類金属を添加することも可能である。また厚み１２μｍを使用したが金属箔部材としては５〜２０μｍが好ましいと考えられる。すなわち固体電解質で発生した熱を外周部方向へと伝熱拡散させないためには厚みが薄いほど好ましい。しかし５μｍ以下になると製造時でのハンドリングが悪くなるためである。
【００５３】
また、実施の形態では、金属箔部材の構成として負電極膜側に接合させて固体電解質が空間部を区画する区画手段として使用した場合についてだけ説明したが、逆に正電極膜側に接合させて空間部を区画する区画手段として使用してもかまわない。
【００５４】
また、実施の形態では、第二電極膜、導電膜としてＡｕ系を使用したがこれに限定させるものではなく、抵抗値の小さな耐熱性を有する材料であれば他にもＡｇ系、ＡｇＰｄ系のものが使用できる。
【００５５】
また、実施の形態では、固体電解質表面上の正電極膜と負電極膜にさらに第二電極膜を配置した場合について説明したが、第二電極膜を配置しない構造についても適用できる。たとえば固体電解質表面上に形成される電極膜の寸法が５×５ｍｍであれば、流す電流値も０．５Ａ程度となり、電極膜上で生ずる電位ムラもそれ程大きくないので第二電極膜は必要とならない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明にかかる酸素ポンプ素子および酸素供給装置は、長期間に渡って安定した良好な電気電流特性が得られるため、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】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質正極側の概略構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質負極側の概略構成図
【図３】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質のＡ−Ａラインにおける断面構成図
【図４】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構成図
【図５】本発明の第１の実施の形態における酸素供給装置の概略断面構成図
【図６】本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質正極側の概略構成図
【図７】本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質のＢ−Ｂラインにおける断面構成図
【図８】従来の特許文献１参照による酸素ポンプの平面図
【図９】従来の特許文献１参照による酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
【００５８】
７、３７  固体電解質
８、３８  正電極膜
９、３９  負電極膜
１０、４０  正第二電極膜
１１、４１  負第二電極膜
１２  導電膜Ａ
１３  導電膜Ｂ
１４  導電膜Ｃ
１５  金属箔部材
１６  絶縁膜
１７  金線
１８、１９  リード部
２２  電圧印加手段
２３  電圧制御手段
２４  加熱手段
２６  温度制御手段
２７、２８  断熱手段
３２  混合手段
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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