(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性基板の一方の表面にカソード電極膜を有し、他の表面にアノード電極膜を対向して形成した酸素ポンプ素子と、開口部を備えた金属箔とから成り、前記開口部を、前記カソード電極膜もしくは前記アノード電極膜のどちらか一方の電極膜に対向して配置し、前記開口部周囲の前記金属箔と前記酸素イオン導電性基板間に絶縁性シール材を配置した酸素ポンプ。
【請求項２】
金属箔がニッケル箔、鉄ークロム合金箔、チタン箔、金箔および白金箔から選ばれた一つの箔である請求項１記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
金属箔が焼きなましされた箔である請求項１または２記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
金属箔の厚さが（５〜５０）μｍである請求項１から３いずれか１項記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
絶縁性シール材がシール用硝子ペーストの焼成体で構成され、その熱膨張係数が（１００〜１２０）ｘ１０ー7／℃である請求項１記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
金属箔と対向するカソード電極膜もしくはアノード電極膜が導電性焼成体で電気的に金属箔に接続された請求項１記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
外部リード線が金属箔に接続された請求項６記載の酸素ポンプ。
【請求項８】
外部リード線が金属箔に溶接された請求項７記載の酸素ポンプ。
【請求項９】
外部リード線と金属箔が同じ材質である請求項７記載の酸素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の酸素ポンプは以下のようなものであった。
【０００３】
特開２０００ー８６２０４号公報（以下、従来例とする）では、図２に示す酸素ポンプが開示されている。酸素ポンプ素子１は、酸素イオン導電性基板２の一方の表面にカソード電極膜３、他の表面にアノード電極膜４を形成して構成される。酸素イオン導電性基板２の端部に絶縁性支持材５を配置し、酸素イオン導電性基板２と連結材６を気密シールした構成が開示されている。
【０００４】
このとき、絶縁性支持材５は、酸素イオン導電性基板２の熱膨張係数あるいは連結材６の熱膨張係数と実質的に同じ熱膨張係数を有するべきであり、実質的に同じ熱膨張係数とは、これら３種類の材料の熱膨張係数が（２０〜５）ｘ１０ー7／℃の範囲内で一致することを意味する。また、「ヤング率の小さな絶縁性支持材５は、酸素イオン導電性基板２の熱膨張係数あるいは連結材６の熱膨張係数と比べ、より大きな熱膨張係数を有することを許容され、逆に、ヤング率の大きな絶縁性支持材５は、酸素イオン導電性基板２の熱膨張係数あるいは連結材６の熱膨張係数により近い熱膨張係数を有することが要求される」ことも開示されている。
【０００５】
また、代表的な酸素イオン導電性材料として、イットリウムをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）やガドリニアをドープしたセリア（ＧＤＣ）などが開示されている。また、絶縁性支持材５として、アルミノケイ酸ィチウムガラス系材料、連結材６として、ランタンストロンチウムクロマイトなどが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例の酸素ポンプでは、絶縁性支持材５、酸素イオン導電性基板２および連結材６のそれぞれの熱膨張係数が、互いに近い範囲内にあることが要求されるので、各材料が特定の材質に限定されるという課題を有していた。
【０００７】
また、上記連結材６は金属酸化物系材料であるので、種々の形状に仕上げるためには、その形状に対応した金型を必要とする。従って、形状変更に対する適応性に欠け、また、製造工程が複雑になるという課題も派生していた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、酸素イオン導電性基板の一方の表面にカソード電極膜を、他の表面にアノード電極膜を対向して形成した酸素ポンプ素子と、開口部を備えた金属箔とから成り、開口部をカソード電極膜もしくはアノード電極膜のどちらか一方の電極膜に対向して配置し、開口部周囲の金属箔と酸素イオン導電性基板間に絶縁性シール材を配置した酸素ポンプである。
【０００９】
上記発明によれば、従来の連結材に代えて、金属箔を用いているので、材料の選択自由度が高い。また、加工性にも優れるので、形状変更に即応でき、また、製造工程も簡素化される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１にかかる酸素ポンプでは、絶縁性シール材により酸素イオン導電性基板を金属箔シール接続した構成である。従って、特殊な金属酸化物材料を用いずに、金属箔を用いているので、材料の選択自由度が高い。また、加工性にも優れるので、形状変更に即応でき、また、製造工程も簡素化される。
【００１１】
本発明の請求項２にかかる酸素ポンプでは、金属箔としてニッケル箔、鉄ークロム合金箔、チタン箔お、金箔よび白金箔から選ばれた一つの箔を用いている。これら金属箔は酸素イオン導電性基板に比べ、ヤング率が小さいので、両者の熱膨張係数差に起因して発生する金属箔部の熱応力も小さい。従って、高温でも酸素イオン導電性基板と金属箔間のシール性が保持される。
【００１２】
本発明の請求項３にかかる酸素ポンプでは、金属箔が焼きなましされた箔である。従って、金属箔中の加工歪が減少するので、そのヤング率も小さくできる。
【００１３】
本発明の請求項４にかかる酸素ポンプでは、金属箔の厚さが（５〜５０）マイクロメータである。従って、金属箔の面に平行な方向に歪が発生したとき、金属箔生じる応力を小さくできると共に実用的な物理的強度を確保できる。
【００１４】
本発明の請求項５にかかる酸素ポンプでは、絶縁性シール材がシール用硝子ペーストの焼成体である。従って、所定の形状に焼結体を形成できる。
【００１５】
本発明の請求項６にかかる酸素ポンプでは、金属箔と対向するカソード電極膜もしくはアノード電極膜が電気的に金属箔に接続されている。従って、金属箔をリード線として使用できる。
【００１６】
本発明の請求項７にかかる酸素ポンプでは、金属箔に外部リード線が接続されている。従って、外部リード線の接続が容易にできる。
【００１７】
本発明の請求項８にかかる酸素ポンプでは、外部リード線が金属箔に溶接されている。従って、外部リード線の接続が容易にできる。
【００１８】
本発明の請求項９にかかる酸素ポンプでは、外部リード線と金属箔が同じ材質である。従って、信頼性の高い接続が得られる。
【００１９】
【実施例】
以下、本本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の酸素ポンプ１の構成を示す見取図である。
【００２１】
酸素イオン導電性基板２の一方の表面にカソード電極膜３を形成し、他の表面にアノード電極膜４を形成して酸素ポンプ素子１が形成される。酸素イオン導電性基板２として、イットリウムをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）やサマリウムをドープしたセリア（ＳＤＣ）が用いられる。また、カソード電極膜３やアノード電極膜４として、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、サマリウムーストロンチウムーコバルトから成る複合金属酸化物（ＳＳＣＯ）などの焼成膜、蒸着膜が用いられる。
【００２２】
本発明の酸素ポンプは、酸素ポンプ素子１を作成後、絶縁性シール材７を介して酸素イオン導電性基板２に金属箔８を接着して製造される。このとき、金属箔８に設けられた開口部８１はカソード電極膜３またはアノード電極膜４と対向するように配置される。また、絶縁性シール材７は、金属箔８の開口部８１の周辺部に位置するように配置される。
【００２３】
カソード電極膜３を負電位、アノード電極膜４を正電位にして直流電圧をカソードとアノード間に印加したとき、カソード側外部空間の酸素分子は、カソード電極膜３から酸素イオンとして酸素イオン導電性基板２に取り込まれて、アノード電極膜４に到達する。アノード電極膜４に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノード側の外部空間に散逸する。カソード側外部空間とアノード側外部空間とは金属箔８で分離することにより、酸素をカソード側外部空間からアノード側外部空間に輸送できる。
【００２４】
酸素ポンプ素子は、（５００〜８００）℃で動作する。酸素イオン導電性基板２、絶縁性シール材７および金属箔８などの熱膨張係数は、それぞれ異なるので、動作時にはシール部に熱応力が発生する。熱応力をできるだけ減少するために、絶縁性シール材７として、酸素イオン導電性基板２の熱膨張係数に近い熱膨張係数（１００〜１２０）ｘ１０ー7／℃を有する硝子焼成体が好ましい。硝子焼成体は、緻密であるので、シール性に優れる点で、例えば、金属焼成体よりも好ましい。なお、金属のヤング率は小さいので、金属箔８に起因する熱応力は小さい。このようにして構成されたシール部は、酸素ポンプ動作時に熱応力が発生しても、その応力は酸素イオン導電性基板２にクラックを発生させるほど大きくない。
【００２５】
金属箔８として、ニッケル箔、鉄ークロム合金箔、チタン箔、金箔および白金箔から選ばれた一つの箔であることが望ましい。金属箔８は、その熱膨張係数ができるだけ酸素イオン導電性基板２のそれに近いことおよびそのヤング率が小さいことが要求される。鉄ークロム合金箔、チタン箔および白金箔は小さなヤング率である点に加え、その熱膨張係数は（８５〜１２０）ｘ１０ー7／℃の範囲であり、酸素イオン導電性基板２のそれに近い点で優れている。
【００２６】
金属箔８は、厚い金属板を圧延して製造される場合がある。この場合、金属箔８は、残留加工歪により硬化する。これは、実質的にヤング率を大きくしたことと同じである。この残留加工歪は、焼きなましにより除去できるので、焼きなましされた金属箔８を用いる方が好ましい。また、金属箔８の厚さは（５〜５０）μｍであることあ望ましい。５μｍ以下の厚さでは、物理的な強度が小さくなり過ぎて実用的でない。また、５０μｍ以上の厚さでは、熱的応力が大きくなり、導電性シール材７部で剥離し易くなるからである。
【００２７】
金属箔と対向するカソード電極膜もしくはアノード電極膜が導電性焼成体で電気的に金属箔に接続ることが好ましい。金属箔９がどちらかの電極膜と電気的に接続されているので、金属箔８がリード線としても作用できる。しかし、金属箔８は形状的に大きくすることは、製造の効率を低下するので、好ましくない。このため金属箔８のリード線としての作用には、配線の長さの点で限界がある。このような場合、金属箔８に外部リード線を接続することが好ましい。外部リード線の長さは、任意に調整可能であるので、配線の長さの制限を受けない。金属箔８に外部リード線を接続する方法として、ロウ付け法、溶接法、物理的なカシメ法などがあるが、溶接法が作業性の点でも、信頼性の点でも優れている。溶接のとき、外部リード線と金属箔８が同じ材質であることが最も好ましい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の可酸素ポンプでは、酸素イオン導電性基板とシール用硝子ペーストの焼成体の熱膨張係数および金属箔材料のそれが（１０〜４０）ｘ１０ー7異なっていても、シール部の剥離やクラックなど酸素ポンプ素子の破損が生じない。
【００２９】
また、本発明の酸素ポンプでは、金属箔を外部リード線としても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における酸素ポンプの分解構成図
【図２】従来の酸素ポンプの断面図
【符号の説明】
１    酸素ポンプ素子
２  酸素イオン導電性基板
３  カソード電極膜
４  アノード電極膜
７  絶縁性シール材
８  金属箔
８１  金属箔８に設けられた開口部
【図１】
0004069630.tif 000002
【図２】
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