JP2006008457A - Oxygen pumping device and oxygen supplying apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
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の素子を搭載した酸素供給装置に関するものである。 The present invention relates to an oxygen pump element using an oxygen ion conductive solid electrolyte and an oxygen supply device equipped with the element.
従来この種の酸素ポンプ素子として、図6に示す酸素ポンプ素子が開示されている(例えば特許文献1参照)。酸素ポンプ素子は、酸素イオン導電性基板1の両側に電極膜2、3を形成して構成される。それぞれの電極膜からはリード部材4、5がそれぞれ特定の一部分より取り出されて電源(図示せず)と接続されている。酸素イオン導電性基板1は支持材6で保持されている。
Conventionally, as this type of oxygen pump element, an oxygen pump element shown in FIG. 6 has been disclosed (see, for example, Patent Document 1). The oxygen pump element is configured by forming
また、この種の酸素ポンプ素子装置としては、図7に示すようなものがある(例えば特許文献2参照)。図7において、酸素ポンプ素子7は、アルミナなどの多孔質基板8に形成された第1電極9と酸素イオン伝導体の薄膜10と第2電極11とから構成され、第1電極膜9は白金の微粒子を多孔質基板8に、第2電極11は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜10に結合して得られる薄膜を形成した構成としている。加熱手段12は、アルミナ基板などの絶縁性基板13上に導電性ペーストをスクリーン印刷でパターン形成してなるヒータ印刷膜14から構成され、加熱手段12は筐体15に内包されておらず大気に解放された状態で配置されている。
Moreover, as this type of oxygen pump element device, there is one as shown in FIG. 7 (see, for example, Patent Document 2). In FIG. 7, the oxygen pump element 7 includes a first electrode 9 formed on a
この構成において、加熱手段12によって酸素ポンプ素子7を酸素ポンプとして動作する温度に加熱し、第1電極9をカソード、第2電極11をアノードとして両電極間に直流電圧を印加すると、図中矢印で示すように第1電極9に解離吸着された空気中の酸素は酸素イオンとして酸素イオン伝導体の薄膜10中を移動し第2電極11に運ばれ、酸素分子となって大気中に放出される。これによって、筐体15に取り付けられた容器内の酸素濃度を減少させることができるというものである
しかしながら、特許文献1の酸素ポンプ素子では、酸素ポンプ素子動作時の熱量がリード部材4、5に集中し、酸素イオン導電性基板2に局部的な温度斑部分が生じるため、熱応力によって固体電解質に割れが発生するという課題があった。このため酸素ポンプ素子の動作時に発生する大きな熱をいかに斑なく分散させ、かつその部分の長期的な保証を持たせるかが課題となっていた。素子に印加する電圧の時期については特に詳細な記述はないが、一般的には酸素ポンプ素子を所定の温度に加温した後に印加している。
However, in the oxygen pump element of
また、特許文献2の酸素ポンプ装置の構成では、酸素ポンプ素子7と加熱手段12が大気に解放された状態にあるので、加熱手段12からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子7だけでなく大気中の空気の加熱にも使われ、その結果、熱効率が悪くなり、酸素ポンプ素子7を作動させる温度に昇温させるのに必要な加熱手段12の消費電力が高くなるとともに、酸素ポンプ素子の酸素イオンの輸送効率が悪いという課題を有していた。また、実施例では加熱手段12は酸素ポンプ素子7の上部に配置されているので酸素ポンプ素子7の加熱は輻射熱がほとんどとなり、加熱された空気の対流熱を利用できないという欠点を有していた。この場合にも素子に印加する電圧の時期については特に詳細な記述はないが、一般的には酸素ポンプ素子を所定の温度に加温した後に印加している。
Further, in the configuration of the oxygen pump device of
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、固体電解質に印加する電圧を意図的に変動させることで、酸素供給可能となる時間、すなわち酸素ポンプ素子としての立ち上がり性を改善させ、より短時間に酸素供給可能な酸素ポンプ素子とその素子を搭載した酸素供給装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and by intentionally changing the voltage applied to the solid electrolyte, the time during which oxygen can be supplied, that is, the start-up property as an oxygen pump element is improved. It is an object of the present invention to provide an oxygen pump element capable of supplying oxygen in a short time and an oxygen supply device equipped with the element.
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、少なくとも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、前記電極膜より導かれたリード部材とを具備し、初期駆動時に設定電圧Aを印加して、その後印加電圧を低下させ、定常動作時は設定電圧Bにて動作させる構成としたものである。 In order to solve the conventional problem, an oxygen pump element of the present invention includes at least an oxygen ion conductive solid electrolyte, and electrode films constituting positive and negative electrodes formed on both surfaces of the oxygen ion conductive solid electrolyte. And a lead member led from the electrode film, and is configured to apply the set voltage A at the initial drive, then lower the applied voltage, and operate at the set voltage B during steady operation. .
これによって、初期時に固体電解質へ高電圧を印加させることによって、室温でも固体電解質自体に低電流が流れ、内部発熱がおこる。その結果固体電解質を定常動作させる温度、たとえばランタンガレート系では550〜600℃へ短時間で加熱可能となる。その結果従来のように間接加熱だけで所定温度となってから固体電解質へ電圧を印加するよりも速く酸素を供給可能となる。 Accordingly, by applying a high voltage to the solid electrolyte at the initial stage, a low current flows through the solid electrolyte itself even at room temperature, and internal heat generation occurs. As a result, the temperature at which the solid electrolyte is steadily operated, for example, lanthanum gallate system, can be heated to 550 to 600 ° C. in a short time. As a result, oxygen can be supplied faster than applying a voltage to the solid electrolyte after a predetermined temperature is reached only by indirect heating as in the prior art.
本発明の酸素ポンプ素子は、酸素供給可能となる立ち上がり時間をより短縮化可能となる。 The oxygen pump element of the present invention can further shorten the rise time during which oxygen can be supplied.
第1の発明は、少なくとも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、前記電極膜より導かれたリード部材とを具備し、初期駆動時に設定電圧Aを印加して、その後印加電圧を低下させ、定常動作時は設定電圧Bにて動作させる構成とすることにより、初期時に固体電解質に高電圧が印加させることによって、室温でも固体電解質自体に低電流が流れ、内部発熱がおこる。その結果固体電解質を定常動作させる温度、たとえばランタンガレート系では550〜600℃へ短時間で加熱可能となる。その結果従来のように間接加熱だけで所定温度となってから電圧を印加するよりも速く酸素を供給可能となる。 The first invention includes at least an oxygen ion conductive solid electrolyte, an electrode film constituting both positive and negative electrodes formed on both surfaces of the oxygen ion conductive solid electrolyte, and a lead member led from the electrode film. By providing a configuration in which a set voltage A is applied at the time of initial driving, and then the applied voltage is lowered, and the set voltage B is operated at the time of steady operation so that a high voltage is applied to the solid electrolyte at the initial stage. Even at room temperature, a low current flows through the solid electrolyte itself, causing internal heat generation. As a result, the temperature at which the solid electrolyte is steadily operated, for example, lanthanum gallate system, can be heated to 550 to 600 ° C. in a short time. As a result, oxygen can be supplied faster than applying a voltage after a predetermined temperature is reached only by indirect heating as in the prior art.
第2の発明は、固体電解質に印加させる電圧値を、固体電解質内部を流れる電流値を検知しながら、スイープさせて設定電圧Bに低下させること構成とすることにより、たとえばランタンガレート系では約400℃から酸素イオン伝導特性が急激に起こるので、電流値を検知しながら電圧をスイープさせることで、固体電解質にクラック等を発生させることなく起動させることができる。 In the second invention, the voltage value applied to the solid electrolyte is reduced to the set voltage B by sweeping while detecting the value of the current flowing through the solid electrolyte. Since the oxygen ion conduction characteristics abruptly occur from 0 ° C., the solid electrolyte can be activated without causing cracks or the like by sweeping the voltage while detecting the current value.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明の酸素ポンプ素子に対して、正極、負極あるいは正負両極の電極膜外周部に金属箔部材が接合されている構成とすることにより、金属箔部材が酸素ポンプ素子の製造過程で受ける引っ張り等の熱歪を緩和できるため、たとえば金属箔が10μmと薄い場合にも部材を反りのない状態に仕上げることができる。また酸素ポンプ素子として使用された場合、電極膜からリード部へと大電流が流れるが、この時に発生する大きな熱ストレスに対しても薄い金属箔の柔軟性で対応することができる。 In the third invention, in particular, with the oxygen pump element of the first or second invention, a metal foil member is bonded to the outer peripheral portion of the positive electrode, the negative electrode, or both the positive and negative electrode films. Since the thermal distortion such as tension that the foil member receives in the process of manufacturing the oxygen pump element can be alleviated, for example, even when the metal foil is as thin as 10 μm, the member can be finished in a warp-free state. When used as an oxygen pump element, a large current flows from the electrode film to the lead portion, but it is possible to cope with a large thermal stress generated at this time with the flexibility of the thin metal foil.
第4の発明は、特に、第1〜第3の発明の金属箔部材に対して、電極膜と連結構造となる金属箔部材は、接合部分に導電層が形成されるとともに前記導電層と連通する導電膜が所定幅形成されている構成することにより、金属箔部材が酸素ポンプ素子の製造過程で受ける引っ張り等の熱歪を緩和できるため、たとえば金属箔が10μmと薄い場合にも部材を反りのない状態に仕上げることができる。また酸素ポンプ素子として使用された場合、電極膜から導電膜へと大電流が流れるが、この時に発生する大きな熱量に対しても所定の幅を有した導電膜によって金属箔の酸化腐食を防御することができる。また導電膜に比較すると安価で十分な機械的強度を有するので印刷パターンを工夫して曲げ強度をより向上させるような設計自由度を保持させることもできる。 In the fourth invention, in particular, with respect to the metal foil members of the first to third inventions, the metal foil member that is connected to the electrode film has a conductive layer formed at the joint portion and communicates with the conductive layer. Since the conductive film to be formed is formed with a predetermined width, the metal foil member can relieve thermal strain such as tension received in the manufacturing process of the oxygen pump element. For example, even when the metal foil is as thin as 10 μm, the member is warped. It can finish in the state without. Also, when used as an oxygen pump element, a large current flows from the electrode film to the conductive film, but the conductive film having a predetermined width protects against oxidative corrosion of the metal foil against the large amount of heat generated at this time. be able to. Moreover, since it is cheaper and has sufficient mechanical strength as compared with the conductive film, it is possible to maintain a degree of design freedom by improving the bending strength by devising the printing pattern.
第5の発明は、特に、第1〜第4の発明の酸素ポンプ素子に対して、初期駆動時に印加する設定電圧Aが100V〜10kVである構成とすることにより、室温付近では高い抵抗値を有する固体電解質に対しても約数〜数十mAレベルの電流が流れ、その結果固体電解質内部で自己発熱させることができ、酸素ポンプ素子の立ち上がりを速くすることができる。 In the fifth invention, in particular, the oxygen pump element according to the first to fourth inventions has a configuration in which the set voltage A applied during initial driving is 100 V to 10 kV, so that a high resistance value is obtained near room temperature. A current of about several to several tens mA flows through the solid electrolyte, and as a result, self-heating can be caused inside the solid electrolyte, and the rise of the oxygen pump element can be accelerated.
第5の発明は、特に、第1〜第5の発明の酸素ポンプ素子に対して、初期駆動時に印加する設定電圧Aと定常動作時に印加する設定電圧Bとの比がA/Bが100以上である構成とすることにより、室温付近では高い抵抗値を有する固体電解質に対しても約数〜数十mAレベルの電流が流れ、その結果固体電解質内部で自己発熱させることができ、酸素ポンプ素子の立ち上がりを速くすることができる。 In the fifth invention, in particular, for the oxygen pump elements of the first to fifth inventions, the ratio of the set voltage A applied during initial driving to the set voltage B applied during steady operation is A / B of 100 or more. With this configuration, a current of about several to several tens of mA flows even for a solid electrolyte having a high resistance value near room temperature, and as a result, self-heating can be generated inside the solid electrolyte. Can rise faster.
第7の発明は、特に、第1〜第6のいずれか一つの発明の金属箔部材に対して、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構成とすることにより、高温酸化に対して優れた特性を有するようになり、800℃付近での長期使用に対して安定した特性を維持できる。 The seventh aspect of the invention is particularly excellent in resistance to high-temperature oxidation by using a ferritic stainless steel containing aluminum for the metal foil member of any one of the first to sixth aspects of the invention. Thus, stable characteristics can be maintained for long-term use around 800 ° C.
第8の発明は、特に、第1〜第7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することによって、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。 The eighth invention is a perovskite type composite metal oxide mainly composed of lanthanum and gallium by using the solid electrolyte of any one of the first to seventh inventions as lanthanum gallate, It has oxygen ion conductivity at 400 ° C or higher. Therefore, since sufficient capability can be obtained by maintaining the operating temperature of the oxygen pump element at a relatively low temperature of about 600 ° C., deterioration of the oxygen pump element can be suppressed even in the long term.
第9の発明は、特に、第1〜第8のいずれか一つの発明の導電膜の幅を3〜7mmとすることによって、金属箔部材に形成された導電膜に大電流が流れることによって電極膜との接合部付近が局部的に高温になった場合にも酸化腐食を防御することができ、酸素ポンプ素子の長期安定性を向上させることができた。 In the ninth aspect of the invention, in particular, by setting the width of the conductive film of any one of the first to eighth aspects to 3 to 7 mm, a large current flows through the conductive film formed on the metal foil member, whereby the electrode Even when the vicinity of the junction with the membrane was locally heated, the oxidative corrosion could be prevented, and the long-term stability of the oxygen pump element could be improved.
第10の発明は、特に、第1〜第9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、初期駆動時に加熱手段を動作させるとともに前記酸素ポンプ素子に設定電圧Aを印加して、その後前記酸素ポンプ素子の印加電圧を低下させ、定常動作時は設定電圧Bにて動作させる構成とすることにより、酸素ポンプ素子と加熱手段が大気に直接触れることがないので加熱手段による酸素ポンプ素子への熱効率が向上し、酸素ポンプ素子の加熱に必要な電力を小さくすることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、素子への印加電圧を意図的に変化させることで酸素供給可能となる時間を短縮させることができる。また酸素ポンプ素子全体を均一に加熱することができるので、酸素ポンプ素子の破損防止効果を向上させることができる。また、酸素ポンプ素子、区画手段、加熱手段が通気機能を有する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。 In particular, the tenth invention is the oxygen pump element according to any one of the first to ninth inventions, a voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element, and a voltage control means for controlling the voltage applying means. Heating means for heating the oxygen pump element; temperature control means for detecting the temperature of the oxygen pump element to control the heating means; and air permeability for preventing thermal diffusion of the heating means and the oxygen pump element. A heat insulating means, and a mixing means that mixes oxygen generated through the oxygen pump element with air to form a mixed gas having a predetermined oxygen concentration, operates the heating means during initial driving, and sets a voltage to the oxygen pump element. After applying A, the applied voltage of the oxygen pump element is lowered, and at a steady operation, the oxygen pump element and the heating means are operated in the atmosphere by operating at the set voltage B. Since there is no direct contact thermal efficiency is improved to the oxygen pump element by the heating means, it is possible to reduce the power required to heat the oxygen pump element, it is possible to achieve energy saving. Moreover, the time during which oxygen can be supplied can be shortened by intentionally changing the voltage applied to the element. Moreover, since the whole oxygen pump element can be heated uniformly, the damage prevention effect of the oxygen pump element can be improved. Further, since the oxygen pump element, the partitioning means, and the heating means can be a simple structure covered with a heat insulating material having a ventilation function, the oxygen pump can be miniaturized and can be easily mounted on a device. it can.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(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の断面構成図を示すものであり、図2は酸素ポンプ素子の概略組立構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration diagram of an oxygen pump element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a schematic assembly configuration diagram of the oxygen pump element.
図1において、固体電解質16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17と負電極膜18が酸素イオン伝導性を発現するように結合されている。ここでは固体電解質16として寸法30×30mm、厚み100μmを想定して説明する。
In FIG. 1, a
正電極膜17と負電極膜18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を形成し、乾燥後、1100℃にて焼成することにより膜厚約10μmの多孔性を有した正負電極膜を形成した。
For the
更に、正電極膜17と負電極膜18の表面上には、Auの多孔性導電膜19、20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を形成し、乾燥後、800℃にて焼成することにより膜厚約3μmの導電膜を形成した。導電膜19、20は、正負電極膜17、18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。
Further, Au porous
負電極膜18側には導電性を有する金属箔部材21と連結されている。金属箔部材21としてはFe−20Cr−5Al、12μmを使用し、負電極膜18側が露出するように開口部が設けられている。金属箔部材21が固体電解質18と連結される内周部の両側表面には導電膜22、23が形成されている。導電膜22、23はAgPdペーストを使用してスクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥後、800℃にて焼成することにより膜厚約3μmの導電膜を幅5mmで形成した。また正電極膜17側も導電性を有する金属箔部材24と連結されている。ここでも負電極膜18側と同様な材料を使用し、正電極膜17側が露出するように開口部が設けられている。金属箔部材24が固体電解質16と連結される内周部の両側表面には導電膜25、26が形成されている。負電極膜18側に配置される金属箔部材21は正電極膜17側に配置される金属箔部材24よりも大きく、固体電解質16で選択的に酸素を輸送する時の空間区画手段としても使用されるようになっている。金属箔部材21、24は正電極膜17側の導電膜19、負電極膜18側の導電膜20と導電層27、28を介して接合されている。導電層27はAuペーストを使い、乾燥後、800℃にて焼成することにより、膜厚約4μmの導電層が金属箔部材24の導電膜25、26と導通するように形成し、導電層28もAuペーストを使い、乾燥後、800℃にて焼成することにより、膜厚約4μmの導電層が金属箔部材21の導電膜22、23と導通するように形成した。また金属箔部材21に形成された導電膜22側よりリード部材29と結線され、金属箔部材24に形成された導電膜26側よりリード部材30と結線されている。また絶縁部材31によって金属箔部材24が金属箔部材21と短絡するのを防止している。絶縁部材31としては厚み0.15mmのマイカシートを使用した。リード部材29および30は固体電解質16の面に対して同一方向に配置されるため、酸素供給装置を製造する上で、構造的なレイアウト構成を簡素化することができる。
A conductive
図3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。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional configuration diagram of an oxygen supply apparatus using the oxygen pump element.
固体電解質に対して空間区画手段となる金属箔部材21の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤32で支持体33に固定されている。
Around the
また、正電極膜17側および負電極膜18側には、導線を介して電圧印加手段34と電流値検出手段35が接続されており、電圧印加手段34には、電圧制御手段36が接続されている。
In addition, a
加熱手段37を構成するヒータ38は、負電極18側の表面に対向して配置され、固体電解質16の温度を検知する手段39aを有する温度制御手段39が、加熱手段37に信号を送っている。
The
固体電解質16の温度を検知する手段39a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16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39が検知する固体電解質16の温度によって、温度制御手段39が、加熱手段37を構成するヒータ38の入力制御を行う。
The
ヒータ38が発生する熱の損失を抑制するための通気性の断熱部材が断熱手段40および41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。酸素供給装置を構成する各要素と全体の形状保持のための容器42は、負電極膜18側に、通気用の開口部43を設けている。
The
また、容器42の正電極膜17側には、通気口44を介して、ガスの混合手段45が連結されている。混合手段45は、ガス誘導管46と、被混合ガス導入管47と、ガス混合器48と、ガスポンプ49によって構成されている。
A gas mixing means 45 is connected to the
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。 About the oxygen supply apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
まず、酸素供給装置は、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40および41の内部を通過して正電極膜17側および負電極膜18側の表面まで拡散した状態で安定している。
First, the oxygen supply device is placed in the atmosphere such as room air. At this time, atmospheric components such as nitrogen and oxygen (hereinafter simply referred to as nitrogen and oxygen) pass through the inside of the
この状態において温度制御手段39によってヒータ38に通電すると、断熱手段40および41内の固体電解質16の温度が上昇する。さらに電圧印加手段34によって固体電解質16の正電極膜17、負電極膜18間に100Vを印加する。すると固体電解質内部を数十mAの電流が流れる。ヒータ38によって固体電解質が間接加熱されるとともに、固体電解質内部を流れる電流からの自己発熱によって温度上昇し、固体電解質の抵抗値が徐々に低下するため、流れる電流値は増大する。さらにランタンガレートは約400℃から急激に酸素イオン伝導特性が発現れるため、急激に電流値が増大することとなる。固体電解質を流れる電流値は電流値検出手段35で計測しているので、ここからの信号を受けて電圧制御手段36で固体電解質16への印加電圧を制御する。
In this state, when the
温度制御手段38は、固体電解質16が動作するのに必要な温度、約600℃となるよう、ヒータ37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16の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。
The temperature control means 38 is energized while controlling the
固体電解質16が酸素イオン伝導可能な温度に達した時点では、固体電解質16に印加する電圧は約1Vまで低下させている。この時固体電解質16内部を流れる電流値は約10Aにも達する。そして負電極膜18側の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜18から固体電解質16の内部を酸素イオンとして、正電極膜17へと移動し、正電極膜17側の表面から酸素分子として放出されることとなる。図4に酸素ポンプ素子の電圧−電流特性図を示した。
When the
この時固体電解質16には低電圧大電流が流れることによって自己発熱する。したがって使用される金属箔部材も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。金属箔部材の表面上に形成された導電膜は大電流に対する集電性を向上させるとともに、金属箔の表面酸化に対しても効果的に防御させることができた。金属箔部材の表面上に導電膜を形成して高温酸化を防止するためには少なくとも正負電極膜との接合部から外周方向に3mm幅以上が必要であった。またあまり幅が広すぎても高価な材料の無駄を生じさせることになるので実用的には金属箔部材の表面上に形成させる導電膜の幅は3〜7mmが好ましいと考えられる。
At this time, the
正電極膜17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17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、空間を区画する手段となる金属箔部材21とガス封止剤32が、負電極膜18側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。
The vicinity of the surface of the
一方、窒素は負電極膜18の側に残される。残された窒素は、断熱手段41の通気性により、大気中に拡散していくと共に、負電極膜18側には新たな酸素が外部より供給される。
On the other hand, nitrogen is left on the
正電極膜17から放出される酸素ガスは、通気口44を通り、ガス混合手段45を構成することによってガス誘導管46と、被混合ガス導入管47と、ガス混合器48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49の吸引と排出速度によって決められる。
Oxygen gas released from the
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16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16に印加される電圧の大きさによって制御できる。
The oxygen concentration in the mixed gas is determined by the mixed gas flow rate and the amount of oxygen ions flowing through the
最終的に、本発明の酸素供給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36による電圧制御とガスポンプ49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。
Finally, the oxygen concentration in the mixed gas obtained by the oxygen supply device of the present invention is executed by voltage control by the voltage control means 36 and control of the mixed gas flow rate by the
以上のように、本実施の形態では、加熱用ヒータに通電するとともに固体電解質の両極に高電圧を印加することで、加熱用ヒータ単独の場合に比べて約30秒酸素供給可能となる時間を短縮化することができた。 As described above, in the present embodiment, by supplying a current to the heater for heating and applying a high voltage to both electrodes of the solid electrolyte, it is possible to supply oxygen for about 30 seconds as compared with the case of the heater alone. It was possible to shorten it.
また本酸素供給装置は、固体電解質16と正電極膜17側と負電極膜18側とを酸素イオン伝導性を発現するように結合させ、固体電解質16を介して空間部を区画手段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、酸素分子を正電極膜17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36による電圧制御とガスポンプ49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ように構成されている。
Further, the present oxygen supply device combines the
(実施の形態2)
図5は、本発明の第2の実施の形態における酸素ポンプ素子の断面構成図を示すものであり、図6は酸素ポンプ素子の上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だけ説明を加える。固体電解質の表面上に形成する電極膜および導電膜の構成は同じである。ここでは固体電解質3個を直列に連結させている。固体電体質50、51、52の外周部は金属箔部材53上に導電膜および導電層で接合され、固体電解質50の正極側は固体電解質51と金属箔部材54を介して連結されている。この時金属箔部材53は絶縁部55を有しており、固体電解質50の正極側は固体電解質51の負極側と連結されていることになる。また固体電解質51の正極側は固体電解質52と金属箔部材56を介して連結されている。この時金属箔部材53は絶縁部57を有しており、固体電解質51の正極側は固体電解質52の負極側と連結されていることになる。固体電解質52の正極側には金属箔部材58が配設され、金属箔部材58にはリード部材59が設けられている。また金属箔部材53にはリード部材60が設けられている。
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows a cross-sectional configuration diagram of the oxygen pump element in the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 shows a top configuration diagram of the oxygen pump element. Since the schematic configuration is the same as that of the first embodiment, only different parts will be described. The configurations of the electrode film and the conductive film formed on the surface of the solid electrolyte are the same. Here, three solid electrolytes are connected in series. The outer peripheries of the
このような酸素ポンプ素子には約10kVが印加される。その結果固体電解質内部に数十mAの電流を流すことが可能となる。これによって内部発熱をおこさせ、間接加熱ヒータだけを使用する場合に比べると1分以上、酸素供給可能となる時間を短縮化させることができた。 About 10 kV is applied to such an oxygen pump element. As a result, it becomes possible to pass a current of several tens of mA inside the solid electrolyte. As a result, internal heat generation was caused, and the time during which oxygen could be supplied could be shortened by 1 minute or more compared with the case where only the indirect heater was used.
また、本実施の形態では、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。酸素イオン伝導性に優れた固体電解質中に電子伝導成分を添加して低温での抵抗値を意図的に低下させることも可能である。 In this embodiment, lanthanum gallate is used as the solid electrolyte. However, the present invention is not limited to this, and yttrium-doped zirconia (YSZ), samarium-doped ceria (SDC), or the like may be used. However, at present, the lanthanum gallate material is the most preferable material in view of the durability of the material because the operating temperature is low as an oxygen ion conductor. It is also possible to intentionally lower the resistance value at a low temperature by adding an electron conductive component to a solid electrolyte excellent in oxygen ion conductivity.
また、本実施の形態では、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5〜30μmが好ましいと考えられる。 In the present embodiment, the Fe-20Cr-5Al material is used as the metal foil member. However, the present invention is not limited to this, and other metal foil materials may be used as long as the material has durability against high-temperature oxidation. Can be used. However, at present, ferritic stainless steel containing aluminum has excellent characteristics against high-temperature oxidation. Furthermore, it is possible to add a rare earth metal for the purpose of improving the high temperature oxidation resistance. Moreover, although 12 micrometers in thickness was used, it is thought that 5-30 micrometers is preferable as a metal foil member.
また、本実施の形態では、金属箔部材の構成として負電極膜側に接合させるほうを大きくし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るほうを大きくしてもよい。 Further, in the present embodiment, as a configuration of the metal foil member, only the case where the solid electrolyte is used as a partitioning means for partitioning the space portion by enlarging the side to be bonded to the negative electrode film side has been described. You may enlarge the direction joined to the film | membrane side.
また、本実施の形態では、導電膜としてAu系、AgPd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のものも使用できる。 In this embodiment, Au-based or AgPd-based is used as the conductive film. However, the present invention is not limited to this, and other materials can be used as long as they have a low resistance and heat resistance.
また、本実施の形態では、固体電解質表面上の正負電極膜にさらに導電膜を配置した場合について説明したが、導電膜を配置しない構造についても適用できる。 Moreover, although this Embodiment demonstrated the case where a electrically conductive film was further arrange | positioned to the positive / negative electrode film on the solid electrolyte surface, it can apply also to the structure which does not arrange | position a electrically conductive film.
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。 As described above, since the oxygen pump element and the oxygen supply device according to the present invention can obtain stable and good electric current characteristics over a long period of time, an air purifier, an air conditioner, or a health promoting device that uses oxygen, Applicable to a wide range of uses such as health promotion equipment.
16 固体電解質
17 正電極膜
18 負電極膜
21 金属箔部材
22、23 導電膜層
24 金属箔部材
25、26 導電膜
27、28 導電膜層
29、30 リード部材
34 電圧印加手段
35 電流値検出手段
36 電圧制御手段
38 加熱手段
39 温度制御手段
40、41 断熱手段
45 混合手段
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JP2004189167A JP2006008457A (en) | 2004-06-28 | 2004-06-28 | Oxygen pumping device and oxygen supplying apparatus using the same |
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JP2006133106A (en) * | 2004-11-08 | 2006-05-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump element and oxygen supply device using it |
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- 2004-06-28 JP JP2004189167A patent/JP2006008457A/en active Pending
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