JP2006069828A - Oxygen pump element and oxygen feeder having 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は複数枚の酸素イオン導電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)。 Conventionally, when this type of oxygen pump uses a plurality of oxygen ion conductive substrates at the same time, the electrode film on the same surface side is electrically connected by a lead wire or the like, and a power supply voltage is applied in parallel. (For example, refer to Patent Document 1).
図6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7は酸素ポンプの断面図である。25枚の酸素イオン導電性基板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。
しかしながら、前記従来の構成では、複数個の酸素イオン導電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が小さい部分では、発熱することもある。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る(高コスト)という課題もあった。 However, in the conventional configuration, since a plurality of oxygen ion conductive substrates are connected in parallel, a large current flows through the lead wire in which the lead wires are gathered. Therefore, there is a problem that it is necessary to use a sufficiently thick lead wire or a special lead wire having a small electric resistance. Moreover, heat may be generated in a portion having a small resistance such as a connection portion or a switch portion. Further, for example, when considering actual use at home, there is a problem that a current of several tens of amperes is more complicated than a voltage of several tens of volts (the cost is high).
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、低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なく追随できる酸素ポンプ素子及びこれを有する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 provides a low-current oxygen pump, and sufficiently seals a space existing on both sides via a solid electrolyte, thereby causing a rapid thermal shock of the oxygen pump element. It is an object of the present invention to provide an oxygen pump element that can follow without causing cracks or peeling and an oxygen supply device having the oxygen pump 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、複数の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、前記正極側の電極膜外周部あるいは負極側の電極膜外周部と接合された金属箔部材とを備え、複数の前記酸素ポンプ素子の電極は直列回路に構成され、複数の前記金属箔部材はガラスセラミック層を介して連結される構成としたものである。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, an oxygen pump element of the present invention includes a plurality of oxygen ion conductive solid electrolytes and an electrode film constituting positive and negative electrodes formed on both surfaces of the oxygen ion conductive solid electrolyte. And a metal foil member joined to the positive electrode side outer peripheral part or the negative electrode side outer peripheral part, and the electrodes of the plurality of oxygen pump elements are configured in a series circuit, and the plurality of the metal foil members Is configured to be connected via a glass ceramic layer.
これによって、複数の固体電解質を介して両側に区分された空間を十分にガスシールするとともに、酸素ポンプ素子の急激な熱衝撃に対しても連結された金属箔部材同士からのクラックあるいは剥離を生じることはない。 As a result, the space divided on both sides through a plurality of solid electrolytes is sufficiently gas-sealed, and cracks or peeling from the metal foil members connected to each other against a sudden thermal shock of the oxygen pump element occurs. There is nothing.
また、前記酸素ポンプ素子と、直列回路に連結された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たことを特徴とする酸素供給装置とすることにより、複数個の固体電解質が直列回路に連結された場合にも十分な絶縁性を維持するとともに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なくガスシール性を維持することができる。 Further, the oxygen pump element, voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element connected in a series circuit, voltage control means for controlling the voltage applying means, and heating means for heating the oxygen pump element A temperature control means for detecting the temperature of the oxygen pump element to control the heating means, a breathable heat insulating means for preventing thermal diffusion of the heating means and the oxygen pump element, and the oxygen pump element When the oxygen supply device is provided with mixing means for mixing the generated oxygen with air to form a mixed gas having a predetermined oxygen concentration, when a plurality of solid electrolytes are connected in a series circuit In addition, while maintaining a sufficient insulating property, it is possible to maintain a gas sealing property without causing cracks or peeling even with a sudden thermal shock.
本発明の酸素ポンプ素子は、複数個が直列回路に連結された場合にも十分な絶縁を維持するとともに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なくガスシールを維持することができる。 The oxygen pump element of the present invention can maintain sufficient insulation even when a plurality of oxygen pump elements are connected to a series circuit, and can maintain a gas seal without causing cracks or delamination against sudden thermal shock. .
第1の発明は、複数の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、前記正極側の電極膜外周部あるいは負極側の電極膜外周部と接合された金属箔部材とを備え、複数の前記酸素ポンプ素子の電極は直列回路に構成され、複数の前記金属箔部材はガラスセラミック層を介して連結されていることにより、複数個が直列回路に連結された場合にも十分な絶縁性を維持するとともに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なく十分なガスシール性を維持することができる。 According to a first aspect of the present invention, there are provided a plurality of oxygen ion conductive solid electrolytes, electrode films constituting both positive and negative electrodes formed on both surfaces of the oxygen ion conductive solid electrolyte, and an electrode film outer peripheral portion or a negative electrode on the positive electrode side A metal foil member joined to the electrode film outer peripheral portion on the side, the electrodes of the plurality of oxygen pump elements are configured in a series circuit, and the plurality of metal foil members are connected via a glass ceramic layer Thus, even when a plurality of units are connected to a series circuit, sufficient insulation can be maintained, and sufficient gas sealing performance can be maintained without causing cracks or peeling even against a sudden thermal shock.
第2の発明は、ガラスセラミック層がSiO2−B2O3−MgO−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により、十分な耐熱性を有するとともに金属箔部材に対してもほぼ同等の熱膨張係数を有することができる。また結晶化ガラスで接合されるので酸素ポンプ素子による熱衝撃に対しても十分な耐久性を有することができる。 The second invention is a crystallized glass in which the glass ceramic layer is SiO2-B2O3-MgO-BaO-based and contains 15 to 25 wt% of an alkaline earth metal oxide and 2 wt% or less of an alkali metal oxide. Thus, it has sufficient heat resistance and can have a substantially equivalent thermal expansion coefficient to the metal foil member. Moreover, since it joins by crystallized glass, it can have sufficient durability also with respect to the thermal shock by an oxygen pump element.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明におけるガラスセラミック層の熱膨張係数が、100〜120×10−7/℃であることにより、金属箔部材とほぼ同等な熱膨張係数を有しているので、実用に際しての過酷な熱衝撃からくる膨張収縮の歪に対しても対応することができる。 In the third invention, in particular, the thermal expansion coefficient of the glass ceramic layer in the first or second invention is 100 to 120 × 10 −7 / ° C., so that the thermal expansion coefficient substantially equal to that of the metal foil member is obtained. Therefore, it is possible to cope with expansion and contraction distortion caused by severe thermal shock in practical use.
第4の発明は、特に、第1〜第3の発明の正極側あるいは負極側の電極膜外周部と接合された金属箔部材に対して、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、必要な部品点数を増やすことなく、空間部を十分に区画できるとともに材質が薄い金属箔なので比熱も小さくすることができ、昇温および降温も短時間で行うことができる。 The fourth invention is particularly configured as a partitioning means for partitioning a space part in contact with the solid electrolyte with respect to the metal foil member joined to the electrode film outer peripheral part on the positive electrode side or the negative electrode side of the first to third inventions. As a result, the space can be sufficiently partitioned without increasing the number of necessary components, and the specific heat can be reduced since the material is a thin metal foil, and the temperature can be raised and lowered in a short time.
第5の発明は、特に、第1〜第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 fifth invention is a perovskite-type composite metal oxide mainly comprising lanthanum and gallium by using the solid electrolyte of any one of the first to fourth 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6の発明は、特に、第1〜第5のいずれか一つの発明の前記電極膜と連結構造となる前記金属箔部材に対して、接合部分に導電膜層が形成されるとともに両側表面部分に前記導電膜層と連通する導電膜が所定幅形成されていることにより、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。 In the sixth aspect of the invention, in particular, a conductive film layer is formed at a joint portion with respect to the metal foil member having a connection structure with the electrode film of any one of the first to fifth aspects, and both side surface portions Since a conductive film communicating with the conductive film layer is formed with a predetermined width, a large current flows from the electrode film to the conductive film when used as an oxygen pump element. However, the oxidative corrosion of the metal foil can be prevented by the conductive film having a predetermined width.
第7の発明は、特に、第1〜第5のいずれか一つの発明の前記電極膜と連結構造となる前記金属箔部材に対して接合部分に導電膜層が形成されるとともに片側表面部分に前記導電膜層と連通する導電膜が所定幅形成され、もう一方の表面部分にガラスセラミック膜が所定幅形成されていることにより、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 seventh aspect of the invention, in particular, a conductive film layer is formed at the bonding portion with respect to the metal foil member that is connected to the electrode film of any one of the first to fifth aspects of the invention, and at one surface portion. When the conductive film communicating with the conductive film layer is formed with a predetermined width and the glass ceramic film is formed with a predetermined width on the other surface portion, when used as an oxygen pump element, the electrode film is changed to the conductive film. Although a large current flows, the oxidative corrosion of the metal foil can be prevented by a conductive film having a predetermined width against a large amount of heat generated at this time. 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8の発明は、特に、第6または第7のいずれか一つの発明の導電膜の幅あるいはガラスセラミック膜の幅を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。 The eighth invention is particularly large in the conductive film formed on the metal foil member by setting the width of the conductive film of any one of the sixth or seventh invention or the width of the glass ceramic film to 3 to 7 mm. It was possible to prevent oxidative corrosion even when the vicinity of the junction with the electrode film was locally heated due to current flow, and the long-term stability of the oxygen pump element could be improved.
第9の発明は、特に、第1〜第8のいずれか一つの発明の複数の酸素ポンプ素子と、直列回路に連結された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た構成とすることにより、複数個の固体電解質が直列回路に連結された場合にも十分な絶縁性を維持するとともに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なくガスシール性を維持することができる。 In particular, the ninth invention is a plurality of oxygen pump elements according to any one of the first to eighth inventions, a voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump elements connected in a series circuit, and the voltage application. Voltage control means for controlling the 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 the heating means and the oxygen pump element By comprising a breathable heat insulating means for preventing thermal diffusion and a mixing means for mixing oxygen generated through the oxygen pump element with air to form a mixed gas having a predetermined oxygen concentration, a plurality of Even when a solid electrolyte is connected to a series circuit, it can maintain sufficient insulation and can maintain gas sealing performance without cracking or peeling even under sudden thermal shock.
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となる固体電解質の断面構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration diagram of a solid electrolyte serving as an oxygen pump element according to the first embodiment of the present invention.
図1において、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、表面に正電極膜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30×30mm、厚み100μmを想定して説明する。
In FIG. 1, a
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の多孔性を有した正負電極膜を形成した。
For the
更に、正電極膜8と負電極膜9の表面上には、Auの多孔性導電膜10、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10、11は、正負電極膜8、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。
Further, Au porous
図2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が4個使用された酸素ポンプ素子について説明する。固体電解質7、12、13、14、金属箔部材15、16、17、18上に配置されている。個々の固体電解質は負電極膜側が導電性を有する金属箔部材と連結されている。金属箔部材としてはFe−20Cr−5Al、12μmを使用し、固体電解質の負電極膜面が露出するように開口部が設けられている。固体電解質7の正電極側は金属箔部材16と金箔部材19を介して連結され、固体電解質12の正電極側は金属箔部材17と金箔部材20を介して連結され、固体電解質13の正電極側は金属箔部材18と金箔部材21を介して連結され、金属箔部材15にはリード部22が結線され、固体電解質14にはリード部23が結線されている。個々の金属箔部材は絶縁状態で連結されているので、4個の固体電解質素子は電気回路的に直列関係で構成されている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the oxygen pump element. Here, an oxygen pump element using four solid electrolytes will be described. It is disposed on the
図3には図2における酸素ポンプ素子のA−A’ラインに対する断面図である。図3では構造を簡略化して説明するために導電膜は図示していない。金属箔部材15と金属箔部材16はガラスセラミック層24を介して結合されている。
3 is a cross-sectional view of the oxygen pump element in FIG. 2 taken along line A-A ′. In FIG. 3, the conductive film is not shown in order to simplify and explain the structure. The
固体電解質7の負電極膜面が露出するように開口部を有して配置された金属箔部材15の負電極膜面と接する周囲には導電膜25が幅5mmで形成されている。また金属箔部材15の負電極膜面と接しない周囲にも同じく導電膜26が幅5mmで形成されている。導電膜25、26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の導電膜を形成した。ガラスセラミック層はSiO2−B2O3−MgO−BaO系でアルカリ土類金属の酸化物を20wt%含有し、アルカリ金属の酸化物を0.5wt%含有するガラスペーストを自動吐出装置で金属箔部材の間に吐出させた後、乾燥、800℃にて焼成することにより形成させた。焼成後に形成されるガラスセラミック層の熱膨張係数は110×10−7/℃であり、金属箔部材Fe−20Cr−5Alの熱膨張係数は115×10−7/℃である。
A
固体電解質12の負電極膜面27が露出するように開口部を有して配置された金属箔部材16の負電極膜面と接する周囲には導電膜28が幅5mmで形成されている。また金属箔部材16の負電極膜面と接しない周囲にも同じく導電膜29が幅5mmで形成されている。固体電解質7の正電極膜側8は金箔部材19により固体電解質12の負電極膜側と連通する金属箔部材16の導電膜28と接合されている。さらに固体電解質12の正電極膜側30は金箔部材20により固体電解質13の負電極膜側と連通する金属箔部材17の導電膜と接合されることとなる。
A
固体電解質の負電極膜側に配置される金属箔部材15、16、17、18は固体電解質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。リード部22およびリード部23は固体電解質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。
The
図4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。固体電解質に対して空間区画手段となる金属箔部材の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤31で支持体32に固定されている。また、正電極側および負電極側には、導線を介して電圧印加手段33が接続されており、電圧印加手段33には、電圧制御手段34が接続されている。加熱手段35を構成するヒータ36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37aを有する温度制御手段37が、加熱手段35に信号を送っている。
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional configuration diagram of an oxygen supply apparatus using the oxygen pump element. Around the metal foil member which is a space partition means for the solid electrolyte, it is fixed to the
固体電解質の温度を検知する手段37a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37が検知する固体電解質の温度によって、温度制御手段37が、加熱手段35を構成するヒータ36の入力制御を行う。
The means 37a for detecting the temperature of the solid electrolyte may be a temperature sensor or another method. In the case of a sensor, the sensor may be disposed in the vicinity of the solid electrolyte or may be disposed at an arbitrary position. Depending on the temperature of the solid electrolyte detected by the temperature control means 37, the temperature control means 37 performs input control of the
ヒータ36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38および39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40は、負電極膜側に、通気用の開口部41を設けている。
The heat insulating means 38 and 39 are breathable heat insulating members for suppressing the loss of heat generated by the
また、容器40の正電極膜側には、通気口42を介して、ガスの混合手段43が連結されている。混合手段43は、ガス誘導管44と、被混合ガス導入管45と、ガス混合器46と、ガスポンプ47によって構成されている。
A gas mixing means 43 is connected to the positive electrode film side of 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。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38および39の内部を通過して正電極膜側および負電極膜側の表面まで拡散した状態で安定している。 About the oxygen supply apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below. 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 heat insulating means 38 and 39 which are air-permeable heat insulating materials constituting the oxygen pump device, and are on the positive electrode membrane side. And it is stable in a state of diffusing up to the surface on the negative electrode film side.
この状態において温度制御手段37によってヒータ36に通電すると、断熱手段38および39内の固体電解質の温度が上昇する。温度制御手段37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36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。
In this state, when the
固体電解質のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正電極膜と負電極膜を介して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。 When a voltage is applied to the solid electrolyte via the positive electrode film and the negative electrode film when the temperature at which the solid electrolyte can conduct ions is reached, oxygen in the vicinity of the surface on the negative electrode film side becomes a negative electrode film by an electrochemical reaction. The solid electrolyte moves from the surface of the solid electrolyte to the positive electrode film as oxygen ions and is released as oxygen molecules from the surface on the positive electrode film side.
この時固体電解質には低電圧大電流が流れるとともに、加わった電圧で固体電解質内部を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, a low voltage and large current flows through the solid electrolyte, and self-heat is generated when a large current flows through the solid electrolyte with the applied voltage. Therefore, the metal foil member used is also exposed to a high temperature state in addition to the atmospheric temperature of 600 ° C. The conductive film formed on the surface of the metal foil member improved the current collecting property against a large current and could effectively protect against the surface oxidation of the metal foil. In order to prevent the high-temperature oxidation by forming a conductive film on the surface of the metal foil member, it is necessary to have a width of 3 mm or more in the outer peripheral direction from at least the joint with the positive and negative electrode films. Moreover, since an expensive material is wasted even if the width is too large, it is considered that the width of the conductive film formed on the surface of the metal foil member is practically preferably 3 to 7 mm.
正電極膜の表面近傍は、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とガス封止剤31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。
The vicinity of the surface of the positive electrode film is in a state close to pure oxygen. However, as long as gas leakage cannot be completely prevented, the oxygen is separated from the surface of the positive electrode film and the discharged oxygen is naturally mixed with the leaked gas. Therefore, the metal foil member and the
一方、窒素は負電極膜の側に残される。残された窒素は、断熱手段39の通気性により、大気中に拡散していくと共に、負電極膜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 negative electrode film side. The remaining nitrogen diffuses into the atmosphere due to the air permeability of the heat insulating means 39, and new oxygen is supplied from the outside to the negative electrode film side.
正電極膜から放出される酸素ガスは、通気口42を通り、ガス混合手段43を構成することによってガス誘導管44と、被混合ガス導入管45と、ガス混合器46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47の吸引と排出速度によって決められる。
Oxygen gas released from the positive electrode film passes through 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 solid electrolyte, that is, the magnitude of the ionic current. The ionic current can be controlled by the magnitude of the voltage applied to the solid electrolyte.
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34による電圧制御とガスポンプ47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 34 and control of the mixed gas flow rate by the
以上のように、本実施の形態では、4個の固体電解質を電気的に直列回路で連結し、正電極膜側と負電極膜側を酸素イオン伝導性を発現するように固体電解質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34による電圧制御とガスポンプ47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。
As described above, in the present embodiment, four solid electrolytes are electrically connected in a series circuit, and the positive electrode membrane side and the negative electrode membrane side are connected via the solid electrolyte so as to express oxygen ion conductivity. By suppressing gas leakage by partition means in the space, heating and raising temperature and applying voltage, oxygen molecules are released from the positive electrode film, and oxygen-rich mixed gas is generated. By controlling the mixed gas flow rate by the voltage control and the
本実施例ではガラスセラミック層として、SiO2−B2O3−MgO−BaO系でアルカリ土類金属の酸化物を20wt%含有し、アルカリ金属の酸化物を0.5wt%含有するガラスを使用したが本発明に使用できるガラスセラミックはこの限りではない。金属箔部材を絶縁状態に保ちながら、急激な熱歪にも十分耐えられるものであれば良い。アルカリ金属の含有量が多くなると融点が下がり、アルカリ土類金属の含有量が多くなると結晶化温度が高くなるので、耐熱性の高い金属箔部材Fe−20Cr−5Alとの接合性を勘案し、ガラスセラミック層としてSiO2−B2O3−MgO−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%以下含有するガラスが好ましかった。
In the present embodiment, a glass containing 20 wt% of an alkaline earth metal oxide and 0.5 wt% of an alkali metal oxide is used as the glass ceramic layer in the
また、ガラスセラミック層の熱膨張係数は100〜120×10−7/℃とすることで金属箔部材に対しても良好な密着接合性を得ることができた。 Moreover, it was possible to obtain a good adhesive bondability to the metal foil member by setting the thermal expansion coefficient of the glass ceramic layer to 100 to 120 × 10 −7 / ° C.
(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48、49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。ここでは負電極膜側と連結される金属箔部材50、51に対して導電膜52、53とガラスセラミック膜54、55を設けた構成を使用している。
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows a cross-sectional configuration diagram of an oxygen pump element according to the second embodiment of the present invention. 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 surfaces of the
ガラスセラミック膜によって固体電解質に低電圧大電流が流れ、金属箔部材側へと伝熱してきた場合にも金属箔部材を高温酸化状態から十分に防御することができた。このような用途に使用できるガラスセラミック材料としてもSiO2−B2O3−MgO−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%以下含有するものが好ましかった。 Even when a low voltage and large current flows through the solid electrolyte by the glass ceramic membrane and heat is transferred to the metal foil member side, the metal foil member can be sufficiently protected from the high temperature oxidation state. A glass ceramic material that can be used for such applications is preferably a SiO2-B2O3-MgO-BaO-based material containing 15 to 25 wt% of an alkaline earth metal oxide and 2 wt% or less of an alkali metal oxide. It was good.
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。 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.
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。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. 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 partitioning means for partitioning the space portion by being bonded to the negative electrode film side has been described. It may be used as partition means for partitioning the space portion.
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及びこれを有する酸素供給装置は、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, the oxygen pump element according to the present invention and the oxygen supply apparatus having the oxygen pump element can obtain stable and good electric current characteristics over a long period of time, and therefore, air purifiers, air conditioners, or health that use oxygen. Applicable to a wide range of applications such as promotion equipment and health promotion equipment.
7、12、13、14 固体電解質
8 正電極膜
9 負電極膜
15、16、17、18 金属箔部材
19、20、21 金箔部材
22、23 リード部
24 ガラスセラミック層
25、28 導電膜
33 電圧印加手段
34 電圧制御手段
35 加熱手段
37 温度制御手段
38、39 断熱手段
43 混合手段
54、55 ガラスセラミック膜
7, 12, 13, 14
Claims (9)
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JP2004253866A JP2006069828A (en) | 2004-09-01 | 2004-09-01 | Oxygen pump element and oxygen feeder having 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 |
CN109382890A (en) * | 2017-08-12 | 2019-02-26 | 上海隆振建筑工程股份有限公司 | It is a kind of breathing and its production technology |
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2004
- 2004-09-01 JP JP2004253866A patent/JP2006069828A/en active Pending
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