JP2006133106A - Oxygen pump element and oxygen supply device using it - 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れを用い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 using the same.
従来、この種の酸素ポンプ素子としては、すでに知られている(例えば、特許文献1参照)。これは、図7に示すように、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2、3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で保持されているものである。
Conventionally, this kind of oxygen pump element is already known (see, for example, Patent Document 1). As shown in FIG. 7, the oxygen pump element is configured by forming
また、この種の酸素供給装置もすでに知られている(例えば、特許文献2参照)。これは、図8に示すように、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電極膜9と酸素イオン伝導体の薄膜10と第2電極膜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電極膜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, this kind of oxygen supply apparatus is already known (for example, refer patent document 2). As shown in FIG. 8, the oxygen pump element 7 is composed of a first electrode film 9, an oxygen ion conductor
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電極膜9をカソード、第2電極膜11をアノードとして両電極膜間に直流電圧を印加すると、図中矢印で示すように第1電極膜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電極膜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1に局部的な温度ムラ部分が生じるため、熱応力によって酸素イオン導電性基板1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ムラなく分散させ、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。
However, in the oxygen pump element of
また、特許文献2の酸素供給装置では、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7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、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課題を有していた。
Further, in the oxygen supply device of
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、酸素ポンプ素子に発生する局部的な温度ムラを抑えた酸素ポンプ素子と、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減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-mentioned conventional problems, and an oxygen pump element that suppresses local temperature unevenness generated in the oxygen pump element and heat from the heating means are efficiently transmitted to the oxygen pump element, An object of the present invention is to provide an oxygen supply device that reduces the power required for the operation.
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、酸素イオン伝導性の固体電解質と、この固体電解質の両面に形成された正、負電極膜と、この正、負電極膜の外周部にそれぞれ接合された金属箔部材とを具備し、金属箔部材はいずれか一方を他方より大きく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し、金属箔部材の少なくともいずれか一方の片面部分にはガラスセラミック膜を配設するとともに、このガラスセラミック膜上にはヒータ用抵抗体を配設したものである。 In order to solve the conventional problems, an oxygen pump element of the present invention includes an oxygen ion conductive solid electrolyte, positive and negative electrode films formed on both sides of the solid electrolyte, and the positive and negative electrode films. A metal foil member bonded to each of the outer peripheral portions, and the metal foil member is configured as a partitioning means for partitioning a space portion in contact with the solid electrolyte by making either one larger than the other, and at least one of the metal foil members A glass ceramic film is disposed on one side portion, and a heater resistor is disposed on the glass ceramic film.
これによって、固体電解質は外周部に設けられたヒータ用抵抗体によって金属箔部材を介しながら加熱されるようになり、固体電解質の面積が小さい時には、小さな電力エネルギーによって固体電解質を酸素イオン伝導に必要となる動作温度まで急速に昇温できる。また近接しているので動作温度を維持するために必要な電力エネルギーも小さく抑えることができる。 As a result, the solid electrolyte is heated by the heater resistor provided on the outer periphery through the metal foil member. When the area of the solid electrolyte is small, the solid electrolyte is required for oxygen ion conduction with a small electric energy. The temperature can be rapidly raised to the operating temperature. In addition, since they are close to each other, the electric power energy required to maintain the operating temperature can be reduced.
また、本発明の酸素供給装置は、酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段と、この電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体に電圧を印加して加熱する加熱手段と、酸素ポンプ素子における固体電解質の温度を検知して加熱手段を制御する温度制御手段と、加熱手段および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、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ものである。 Further, the oxygen supply device of the present invention comprises a voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element, a voltage control means for controlling the voltage applying means, and a heater for applying a voltage to the heater resistor of the oxygen pump element. A heating means, a temperature control means for detecting the temperature of the solid electrolyte in 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 an oxygen pump element. And a mixing means for mixing the oxygen generated through the air with the air to form a mixed gas having a predetermined oxygen concentration.
これによって、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減することができるものである。 As a result, the heat from the heating means can be efficiently transmitted to the oxygen pump element, and the power required for heating can be reduced.
本発明の酸素ポンプ素子とそれを用いた酸素供給装置は、局部的な温度ムラを抑えた酸素ポンプ素子と、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減する酸素供給装置を得ることができる。 The oxygen pump element of the present invention and the oxygen supply device using the oxygen pump element efficiently transmit the heat from the oxygen pump element and the heating means to a local temperature unevenness and the electric power necessary for heating. A reduced oxygen supply device can be obtained.
第1の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質と、この固体電解質の両面に形成された正、負電極膜と、この正、負電極膜の外周部にそれぞれ接合された金属箔部材とを具備し、金属箔部材はいずれか一方を他方より大きく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し、金属箔部材の少なくともいずれか一方の片面部分にはガラスセラミック膜を配設するとともに、このガラスセラミック膜上にはヒータ用抵抗体を配設した酸素ポンプ素子とすることにより、固体電解質は外周部に設けられたヒータ用抵抗体によって金属箔部材を介しながら加熱されるようになり、固体電解質の面積が小さい時には、小さな電力エネルギーによって固体電解質を酸素イオン伝導に必要となる動作温度まで急速に昇温できる。また近接しているので動作温度を維持するために必要な電力エネルギーも小さく抑えることができる。 The first invention comprises an oxygen ion conductive solid electrolyte, positive and negative electrode films formed on both sides of the solid electrolyte, and metal foil members respectively joined to the outer periphery of the positive and negative electrode films. The metal foil member is configured as a partition means for partitioning a space where the solid electrolyte is in contact with one of the metal foil members larger than the other, and a glass ceramic film is disposed on at least one side of the metal foil member. In addition, by using an oxygen pump element in which a heater resistor is disposed on the glass ceramic film, the solid electrolyte is heated by the heater resistor provided on the outer peripheral portion through the metal foil member. Thus, when the area of the solid electrolyte is small, the solid electrolyte can be rapidly heated to an operating temperature required for oxygen ion conduction with a small electric energy. In addition, since they are close to each other, the electric power energy required to maintain the operating temperature can be reduced.
第2の発明は、特に、第1の発明において、正、負電極膜と各金属箔部材との接合部分に導電膜を形成するとともに、この導電膜に接続するリード部材は小さい金属箔部材側から取り出すようにしたことにより、酸素ポンプ素子として使用された場合、正、負電極膜と導電膜間には大電流が流れるが、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部材の酸化腐食を防御することができる。またリード部材を一方向から取り出すことで酸素イオン伝導に必要な電源回路を一方向にまとめて限定できるため装置のレイアウト構成が簡素化できる。 In the second invention, in particular, in the first invention, a conductive film is formed at a joint portion between the positive and negative electrode films and each metal foil member, and the lead member connected to the conductive film is on the side of the small metal foil member. When used as an oxygen pump element, a large current flows between the positive and negative electrode films and the conductive film. However, the large amount of heat generated at this time has a predetermined width. The conductive film can prevent oxidative corrosion of the metal foil member. Further, by taking out the lead member from one direction, the power supply circuit necessary for oxygen ion conduction can be collectively limited in one direction, so that the layout configuration of the apparatus can be simplified.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明において、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 third invention, in particular, in the first or second invention, since the metal foil member is a ferritic stainless steel containing aluminum, it has excellent characteristics against high-temperature oxidation, and is around 800 ° C. Can maintain stable characteristics for long-term use.
第4の発明は、特に、第1〜第3のいずれか1つの発明において、金属箔部材の厚みが5〜20μmであることにより、ヒータ用抵抗体で発生した熱が金属箔部材を介して外周部へと無駄に熱拡散することを抑制することができる。 In particular, according to the fourth invention, in any one of the first to third inventions, the thickness of the metal foil member is 5 to 20 μm, so that the heat generated by the heater resistor is passed through the metal foil member. It is possible to suppress unnecessary heat diffusion to the outer peripheral portion.
第5の発明は、特に、第1〜第4のいずれか1つの発明において、ガラスセラミック膜が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、約800℃で焼成することにより、ある程度結晶したガラスセラミック膜状態となり、金属箔部材との十分な密着性を保持させることができるとともに、ヒータ用抵抗体と金属箔部材との絶縁も十分に保つことができる。また金属箔表面が大電流によって高温になった場合にも酸化腐食を防御することができる。
According to a fifth invention, in particular, in any one of the first to fourth inventions, the glass ceramic film is a
第6の発明は、特に、第1〜第5のいずれか1つの発明において、導電膜の幅またはガラスセラミック膜の幅が3〜7mmあることにより、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正、負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る。 The sixth invention is particularly large in the conductive film formed on the metal foil member because the width of the conductive film or the width of the glass ceramic film is 3 to 7 mm in any one of the first to fifth inventions. Oxygen corrosion can be prevented even when the vicinity of the junction with the positive and negative electrode films becomes locally high due to the current flowing, and the long-term stability of the oxygen pump element can be improved.
第7の発明は、特に、第1〜第6のいずれか1つの発明において、固体電解質がランタンガレートであることにより、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る。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 seventh invention is a perovskite type composite metal oxide mainly comprising lanthanum and gallium because the solid electrolyte is lanthanum gallate in any one of the first to sixth inventions. And 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8の発明は、特に、第1〜第7のいずれか1つの発明における酸素ポンプ素子と、この酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段と、この電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体に電圧を印加して加熱する加熱手段と、酸素ポンプ素子における固体電解質の温度を検知して加熱手段を制御する温度制御手段と、加熱手段および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、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酸素供給装置とすることにより、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減することができる。 In particular, the eighth invention relates to the oxygen pump element according to any one of the first to seventh inventions, voltage application means for applying a voltage to the oxygen pump element, and voltage control means for controlling the voltage application means. Heating means for applying a voltage to the heater resistor of the oxygen pump element and heating; temperature control means for detecting the temperature of the solid electrolyte in the oxygen pump element to control the heating means; and the heating means and oxygen pump element Heating is achieved by providing an oxygen supply device including a breathable heat insulating means for preventing thermal diffusion and a mixing means for mixing oxygen generated through an oxygen pump element with air to form a mixed gas having a predetermined oxygen concentration. The heat from the means can be efficiently transmitted to the oxygen pump element, and the electric power required for heating can be reduced.
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〜図4は本発明の実施の形態1における酸素ポンプ素子とそれを用いた酸素供給装置を示すものである。
(Embodiment 1)
1 to 4 show an oxygen pump element and an oxygen supply apparatus using the same according to
図1、図2において、酸素イオン伝導性の固体電解質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、具体的は寸法20×20mm、厚み100μmである。固体電解質16の両面には正電極膜17と負電極膜18が酸素イオン伝導性を発現するように形成されている。
1 and 2, the oxygen ion conductive
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17、18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の多孔性の導電膜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の導電膜とした。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側はその外周部に導電性を有する金属箔部材21を接合している。金属箔部材21としてはFe−20Cr−5Al、10μmを使用し、負電極膜18側が露出するように中央に開口部(図2参照)が設けられている。金属箔部材21が固体電解質16と接合される内周部の片側表面には導電膜22が形成されている。導電膜22はAgPd(Ag:Pd=95:5)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形成した。
On the
さらに、金属箔部材21の他の片側表面にはガラスセラミック膜23が形成されている。ガラスセラミック膜23には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約1.0wt%含有する結晶化ガラスを使用した。ガラスセラミック材料は先ず1300℃にて溶解後、ロール冷却機にてカレット状態に加工され、その後さらにボールミル等にて所定の粒度に粉砕される。粉砕されたガラス粒子を印刷ペーストに加工して供した。結晶化ガラスの結晶化開始温度は約770℃であるため、印刷後、800℃で焼成するとある程度結晶化が進み、耐熱衝撃性に強いガラスセラミック膜23が形成される。
Further, a
さらに、ガラスセラミック膜23上にはヒータ用抵抗体24が配設されている。ヒータ用抵抗体24はAgPd(Ag:Pd=70:30)ペーストにガラスセラミック膜23を構成する結晶化ガラス粒子を10wt%添加したものを使用した。同様に乾燥後、800℃にて焼成することにより形成した。酸素ポンプ素子の負電極膜18側からみて示した状態を図3に示した。
Further, a
正電極膜17側も導電性を有する金属箔部材25と連結されている。ここでも負電極膜18側と同様なAgPd(Ag:Pd=95:5)ペースト材料を使用し、正電極膜17側が露出するように開口部が設けられ、金属箔部材25が固体電解質16と接合される両側表面には導電膜26、27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25よりも大きくして固体電解質16が接する空間部を区画する区画手段として構成している。金属箔部材21、25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28、29を介して接合されている。導電層28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25の導電膜26、27と導通するように形成し、導電層29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と導通するように形成した。
The
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30が接続され、金属箔部材25に形成された導電膜27側よりリード部材31が接続されている。また、絶縁部材32によって金属箔部材25が金属箔部材21と短絡するのを防止している。絶縁部材32としては厚み0.2mmのマイカシートを使用した。リード部材30および31は固体電解質16の面に対して同一方向、すなわち、リード部材30、31は小さい方の金属箔部材25側から取り出すように配置したため、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、図1〜図3に示した酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置を示すものである。 FIG. 4 shows an oxygen supply apparatus using the oxygen pump element shown in FIGS.
固体電解質16に対して区画手段となる金属箔部材21の周囲は、支持体34に固定されている。そして、電気絶縁性のガス封止剤33で封止されている。
The periphery of the
また、正電極膜17側および負電極膜18側には、リード部材(図1とはその位置が異なるが作用は同じ)を介して電圧印加手段35が接続されており、電圧印加手段35には、電圧制御手段36が接続されている。
Further, voltage application means 35 is connected to the
加熱手段37は酸素ポンプ素子のヒータ用抵抗体24に電圧を印加するため結線され、固体電解質16の温度を検知する手段38aを有する温度制御手段38が、加熱手段37に信号を送っている。
The heating means 37 is connected to apply a voltage to the
固体電解質16の温度を検知する手段38a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38が検知する固体電解質16の温度によって、温度制御手段38が加熱手段37を介してヒータ用抵抗体24への入力を制御する。
The means 38a for detecting the temperature of the
ヒータ用抵抗体24で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39および40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41は、負電極膜18側に、通気用の開口部42を設けている。
The heat insulating means 39 and 40 are air-permeable heat insulating members for suppressing heat loss generated in the
また、容器41の正電極膜17側には、通気口43を介して、ガスの混合手段44が連結されている。混合手段44は、ガス誘導管45と、被混合ガス導入管46と、ガス混合器47と、ガスポンプ48によって構成されている。
A gas mixing means 44 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、通気性の断熱材である断熱手段39および40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 heat insulating means 39 and 40 which are breathable heat insulating materials, and the
この状態において、温度制御手段38によってヒータ用抵抗体24に通電すると、断熱手段39および40内の固体電解質16の温度が上昇する。温度制御手段38は、固体電解質16が動作するに必要な温度、約600℃となるよう、ヒータ用抵抗体24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。この場合にはヒータ用抵抗体24に20Wの電力を使用することで固体電解質を約40秒で600℃にすることができた。また定常状態では600℃を維持するために必要な電力は12Wであった。
In this state, when the
固体電解質16のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正電極膜17と負電極膜18を介して固体電解質16に電圧を印加すると、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。
When a voltage is applied to the
この時、固体電解質16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16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21、25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21、25の表面上に形成された導電膜22、27は大電流に対する集電性を向上させるとともに、金属箔部材21、25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21、25の表面上に導電膜22、27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17、18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21、25の表面上に形成させる導電膜22、27の幅は3〜7mmが好ましいと考えられる。このことは、ガラスセラミック膜23の幅についても同様である。
At this time, a low voltage and large current flows through 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33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39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43を通り、ガス混合手段44を構成することによってガス誘導管45と、被混合ガス導入管46と、ガス混合器47とによって被混合ガスと混合される。本実施の形態では、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48の吸引と排出速度によって決められる。
The 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、本実施の形態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48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 embodiment is executed by voltage control by the voltage control means 36 and control of the mixed gas flow rate by the gas pump 48.
以上のように、本実施の形態では、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48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, the
本実施の形態との比較例として、固体電解質16を同様な構成でリボンヒータによって間接加熱した場合には、立ち上げ時リボンヒータに40Wの電力を使用することで固体電解質16を約40秒で600℃にすることができ、定常状態で600℃に維持するために必要な電力は28Wであった。これにより、本実施の形態の酸素ポンプ素子は、小さな電力エネルギーで固体電解質16を酸素イオン伝導に必要となる動作温度まで急速に昇温できる。また、近接しているので動作温度を維持するために必要な電力エネルギーも小さく抑えることができる。
As a comparative example with the present embodiment, when the
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における酸素ポンプ素子を示すものである。実施の形態1と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows an oxygen pump element according to
本実施の形態では、正電極膜17側と連結される金属箔部材49に対して導電膜50とガラスセラミック膜51を設け、ガラスセラミック膜51上にはヒータ用抵抗体52を配設した。したがって、固体電解質16に対して連結された2枚の金属箔部材21、49の両方から加熱される構成としている。
In the present embodiment, the
このような構成とすることで、ヒータ用抵抗体24、52への入力を分散するとともに固体電解質16の外周両面方向から熱が供給され、より均熱化される。この場合にはヒータ用抵抗体24、52に18Wの電力を使用することで固体電解質16を約40秒で600℃にすることができた。
With such a configuration, the input to the
(実施の形態3)
図6は、本発明の実施の形態3における酸素ポンプ素子を示すものである。実施の形態1、2と基本構成は同じであるのでその説明は省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 6 shows an oxygen pump element according to
本実施の形態では、負電極膜18側と接合される金属箔部材53に対してガラスセラミック膜54を設け、ガラスセラミック膜54上にはヒータ線が固体電解質外周部を二重に取り囲むようにヒータ用抵抗体55を配設した。
In the present embodiment, a
このような構成とすることで、ヒータ用抵抗体55から固体電解質16へ供給される熱がより均熱化されることとなる。
By setting it as such a structure, the heat supplied to the
以上、各実施の形態1〜3では、ガラスセラミック膜23、51、54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21、49、53との充分な絶縁性が維持でき、導電膜22、50やヒータ用抵抗体24、52、55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。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℃とすることができた。その結果、AuペーストやAgPdペーストと熱処理温度条件をほど同一にすることができる。
As described above, in each of the first to third embodiments, the glass
また、各実施の形態では、固体電解質16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 each embodiment, lanthanum gallate is used as the
また、各実施の形態では、金属箔部材21、25、49、53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10μm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、ヒータ用抵抗体24、52、55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。
Moreover, in each embodiment, although the material of Fe-20Cr-5Al was used as the
また、各実施の形態では、金属箔部材21、25、49、53の構成として負電極膜18側に接合させる方を大きくして固体電解質16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17側に接合させる方を大きくしてもよい。
In each embodiment, the
また、各実施の形態では、導電膜22、26、27、50、51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。また、固体電解質16表面上の正、負電極膜17、18にさらに導電膜19、20を配置した場合について説明したが、この導電膜を配置しない構造についても適用できる。
In each embodiment, Au type and AgPd type are used as the
以上のように、本発明にかかる酸素ポンプ素子とそれを用いた酸素供給装置は、局部的な温度ムラを抑えた酸素ポンプ素子と、加熱手段からの熱を効率よく酸素ポンプ素子に伝達し、加熱に必要な電力を低減する酸素供給装置を得ることができるので、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、医療機器など広範な用途に適用できる。 As described above, the oxygen pump element and the oxygen supply device using the oxygen pump element according to the present invention efficiently transmit the heat from the oxygen pump element and the heating means to the oxygen pump element with suppressed local temperature unevenness, Since an oxygen supply device that reduces the power required for heating can be obtained, the oxygen supply device can be applied to a wide range of uses such as air purifiers, air conditioners, health promotion devices, health promotion devices, and medical devices that use oxygen.
16 固体電解質
17 正電極膜
18 負電極膜
21、25、49、53 金属箔部材
22、26、27、50、51 導電膜
23、51、54 ガラスセラミック膜
24、52、55 ヒータ用抵抗体
30、31 リード部材
39、40 断熱手段
44 混合手段
16
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010052980A (en) * | 2008-08-28 | 2010-03-11 | Tokyo Institute Of Technology | Oxygen atom generating apparatus |
Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000086204A (en) * | 1998-08-28 | 2000-03-28 | Air Prod And Chem Inc | Separation method of oxygen from oxygen-containing gas |
JP2000338079A (en) * | 1999-05-11 | 2000-12-08 | Heraeus Electro Nite Internatl Nv | Gas sensor with diffusion limitation layer |
JP2003020273A (en) * | 2001-07-09 | 2003-01-24 | Nippon Shokubai Co Ltd | Scandia stabilized zirconia electrolyte |
JP2003178858A (en) * | 2001-12-12 | 2003-06-27 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Heating method and device of ceramic substrate as well as negative charge generating device |
JP2003215094A (en) * | 2002-01-28 | 2003-07-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2004212327A (en) * | 2003-01-08 | 2004-07-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pumping element and oxygen pumping apparatus using the same |
JP2004338964A (en) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2004352565A (en) * | 2003-05-29 | 2004-12-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2005306695A (en) * | 2004-04-26 | 2005-11-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2006008457A (en) * | 2004-06-28 | 2006-01-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pumping device and oxygen supplying apparatus using the same |
JP2006022376A (en) * | 2004-07-08 | 2006-01-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2006069828A (en) * | 2004-09-01 | 2006-03-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump element and oxygen feeder having the same |
-
2004
- 2004-11-08 JP JP2004323348A patent/JP2006133106A/en not_active Ceased
Patent Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000086204A (en) * | 1998-08-28 | 2000-03-28 | Air Prod And Chem Inc | Separation method of oxygen from oxygen-containing gas |
JP2000338079A (en) * | 1999-05-11 | 2000-12-08 | Heraeus Electro Nite Internatl Nv | Gas sensor with diffusion limitation layer |
JP2003020273A (en) * | 2001-07-09 | 2003-01-24 | Nippon Shokubai Co Ltd | Scandia stabilized zirconia electrolyte |
JP2003178858A (en) * | 2001-12-12 | 2003-06-27 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Heating method and device of ceramic substrate as well as negative charge generating device |
JP2003215094A (en) * | 2002-01-28 | 2003-07-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2004212327A (en) * | 2003-01-08 | 2004-07-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pumping element and oxygen pumping apparatus using the same |
JP2004338964A (en) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2004352565A (en) * | 2003-05-29 | 2004-12-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2005306695A (en) * | 2004-04-26 | 2005-11-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2006008457A (en) * | 2004-06-28 | 2006-01-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pumping device and oxygen supplying apparatus using the same |
JP2006022376A (en) * | 2004-07-08 | 2006-01-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump |
JP2006069828A (en) * | 2004-09-01 | 2006-03-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Oxygen pump element and oxygen feeder having the same |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010052980A (en) * | 2008-08-28 | 2010-03-11 | Tokyo Institute Of Technology | Oxygen atom generating apparatus |
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