JP2006258623A - Oxygen pump element and oxygen supply device using it - Google Patents

Oxygen pump element and oxygen supply device using it Download PDF

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Hironao Numamoto
浩直 沼本
Kenzo Ochi
謙三 黄地
Akihiro Umeda
章広 梅田
Takeshi Nagai
彪 長井
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen pump element capable of being brought to a high voltage and small current state to be operated. <P>SOLUTION: A metal foil member 12 coated with an insulating film has a plurality of openings and a plurality of oxygen ion conductive solid electrolytes 7 are arranged to the openings so as to seal the openings by gas while positive and negative electrode films are formed on both surfaces of the solid electrolytes 7 and a plurality of the solid electrolytes 7 are arranged so that the positive and negative electrode films serve as a series circuit electrically. By this arrangement, since a plurality of the solid electrolytes 7 are constituted so as to electrically become the series circuit, the voltage applied to the solid electrolytes can be accumulated and the oxygen pump element is brought to a high voltage and small current state to be operated. Further, the solid electrolytes 7 are arranged on the metal foil member 12 and have a sufficient flexibility even with respect to a heat shock and heat strain. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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)。   Conventionally, this type of oxygen pump, when using a plurality of oxygen ion conductive substrates at the same time, electrically connects the electrode films on the same surface side with lead wires or the like, and applies a power supply voltage in parallel. (For example, see Patent Document 1).

これは、図8、図9に示すように、多数枚の酸素イオン導電性基板1が支持部材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線6が、電源のもう一方の極に接続されている。
特表平8−527485号公報
As shown in FIGS. 8 and 9, a large number of oxygen ion conductive substrates 1 are fixed to the support member 2. Lead wires 4 are drawn out from the peripheral portions of the respective electrode films 3 and gathered, and are connected to the wirings at the same potential. A lead wire 5 is drawn out from the wiring and connected to one pole of the power source. A lead wire 6 similarly drawn from the back surface is connected to the other pole of the power source.
Japanese National Patent Publication No. 8-527485

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1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、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。   However, in the conventional configuration, since a plurality of oxygen ion conductive substrates 1 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. Further, for example, when considering actual use at home, a current of several tens of amperes is more complicated than a voltage of several tens of volts, resulting in a problem in that the configuration of the power supply circuit is complicated and the cost is high.

本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、高電圧小電流化して動作させることが可能となる酸素ポンプ素子とそれを用い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 an object thereof is to provide an oxygen pump element that can be operated with a high voltage and a small current, and an oxygen supply device using 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とそれを用いた酸素供給装置は、絶縁膜で被覆された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をガスシールして複数配置し、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜を形成し、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して酸素ポンプ素子を構成し、これを用いて酸素供給装置としているものである。   In order to solve the above-described conventional problems, the oxygen pump element of the present invention and the oxygen supply device using the oxygen pump element include a metal foil member covered with an insulating film having a plurality of openings, and oxygen ion conduction in the openings. A plurality of solid electrolytes that are gas-sealed, and a positive electrode film and a negative electrode film are formed on both surfaces of the solid electrolyte, and the positive electrode film and the negative electrode film are electrically connected in series in the plurality of solid electrolytes. An oxygen pump element is configured so as to form a circuit, and this is used as an oxygen supply device.

これによって、絶縁膜で被覆された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。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。   As a result, a voltage applied to the solid electrolyte can be accumulated by constructing a metal foil member coated with an insulating film so that a plurality of solid electrolytes are electrically connected in series, thereby increasing the oxygen pump element. It is possible to operate with a reduced voltage current. Further, since the solid electrolyte is disposed on the metal foil member, it has sufficient flexibility against thermal shock and thermal strain.

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、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。   The oxygen pump element of the present invention and the oxygen supply device using the oxygen pump element can accumulate voltages applied to the solid electrolyte, and can be operated with a general-purpose power source with a high voltage and a small current.

第1の発明は、絶縁膜で被覆された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をガスシールして複数配置し、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜を形成し、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酸素ポンプ素子とすることにより、絶縁膜で被覆された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。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。   According to a first aspect of the present invention, a metal foil member coated with an insulating film has a plurality of openings, and a plurality of oxygen ion conductive solid electrolytes are gas-sealed in the openings and disposed on both sides of the solid electrolyte. A positive electrode film and a negative electrode film are formed, and a plurality of solid electrolytes are formed as an insulating film by forming an oxygen pump element in which the positive electrode film and the negative electrode film are electrically connected in series. By configuring multiple solid electrolytes to be electrically connected in series on the coated metal foil member, the voltage applied to the solid electrolyte can be accumulated, and the oxygen pump element operates with a high voltage and a small current. It becomes possible to make it. Further, since the solid electrolyte is disposed on the metal foil member, it has sufficient flexibility against thermal shock and thermal strain.

第2の発明は、特に、第1の発明において、1つの固体電解質には、正電極膜と負電極膜が複数に分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置され、前記正電極膜および前記負電極膜は電気的に直列回路となるように構成されていることにより、1つの固体電解質に対して印加する電圧は正電極膜と負電極膜を分割することで積み上げることが可能となり、少ない固体電解質の枚数で酸素ポンプ素子全体への電流値を低く抑えることができる。   According to a second aspect of the invention, in particular, in the first aspect of the invention, one solid electrolyte is arranged in a pair structure in which a positive electrode film and a negative electrode film are divided into a plurality of parts to form a capacitor, and the positive electrode film In addition, since the negative electrode film is configured to be electrically connected in series, the voltage applied to one solid electrolyte can be accumulated by dividing the positive electrode film and the negative electrode film. The current value to the whole oxygen pump element can be kept low with a small number of solid electrolytes.

第3の発明は、特に、第1または第2の発明において、ガスシールは、金属箔部材の開口部周囲と固体電解質の外周部とが導電膜で接合され、少なくとも1つの正電極膜または負電極膜が前記導電膜と電気的に導通関係にあることにより、導電膜でガスシールを行うとともに正電極膜または負電極膜からのリード取出し部として使用することができ、酸素ポンプ素子の構成レイアウトに自由度が広がる。また、固体電解質で生ずる大きな熱衝撃、熱歪に対しても導電膜は十分な柔軟性を有している。   According to a third invention, in particular, in the first or the second invention, the gas seal includes at least one positive electrode film or negative electrode in which the periphery of the opening of the metal foil member and the outer periphery of the solid electrolyte are joined by a conductive film. Since the electrode film is electrically connected to the conductive film, gas sealing can be performed with the conductive film, and the electrode film can be used as a lead extraction portion from the positive electrode film or the negative electrode film. Gives you more freedom. In addition, the conductive film has sufficient flexibility against large thermal shocks and thermal strains generated in the solid electrolyte.

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、金属箔部材と固体電解質とのガスシールである導電膜と、固体電解質上の少なくとも1つの正電極膜または負電極膜とにリード部を接続し、リード部を金属箔部材面に対して同一面方向から取出したことにより、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 particular, in a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the conductive film which is a gas seal between the metal foil member and the solid electrolyte, and at least one positive electrode film or negative electrode on the solid electrolyte By connecting the lead part to the film and taking out the lead part from the same plane direction with respect to the metal foil member surface, the power supply circuit necessary for oxygen ion conduction can be limited in one direction and the layout configuration of the device can be It can be simplified.

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、1つの固体電解質の両面に形成された正電極膜と負電極膜は、固体電解質に設けた貫通孔を介して結線することで直列回路となるようにしたことにより、複数の正電極膜と負電極膜をスクリーン印刷等の方法によって片面は一度に結線処理することができるので、量産化時の製造プロセスを簡素化することができる。   According to a fifth invention, in particular, in any one of the first to fourth inventions, the positive electrode film and the negative electrode film formed on both surfaces of one solid electrolyte are connected to each other through a through hole provided in the solid electrolyte. By connecting them to form a series circuit, multiple positive electrode films and negative electrode films can be connected to one side at a time by screen printing or other methods, simplifying the manufacturing process for mass production. Can be

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、一枚の金属箔部材は、固体電解質が位置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、十分なガスシール性を保持させることができる。   In a sixth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to fifth aspects of the invention, a single metal foil member is configured as a partitioning means for partitioning a space where the solid electrolyte is located, thereby providing a plurality of The space portions located on both sides through the solid electrolyte are separated by a single metal foil member, so that sufficient gas sealing performance can be maintained.

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、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し、第一電極膜は固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜とし、第二電極膜は貴金属成分を主体とする膜としたことにより、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。   According to a seventh invention, in particular, in any one of the first to sixth inventions, the positive electrode film and the negative electrode film are formed on the first electrode film and the first electrode film that is directly bonded to the solid electrolyte. The first electrode film is a film mainly composed of a composite metal oxide component on a solid electrolyte, and the second electrode film is a film mainly composed of a noble metal component, Since the two-electrode film is made of a highly conductive material, an equal potential could be applied to the electrode portion having a certain area. Moreover, since the first electrode film can enhance the electrode reaction of dissociating and adsorbing oxygen as an intermediate layer between the solid electrolyte and the second electrode film, a good catalytic action for changing from oxygen molecules to oxygen ions can be obtained. Can do.

第8の発明は、特に、第1〜第7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 eighth 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 seventh 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9の発明は、特に、第7または第8の発明において、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。   In the ninth invention, in particular, in the seventh or eighth invention, the composite metal oxide of the first electrode film has a perovskite structure, so that oxygen is dissociated and adsorbed as an intermediate layer between the solid electrolyte and the second electrode film. Therefore, the oxygen ion conductivity as an oxygen pump element can be improved.

第10の発明は、特に、第3〜第9のいずれか1つの発明において、導電膜は貴金属成分を主体として構成したことにより、固体電解質で発生した熱衝撃、熱歪にも十分対応することができる柔軟性を有しているので、金属箔部材から固体電解質が剥離するのを抑制できる。   In the tenth invention, in particular, in any one of the third to ninth inventions, the conductive film is mainly composed of a noble metal component, so that it can sufficiently cope with thermal shock and thermal strain generated in the solid electrolyte. Therefore, the solid electrolyte can be prevented from peeling off from the metal foil member.

第11の発明は、特に、第1〜第10のいずれか1つの発明において、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℃付近で長期使用に対して安定した特性を維持できる。   In an eleventh aspect of the invention, in particular, in any one of the first to tenth aspects, the metal foil member is a ferritic stainless steel containing aluminum, so that it has excellent characteristics against high-temperature oxidation. , Stable characteristics can be maintained for long-term use at around 800 ° C.

第12の発明は、特に、第1〜第11のいずれか1つの発明において、絶縁膜が金属箔部材表面に液相析出法で形成されたTiO膜またはZrO膜であることにより、得られた絶縁膜は酸素ポンプで使用する高温にも十分対応することができるとともに、絶縁膜は非常に薄い膜なので、金属箔部材の柔軟性を損なうことなく、固体電解質が金属箔部材から剥離するのを抑制でき、固体電解質を直列回路とするために必要な絶縁性を保持させることができる。 In a twelfth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to eleventh aspects of the invention, the insulating film is obtained by being a TiO 2 film or a ZrO 2 film formed on the surface of the metal foil member by a liquid phase deposition method. The insulation film can sufficiently cope with the high temperature used in the oxygen pump, and the insulation film is a very thin film, so that the solid electrolyte is peeled off from the metal foil member without impairing the flexibility of the metal foil member. Therefore, it is possible to maintain the insulation necessary for making the solid electrolyte into a series circuit.

第13の発明は、特に、第1〜第12のいずれか1つの発明における酸素ポンプ素子と、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酸素供給装置とすることにより、酸素ポンプ素子への印加電圧は複数の固体電解質が直列回路で構成されることで電圧が積み上げられ、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できる。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。   The thirteenth invention, in particular, the oxygen pump element according to any one of the first to twelfth 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 heating the oxygen pump element; temperature control means for detecting the temperature of the oxygen pump element to control the heating means; and heat insulating means for preventing thermal diffusion of the heating means and the oxygen pump element. The oxygen supply device includes a mixing unit that mixes oxygen generated through the oxygen pump element with air to form a mixed gas having a predetermined oxygen concentration, so that the voltage applied to the oxygen pump element is a plurality of solids. Since the electrolyte is configured in a series circuit, a voltage is accumulated, and the oxygen pump element can be operated with a general-purpose power source with a high voltage and a small current. Moreover, since the space part located on both sides via a solid electrolyte is divided by one metal foil member, sufficient gas sealing performance can be maintained. In addition, since the oxygen pump element, the partitioning means, and the heating means can be made a simple structure covered with a heat insulating material, the oxygen pump can be miniaturized and can be easily mounted on a device.

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3は、本発明の実施の形態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 3 show an oxygen pump element and an oxygen supply device using the same according to an embodiment of the present invention.

図1、図2に示すように、本実施の形態における酸素ポンプ素子は、絶縁膜で被覆された金属箔部材12は複数の開口部12a(図3)を備え、前記開口部12aに酸素イオン伝導性の固体電解質7を導電膜13でガスシールして複数配置し、前記固体電解質7の両面には正電極膜8と負電極膜9を形成し、複数の固体電解質7は前記正電極膜8および前記負電極膜9が電気的に直列回路となるように構成されているものである。本実施の形態では、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。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the oxygen pump element according to the present embodiment, the metal foil member 12 covered with an insulating film has a plurality of openings 12a (FIG. 3), and oxygen ions are formed in the openings 12a. A plurality of conductive solid electrolytes 7 are gas-sealed with a conductive film 13, a positive electrode film 8 and a negative electrode film 9 are formed on both surfaces of the solid electrolyte 7, and the plurality of solid electrolytes 7 are the positive electrode films 8 and the negative electrode film 9 are configured to electrically form a series circuit. In the present embodiment, an Au porous positive second electrode film 10 and a negative second electrode film 11 are laminated as the second electrode film on the surfaces of the positive electrode film 8 and the negative electrode film 9.

前記した固体電解質7は、置換型のランタンガレート(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2)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15×15mm、厚み100μmを想定して説明する。 The solid electrolyte 7 is a sintered body of substitutional type lanthanum gallate (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) molded into a flat plate having an arbitrary thickness. As films, the positive electrode film 8 and the negative electrode film 9 are formed so as to exhibit oxygen ion conductivity. Here, description will be made assuming that the solid electrolyte has a size of 15 × 15 mm and a thickness of 100 μm.

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の多孔性を有した電極膜を形成した。 For the positive electrode film 8 and the negative electrode film 9, a perovskite complex oxide having conductivity was used. Specifically, a paste prepared by mixing Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 with a cellulose-based vehicle as an organic solvent is formed by screen printing to form a printed film, dried, and fired at 1100 ° C. to obtain a film thickness of about 15 μm. An electrode film having porosity was formed.

更に、正電極膜8と負電極膜9の表面上に積層した正第二電極膜10、負第二電極膜11は、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7の面分布ムラを改善できる。   Further, the positive second electrode film 10 and the negative second electrode film 11 laminated on the surfaces of the positive electrode film 8 and the negative electrode film 9 are made of Au paste, screen-printed to form a printed film, and after drying, 800 A second electrode film having a thickness of about 3 μm was formed by baking at a temperature of 0 ° C. The positive second electrode film 10 and the negative second electrode film 11 can improve the surface distribution unevenness of the solid electrolyte 7 with respect to the potential when a voltage is applied between the positive electrode film 8 and the negative electrode film 9.

ここで、図2に示すように、固体電解質7が36個使用された酸素ポンプ素子について説明する。   Here, as shown in FIG. 2, an oxygen pump element in which 36 solid electrolytes 7 are used will be described.

個々の固体電解質7は、負電極膜9側が1枚の絶縁膜で被覆された金属箔部材12と連結されている。金属箔部材12としてはFe−20Cr−5Al、12μmを使用し、表面上には液相析出法によってTiOが約0.2μm被覆されているため絶縁性を有する。金属箔部材12には、固体電解質7の負第二電極膜11面が露出するように36個の開口部12a、12×12mmが設けられている。固体電解質7の外周部の負電極膜9側、すなわち負第二電極膜11は導電膜13によってガスシールして金属箔部材12と接合されている。固体電解質7の寸法は15×15mmに対して金属箔部材12に設けられた開口部12aは12×12mmなので導電膜13による接合部は固体電解質7の周囲1.5mm幅となる。金属箔部材12の開口部12aに導電膜13としてAuペーストを使い、16×16mmで一部にリード取出し部が形成できるようにスクリーン印刷を2回行った。その後、乾燥、750℃にて焼成することにより36個の固体電解質7を金属箔部材12と接合させた。 Each solid electrolyte 7 is connected to a metal foil member 12 whose negative electrode film 9 side is covered with a single insulating film. As the metal foil member 12 using Fe-20Cr-5Al, the 12 [mu] m, the surface having an insulating property because TiO 2 is about 0.2μm covered by a liquid phase precipitation method. The metal foil member 12 is provided with 36 openings 12a and 12 × 12 mm so that the surface of the negative second electrode film 11 of the solid electrolyte 7 is exposed. The negative electrode film 9 side of the outer periphery of the solid electrolyte 7, that is, the negative second electrode film 11 is gas-sealed by a conductive film 13 and bonded to the metal foil member 12. Since the size of the solid electrolyte 7 is 15 × 15 mm and the opening 12 a provided in the metal foil member 12 is 12 × 12 mm, the joint portion formed by the conductive film 13 has a width of 1.5 mm around the solid electrolyte 7. The Au paste was used as the conductive film 13 in the opening 12a of the metal foil member 12, and screen printing was performed twice so that a lead extraction portion could be formed in a part of 16 × 16 mm. Then, 36 solid electrolytes 7 were joined to the metal foil member 12 by drying and firing at 750 ° C.

各固体電解質7の負第二電極膜11と電気的に導通する導電膜13によって形成されたリード取出し部と、隣の固体電解質7の正第二電極膜10側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φ0.1mmの金線14によって行った。図2において、個々の固体電解質7には直列回路に結線した序列を番号付け(1〜36)している。36個の固体電解質7に対して最終的には1番目の固体電解質7の正第二電極膜10と結線されたリード部15と、36番の固体電解質7の負第二電極膜11と電気的に導通する導電膜13と結線されたリード部16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15、16は金属箔部材12面に対して同一面方向から取出している。   The lead extraction portion formed by the conductive film 13 electrically connected to the negative second electrode film 11 of each solid electrolyte 7 and the positive second electrode film 10 side of the adjacent solid electrolyte 7 are connected electrically to each other. It is a series circuit. The connection was made with a gold wire 14 of φ0.1 mm. In FIG. 2, the individual solid electrolytes 7 are numbered (1 to 36) in the order of connection in a series circuit. The lead part 15 finally connected to the positive second electrode film 10 of the first solid electrolyte 7 for the 36 solid electrolytes 7, the negative second electrode film 11 of the 36th solid electrolyte 7, and the electricity The voltage is applied to the entire oxygen pump element from the lead portion 16 connected to the conductive film 13 that is electrically conductive. The lead portions 15 and 16 are taken out from the same plane direction with respect to the surface of the metal foil member 12.

図3は上記酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置の構成を示すものである。   FIG. 3 shows a configuration of an oxygen supply apparatus using the oxygen pump element.

36個の固体電解質7に対して空間の区画手段となる一枚の金属箔部材12の周囲は、電気絶縁性のガス封止剤17で支持体18に固定されている。また、リード部15およびリード部16には、導線を介して、酸素ポンプ素子に電圧を印加する電圧印加手段19と電圧印加手段19を制御する電圧制御手段20が接続されている。酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段21のヒータ22は、負電極膜側の表面に対向して配置され、固体電解質7の温度を検知する手段23aを有する温度制御手段23が、加熱手段21に信号を送って加熱手段21を制御する。   The periphery of one metal foil member 12 serving as a space partitioning means for 36 solid electrolytes 7 is fixed to a support 18 with an electrically insulating gas sealant 17. Further, a voltage applying means 19 for applying a voltage to the oxygen pump element and a voltage control means 20 for controlling the voltage applying means 19 are connected to the lead portion 15 and the lead portion 16 through a lead wire. The heater 22 of the heating means 21 that heats the oxygen pump element is disposed opposite to the surface on the negative electrode film side, and the temperature control means 23 having the means 23 a for detecting the temperature of the solid electrolyte 7 sends a signal to the heating means 21. To control the heating means 21.

固体電解質7の温度を検知する手段23aは、温度センサーあるいは他の手段を用いてもよい。センサーの場合、固体電解質7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23が検知する固体電解質7の温度によって、温度制御手段23が、加熱手段21を構成するヒータ22の入力制御を行う。   As the means 23a for detecting the temperature of the solid electrolyte 7, a temperature sensor or other means may be used. In the case of a sensor, the sensor may be disposed in the vicinity of the solid electrolyte 7 or may be disposed at an arbitrary position. Depending on the temperature of the solid electrolyte 7 detected by the temperature control means 23, the temperature control means 23 performs input control of the heater 22 constituting the heating means 21.

ヒータ22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24および25であり、加熱手段21および酸素ポンプ素子の熱拡散を防止する。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。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26は、負電極膜側に、通気用の開口部27を設けている。   The heat-insulating means 24 and 25 are heat-permeable heat insulating members for suppressing the loss of heat generated by the heater 22, and prevent heat diffusion of the heating means 21 and the oxygen pump element. Here, a heat insulating member molded into a flat plate mainly composed of silica and alumina was used. Each element constituting the oxygen supply device and the container 26 for maintaining the overall shape are provided with an opening 27 for ventilation on the negative electrode membrane side.

また、容器26の正電極膜側には、通気口28を介して、ガスの混合手段29が連結されている。混合手段29は、ガス誘導管30と、被混合ガス導入管31と、ガス混合器32と、ガスポンプ33によって構成されており、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。   A gas mixing means 29 is connected to the positive electrode film side of the container 26 through a vent 28. The mixing means 29 is composed of a gas induction pipe 30, a mixed gas introduction pipe 31, a gas mixer 32, and a gas pump 33. The mixing means 29 mixes oxygen generated through an oxygen pump element with air to give a predetermined oxygen. Use mixed gas of concentration.

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24および25の内部を通過して正電極膜8側および負電極膜9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 24 and 25 which are air-permeable heat insulating materials, and on the positive electrode film 8 side and the negative electrode film 9. Stable in a diffused state to the surface on the side.

この状態において温度制御手段23によってヒータ22に通電すると、断熱手段24および25内の固体電解質7の温度が上昇する。温度制御手段23は、固体電解質7が動作するに必要な温度、約600℃となるよう、ヒータ22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7の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。   When the heater 22 is energized by the temperature control means 23 in this state, the temperature of the solid electrolyte 7 in the heat insulation means 24 and 25 rises. The temperature control means 23 is energized while controlling the heater 22 so that the temperature required for the operation of the solid electrolyte 7 is about 600 ° C. However, this temperature is not limited, and an operation at an arbitrary temperature is possible according to the characteristics of the solid electrolyte 7.

固体電解質7のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正第二電極膜10と負第二電極膜11を介して個々の固体電解質7に電圧を印加すると、負電極膜9側の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜9から固体電解質7の内部を酸素イオンとして、正電極膜8へと移動し、正電極膜8側の表面から酸素分子として放出される。   When a voltage is applied to each solid electrolyte 7 through the positive second electrode film 10 and the negative second electrode film 11 when the temperature at which the solid electrolyte 7 can conduct ions is reached, the vicinity of the surface on the negative electrode film 9 side The oxygen moves from the negative electrode film 9 to the positive electrode film 8 as oxygen ions from the negative electrode film 9 by an electrochemical reaction, and is released as oxygen molecules from the surface on the positive electrode film 8 side.

この時、個々の固体電解質7には約0.7Vの電圧印加によって、2.9Aの電流が流れる。したがって、36個の固体電解質7からなる酸素ポンプ素子は24Vで動作させることによって、酸素ガス 約370ml/minを得ることが可能となる。この時、金属箔部材12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12の表面上に形成されたTiO膜は金属箔部材12の表面酸化に対して効果的に防御させることができる。金属箔部材12としても、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。 At this time, a current of 2.9 A flows through each solid electrolyte 7 by applying a voltage of about 0.7 V. Therefore, an oxygen pump element composed of 36 solid electrolytes 7 can be operated at 24 V to obtain about 370 ml / min of oxygen gas. At this time, the metal foil member 12 is also exposed to a high temperature state in addition to the atmospheric temperature of 600 ° C. The TiO 2 film formed on the surface of the metal foil member 12 can effectively protect against the surface oxidation of the metal foil member 12. As the metal foil member 12, excellent oxidation resistance can be obtained by using ferritic stainless steel containing aluminum.

正電極膜8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、正電極膜8側の表面から離れ、断熱手段25を通過して排出される。したがって、空間の区画手段となる金属箔部材12とガス封止剤17が、負電極膜9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7と金属箔部材12とをガスシールする導電膜13も負電極膜9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 on the positive electrode film 8 side becomes a state close to pure oxygen by the generated oxygen gas, leaves the surface on the positive electrode film 8 side, passes through the heat insulating means 25 and is discharged. Therefore, the metal foil member 12 and the gas sealant 17 serving as a space partitioning unit effectively function as a unit for preventing gas leakage from the negative electrode film 9 side. In addition, the conductive film 13 for gas-sealing the solid electrolyte 7 and the metal foil member 12 also effectively acts as a means for preventing gas leakage from the negative electrode film 9 side.

一方、窒素は負電極膜9側に残される。残された窒素は、断熱手段24の通気性により、大気中に拡散していくと共に、負電極膜9側には新たな空気とともに酸素が外部より供給される。   On the other hand, nitrogen is left on the negative electrode film 9 side. The remaining nitrogen diffuses into the atmosphere due to the air permeability of the heat insulating means 24, and oxygen is supplied from the outside together with new air to the negative electrode film 9 side.

正電極膜8側から放出される酸素ガスは、通気口28を通り、混合手段29を構成するガス誘導管30と、被混合ガス導入管31と、ガス混合器32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33の吸引と排出速度によって決められる。   The oxygen gas released from the positive electrode film 8 side passes through the vent hole 28 and is mixed with the mixed gas by the gas induction pipe 30, the mixed gas introduction pipe 31, and the gas mixer 32 constituting the mixing means 29. Is done. In the present embodiment, the mixed gas is the atmosphere. The generated mixed gas is an oxygen-enriched gas, and its flow rate is determined by the suction and discharge speed of the gas pump 33.

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7を流れる酸素イオン量、すなわちイオン電流の大きさとによって決められる。イオン電流は、固体電解質7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 7, that is, the magnitude of the ionic current. The ion current can be controlled by the magnitude of the voltage applied to the solid electrolyte 7.

以上のように、本実施の形態では、36個の固体電解質7を電気的に直列回路で連結し、正電極膜8側と負電極膜9側を酸素イオン伝導性を発現するように固体電解質7を介して空間部を金属箔部材12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8側から放出させ、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20による電圧制御とガスポンプ33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。本実施の形態における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、24Vで動作時、酸素濃度90%、0.4L/min〜酸素濃度30%、3L/minを供給することが可能であった。   As described above, in the present embodiment, 36 solid electrolytes 7 are electrically connected in a series circuit, and the solid electrolyte is so formed that the positive electrode film 8 side and the negative electrode film 9 side develop oxygen ion conductivity. The metal foil member 12 suppresses gas leakage through the space 7 and performs heating heating and voltage application, thereby releasing oxygen molecules from the positive electrode film 8 side and generating an oxygen-enriched mixed gas. Thus, an arbitrary oxygen concentration gas can be stably obtained by voltage control by the voltage control means 20 and control of the mixed gas flow rate by the gas pump 33. When operating at 24 V, the oxygen concentration in the mixed gas obtained by the oxygen supply device in this embodiment can supply an oxygen concentration of 90%, 0.4 L / min to an oxygen concentration of 30%, and 3 L / min. there were.

(実施の形態2)
図4、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。基本構成は実施の形態1と同じであるので相違点について説明する。
(Embodiment 2)
4 and 5 show an oxygen pump element according to Embodiment 2 of the present invention. Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, differences will be described.

本実施の形態において、固体電解質34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、実施の形態1と同じである。固体電解質34の寸法は31×31mm、厚み130μmである。ここでは1つの固体電解質34に、正電極膜(図示せず)と正第二電極膜36、負電極膜(図示せず)と負第二電極膜37とが4分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置されている。4分割されたうちの1つの正第二電極膜36と負第二電極膜37の寸法は12×12mmであり、隣り合う電極膜の間隔は2mmとした。金属箔部材35も実施の形態1と同様のものを使用し、9個の開口部、28×28mmが設けられている。   In the present embodiment, the configurations of the first electrode film and the second electrode film formed on the surface of the solid electrolyte 34 are the same as those in the first embodiment. The dimensions of the solid electrolyte 34 are 31 × 31 mm and the thickness is 130 μm. Here, a positive electrode film (not shown), a positive second electrode film 36, a negative electrode film (not shown), and a negative second electrode film 37 are divided into four solid electrolytes 34 to form a capacitor. It is arranged in such a pair structure. The dimension of one positive second electrode film 36 and the negative second electrode film 37 among the four divided parts was 12 × 12 mm, and the distance between the adjacent electrode films was 2 mm. The metal foil member 35 is the same as that of the first embodiment, and nine openings and 28 × 28 mm are provided.

4分割された正第二電極膜36と負第二電極膜37とは電気的に直列回路となるように構成されている。図に示すように、個々の固体電解質34は直列回路に結線した電位序列を番号付け(1〜36)している。   The positive second electrode film 36 and the negative second electrode film 37 that are divided into four are configured to be electrically connected in series. As shown in the figure, the individual solid electrolytes 34 are numbered (1 to 36) in the order of potentials connected to a series circuit.

具体的には、1つの固体電解質34の中心線位置に貫通孔38が3箇所配設され、貫通孔38を利用して正第二電極膜36は隣の反対側に位置する負第二電極膜37と電気的に結線されている。1番目の負第二電極膜37は隣に位置する2番目の正第二電極膜36と、2番目の負第二電極膜37は中心に位置する貫通孔38を使用して3番目の正第二電極膜36と、3番目の負第二電極膜37は隣に位置する4番目の正第二電極膜36と結線されている。4番目の負第二電極膜36は固体電解質34が金属箔部材35と接合される導電膜39と結線され、導電膜39は固体電解質34からはみ出す部分が設けられ、その導電膜39から隣に位置する固体電解質34の5番目の正第二電極膜36と金線40で結線されている。順次同様に結線され、最終的には1番目の正第二電極膜36と結線されたリード部41と36番目の負第二電極膜37と導通するように結線されたリード部42に電圧を印加することで酸素ポンプ素子を動作させることになる。   Specifically, three through holes 38 are disposed at the center line position of one solid electrolyte 34, and the positive second electrode film 36 is located on the opposite side of the negative second electrode by using the through holes 38. The film 37 is electrically connected. The first negative second electrode film 37 is adjacent to the second positive second electrode film 36 and the second negative second electrode film 37 is connected to the third positive electrode film 37 using the through-hole 38 positioned at the center. The second electrode film 36 and the third negative second electrode film 37 are connected to the adjacent fourth positive second electrode film 36. The fourth negative second electrode film 36 is connected to a conductive film 39 where the solid electrolyte 34 is bonded to the metal foil member 35, and the conductive film 39 is provided with a portion protruding from the solid electrolyte 34. The fifth positive second electrode film 36 of the solid electrolyte 34 positioned and the gold wire 40 are connected. A voltage is applied to the lead portion 41 connected to be sequentially connected to the first positive second electrode film 36 and finally connected to the 36th negative second electrode film 37 so as to be electrically connected. By applying this, the oxygen pump element is operated.

固体電解質34は金属箔部材35に対して1.5mm幅で導電膜39により接合されている。金属箔部材35の開口部に導電膜39としてAuペーストを使い、開口部28×28mmに対して32×34mmの印刷を行うことで固体電解質34からはみ出し、リード取出し部が形成できるようにスクリーン印刷を2回行った。その後、乾燥、750℃にて焼成することにより9個の固体電解質34を金属箔部材35と接合させた。   The solid electrolyte 34 is bonded to the metal foil member 35 by a conductive film 39 with a width of 1.5 mm. Screen printing so that the lead extraction part can be formed by using Au paste as the conductive film 39 in the opening part of the metal foil member 35 and printing 32 * 34 mm on the opening part 28 * 28 mm so as to protrude from the solid electrolyte 34. Was performed twice. Then, nine solid electrolytes 34 were joined to the metal foil member 35 by drying and firing at 750 ° C.

正第二電極膜36と負第二電極膜37との結線はAuペーストのスクリーン印刷によって同時に行った。したがって、正第二電極膜36と負第二電極膜37との結線のための製造プロセスは特に追加されていない。   The positive second electrode film 36 and the negative second electrode film 37 were connected simultaneously by screen printing of Au paste. Therefore, a manufacturing process for connecting the positive second electrode film 36 and the negative second electrode film 37 is not particularly added.

そして、本実施の形態における酸素ポンプ素子を用いて実施の形態1と同様な酸素供給装置を作製した。その結果、26Vで動作させることによって、2.9Aの電流が流れ、酸素ガス 約370ml/minを得ることができた。したがって、9枚の固体電解質34を使用して実施の形態1と同じ電流値で同等の性能を得ることができた。金属箔部材35上に9個の固体電解質34を配置し、少ない金線40とリード部41、42を結線することで完成するため、製造プロセスは実施の形態1と比較すると簡素化されている。   And the oxygen supply apparatus similar to Embodiment 1 was produced using the oxygen pump element in this Embodiment. As a result, by operating at 26 V, a current of 2.9 A flowed and oxygen gas of about 370 ml / min could be obtained. Therefore, using the nine solid electrolytes 34, it was possible to obtain the same performance with the same current value as in the first embodiment. Since nine solid electrolytes 34 are arranged on the metal foil member 35 and a small number of gold wires 40 and lead portions 41 and 42 are connected, the manufacturing process is simplified as compared with the first embodiment. .

(実施の形態3)
図6、図7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。基本構成は実施の形態1と同じであるので相違点について説明する。
(Embodiment 3)
6 and 7 show an oxygen pump element according to Embodiment 3 of the present invention. Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, differences will be described.

本実施の形態において、固体電解質43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、実施の形態1と同じである。固体電解質43の寸法は46×46mm、厚み200μmである。ここでは1つの固体電解質43に、正電極膜(図示せず)と正第二電極膜45、負電極膜(図示せず)と負第二電極膜46とが9分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置されている。9分割されたうちの1つの正第二電極膜45と負第二電極膜46の寸法は12×12mmであり、隣り合う電極膜の間隔は2mmとした。金属箔部材44も実施の形態1と同様のものを使用し、4個の開口部、42×42mmが設けられている。   In the present embodiment, the configurations of the first electrode film and the second electrode film formed on the surface of the solid electrolyte 43 are the same as those in the first embodiment. The dimensions of the solid electrolyte 43 are 46 × 46 mm and the thickness is 200 μm. Here, a positive electrode film (not shown), a positive second electrode film 45, a negative electrode film (not shown), and a negative second electrode film 46 are divided into nine solid electrolytes 43 to form a capacitor. It is arranged in such a pair structure. The size of one positive second electrode film 45 and the negative second electrode film 46 out of the nine divisions was 12 × 12 mm, and the distance between adjacent electrode films was 2 mm. The metal foil member 44 is the same as that of the first embodiment, and four openings, 42 × 42 mm, are provided.

9分割された正第二電極膜45と負第二電極膜46とは電気的に直列回路となるように構成されている。図に示すように、個々の固体電解質43は直列回路に結線した電位序列を番号付け(1〜36)している。   The positive second electrode film 45 and the negative second electrode film 46 divided into nine are configured to be electrically connected in series. As shown in the figure, the individual solid electrolytes 43 are numbered (1 to 36) in the order of potentials connected to a series circuit.

具体的には、1つの固体電解質43に貫通孔47が8箇所配設され、貫通孔47を利用して正第二電極膜45は隣の反対側に位置する負第二電極膜46と電気的に順次結線されている。9番目の負第二電極膜46は固体電解質43が金属箔部材44と接合される導電膜48と結線され、導電膜48は固体電解質43からはみ出す部分が設けられ、その導電膜48から隣に位置する固体電解質43の10番目の正第二電極膜45と金線49で結線されている。さらに順次同様に結線され、最終的には1番目の正第二電極膜45と結線されたリード部50と36番目の負第二電極膜46と導通するように結線されたリード部51に電圧を印加することで酸素ポンプ素子を動作させることになる。   Specifically, eight through holes 47 are disposed in one solid electrolyte 43, and the positive second electrode film 45 is electrically connected to the negative second electrode film 46 located on the opposite side by using the through holes 47. Are connected sequentially. The ninth negative second electrode film 46 is connected to a conductive film 48 to which the solid electrolyte 43 is bonded to the metal foil member 44, and the conductive film 48 is provided with a portion protruding from the solid electrolyte 43, and adjacent to the conductive film 48. The tenth positive second electrode film 45 of the solid electrolyte 43 positioned is connected to the gold wire 49. Further, the voltage is applied to the lead portion 51 that is connected in order in the same manner and is finally connected to the lead portion 50 connected to the first positive second electrode film 45 and the 36th negative second electrode film 46. Is applied to operate the oxygen pump element.

固体電解質43は金属箔部材44に対して2mm幅で導電膜48により接合されている。金属箔部材44の開口部に導電膜48としてAuペーストを使い、開口部42×42mmに対して47×49mmの印刷を行うことで固体電解質43からはみ出し、リード取出し部が形成できるようにスクリーン印刷を2回行った。その後、乾燥、750℃にて焼成することにより4個の固体電解質43を金属箔部材44と接合させた。   The solid electrolyte 43 is bonded to the metal foil member 44 by a conductive film 48 with a width of 2 mm. Using Au paste as the conductive film 48 at the opening of the metal foil member 44, printing is performed at 47 × 49 mm for the opening 42 × 42 mm, so that it protrudes from the solid electrolyte 43 and screen printing is performed so that a lead extraction portion can be formed. Was performed twice. Then, the four solid electrolytes 43 were joined to the metal foil member 44 by drying and firing at 750 ° C.

正第二電極膜45と負第二電極膜46との結線はAuペーストのスクリーン印刷によって同時に行った。したがって、正第二電極膜45と負第二電極膜46との結線のための製造プロセスは特に追加されていない。   The positive second electrode film 45 and the negative second electrode film 46 were simultaneously connected by screen printing of Au paste. Therefore, a manufacturing process for connecting the positive second electrode film 45 and the negative second electrode film 46 is not particularly added.

そして、本実施の形態における酸素ポンプ素子を用いて実施の形態1と同様な酸素供給装置を作製した。その結果、32Vで動作させることによって、2.9Aの電流が流れ、酸素ガス 約370ml/minを得ることができた。したがって、4枚の固体電解質43を使用して実施の形態1と同じ電流値で同等の性能を得ることができた。金属箔部材44上に4個の固体電解質43を配置し、より少ない金線49とリード部50、51を結線することで完成するため、製造プロセスは実施の形態1と比較するとより簡素化されている。   And the oxygen supply apparatus similar to Embodiment 1 was produced using the oxygen pump element in this Embodiment. As a result, by operating at 32 V, a current of 2.9 A flowed, and oxygen gas of about 370 ml / min could be obtained. Therefore, using the four solid electrolytes 43, it was possible to obtain the same performance with the same current value as in the first embodiment. Since the four solid electrolytes 43 are arranged on the metal foil member 44 and a smaller number of the gold wires 49 and the lead portions 50 and 51 are connected, the manufacturing process is further simplified as compared with the first embodiment. ing.

上記した各実施の形態1〜3では、固体電解質7、34、43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)、サマリウムト゛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 of the first to third embodiments described above, lanthanum gallate is used as the solid electrolytes 7, 34, and 43. However, the present invention is not limited to this. It may be. 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、第一電極膜(正電極膜8、負電極膜9)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。 Further, although Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 is used as the composite metal oxide of the first electrode film (positive electrode film 8 and negative electrode film 9), it is not limited to this. However, since the composite metal oxide having a perovskite structure has high electrode reactivity with oxygen molecules and itself has conductivity, excellent oxygen ion conductivity can be realized. In particular, among the perovskite complex oxides, those composed of at least one of lanthanum and samarium at the A site and at least one of cobalt, iron, and manganese at the B site, and a part of the A site replaced with strontium It had excellent conductivity and high oxygen molecule electrode reactivity.

また、金属箔部材12、35、44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。   Moreover, although the material of Fe-20Cr-5Al was used as the metal foil members 12, 35, and 44, it is not limited to this, and other metal foil materials are used as long as the material has durability against high-temperature oxidation. can do. 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 high temperature oxidation resistance. Moreover, although 12 micrometers in thickness was used, it is thought that 5-20 micrometers is preferable as a metal foil member. That is, in order to prevent the heat generated in the solid electrolyte from being transferred to the outer peripheral portion, the thinner the thickness, the better. However, if the thickness is 5 μm or less, the handling at the time of manufacture becomes worse.

また、絶縁膜で被覆された金属箔部材12、35、44として、TiO膜を液相析出法で形成したものを使用したがこれに限定されるものではない。その他にZrO膜、Al膜が使用できる。これらは処理水溶液中に浸漬することによって薄い酸化被膜を短時間で形成させることができ、酸素ポンプ素子を動作させる高温雰囲気下でも十分な絶縁性を保持させることができた。絶縁膜は非常に薄い膜なので、金属箔部材の柔軟性を損なうことなく、固体電解質が金属箔部材から剥離するのを抑制でき、固体電解質を直列回路とするために必要な絶縁性を保持させることができた。 The metal foil member 12,35,44 which is coated with an insulating film, was used which was formed of TiO 2 film in a liquid phase deposition method is not limited thereto. In addition, a ZrO 2 film or an Al 2 O 3 film can be used. These were able to form a thin oxide film in a short time by being immersed in the treatment aqueous solution, and were able to maintain sufficient insulation even in a high temperature atmosphere in which the oxygen pump element was operated. Since the insulating film is a very thin film, the solid electrolyte can be prevented from peeling from the metal foil member without impairing the flexibility of the metal foil member, and the insulation necessary for making the solid electrolyte into a series circuit can be maintained. I was able to.

また、金属箔部材12、35、44の構成として負電極膜9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のみ説明したが、逆に正電極膜8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。   Moreover, although it demonstrated only about the case where it was joined to the negative electrode film | membrane 9 side as a structure of the metal foil members 12, 35, and 44, and it used as a partition means to partition a space part, conversely on the positive electrode film | membrane 8 side. It may be used as a partitioning means for joining and partitioning the space.

また、正第二電極膜10、36、45、導電膜13、39、48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。   In addition, Au-based materials are used for the positive second electrode films 10, 36, 45 and the conductive films 13, 39, 48. However, the present invention is not limited to this, and any other material having a low resistance and heat resistance can be used. Ag-based and AgPd-based materials can be used.

また、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。例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。   Moreover, although the case where the second electrode film is further arranged on the positive electrode film and the negative electrode film on the surface of the solid electrolyte has been described, the present invention can be applied to a structure in which the second electrode film is not arranged. For example, if the size of the electrode film formed on the surface of the solid electrolyte is 5 × 5 mm, the current value to be passed is about 0.5 A, and the potential unevenness generated on the electrode film is not so large, so the second electrode film is necessary. Don't be.

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、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 device using the oxygen pump element can accumulate the voltage applied to the solid electrolyte, and can be operated with a general-purpose power source with a high voltage and a small current. Therefore, it can be applied to a wide range of uses such as an air purifier, an air conditioner, a health promoting device, and a health promoting device using oxygen.

本発明の実施の形態1における酸素ポンプ素子の固体電解質を示す断面図Sectional drawing which shows the solid electrolyte of the oxygen pump element in Embodiment 1 of this invention 同酸素ポンプ素子の平面図Top view of the oxygen pump element 同酸素ポンプ素子を用いた酸素供給装置の断面図Sectional view of an oxygen supply device using the oxygen pump element 本発明の実施の形態2における酸素ポンプ素子の正極側の平面図The top view of the positive electrode side of the oxygen pump element in Embodiment 2 of this invention 同酸素ポンプ素子の負極側の平面図Plan view on the negative electrode side of the oxygen pump element 本発明の実施の形態3における酸素ポンプ素子の正極側の平面図The top view of the positive electrode side of the oxygen pump element in Embodiment 3 of this invention 同酸素ポンプ素子の負極側の平面図Plan view on the negative electrode side of the oxygen pump element 従来例を示す酸素ポンプ素子の平面図Plan view of an oxygen pump element showing a conventional example 同酸素ポンプ素子用いた酸素供給装置の断面図Sectional view of an oxygen supply device using the oxygen pump element

符号の説明Explanation of symbols

7、34、43 固体電解質
8 正電極膜
9 負電極膜
10、36、45 正第二電極膜
11、37、46 負第二電極膜
12、35、44 金属箔部材
13、39、48 導電膜
14、40、49 金線
15、16、41、42、50、51 リード部
19 電圧印加手段
20 電圧制御手段
21 加熱手段
23 温度制御手段
24、25 断熱手段
29 混合手段
38、47 貫通孔
7, 34, 43 Solid electrolyte 8 Positive electrode film 9 Negative electrode film 10, 36, 45 Positive second electrode film 11, 37, 46 Negative second electrode film 12, 35, 44 Metal foil member 13, 39, 48 Conductive film 14, 40, 49 Gold wire 15, 16, 41, 42, 50, 51 Lead part 19 Voltage application means 20 Voltage control means 21 Heating means 23 Temperature control means 24, 25 Heat insulation means 29 Mixing means 38, 47 Through hole

Claims (13)

絶縁膜で被覆された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をガスシールして複数配置し、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜を形成し、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酸素ポンプ素子。 The metal foil member covered with an insulating film has a plurality of openings, and a plurality of oxygen ion conductive solid electrolytes are gas-sealed in the openings, and a positive electrode film and a negative electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. An oxygen pump element in which a membrane is formed, and the plurality of solid electrolytes are configured such that the positive electrode film and the negative electrode film are electrically connected in series. 1つの固体電解質には、正電極膜と負電極膜が複数に分割されてコンデンサを構成するような対構造で配置され、前記正電極膜および前記負電極膜は電気的に直列回路となるように構成されている請求項1に記載の酸素ポンプ素子。 In one solid electrolyte, a positive electrode film and a negative electrode film are arranged in a pair structure in which a capacitor is formed by dividing the positive electrode film and the negative electrode film so that the positive electrode film and the negative electrode film are electrically connected in series. The oxygen pump element according to claim 1, which is configured as follows. ガスシールは、金属箔部材の開口部周囲と固体電解質の外周部とが導電膜で接合され、少なくとも1つの正電極膜または負電極膜が前記導電膜と電気的に導通関係にある請求項1または2に記載の酸素ポンプ素子。 2. The gas seal is formed such that the periphery of the opening of the metal foil member and the outer periphery of the solid electrolyte are joined by a conductive film, and at least one positive electrode film or negative electrode film is electrically connected to the conductive film. Or the oxygen pump element of 2. 金属箔部材と固体電解質とのガスシールである導電膜と、固体電解質上の少なくとも1つの正電極膜または負電極膜とにリード部を接続し、リード部を金属箔部材面に対して同一面方向から取出した請求項1〜3のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 A lead part is connected to the conductive film which is a gas seal between the metal foil member and the solid electrolyte, and at least one positive electrode film or negative electrode film on the solid electrolyte, and the lead part is flush with the metal foil member surface. The oxygen pump element according to any one of claims 1 to 3, which is taken out from a direction. 1つの固体電解質の両面に形成された正電極膜と負電極膜は、固体電解質に設けた貫通孔を介して結線することで直列回路となるようにした請求項1〜4のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 The positive electrode film and the negative electrode film formed on both surfaces of one solid electrolyte are connected through a through-hole provided in the solid electrolyte to form a series circuit. The oxygen pump element described in 1. 一枚の金属箔部材は、固体電解質が位置する空間部を区画する区画手段として構成される請求項1〜5のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 The oxygen pump element according to any one of claims 1 to 5, wherein the single metal foil member is configured as partition means for partitioning a space in which the solid electrolyte is located. 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し、第一電極膜は固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜とし、第二電極膜は貴金属成分を主体とする膜とした請求項1〜6のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 The positive electrode film and the negative electrode film are composed of a first electrode film directly bonded to the solid electrolyte and a second electrode film formed on the first electrode film, and the first electrode film is a composite on the solid electrolyte. The oxygen pump element according to any one of claims 1 to 6, wherein the second electrode film is a film mainly containing a noble metal component. 固体電解質がランタンガレートである請求項1〜7のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 The oxygen pump element according to any one of claims 1 to 7, wherein the solid electrolyte is lanthanum gallate. 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請求項7または8に記載の酸素ポンプ素子。 The oxygen pump element according to claim 7 or 8, wherein the composite metal oxide of the first electrode film has a perovskite structure. 導電膜は貴金属成分を主体として構成した請求項3〜9のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 The oxygen pump element according to any one of claims 3 to 9, wherein the conductive film is composed mainly of a noble metal component. 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請求項1〜10のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 The oxygen pump element according to any one of claims 1 to 10, wherein the metal foil member is ferritic stainless steel containing aluminum. 絶縁膜が金属箔部材表面に液相析出法で形成されたTiO膜またはZrO膜である請求項1〜11のいずれか1項に記載の酸素ポンプ素子。 Oxygen pump element according to any one of claims 1-11 insulating film is TiO 2 film or ZrO 2 film formed by a liquid phase precipitation method the metal foil member surface. 請求項1〜11のいずれか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酸素供給装置。 The oxygen pump element according to any one of claims 1 to 11, a voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element, a voltage control means for controlling the voltage applying means, and heating the oxygen pump element. Heating means, temperature control means for detecting the temperature of the oxygen pump element and controlling the heating means, heat insulating means for preventing thermal diffusion of the heating means and the oxygen pump element, and the oxygen pump element An oxygen supply device comprising mixing means for mixing oxygen generated in this way with air to make a mixed gas having a predetermined oxygen concentration.
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