JP2006258624A - 酸素供給装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に固体電解質自体の温度を維持させることで、酸素供給時に必要な消費電力を少なく抑えた酸素供給装置の制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】固体電解質１０を具備した酸素ポンプ素子と、電圧印加手段２２と、電圧制御手段２３と、加熱手段Ａ２４と、温度制御手段２６とを備え、起動時には、加熱手段Ａ２４で酸素ポンプ素子を所定温度まで加熱し、電圧制御手段２２により電圧印加して所定電流値で動作状態とした後、加熱手段Ａ２４への印加電圧を低減させるとともに、酸素ポンプ素子への印加電圧をさらに上昇させ、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とするものである。これによって、起動時には急速に固体電解質１０を酸素イオン伝導可能な温度とし、定常時には酸素イオン伝導によって発生する熱量で固体電解質１０自体を動作状態に維持できるため、酸素供給時に必要な消費電力を少なく抑えることができる。
【選択図】図３

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を搭載した酸素供給装置の制御方法に関するものである。

従来、この種の酸素供給装置はすでに知られている（例えば、特許文献１参照）。

これは、図１０に示すように、酸素ポンプ素子１は、アルミナなどの多孔質基板２に形成された第１電極３と酸素イオン伝導性の固体電解質４と第２電極５とから構成され、第１電極膜３は白金の微粒子を多孔質基板２に、第２電極５は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜４に結合して得られる薄膜を形成した構成としている。加熱手段６は、アルミナ基板などの絶縁性基板７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８から構成され、加熱手段６は筐体９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。

この構成において、加熱手段６によって酸素ポンプ素子１を酸素ポンプとして動作する温度に加熱し、第１電極３をカソード、第２電極４をアノードとして両電極間に直流電圧を印加すると、図中矢印で示すように第１電極３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性の固体電解質４中を移動し第２電極５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９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。
特開平１１−２３５２５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、加熱手段６は酸素ポンプ素子１を作動させる温度に昇温させるとともに、動作させている時に常に間接加熱方法によって、酸素ポンプ素子１を所定温度に加温した状態で維持しているので、加熱手段６の消費電力が高くなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、効率的に固体電解質自体の温度を維持させることで、酸素供給時に必要な消費電力を少なく抑えた酸素供給装置の制御方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素供給装置の制御方法は、固体電解質を具備した酸素ポンプ素子と、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Ａと、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段Ａを制御する温度制御手段とを備え、起動時には、前記加熱手段Ａを使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱し、前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧を印加して所定電流値で動作状態とした後、前記加熱手段Ａへの印加電圧を前記温度制御手段より低減させるとともに、前記酸素ポンプ素子に印加する電圧を前記電圧制御手段よりさらに上昇させて、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とするものである。

これによって、起動時には間接加熱方式によって急速に固体電解質を酸素イオン伝導可能な温度とし、定常時には酸素イオン伝導によって発生する熱量で固体電解質自体を動作状態に維持できるため、酸素供給時に必要な消費電力を少なく抑えることができる。

本発明の酸素供給装置の制御方法は、酸素供給時に必要な消費電力を少なく抑えることが可能となる。

第１の発明は、固体電解質を具備した酸素ポンプ素子と、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Ａと、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段Ａを制御する温度制御手段とを備え、起動時には、前記加熱手段Ａを使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱し、前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧を印加して所定電流値で動作状態とした後、前記加熱手段Ａへの印加電圧を前記温度制御手段より低減させるとともに、前記酸素ポンプ素子に印加する電圧を前記電圧制御手段よりさらに上昇させて、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とする酸素供給装置の制御方法とすることにより、起動時には間接加熱方式によって急速に固体電解質を酸素イオン伝導可能な温度とし、定常時には酸素イオン伝導によって発生する熱量で固体電解質自体を動作状態に維持できるため、酸素供給時に必要な消費電力を少なく抑えることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、起動時に加熱手段Ａを使用した後、定常時には酸素ポンプ素子に印加する電力だけで動作させることにより、定常時には酸素イオン伝導によって発生する熱量だけで固体電解質自体を動作状態に維持させるので、酸素供給供給時に必要な消費電力を最も少なく抑えることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、固体電解質の表面上に直接加熱手段Ｂを設け、起動時には、少なくとも加熱手段Ａを使用した後、定常時には、酸素ポンプ素子に印加する電力と加熱手段Ｂで動作させることにより、定常時に酸素供給能力を小さくした場合には、酸素イオン伝導によって発生する熱量だけでは固体電解質を動作可能な温度に維持することが困難となる。その場合にも、加熱手段Ｂによって固体電解質を直接加熱するので、酸素供給供給時に必要な消費電力を少なく抑えることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明において、酸素供給能力の変動時には、酸素ポンプ素子への電圧制御手段と加熱手段Ｂへの電圧制御手段だけを使用して行うことにより、酸素供給能力を小さくして酸素ポンプ素子の酸素イオン伝導に伴う熱量だけでは、熱平衡を維持できない時でも加熱手段Ａを使用することなく、固体電解質上に直接設けられた加熱手段Ｂを使用することで、消費電力を少なく抑えることができる。

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、酸素ポンプ素子の負極側には、熱交換器を具備した給排気機構を有する送風回路が配設されていることにより、酸素ポンプ素子の負極側には強制的に新しい空気が供給されるので、能力の大きな酸素供給装置であっても、固体電解質の負極側には酸素ガスが供給され、十分な能力を発揮させることが可能となる。また、送風回路には熱交換器を具備しているので、排気に伴う熱ロスを少なく抑えることができる。

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、酸素ポンプ素子は、絶縁膜で被覆された金属箔部材に複数の開口部を設け、前記各開口部に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ことにより、多数の固体電解質に印加される電圧を積上げることができるため、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、長期的にも剥離を抑制することができる。

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、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、前記正電極膜と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、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。

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、加熱手段Ａはリボンヒータで構成されることにより、固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、例えば、４００〜６００℃まで大きな電力で急速に加熱することができる。

第９の発明は、特に、第６〜第８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され、前記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ることにより、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。

第１０の発明は、特に、第１〜第９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系であることによって、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。

第１１の発明は、特に、第６〜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℃付近で長期に使用されても安定した特性を維持させることができる。

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。

（実施の形態１）
図１〜図４は、本発明の実施の形態１における酸素供給装置の制御方法を示すものである。

図１は、酸素供給装置の酸素ポンプ素子となる固体電解質１０を示し、これは、置換型のランタンガレート（Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.2Ｏ_３）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１１と負電極膜１２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１０として寸法１６×１６ｍｍ、厚み１００μｍを想定して説明する。

正電極膜１１と負電極膜１２には、導電性を有するペロブスカイト型複合金属酸化物を主体とする膜を用いた。具体的には、Ｓｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃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。

更に、正電極膜１１と負電極膜１２の表面上には、第二電極膜として貴金属成分を主体とする膜を用いた。具体的には、第二電極膜としてＡｕ多孔性の正第二電極膜１３、負第二電極膜１４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の第二電極膜を形成した。正第二電極膜１３、負第二電極膜１４は、正電極膜１１と負電極膜１２間に電圧を印加した時の電位に対して固体電解質１０の面分布ムラを改善できる。

図２は、酸素ポンプ素子の構成を示すものである。ここでは固体電解質１０が３６個使用された酸素ポンプ素子について説明する。個々の固体電解質１０は負電極膜１２側が１枚の絶縁膜で被覆された金属箔部材１５と連結されている。金属箔部材１５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_２が約０．２μｍ両側に被覆されているため絶縁性を有する。金属箔部材１５には、固体電解質１０の負第二電極膜１４面が露出するように３６個の開口部、１３×１３ｍｍが設けられている。個々の固体電解質１０の外周部負電極側は導電膜１６によって金属箔部材１５と接合されている。固体電解質１０の寸法は１６×１６ｍｍに対して金属箔部材１５に設けられた開口部は１３×１３ｍｍなので導電膜１６による接合部は固体電解質１０の周囲１．５ｍｍ幅となる。金属箔部材１５の開口部に導電膜１６としてＡｕペーストを使い、１７×１７ｍｍで一部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１０を金属箔部材１５と接合させた。

隣り合う固体電解質１０の負第二電極膜１４と電気的に導通する導電膜１６によって形成されたリード取出し部と隣の固体電解質１０の正第二電極膜１３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１７によって行った。図２において、個々の固体電解質１０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１０に対して最終的には１番目の固体電解質１０の正第二電極膜１３と結線されたリード部１８と、３６番の固体電解質１０の負第二電極膜１４と電気的に導通する導電膜と結線されたリード部１９から酸素ポンプ素子全体に電圧を印加する構成となる。

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。３６個の固体電解質１０に対して空間の区画手段となる一枚の金属箔部材１５の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤２０で支持体２１に固定されている。また、リード部１８およびリード部１９には、導線を介して電圧印加手段２２が接続されており、電圧印加手段２２には、電圧制御手段２３が接続されている。加熱手段Ａ２４を構成するヒータ２５は、負電極側の表面に対向して配置され、固体電解質１０の温度を検知する手段２６１を有する温度制御手段２６が、加熱手段Ａ２４に信号を送っている。ここではヒータ２５としてＦｅ-２０Ｃｒ-５Ａｌからなるリボンヒータを使用した。

固体電解質１０の温度を検知する手段２６１は、温度センサーあるいは他の手段であってもよい。センサーの場合、固体電解質１０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２６が検知する固体電解質１０の温度によって、温度制御手段２６が、加熱手段Ａ２４を構成するヒータ２５の入力制御を行う。

ヒータ２５が発生する熱の損失を抑制するための断熱部材が断熱手段２７および断熱手段２８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部材を用いた。断熱手段２７には給気のために通気孔２７１が配設されている。通気孔２７１は、断熱手段２７の広い面積に空間部を設け、通気に伴う拡散抵抗によって均一に固体電解質１０の負極側へ供給されるように設計してある。

送風ポンプ２９から外気は熱交換器３０１を具備した送風回路３０の給気通路３０２を経て、通気孔２７１へと導かれ、最後に断熱手段２７によって給気が受熱して固体電解質１０の負極側へ至る。したがって、冷たい外気が固体電解質１０の負極側へ来ることはない。その後、排気通路３０３を経て外部へと排出される。この時、熱交換器３０１によって給気通路３０２を通過する空気は排気通路３０３を通過する空気から熱を得る。

酸素ポンプ素子が収納されている容器３１の正極側には、通気口３１１を介して、ガスの混合手段３３が連結されている。混合手段３３は、ガス誘導管３４と、被混合ガス導入管３５と、ガス混合器３６と、ガスポンプ３７によって構成されている。

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。

酸素供給装置を起動させて定常時に至るまでの動作は、図４に示す操作手順１〜６の通りであるが、次に、具体的に説明する。

温度制御手段２６によってヒータ２５に通電すると、断熱手段２７および断熱手段２８内の固体電解質１０の温度が上昇する。温度制御手段２６は、固体電解質１０が動作するに必要な温度、約６００℃となるよう、ヒータ２５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１０の特性に合わせて、任意の温度の動作も可能である。ここでは、ヒータ２５に２００Ｗを入力して酸素ポンプ素子の起動を行った。その結果、約６０ｓｅｃで６００℃とすることができた。その後は酸素供給装置全体への熱拡散も考慮しながら、温度制御手段２６で制御する。

固体電解質１０のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正第二電極膜１３と負第二電極膜１４を介して個々の固体電解質１０に電圧を印加すると、負電極膜１２側の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜１２から固体電解質１０の内部を酸素イオンとして、正電極膜１１へと移動し、正電極膜１１側の表面から酸素分子として放出される。３６個の固体電解質１０からなる酸素ポンプ素子に２２Ｖを印加することによって４．０Ａの電流が流れる。その結果、酸素イオン伝導によって酸素ポンプ素子の正極側から酸素ガス約５２０ｍｌ／ｍｉｎを得ることが可能となる。

この時、送風ポンプ２９も起動させることで、所定量の外気が給気通路３０２を経て、通気孔２７１へと導かれ、最後に断熱手段２７によって受熱しながら、固体電解質１０の負極側へと給気される。ここでは、３２００ｍｌ／ｍｉｎの空気を供給した。酸素ポンプ素子が動作していると、固体電解質１０の負極側から正極側へと酸素が引き抜かれ、負極側が窒素リッチ状態に陥る。これを抑制するために窒素リッチ状態の空気は排気通路３０３を経て外部へと排出し、新たな空気を連続的に給気通路３０２から供給している。この時、熱交換器３０１によって給気通路３０２を通過する空気は排気通路３０３を通過する空気から熱を得ることになる。熱交換器３０１による熱回収率はほぼ５０％で設計している。ここでは、熱交換用部材としてアルミニウムのフィンを使用した。

その後、ヒータ２５への入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持させるように、印加する電圧を徐々に上昇させた。最終的には酸素ポンプ素子への印加電圧を３３Ｖとして、加熱手段Ａ２４によるヒータ２５への入力をゼロにすることができた。すなわち、酸素イオン伝導によって生じた３３Ｖ、４．０Ａの１３２Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質１０を定常的に動作可能とさせることができた。

この時、金属箔部材１５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１５の表面上に形成されたＴｉＯ_２膜は金属箔部材１５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１５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。

正電極膜１１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１１側の表面から離れ、通気性を有する断熱手段２８を通過することになる。したがって、空間の区画手段となる金属箔部材１５とガス封止剤２０が、負電極膜１２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１０と金属箔部材１５とをガスシールする導電膜１６も負電極膜１２側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。

正電極膜１１側から放出される酸素ガスは、通気口３１１を通り、ガスの混合手段３３を構成するガス誘導管３４と、被混合ガス導入管３５と、ガス混合器３６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３７の吸引と排出速度によって決められる。

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１０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。

（実施の形態２）
図５、図６は、本発明の実施の形態２における酸素供給装置の制御方法に使用する酸素ポンプ素子を示すものである。酸素供給装置の構成、制御方法は実施の形態１と同一であるので、以下、相違点を中心に説明する。

固体電解質３８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３８の寸法は３２×３２ｍｍ、厚み１３０μｍである。ここでは、１つの固体電解質１０に、第一電極膜および第二電極膜が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。１つの正第二電極膜４０と負第二電極膜４１の寸法は１３×１３ｍｍであり、隣り合う電極膜の間隔は１ｍｍとした。金属箔部材３９も実施の形態１と同様のものを使用し、９個の開口部、２９×２９ｍｍが設けられている。

４分割された正第二電極膜４０と負第二電極膜４１とは電気的に直列回路となるように構成されている。図５、図６において、個々の固体電解質３８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。

具体的には、１つの固体電解質３８の中心線位置に貫通孔４２が３箇所配設され、貫通孔４２を利用して正第二電極膜４０は隣の反対側に位置する負第二電極膜４１と電気的に結線されている。１番目の負第二電極膜４１は隣に位置する２番目の正第二電極膜４０と、２番目の負第二電極膜４１は中心に位置する貫通孔４２を使用して３番目の正第二電極膜４０と、３番目の負第二電極膜４１は隣に位置する４番目の正第二電極膜４０と結線されている。４番目の負第二電極膜４１は固体電解質３８が金属箔部材３９と接合される導電膜４３と結線され、導電膜４３は固体電解質３８からはみ出す部分が設けられ、その導電膜４３から隣に位置する固体電解質３８の５番目の正第二電極膜４０と金線４４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４０と結線されたリード部４５と３６番目の負第二電極膜４１と導通するように結線されたリード部４６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。

固体電解質３８は金属箔部材３９に対して１．５ｍｍ幅で導電膜４３により接合されている。金属箔部材３９の開口部に導電膜４３としてＡｕペーストを使い、開口部２８×２８に対して３３×３５ｍｍの印刷を行うことで固体電解質３８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３８を金属箔部材３９と接合させた。

正第二電極膜４０と負第二電極膜４１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４０と負第二電極膜４１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。

次に、実施の形態１と同様な酸素供給装置を作製して、酸素ポンプ素子を動作させた。ここでは、ヒータに１５０Ｗを入力して酸素ポンプ素子の起動を行った。その結果、約１１０ｓｅｃで６００℃とすることができた。その後は酸素供給装置全体への熱拡散も考慮しながら、温度制御手段で制御する。

固体電解質３８のイオン伝導可能な温度に達した時点で、酸素ポンプ素子に２５Ｖを印加することによって４．０Ａの電流が流れる。その結果、酸素イオン伝導によって酸素ポンプ素子の正極側から酸素ガス約５２０ｍｌ／ｍｉｎを得ることが可能となる。その後、ヒータ入力を徐々に低減させながら、酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持できるように印加する電圧を上昇させて、３８Ｖの時ヒータ入力はゼロにできた。すなわち、酸素イオン伝導によって生じた３７Ｖ、４．０Ａの１４８Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質３８を定常的に動作可能とさせることができた。また、酸素ポンプ素子の負極側には給気３２００ｍｌ／ｍｉｎを行った。

したがって、一枚の固体電解質３８で電極膜を分割して直列回路とすることで素子電圧を積上げることができ、９枚の固体電解質３８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３９上に９個の固体電解質３８を配置し、複数本に金線４４とリード部４５、４６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。

（実施の形態３）
図７、図８は、本発明の実施の形態３における酸素供給装置の制御方法に使用する酸素ポンプ素子を示すものである。酸素供給装置の構成、制御方法は実施の形態１と同一であるので、以下、相違点を中心に説明する。

固体電解質４７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４７の寸法は５１×５１ｍｍ、厚み２００μｍである。ここでは一枚の固体電解質４７に正電極膜と負電極膜とを１６分割として構成している。１つの正電極膜と負電極膜の寸法は１０×９ｍｍであり、隣り合う電極膜の間隔は１ｍｍとし、加熱手段Ｂとなる印刷ヒータ５６が配置されている場所は電極膜の間隔を２ｍｍとした。金属箔部材４８も実施の形態１と同様のものを使用し、４個の開口部、４７×４７ｍｍが設けられている。

１６分割された正第二電極膜４９と負第二電極膜５０とは電気的に直列回路となるように構成されている。図７、図８において、個々の固体電解質４７は直列回路に結線した電位序列を番号付け（１〜３６）した。

具体的には一つの固体電解質４７に貫通孔５１が１５箇所配設され、貫通孔５１を利用して正第二電極膜４９は隣の反対側に位置する負第二電極膜５０と電気的に順次結線されている。１６番目の負第二電極膜５０は金線５３で結線し、隣の固体電解質４７とほぼ等間隔の位置で金属箔部材４８との絶縁を保ちながら、反対側へと引き出して１７番目の正第二電極膜４９に結線されている。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４９と結線されたリード部５４と６４番目の負第二電極膜５０と結線されたリード部５５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。

固体電解質４７の正極側に対して、正電極膜を配置していない領域を利用して加熱手段Ｂとなる印刷ヒータ５６を配設した。印刷ヒータ５６の構成は、固体電解質４７上にガラスセラミック膜を配置し、その表面上にＰｔ抵抗体線を配置し、さらにその上にガラスセラミックをオーバーコートした。各固体電解質４７上の４個の印刷ヒータ５６は２個が直列回路で結線され、それらを並列回路で結線した。

固体電解質４７は金属箔部材４８に対して２ｍｍ幅で導電膜５２により接合されている。金属箔部材４８の開口部に導電膜５２としてＡｕペーストを使い、開口部４７×４７ｍｍに対して５２×５２ｍｍのスクリーン印刷を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４７を金属箔部材４８と接合させた。

正第二電極膜４９と負第二電極膜５０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４９と負第二電極膜５０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。

次に、実施の形態１と同様な酸素供給装置を作製して、酸素ポンプ素子を動作させた。

酸素供給装置を起動させて定常時に至るまでの動作は、図９に示す操作手順１〜１１の通りであるが、次に、具体的に説明する。

ここでは加熱手段Ａとなるヒータに１６０Ｗを入力して酸素ポンプ素子の起動を行った。その結果、約１５０ｓｅｃで６００℃とすることができた。その後は酸素供給装置全体への熱拡散も考慮しながら、温度制御手段で制御する。

固体電解質４７のイオン伝導可能な温度に達した時点で、酸素ポンプ素子に電圧を印加し、４２Ｖを印加することによって２．３Ａの電流が流れる。その結果、酸素イオン伝導によって酸素ポンプ素子の正極側から、酸素ガス約５３０ｍｌ／ｍｉｎを得ることが可能となる。その後、ヒータ入力を徐々に低減させながら、酸素ポンプ素子の電流値２．３Ａを維持できるように印加する電圧を上昇させて、６２Ｖの時ヒータ入力はゼロにできた。すなわち、酸素イオン伝導によって生じた６２Ｖ、２．３Ａの１４３Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質４７を定常的に動作可能とさせることができた。また、酸素ポンプ素子の負極側には給気３２００ｍｌ／ｍｉｎを行った。

したがって、一枚の固体電解質４７で電極膜を分割して直列回路とすることで素子電圧を積上げることができ、４枚の固体電解質４７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４８上に４個の固体電解質４７を配置し、３本に金線５３とリード部５４、５５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。

また、酸素ガスの能力を可変する場合には、酸素ポンプ素子への印加電圧を低減させることで行う。酸素供給装置は今まで酸素ポンプ素子への印加電圧だけで熱平衡を保っていたので、酸素ポンプ素子への印加電圧を下げると、固体電解質４７を安定に動作させることが徐々に困難となる。したがって、固体電解質４７の温度を検出しながら、印刷ヒータ５６に電圧を印加することで熱平衡に不足している電力を補う。印刷ヒータ５６は固体電解質４７上に直接配置されているため、リボンヒータで間接加熱するよりは熱ロスが少なく、熱効率に優れている。酸素供給能力を小さくする場合には、加熱手段Ｂとなる印刷ヒータ５６を使用することで酸素供給装置の消費電力を少なく抑えることができる。

さらに、酸素供給能力を大きくする場合には、まず酸素ポンプ素子への印加電圧を上昇させた後に、加熱手段Ｂの印刷ヒータ５６への印加電圧を少なくするとともに、酸素ポンプ素子への印加電圧を上昇させることで電流値を維持させる制御を行う。固体電解質４７の温度を検出しながら、必要に応じて加熱手段Ｂへの電圧印加を再度停止する。この酸素供給装置では酸素供給能力を可変する場合、加熱手段Ｂを使用しながら行うことになる。また起動時には、加熱手段Ａだけを使用したが、加熱手段Ｂを同時に使用しても構わない。

上記した各実施の形態１〜３では、固体電解質１０、３８、４７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。

また、正電極膜１１の複合金属酸化物としてＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃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。

また、金属箔部材１５、３９、４８としてアルミニウムを含有したフェライト系ステンレスである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１５、３９、４８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１０、３８、４７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。

また、絶縁膜で被覆された金属箔部材１５、３９、４８として、ＴｉＯ_２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_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３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１０、３８、４７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。

また、金属箔部材１５、３９、４８の構成として、負電極膜側に接合させて固体電解質１０、３８、４７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かまわない。

また、第二電極膜、導電膜として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。

また、固体電解質１０、３８、４７の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。

以上のように、本発明にかかる酸素供給装置の制御方法は、酸素供給時に必要な消費電力を少なく抑え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。

本発明の実施の形態１における酸素供給装置の制御方法に使用する酸素ポンプ素子となる固体電解質の断面図 同酸素ポンプ素子の平面図 同酸素供給装置の断面図 同酸素供給装置の制御方法による操作手順を示す図 本発明の実施の形態２における酸素供給装置の制御方法に使用する酸素ポンプ素子の正極側の平面図 同酸素ポンプ素子の負極側の平面図 本発明の実施の形態３における酸素供給装置の制御方法に使用する酸素ポンプ素子の正極側の平面図 同酸素ポンプ素子の負極側の平面図 同酸素供給装置の制御方法による操作手順を示す図 従来例を示す酸素供給装置の断面図

符号の説明

１０、３８、４７ 固体電解質
１１ 正電極膜（第一電極膜）
１２ 負電極膜（第一電極膜）
１３、４０、４９ 正第二電極膜
１４、４１、５０ 負第二電極膜
１５、３９、４８ 金属箔部材
１６、４３、５２ 導電膜
１７、４４、５３ 金線
１８、４５、５４ リード部
１９、４６、５５ リード部
２２ 電圧印加手段
２３ 電圧制御手段
２４ 加熱手段Ａ
２６ 温度制御手段
２７、２８ 断熱手段
２９ 送風ポンプ
３０ 送風回路
３０１ 熱交換器
３０２ 給気通路
３０３ 排気通路
３３ 混合手段
５６ 印刷ヒータ（加熱手段Ｂ）

Claims (11)

1. 固体電解質を具備した酸素ポンプ素子と、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Ａと、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段Ａを制御する温度制御手段とを備え、起動時には、前記加熱手段Ａを使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱し、前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧を印加して所定電流値で動作状態とした後、前記加熱手段Ａへの印加電圧を前記温度制御手段より低減させるとともに、前記酸素ポンプ素子に印加する電圧を前記電圧制御手段よりさらに上昇させて、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とする酸素供給装置の制御方法。
2. 起動時に加熱手段Ａを使用した後、定常時には酸素ポンプ素子に印加する電力だけで動作させる請求項１に記載の酸素供給装置の制御方法。
3. 固体電解質の表面上に直接加熱手段Ｂを設け、起動時には、少なくとも加熱手段Ａを使用した後、定常時には、酸素ポンプ素子に印加する電力と加熱手段Ｂで動作させる請求項１に記載の酸素供給装置の制御方法。
4. 酸素供給能力の変動時には、酸素ポンプ素子への電圧制御手段と加熱手段Ｂへの電圧制御手段だけを使用して行う請求項３に記載の酸素供給装置の制御方法。
5. 酸素ポンプ素子の負極側には、熱交換器を具備した給排気機構を有する送風回路が配設されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素供給装置の制御方法。
6. 酸素ポンプ素子は、絶縁膜で被覆された金属箔部材に複数の開口部を設け、前記各開口部に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請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸素供給装置の制御方法。
7. 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、前記正電極膜と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１〜６のいずれか１項に記載の酸素供給装置の制御方法。
8. 加熱手段Ａはリボンヒータで構成される請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素供給装置の制御方法。
9. 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され、前記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６〜８のいずれか１項に記載の酸素供給装置の制御方法。
10. 固体電解質がランタンガレート系である請求項１〜９のいずれか１項に記載の酸素供給装置の制御方法。
11. 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６〜１０のいずれか１項に記載の酸素供給装置の制御方法。