JP2007022833A - Apparatus for supplying oxygen - Google Patents

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Hironao Numamoto
浩直 沼本
Takeshi Nagai
彪 長井
Takashi Niwa
孝 丹羽
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for supplying oxygen, in which the starting characteristic of an oxygen pump element capable of supplying oxygen is improved to supply oxygen in a shorter time. <P>SOLUTION: The apparatus for supplying oxygen is provided with: the oxygen pump element having a solid electrolyte; a voltage impressing means 30 for impressing a voltage to the oxygen pump element; a voltage control means 31 for controlling the voltage impressing means 30; a heating means 32 for heating the oxygen pump element; and a temperature control means 34 for detecting the temperature of the oxygen pump element and controlling the heating means 32. When the apparatus for supplying oxygen is started, the voltage A is impressed to the oxygen pump element by the voltage control means 31 and the oxygen pump element is heated to the predetermined temperature by using the heating means 32. When the amperage of the oxygen pump element reaches the predetermined value, the voltage to be impressed to the oxygen pump element is changed from the voltage A to the voltage B enough to keep the predetermined amperage to keep the oxygen pump element in an operating state. The ratio of the voltage A to the voltage B is 1.1-5. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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に関するものである。   The present invention relates to an oxygen supply apparatus equipped with an oxygen pump element using an oxygen ion conductive solid electrolyte.

従来この種の酸素ポンプ素子として、図12に示す酸素ポンプ素子が開示されている(例えば特許文献1参照)。酸素ポンプ素子は、酸素イオン導電性基板1の両側に電極膜2、3を形成して構成される。それぞれの電極膜からはリード部材4、5がそれぞれ特定の一部分より取り出されて電源(図示せず)と接続されている。酸素イオン導電性基板1は支持材6で保持されている。   Conventionally, an oxygen pump element shown in FIG. 12 has been disclosed as this type of oxygen pump element (see, for example, Patent Document 1). The oxygen pump element is configured by forming electrode films 2 and 3 on both sides of the oxygen ion conductive substrate 1. Lead members 4 and 5 are respectively taken out from specific portions from the respective electrode films and connected to a power source (not shown). The oxygen ion conductive substrate 1 is held by a support material 6.

また、この種の酸素ポンプ素子装置としては、図13に示すようなものがある(例えば特許文献2参照)。図13において、酸素ポンプ素子7は、アルミナなどの多孔質基板8に形成された第1電極9と酸素イオン伝導体の薄膜10と第2電極11とから構成され、第1電極膜9は白金の微粒子を多孔質基板8に、第2電極11は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜10に結合して得られる薄膜を形成した構成としている。加熱手段12は、アルミナ基板などの絶縁性基板13上に導電性ペーストをスクリーン印刷でパターン形成してなるヒータ印刷膜14から構成され、加熱手段12は筐体15に内包されておらず大気に解放された状態で配置されている。   Moreover, as this kind of oxygen pump element device, there is one as shown in FIG. 13 (for example, see Patent Document 2). In FIG. 13, the oxygen pump element 7 includes a first electrode 9 formed on a porous substrate 8 such as alumina, a thin film 10 of oxygen ion conductor, and a second electrode 11, and the first electrode film 9 is made of platinum. These fine particles are formed on the porous substrate 8, and the second electrode 11 has a structure in which a thin film obtained by combining platinum fine particles with the thin film 10 of the oxygen ion conductor is formed. The heating unit 12 includes a heater print film 14 formed by patterning a conductive paste on an insulating substrate 13 such as an alumina substrate by screen printing. The heating unit 12 is not included in the housing 15 and is in the atmosphere. Arranged in a released state.

この構成において、加熱手段12によって酸素ポンプ素子7を酸素ポンプとして動作する温度に加熱し、第1電極9をカソード、第2電極11をアノードとして両電極間に直流電圧を印加すると、図中矢印で示すように第1電極9に解離吸着された空気中の酸素は酸素イオンとして酸素イオン伝導体の薄膜10中を移動し第2電極11に運ばれ、酸素分子となって大気中に放出される。これによって、筐体15に取り付けられた容器内の酸素濃度を減少させることができるというものである
特開2000−86204号公報 特開平11−23525号公報
In this configuration, when the oxygen pump element 7 is heated to a temperature at which the oxygen pump element 7 operates as an oxygen pump by the heating means 12 and a DC voltage is applied between both electrodes using the first electrode 9 as a cathode and the second electrode 11 as an anode, As shown in FIG. 5, oxygen in the air dissociated and adsorbed by the first electrode 9 moves as oxygen ions in the thin film 10 of the oxygen ion conductor and is carried to the second electrode 11 to be released into the atmosphere as oxygen molecules. The Thereby, the oxygen concentration in the container attached to the housing 15 can be reduced.
JP 2000-86204 A JP 11-23525 A

しかしながら、特許文献1の酸素ポンプ素子では、酸素ポンプ素子動作時の熱量がリード部材4、5に集中し、酸素イオン導電性基板2に局部的な温度斑部分が生じるため、熱応力によって固体電解質に割れが発生するという課題があった。このため酸素ポンプ素子の動作時に発生する大きな熱をいかに斑なく分散させ、かつその部分の長期的な保証を持たせるかが課題となっていた。素子に印加する電圧の時期については特に詳細な記述はないが、一般的には酸素ポンプ素子を所定の温度に加温した後に印加していると思われる。印加する電圧の意図的な変動についても記載はない。   However, in the oxygen pump element of Patent Document 1, the amount of heat during operation of the oxygen pump element concentrates on the lead members 4 and 5 and local temperature spots are generated on the oxygen ion conductive substrate 2. There was a problem that cracking occurred. For this reason, there has been a problem of how to disperse the large heat generated during the operation of the oxygen pump element without any unevenness and to provide a long-term guarantee for that portion. The timing of the voltage applied to the element is not specifically described, but it is generally considered that the voltage is applied after the oxygen pump element is heated to a predetermined temperature. There is no description about intentional fluctuation of the applied voltage.

また、特許文献2の酸素ポンプ装置の構成では、酸素ポンプ素子7と加熱手段12が大気に解放された状態にあるので、加熱手段12からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子7だけでなく大気中の空気の加熱にも使われ、その結果、熱効率が悪くなり、酸素ポンプ素子7を作動させる温度に昇温させるのに必要な加熱手段12の消費電力が高くなるとともに、酸素ポンプ素子の酸素イオンの輸送効率が悪いという課題を有していた。また、実施例では加熱手段12は酸素ポンプ素子7の上部に配置されているので酸素ポンプ素子7の加熱は輻射熱がほとんどとなり、加熱された空気の対流熱を利用できないという欠点を有していた。この場合にも素子に印加する電圧の時期については特に詳細な記述はないが、一
般的には酸素ポンプ素子を所定の温度に加温した後に印加していると思われる。印加する電圧の意図的な変動についても記載はない。
Further, in the configuration of the oxygen pump device of Patent Document 2, since the oxygen pump element 7 and the heating means 12 are released to the atmosphere, the thermal energy from the heating means 12 is not only in the oxygen pump element 7 but also in the atmosphere. It is also used for air heating. As a result, the thermal efficiency is deteriorated, the power consumption of the heating means 12 necessary for raising the temperature to the temperature at which the oxygen pump element 7 is operated increases, and the oxygen ions of the oxygen pump element are increased. It had the problem of poor transport efficiency. Further, in the embodiment, since the heating means 12 is disposed on the upper part of the oxygen pump element 7, the oxygen pump element 7 has a drawback that most of the radiant heat is used and the convection heat of the heated air cannot be used. . In this case as well, the timing of the voltage applied to the element is not described in detail, but it is generally considered that the voltage is applied after the oxygen pump element is heated to a predetermined temperature. There is no description about intentional fluctuation of the applied voltage.

本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、固体電解質に印加する電圧を意図的に変動させることで、酸素供給可能となる時間、すなわち酸素ポンプ素子としての立ち上がり性を改善させ、より短時間に酸素供給可能な酸素供給装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and by intentionally changing the voltage applied to the solid electrolyte, the time during which oxygen can be supplied, that is, the start-up property as an oxygen pump element is improved. An object is to provide an oxygen supply device capable of supplying oxygen in a short time.

前記従来の課題を解決するために、本発明は、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を備え、起動時に前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧Aを印加するとともに前記加熱手段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ながら、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値に達した時点で、所定の電流値を維持する電圧Bに低減して動作状態とし、電圧A/電圧B=1.1〜5である構成としたものである。   In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention comprises an oxygen pump element comprising a solid electrolyte, a voltage application means for applying a voltage to the oxygen pump element, a voltage control means for controlling the voltage application means, A heating means for heating the oxygen pump element; and a temperature control means for controlling the heating means by detecting the temperature of the oxygen pump element, and a voltage A is applied to the oxygen pump element by the voltage control means at startup. In addition, while heating the oxygen pump element to a predetermined temperature using the heating means, when the oxygen pump element reaches a predetermined current value, the voltage is reduced to a voltage B that maintains the predetermined current value. The operating state is set such that voltage A / voltage B = 1.1-5.

これによって、起動時には酸素ポンプ素子に印加する電圧を電圧Aとすることで、所定の電流値に達する時間を大幅に短縮でき、所定の電流値に達した後は電圧Bに低減することで酸素ポンプ素子の温度と電流値との関係を安定化させることができる。   As a result, the voltage applied to the oxygen pump element at start-up is set to voltage A, so that the time to reach a predetermined current value can be greatly shortened, and after reaching the predetermined current value, the voltage is reduced to voltage B. The relationship between the temperature of the pump element and the current value can be stabilized.

本発明の酸素供給装置は、酸素供給可能となる立ち上がり時間をより短縮化可能となる。   The oxygen supply apparatus of the present invention can further shorten the rise time during which oxygen can be supplied.

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を備え、起動時に前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧Aを印加するとともに前記加熱手段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ながら、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値に達した時点で、所定の電流値を維持する電圧Bに低減して動作状態とし、この時電圧Aと電圧Bの関係は電圧A/電圧B=1.1〜5である構成としたものである。これにより、起動時には酸素ポンプ素子に印加する電圧を電圧Aとすることで、所定の電流値に達する時間を大幅に短縮でき、所定の電流値に達した後は電圧Bに低減することで酸素ポンプ素子の温度と電流値とのバランス関係を安定化させることができる。   According to a first aspect of the present invention, there is provided an oxygen pump element comprising a solid electrolyte, voltage application means for applying a voltage to the oxygen pump element, voltage control means for controlling the voltage application means, and heating for heating the oxygen pump element. And a temperature control means for controlling the heating means by detecting the temperature of the oxygen pump element, and applying the voltage A to the oxygen pump element by the voltage control means at the time of startup and using the heating means. While the oxygen pump element is heated to a predetermined temperature, when the oxygen pump element reaches a predetermined current value, the oxygen pump element is reduced to a voltage B that maintains the predetermined current value, and an operating state is set. And voltage B are configured such that voltage A / voltage B = 1.1-5. As a result, the voltage applied to the oxygen pumping element at the time of start-up can be reduced to the voltage A, so that the time for reaching the predetermined current value can be greatly shortened. The balance relationship between the temperature of the pump element and the current value can be stabilized.

第2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を備えた酸素供給装置において、起動時に前記加熱手段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て、前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって、一旦電圧Aを印加して所定の電流値に達した時点で、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値を維持する電圧Bに低減して動作状態とし、この時電圧Aと電圧Bの関係は電圧A/電圧B=1.1〜5である構成としたものである。これにより、起動時に、固体電解質がクラック破損に至るというリスクを回避しながら、酸素ポンプ素子に印加する電圧を電圧Aとすることで、所定の電流値に達する時間を大幅に短縮でき、所定の電流値に達した後は電圧Bに低減することで酸素ポンプ素子の温度と電流値とのバランス関係を安定化さ
せることができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an oxygen pump element comprising a solid electrolyte, voltage application means for applying a voltage to the oxygen pump element, voltage control means for controlling the voltage application means, and heating for heating the oxygen pump element. And a temperature control means for controlling the heating means by detecting the temperature of the oxygen pump element, and heating the oxygen pump element to a predetermined temperature using the heating means at the start-up Then, when the voltage control means once applies a voltage A to the oxygen pump element and reaches a predetermined current value, the oxygen pump element operates to reduce to a voltage B that maintains the predetermined current value. At this time, the relationship between voltage A and voltage B is such that voltage A / voltage B = 1.1 to 5. Thus, the voltage applied to the oxygen pump element is set to the voltage A while avoiding the risk that the solid electrolyte may be cracked at the time of startup, so that the time to reach a predetermined current value can be greatly shortened. After reaching the current value, the balance between the temperature of the oxygen pump element and the current value can be stabilized by reducing the voltage to B.

第3の発明は、特に、第1または第2の発明の酸素供給装置を、酸素ポンプ素子への電圧を電圧Bとした後、加熱手段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により、電圧Bからさらに上昇させて、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とすることにより、酸素ポンプ素子となる固体電解質に電圧を印加した時に発生する熱量によって、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を提供する。   In the third aspect of the invention, in particular, in the oxygen supply device of the first or second aspect of the invention, after the voltage to the oxygen pump element is set to the voltage B, the voltage applied to the heating unit is reduced by the temperature control unit, and The voltage applied to the oxygen pump element is further increased from the voltage B by the voltage control means, and the operating state at a predetermined current value is maintained to be in a steady state, whereby a voltage is applied to the solid electrolyte serving as the oxygen pump element. Provided is an oxygen supply device in which the power consumption required for supplying oxygen is reduced by efficiently maintaining the temperature of the solid electrolyte itself by the amount of heat generated when applying.

第4の発明は、特に、第1または第2の発明の酸素供給装置を、酸素ポンプ素子への電圧を電圧Aに保ちながら、酸素ポンプ素子の電流が所定値に達した時点で、加熱手段への印加電圧を前記温度制御手段より低減させながら、所定の電流値を維持するように動作させて定常時とすることにより、定常状態までの移行時間を極力短時間とすることができる。また酸素ポンプ素子となる固体電解質に電圧を印加した時に発生する熱量によって、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を提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, in particular, when the oxygen supply device according to the first or second aspect of the present invention maintains the voltage to the oxygen pump element at the voltage A and the current of the oxygen pump element reaches a predetermined value, the heating means By reducing the applied voltage to the temperature control means while maintaining the predetermined current value so as to be in the steady state, the transition time to the steady state can be made as short as possible. In addition, an oxygen supply device that suppresses the power consumption required for supplying oxygen by efficiently maintaining the temperature of the solid electrolyte itself by the amount of heat generated when a voltage is applied to the solid electrolyte serving as an oxygen pump element is provided. .

第5の発明は、特に、第3または第4のいずれか一つの発明の酸素供給装置を、起動時に加熱手段を使用した後、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、酸素供給装置の消費電力を最も小さく抑えることができる。   In the fifth invention, in particular, the oxygen supply device according to any one of the third and fourth inventions is operated by using only the electric power applied to the oxygen pump element in a steady state after using the heating means at the start-up. In a steady state, the solid electrolyte itself is maintained in an operating state only by the amount of heat generated by oxygen ion conduction, so that the power consumption of the oxygen supply device can be minimized.

第6の発明は、特に、第1〜第5のいずれか一つの発明の酸素供給装置に対して、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小さく抑えることができる。   In the sixth invention, in particular, with respect to the oxygen supply device according to any one of the first to fifth inventions, a blower circuit having a supply / exhaust mechanism having a heat exchanger is provided on the negative electrode side of the oxygen pump element. By being arranged, new air is forcibly supplied to the negative electrode side of the oxygen pump element, so even if the oxygen supply device has a large capacity, oxygen gas is supplied to the negative electrode side of the solid electrolyte, It becomes possible to demonstrate sufficient ability. In addition, since the air blower circuit is equipped with a heat exchanger, heat loss due to exhaust can be kept small.

第7の発明は、特に、第1〜第6のいずれか一つの発明の酸素供給装置における酸素ポンプ素子に対して、金属箔部材に複数の開口部を設け、前記開口部には絶縁膜を介して酸素イオン伝導性の固体電解質がガスシールされた構造で複数配置され、前記金属箔部材が空間区画手段となり、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜が形成され、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ることにより、多数の固体電解質に印加される電圧を積み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。また固体電解質は薄い金属箔部材上に配置されているので、十分なガスシール性を有するとともに熱衝撃、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。   In the seventh invention, in particular, a plurality of openings are provided in the metal foil member with respect to the oxygen pump element in the oxygen supply device according to any one of the first to sixth inventions, and an insulating film is provided in the opening. A plurality of oxygen ion conductive solid electrolytes are arranged in a gas-sealed structure, the metal foil member serves as a space partition means, and a positive electrode film and a negative electrode film are formed on both surfaces of the solid electrolyte, Since the solid electrolyte is configured so that the positive electrode film and the negative electrode film are electrically connected in series, the voltage applied to a large number of solid electrolytes can be accumulated. It becomes possible to operate with a general-purpose power supply by reducing the current. In addition, since the solid electrolyte is disposed on a thin metal foil member, it has sufficient gas sealing properties and sufficient flexibility against thermal shock and thermal strain, and suppresses peeling even in the long term. Can do.

第8の発明は、特に、第1〜第7のいずれか一つの発明の酸素供給装置における固体電解質に対して、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構成とすることにより、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、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。   In the eighth invention, in particular, with respect to the solid electrolyte in the oxygen supply device according to any one of the first to seventh inventions, a single positive electrode film and a negative electrode film are divided into a plurality of solid electrolytes. The positive electrode film and the negative electrode film are arranged in a pair structure that constitutes a capacitor, and the voltage applied to one solid electrolyte is the same as that of the positive electrode film. By dividing the negative electrode film, it is possible to stack up, and with a small number of solid electrolytes, the current value to the entire oxygen pump element can be kept low, and a high voltage, small current can be operated with a general-purpose power supply. .

第9の発明は、特に、第1〜第8のいずれか一つの発明の酸素供給装置における加熱手段に対して、リボンヒータを使用することにより、固体電解質が酸素イオン伝導可能な温
度、たとえば400〜600℃まで大きな電力で急速に加熱することができる。
In the ninth invention, in particular, a temperature at which the solid electrolyte can conduct oxygen ions, for example, 400, is used by using a ribbon heater as the heating means in the oxygen supply device of any one of the first to eighth inventions. It can be rapidly heated with a large electric power up to ˜600 ° C.

第10の発明は、特に、第7〜第9のいずれか一つの発明の酸素供給装置における正電極膜と負電極膜に対して、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、固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜を第一電極膜とし、貴金属成分を主体とする膜を第二電極膜として前記第一電極膜上に配設した構成とすることにより、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。   According to a tenth aspect of the invention, in particular, the first electrode film that is directly bonded to the solid electrolyte with respect to the positive electrode film and the negative electrode film in the oxygen supply device according to any one of the seventh to ninth aspects; A second electrode film formed on the electrode film, the film mainly composed of the composite metal oxide component on the solid electrolyte as the first electrode film, and the film mainly composed of the noble metal component as the second electrode film By configuring the first electrode film on the first electrode film, the second electrode film is made of a highly conductive material, so that an equal potential can be applied to an electrode portion having a certain area. It was. Also, the first electrode film can enhance the electrode reaction for dissociating and adsorbing oxygen as an intermediate layer between the solid electrolyte and the second electrode film, so that a good catalytic action for changing from oxygen molecules to oxygen ions can be obtained. .

第11の発明は、特に、第1〜第10のいずれか一つの発明の酸素供給装置における固体電解質をランタンガレートとすることによって、ランタンガレートはランタンとガリウムを主成分としたペロブスカイト型複合金属酸化物であり、400℃以上で酸素イオン伝導性を有す。したがって酸素ポンプ素子の動作温度を600℃程度の比較的低温に保持することで十分な能力を得ることができるため、長期的にも酸素ポンプ素子の劣化を抑制できる。   In the eleventh aspect of the invention, in particular, by using lanthanum gallate as the solid electrolyte in the oxygen supply apparatus according to any one of the first to tenth aspects of the invention, the lanthanum gallate is a perovskite type composite metal oxide mainly composed of lanthanum and gallium. And has oxygen ion conductivity at 400 ° C. or higher. Therefore, since sufficient capability can be obtained by maintaining the operating temperature of the oxygen pump element at a relatively low temperature of about 600 ° C., deterioration of the oxygen pump element can be suppressed even in the long term.

第12の発明は、特に、第7〜第11のいずれか一つの発明の酸素供給装置における金属箔部材として、アルミニウムを含有したフェライト系ステンレスを使用することにより、高温酸化に対して優れた特性を有するようになり、800℃付近で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。   The twelfth aspect of the invention is particularly excellent in high-temperature oxidation by using ferritic stainless steel containing aluminum as the metal foil member in the oxygen supply device of any one of the seventh to eleventh aspects of the invention. Even if it is used for a long time at around 800 ° C., stable characteristics can be maintained.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における酸素ポンプ素子となる固体電解質の断面構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration diagram of a solid electrolyte serving as an oxygen pump element according to the first embodiment of the present invention.

図1において、固体電解質16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。ここでは固体電解質として寸法16×16mm、厚み100μmを想定して説明する。 In FIG. 1, a solid electrolyte 16 is formed by molding a sintered body of substitutional type lanthanum gallate (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) into a flat plate having an arbitrary thickness. On the surface, as the first electrode film, a positive electrode film 17 and a negative electrode film 18 are formed so as to exhibit oxygen ion conductivity. Here, description will be made assuming that the solid electrolyte has a size of 16 × 16 mm and a thickness of 100 μm.

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、Sm0.5Sr0.5CoO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 17 and the negative electrode film 18, a perovskite complex oxide having conductivity was used. Specifically, a paste obtained by mixing Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 with a cellulosic vehicle, which is an organic solvent, forms a printed film by screen printing, and after drying, is fired at 1100 ° C. An electrode film having a porosity of about 15 μm was formed.

さらに、正電極膜17と負電極膜18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19、負第二電極膜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の第二電極膜を形成した。正第二電極膜19、負第二電極膜20は、正電極膜17と負電極膜18間に電圧を印加した時の電位に対して固体電解質上の面分布ムラを改善できる。   Further, an Au porous positive second electrode film 19 and a negative second electrode film 20 were laminated as the second electrode film on the surfaces of the positive electrode film 17 and the negative electrode film 18. In this case, a printed film was formed by screen printing using Au paste, dried, and baked at 800 ° C. to form a second electrode film having a thickness of about 3 μm. The positive second electrode film 19 and the negative second electrode film 20 can improve surface distribution unevenness on the solid electrolyte with respect to the potential when a voltage is applied between the positive electrode film 17 and the negative electrode film 18.

図2は酸素ポンプ素子の概略構成図を示すものである。ここでは固体電解質16が36個使用された酸素ポンプ素子について説明する。個々の固体電解質は負電極膜18側が1枚の金属箔部材21と連結されている。金属箔部材21としてはFe−20Cr−5Al
、12μmを使用し、金属箔部材21には、固体電解質の負第二電極膜20面が露出するように36個の開口部211、13×13mmが設けられている。固体電解質と接合関係となる開口部211の周囲には絶縁膜22が配設されている。具体的にはBaO−CaO−Al2O3−SiO2系のガラスセラミックペーストを、スクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥後、880℃にて焼成することにより膜厚約10μmの絶縁膜22を形成させた。寸法は外寸18×18mm、内寸13×13mmで一部リード取出し部が形成できるように構成されている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the oxygen pump element. Here, an oxygen pump element using 36 solid electrolytes 16 will be described. Each solid electrolyte is connected to one metal foil member 21 on the negative electrode film 18 side. The metal foil member 21 is Fe-20Cr-5Al.
, 12 μm, and the metal foil member 21 is provided with 36 openings 211, 13 × 13 mm so that the surface of the negative second electrode film 20 of the solid electrolyte is exposed. An insulating film 22 is disposed around the opening 211 that has a bonding relationship with the solid electrolyte. Specifically, BaO-CaO-Al2O3-SiO2-based glass ceramic paste was formed into a printed film by screen printing, dried, and then fired at 880 [deg.] C. to form an insulating film 22 having a thickness of about 10 [mu] m. . The dimensions are an outer dimension of 18 × 18 mm and an inner dimension of 13 × 13 mm so that a part of the lead extraction portion can be formed.

さらに絶縁膜22上には金属箔部材21とは絶縁関係を保ちながら、導電膜23が配設されている。具体的には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の導電膜23を形成した。   Further, a conductive film 23 is disposed on the insulating film 22 while maintaining an insulating relationship with the metal foil member 21. Specifically, a printed film was formed by screen printing using Au paste, dried, and baked at 800 ° C. to form a conductive film 23 having a thickness of about 3 μm.

固体電解質と固体電解質の外周部負電極側は導電膜24(図示せず)によって導電膜23と接合されている。固体電解質の寸法は16×16mmに対して金属箔部材21に設けられた開口部は13×13mmなので導電膜24による接合部は固体電解質の周囲1.5mm幅となる。導電膜24としてAuペーストを使い、スクリーン印刷を2回行った。その後所定の荷重を加えながら、乾燥、780℃にて焼成することにより、36個の固体電解質を金属箔部材21と接合固定した。   The solid electrolyte and the outer peripheral negative electrode side of the solid electrolyte are joined to the conductive film 23 by a conductive film 24 (not shown). Since the size of the solid electrolyte is 16 × 16 mm and the opening provided in the metal foil member 21 is 13 × 13 mm, the joint portion formed by the conductive film 24 has a width of 1.5 mm around the solid electrolyte. An Au paste was used as the conductive film 24, and screen printing was performed twice. Thereafter, 36 solid electrolytes were bonded and fixed to the metal foil member 21 by drying and firing at 780 ° C. while applying a predetermined load.

隣合う固体電解質の負第二電極膜20と電気的に導通する導電膜23によって形成されたリード取出し部と隣の固体電解質正第二電極膜19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25によって行った。図2において、個々の固体電解質には直列回路に結線した序列を番号付けしている。36個の固体電解質に対して最終的には1番目の固体電解質の正第二電極膜と結線されたリード部26と、36番の固体電解質の負第二電極膜と電気的に導通する導電膜と結線されたリード部27から酸素ポンプ素子全体に電圧を印加する構成となる。   By connecting the lead extraction portion formed by the conductive film 23 electrically connected to the adjacent negative second electrode film 20 of the solid electrolyte and the adjacent solid electrolyte positive second electrode film 19 side, the series circuit is electrically connected. It has become. The connection was made with a gold wire 25 of φ0.1 mm. In FIG. 2, the individual solid electrolytes are numbered in an order connected to a series circuit. The lead portion 26 finally connected to the positive second electrode film of the first solid electrolyte with respect to the 36 solid electrolytes, and the electrical conduction electrically connected to the negative second electrode film of the 36th solid electrolyte A voltage is applied to the entire oxygen pump element from the lead portion 27 connected to the membrane.

図3は上記酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置の概略断面構成図を示すものである。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional configuration diagram of an oxygen supply apparatus using the oxygen pump element.

36個の固体電解質に対して空間区画手段となる一枚の金属箔部材21の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤28で支持体29に固定されている。また、リード部26およびリード部27には、導線を介して電圧印加手段30が接続されており、電圧印加手段30には、電圧制御手段31が接続されている。加熱手段32を構成するヒータ33は、負電極側の表面に対向して配置され、固体電解質の温度を検知する手段341を有する温度制御手段34が、加熱手段32に信号を送っている。ここではヒータ33としてFe−20Cr−5Alからなるリボンヒータを使用した。   Around one metal foil member 21 that serves as a space partitioning means for 36 solid electrolytes, an electric insulating gas sealant 28 is fixed to a support 29. In addition, the voltage application means 30 is connected to the lead portion 26 and the lead portion 27 via a conducting wire, and the voltage control means 31 is connected to the voltage application means 30. The heater 33 constituting the heating means 32 is disposed opposite to the surface on the negative electrode side, and a temperature control means 34 having means 341 for detecting the temperature of the solid electrolyte sends a signal to the heating means 32. Here, a ribbon heater made of Fe-20Cr-5Al was used as the heater 33.

固体電解質の温度を検知する手段341は、温度センサーあるいは他の方法であってもよい。センサーの場合、固体電解質の近傍に配置されるかあるいは、任意の個所に配置してよい。温度制御手段34が検知する固体電解質の温度によって、温度制御手段34が、加熱手段32を構成するヒータ33の入力制御を行う。   The means 341 for detecting the temperature of the solid electrolyte may be a temperature sensor or other methods. In the case of a sensor, the sensor may be disposed in the vicinity of the solid electrolyte or may be disposed at an arbitrary position. Depending on the temperature of the solid electrolyte detected by the temperature control means 34, the temperature control means 34 performs input control of the heater 33 constituting the heating means 32.

ヒータ33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35および断熱手段36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35には給気のために通気孔351が配設されている。通気孔351断熱部材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16の負極側へ供給されるように設計した。   The heat insulating members for suppressing the heat loss generated by the heater 33 are the heat insulating means 35 and the heat insulating means 36. Here, a heat insulating member molded into a flat plate mainly composed of silica and alumina was used. The heat insulating means 35 is provided with a vent hole 351 for supplying air. A space portion was provided in a wide area of the heat insulating member of the vent hole 351, and it was designed to be uniformly supplied to the negative electrode side of the solid electrolyte 16 by diffusion resistance caused by ventilation.

送風ポンプ37から外気は熱交換器381を具備した送風回路38の給気通路382を
経て、通気孔351へと導かれ、最後に断熱手段35によって給気が受熱して固体電解質16の負極側へ至る。したがって冷たい外気が固体電解質16の負極側へ来ることはない。その後排気通路383を経て外部へと排出される。この時熱交換器381によって給気通路382を通過する空気は排気通路383を通過する空気から熱を得る。
The outside air from the blower pump 37 is led to the vent hole 351 through the air supply passage 382 of the blower circuit 38 provided with the heat exchanger 381, and finally the heat supply is received by the heat insulating means 35 and the negative electrode side of the solid electrolyte 16 is received. To. Therefore, cold outside air does not come to the negative electrode side of the solid electrolyte 16. Thereafter, the gas is discharged to the outside through the exhaust passage 383. At this time, the air passing through the air supply passage 382 by the heat exchanger 381 obtains heat from the air passing through the exhaust passage 383.

酸素ポンプ素子が収納されている容器39の正極側には、通気口391を介して、ガスの混合手段40が連結されている。混合手段40は、ガス誘導管41と、被混合ガス導入管42と、ガス混合器43と、ガスポンプ44によって構成されている。   A gas mixing means 40 is connected to the positive electrode side of the container 39 in which the oxygen pump element is accommodated through a vent 391. The mixing means 40 includes a gas induction pipe 41, a mixed gas introduction pipe 42, a gas mixer 43, and a gas pump 44.

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.

酸素ポンプ素子に最初28Vの電圧を印加するとともに、温度制御手段34によってヒータ33に200Wの電力を通電すると、断熱手段35および断熱手段36内の固体電解質の温度が上昇する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約400℃に近づくと、次第に固体電解質内部を酸素イオン伝導するようになり、電流値が上昇してくる。電流値が4.0Aに達した時点で酸素ポンプ素子に印加する電圧を22Vへと低下させる。これによって酸素ポンプ素子は電圧22Vで4.0Aの電流値を維持することになる。図4には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。本実施例では酸素ポンプ素子が所定の電流値4.0Aに達するまでのは約80secであった。   When a voltage of 28 V is first applied to the oxygen pump element and 200 W of electric power is supplied to the heater 33 by the temperature control means 34, the temperature of the solid electrolyte in the heat insulating means 35 and the heat insulating means 36 rises. When the solid electrolyte approaches a temperature at which oxygen ions can be conducted, which is about 400 ° C., oxygen ions are gradually conducted inside the solid electrolyte, and the current value increases. When the current value reaches 4.0 A, the voltage applied to the oxygen pump element is reduced to 22V. As a result, the oxygen pump element maintains a current value of 4.0 A at a voltage of 22V. FIG. 4 shows a control mode at the start-up for the oxygen pump element. In this example, it took about 80 seconds for the oxygen pump element to reach a predetermined current value of 4.0 A.

固体電解質のイオン伝導可能な温度に達した時点で、正第二電極膜と負第二電極膜を介して個々の固体電解質に電圧を印加されると、負電極膜側の表面近傍の酸素が、電気化学反応によって負電極膜から固体電解質の内部を酸素イオンとして、正電極膜へと移動し、正電極膜側の表面から酸素分子として放出される。36個の固体電解質からなる酸素ポンプ素子に4.0Aの電流が流れることによって、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。   When a voltage is applied to each solid electrolyte through the positive second electrode film and the negative second electrode film when the temperature at which the solid electrolyte can conduct ions is reached, oxygen near the surface on the negative electrode film side becomes oxygen. By the electrochemical reaction, the inside of the solid electrolyte moves from the negative electrode film to the positive electrode film as oxygen ions, and is released as oxygen molecules from the surface on the positive electrode film side. When a current of 4.0 A flows through the 36 oxygen pump elements made of solid electrolyte, oxygen gas of about 520 ml / min can be obtained from the positive electrode side of the oxygen pump element.

この時送風ポンプ37も起動させることで、所定量の外気が給気通路382を経て、通気孔351へと導かれ、最後に断熱手段35によって受熱しながら、固体電解質16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16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383を経て外部へと排出し、新たな空気を連続的に給気通路382から供給している。この時熱交換器381によって給気通路382を通過する空気は排気通路383を通過する空気から熱を得ることになる。熱交換器381による熱回収率はほぼ50%で設計した。ここでは熱交換用部材として銅のフィンを使用した。   At this time, the blower pump 37 is also activated, whereby a predetermined amount of outside air is guided to the vent hole 351 through the air supply passage 382 and finally supplied to the negative electrode side of the solid electrolyte 16 while receiving heat by the heat insulating means 35. I care. Here, 3200 ml / min of air was supplied. When the oxygen pump element is operating, oxygen is extracted from the negative electrode side of the solid electrolyte 16 to the positive electrode side, and the negative electrode side falls into a nitrogen-rich state. In order to suppress this, the air in the nitrogen-rich state is discharged to the outside through the exhaust passage 383, and new air is continuously supplied from the air supply passage 382. At this time, the air passing through the supply passage 382 by the heat exchanger 381 obtains heat from the air passing through the exhaust passage 383. The heat recovery rate by the heat exchanger 381 was designed to be approximately 50%. Here, copper fins were used as heat exchange members.

この時金属箔部材も600℃の雰囲気温度に加えて高温状態に曝されることになるが、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, the metal foil member is also exposed to a high temperature state in addition to the atmospheric temperature of 600 ° C., but excellent oxidation resistance can be obtained by using a ferritic stainless steel containing aluminum.

正電極膜側の表面近傍は、発生した酸素ガスによって純酸素に近い状態となり、正電極側の表面から離れ、通気性を有する断熱手段36を通過することになる。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28が、負電極膜側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。また固体電解質と金属箔部材21とをガスシールする部分も負電極膜側からのガスリークを防ぐ手段として有効に作用する。   The vicinity of the surface on the positive electrode film side becomes a state close to pure oxygen by the generated oxygen gas, and is separated from the surface on the positive electrode side and passes through the heat insulating means 36 having air permeability. Therefore, the metal foil member 21 and the gas sealant 28 which are means for partitioning the space effectively act as means for preventing gas leakage from the negative electrode film side. Further, the portion where the solid electrolyte and the metal foil member 21 are gas sealed also effectively acts as a means for preventing gas leakage from the negative electrode film side.

正電極側から放出される酸素ガスは、通気口391を通り、ガス混合手段40を構成するガス誘導管41と、被混合ガス導入管42と、ガス混合器43とによって被混合ガスと混合される。本実施例では、被混合ガスは大気である。生成される混合ガスは酸素富化ガ
スであり、その流量は、ガスポンプ44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 side passes through the vent 391, and is mixed with the mixed gas by the gas induction pipe 41, the mixed gas introduction pipe 42, and the gas mixer 43 that constitute the gas mixing means 40. The In this 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 44.

また、混合ガス中の酸素濃度は、混合ガス流量と、固体電解質を流れる酸素イオン量すなわちイオン電流の大きさによって決められる。   The oxygen concentration in the mixed gas is determined by the mixed gas flow rate and the amount of oxygen ions flowing through the solid electrolyte, that is, the magnitude of the ionic current.

(比較例1)
本比較例1では、酸素ポンプ素子に最初から22Vの電圧を印加しながら起動させた。その結果、所定の電流値4.0Aに達したのは約5min後であった。図5には比較例1の酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
(Comparative Example 1)
In this comparative example 1, the oxygen pump element was started while applying a voltage of 22 V from the beginning. As a result, the predetermined current value of 4.0 A was reached after about 5 minutes. FIG. 5 shows a control mode at start-up for the oxygen pump element of Comparative Example 1.

(実施の形態2)
本実施の形態でも、実施の形態1と同様な酸素供給装置を使用した。その時の起動方法について説明する。
(Embodiment 2)
Also in this embodiment, the same oxygen supply apparatus as that in Embodiment 1 was used. The starting method at that time will be described.

温度制御手段34によってヒータ33に200Wの電力を通電すると、断熱手段35および断熱手段36内の固体電解質の温度が上昇する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約400℃に近づいた40sec後に、酸素ポンプ素子に28Vの電圧を印加する。その結果、一気に固体電解質内部を酸素イオン伝導するようになり、電流値が2A以上に上昇する。その後さらに上昇し続けて、電流値が4.0Aに達した時点で酸素ポンプ素子に印加する電圧を22Vへと低下させる。これによって酸素ポンプ素子は電圧22Vで4.0Aの電流値を維持することになる。図6には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。本実施例でも酸素ポンプ素子が所定の電流値4.0Aに達するまでのは約80secであった。   When 200 W of electric power is supplied to the heater 33 by the temperature control means 34, the temperature of the solid electrolyte in the heat insulation means 35 and the heat insulation means 36 rises. A voltage of 28 V is applied to the oxygen pump element after 40 seconds when the solid electrolyte approaches a temperature at which oxygen ions can be conducted, which is approximately 400 ° C. As a result, oxygen ions are conducted inside the solid electrolyte at once, and the current value rises to 2A or more. Thereafter, the voltage continues to rise, and when the current value reaches 4.0 A, the voltage applied to the oxygen pump element is reduced to 22V. As a result, the oxygen pump element maintains a current value of 4.0 A at a voltage of 22V. FIG. 6 shows a control mode at the start-up for the oxygen pump element. Also in this example, it took about 80 seconds for the oxygen pump element to reach the predetermined current value of 4.0 A.

(比較例2)
比較例2では、酸素ポンプ素子に固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約400℃に近づいた40sec後に、22Vの電圧を印加しながら起動させた。その結果、所定の電流値4.0Aに達したのは約5min後であった。図7には比較例2の酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, the oxygen pump element was activated while applying a voltage of 22 V after 40 seconds when the solid electrolyte approached about 400 ° C., a temperature at which oxygen ions can conduct. As a result, the predetermined current value of 4.0 A was reached after about 5 minutes. FIG. 7 shows a control mode at start-up for the oxygen pump element of Comparative Example 2.

ここで、実施の形態1と実施の形態2の違いについて説明する。実施の形態1では、最初から酸素ポンプ素子に電圧を印加するため、印加する電圧の大きさによってはさらに酸素供給状態に達するまでの時間を短縮可能である。しかし固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度に達しない内から無理に電流を流そうとしているために、固体電解質をクラック破損に至らしめるリスクを持っている。それに比較して実施の形態2では、固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度付近に達してから酸素ポンプ素子に電圧を印加するため、固体電解質に加わる負荷は軽減されることとなる。   Here, the difference between the first embodiment and the second embodiment will be described. In Embodiment 1, since the voltage is applied to the oxygen pump element from the beginning, the time required to reach the oxygen supply state can be further shortened depending on the magnitude of the applied voltage. However, there is a risk of causing the solid electrolyte to break, because the current is forced to flow from the point where the solid electrolyte does not reach the temperature at which oxygen ions can be conducted. In contrast, in Embodiment 2, since the voltage is applied to the oxygen pump element after the solid electrolyte reaches a temperature near which oxygen ions can be conducted, the load applied to the solid electrolyte is reduced.

(実施の形態3)
本実施の形態でも、実施の形態1と同様な酸素供給装置を使用した。その時の起動方法について説明する。図8には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
(Embodiment 3)
Also in this embodiment, the same oxygen supply apparatus as that in Embodiment 1 was used. The starting method at that time will be described. FIG. 8 shows a control mode at the start-up for the oxygen pump element.

酸素ポンプ素子に最初28Vの電圧を印加するとともに、温度制御手段34によってヒータ33に200Wの電力を通電する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約400℃に近づくと、次第に固体電解質内部を酸素イオン伝導するようになり、電流値が上昇してくる。電流値が4.0Aに達した時点で酸素ポンプ素子に印加する電圧を22Vへと低下させる。これによって酸素ポンプ素子は電圧22Vで4.0Aの電流値を維持することになる。その後ヒータ33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A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によって約6min後には、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、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。
A voltage of 28 V is first applied to the oxygen pump element, and 200 W of power is supplied to the heater 33 by the temperature control means 34. When the solid electrolyte approaches a temperature at which oxygen ions can be conducted, which is about 400 ° C., the solid electrolyte gradually conducts oxygen ions and the current value increases. When the current value reaches 4.0 A, the voltage applied to the oxygen pump element is reduced to 22V. As a result, the oxygen pump element maintains a current value of 4.0 A at a voltage of 22V. Thereafter, the input to the heater 33 was gradually reduced, and the applied voltage was gradually increased so as to maintain the current value of 4.0 A of the oxygen pump element. Finally, the voltage applied to the oxygen pump element was 33 V, and the input to the heater 25 by the heating means A could be made zero. In other words, after about 6 minutes due to 33V, 4.0A, 132W generated by oxygen ion conduction, the heat insulation member was in thermal equilibrium including heat loss due to supply and exhaust, and the solid electrolyte could be steadily operable. .

(実施の形態4)
本実施の形態でも、実施の形態1と同様な酸素供給装置を使用した。その時の起動方法について説明する。図9には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
(Embodiment 4)
Also in this embodiment, the same oxygen supply apparatus as that in Embodiment 1 was used. The starting method at that time will be described. FIG. 9 shows a control mode at the start-up for the oxygen pump element.

酸素ポンプ素子に最初28Vの電圧を印加するとともに、温度制御手段34によってヒータ33に200Wの電力を通電する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約400℃に近づくと、次第に固体電解質内部を酸素イオン伝導するようになり、電流値が上昇してくる。電流値が4.0Aに達した時点でヒータ33への入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子に印加する電圧を30Vへとさらに上昇させる。その後ヒータ33への入力を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、電圧を33Vまで上昇させた。最終的には約5min後に加熱手段によるヒータ33への入力をゼロにすることができ、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、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。   A voltage of 28 V is first applied to the oxygen pump element, and 200 W of power is supplied to the heater 33 by the temperature control means 34. When the solid electrolyte approaches a temperature at which oxygen ions can be conducted, which is about 400 ° C., oxygen ions are gradually conducted inside the solid electrolyte, and the current value increases. When the current value reaches 4.0 A, the input to the heater 33 is gradually reduced, and the voltage applied to the oxygen pump element is further increased to 30V. Thereafter, the input to the heater 33 was reduced, and the voltage was increased to 33 V so that the current value of the oxygen pump element was maintained at 4.0 A. Eventually, after about 5 minutes, the input to the heater 33 by the heating means can be made zero, the inside of the heat insulating member becomes in thermal equilibrium including heat loss accompanying supply and exhaust, and the solid electrolyte can be steadily operable. I was able to.

(実施の形態5)
図10は、本発明の第5の実施の形態における酸素ポンプ素子の正極側概略構成図を示し、図11は、本発明の第5の実施の形態における酸素ポンプ素子の負極側概略構成図を示すものである。概略の構成は実施の形態1と重複しているので異なる部分について説明を加える。固体電解質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同じである。固体電解質45の寸法は32×32mm、厚み120μmである。ここでは一枚の固体電解質に正電極膜と負電極膜とを4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46も実施の形態1と同様のものを使用し、9個の開口部461、29×29mmが設けられている。
(Embodiment 5)
FIG. 10 shows a schematic configuration diagram of the positive electrode side of the oxygen pump element according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 11 shows a schematic configuration diagram of the negative electrode side of the oxygen pump element according to the fifth embodiment of the present invention. It is shown. Since the schematic configuration is the same as that of the first embodiment, different parts will be described. The configurations of the first electrode film and the second electrode film formed on the surface of the solid electrolyte are the same. The dimensions of the solid electrolyte 45 are 32 × 32 mm and the thickness is 120 μm. Here, the positive electrode film and the negative electrode film are divided into four parts on one solid electrolyte. The dimension of one positive electrode film and negative electrode film was 13 × 13 mm, and the interval between adjacent electrode films was 1 mm. The metal foil member 46 is the same as that of the first embodiment, and nine openings 461, 29 × 29 mm are provided.

固体電解質と接合関係となる開口部461の周囲には絶縁膜47が配設されている。この場合にも実施の形態1と同様である。寸法は外寸33×35mm、内寸29.5×29.5mmで一部リード取出し部が形成できるように構成されている。さらに絶縁膜47上には金属箔部材46とは絶縁関係を保ちながら、導電膜48が配設されている。   An insulating film 47 is disposed around the opening 461 that is in a bonding relationship with the solid electrolyte. This case is the same as in the first embodiment. The dimensions are an outer dimension of 33 × 35 mm and an inner dimension of 29.5 × 29.5 mm so that a part of the lead extraction portion can be formed. Further, a conductive film 48 is disposed on the insulating film 47 while maintaining an insulating relationship with the metal foil member 46.

4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10、図11において、個々の固体電解質は直列回路に結線した電位序列を番号付けしている。   The positive second electrode film 49 and the negative second electrode film 50 divided into four are configured to be electrically connected in series. 10 and 11, individual solid electrolytes are numbered in a potential sequence connected to a series circuit.

具体的には一つの固体電解質の中心線位置に貫通孔51が3箇所配設され、貫通孔を利用して正第二電極膜は隣の反対側に位置する負第二電極膜と電気的に結線されている。1番目の負第二電極膜は隣に位置する2番目の正第二電極膜と、2番目の負第二電極膜は中心に位置する貫通孔を使用して3番目の正第二電極膜と、3番目の負第二電極膜は隣に位置する4番目の正第二電極膜と結線されている。4番目の負第二電極膜は固体電解質45が金属箔部材46上に配設された導電膜48と接合結線され、導電膜48には固体電解質からはみ出す部分が設けられ、その導電膜48を利用して隣に位置する固体電解質の5番目の正第二電極膜と金線52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と結線されたリード部53と36番目の負第二電極膜と導通するように結線されたリード部54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 51 are arranged at the center line position of one solid electrolyte, and the positive second electrode film is electrically connected to the negative second electrode film located on the opposite side by using the through holes. It is connected to. The first negative second electrode film is a second positive second electrode film located next to the first negative second electrode film, and the second negative second electrode film is a third positive second electrode film using a through hole located in the center. The third negative second electrode film is connected to the adjacent fourth positive second electrode film. The fourth negative second electrode film is joined and connected to the conductive film 48 in which the solid electrolyte 45 is disposed on the metal foil member 46, and the conductive film 48 is provided with a portion protruding from the solid electrolyte. Utilized by a gold wire 52 is connected to the fifth positive second electrode film of the solid electrolyte located adjacent to the other. A voltage is applied to the lead portion 53 that is connected in sequence in the same manner and is finally connected to the lead portion 53 connected to the first positive second electrode film and the 36th negative second electrode film. Thus, the oxygen pump element is operated.

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
は酸素ポンプ素子に32Vを印加するとともに、温度制御手段によってヒータに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4.0Aの電流を流すことができ、その後は酸素ポンプ素子への印加電圧を25Vに低減させた。その後ヒータ入力を徐々に低減させるとともに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、37Vの時ヒータ入力はゼロにできた。
An oxygen supply device similar to that in Embodiment 1 was produced, and the oxygen pump element was operated. Here, 32 V was applied to the oxygen pump element, and 150 W was input to the heater by the temperature control means to start the oxygen pump element. As a result, a current of 4.0 A was allowed to flow in about 110 seconds, and then the voltage applied to the oxygen pump element was reduced to 25V. Thereafter, the heater input was gradually reduced and the applied voltage was increased so that the current value of the oxygen pump element was maintained at 4.0 A. The heater input could be zero at 37V.

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り、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。   As a result, it is possible to obtain about 520 ml / min of oxygen gas from the positive electrode side of the oxygen pump element by oxygen ion conduction, and the inside of the heat insulating member is heated by supply and exhaust by 37V, 4.0A 148W generated by oxygen ion conduction The thermal equilibrium including the loss was achieved, and the solid electrolyte could be steadily operated. In addition, air supply of 3200 ml / min was performed on the negative electrode side of the oxygen pump element.

したがって一枚の固体電解質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。金属箔部材上に9個の固体電解質を配置し、7本に金線をとリード部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。   Therefore, by dividing the electrode film with a single solid electrolyte to form a series circuit, the device voltage can be increased, and using nine solid electrolytes, the same current value as in the first embodiment can be obtained. I was able to get it. Since nine solid electrolytes are arranged on the metal foil member, and the gold wire and the lead part are connected to the seven, the manufacturing process is simplified as compared with the first embodiment.

(実施の形態6)
本実施の形態でも、実施の形態5と同様な酸素供給装置を使用した。その時の起動方法について説明する。
(Embodiment 6)
Also in this embodiment, the same oxygen supply apparatus as that in Embodiment 5 was used. The starting method at that time will be described.

酸素ポンプ素子に最初32Vの電圧を印加するとともに、温度制御手段によってヒータに150Wの電力を通電する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度に近づくと、次第に固体電解質内部を酸素イオン伝導するようになり、電流値が上昇してくる。電流値が4.0Aに達した時点でヒータへの入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子に印加する電圧を34Vへとさらに上昇させる。その後ヒータへの入力を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、電圧を37Vまで上昇させた。最終的には約6min後に加熱手段によるヒータへの入力をゼロにすることができ、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、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。   First, a voltage of 32 V is applied to the oxygen pump element, and 150 W of power is applied to the heater by the temperature control means. As the solid electrolyte approaches a temperature at which oxygen ions can be conducted, the inside of the solid electrolyte gradually conducts oxygen ions, and the current value increases. When the current value reaches 4.0 A, the input to the heater is gradually reduced, and the voltage applied to the oxygen pump element is further increased to 34V. Thereafter, the voltage was increased to 37 V so that the input to the heater was reduced and the current value of the oxygen pump element was maintained at 4.0 A. Eventually, after about 6 minutes, the input to the heater by the heating means can be made zero, the heat insulation member becomes in thermal equilibrium including heat loss due to supply and exhaust, and the solid electrolyte can be operated constantly. did it.

実施の形態1では、酸素ポンプ素子の起動時に、所定の電流値4.0Aになる電圧22Vに対して最初に電圧28Vを印加した。したがって電圧A/電圧B=28/22=1.27である。また実施の形態5では酸素ポンプ素子の起動時に、所定の電流値4.0Aになる電圧24Vに対して最初に電圧32Vを印加した。したがって電圧A/電圧B=32/24=1.33である。電圧Aを大きくすれば酸素ポンプ素子が所定の電流値に達するまでの起動時間は短縮される。しかしながら最悪の場合固体電解質がクラック破損に至る場合もある。電圧Aの最大値は固体電解質の寸法と厚みによって決まってくる。寸法が小さく、厚みが薄ければ電圧A/電圧B=5程度まで可能であった。また酸素ポンプ素子が起動する時に、電圧Aと電圧Bとの差が明確化するのは少なくとも電圧A/電圧B=1.1以上の時であろう。したがって本発明の有効性が顕在化するのは電圧A/電圧B=1.1〜5の範囲と言える。   In the first embodiment, at the time of starting the oxygen pump element, the voltage 28V is first applied to the voltage 22V having a predetermined current value of 4.0A. Therefore, voltage A / voltage B = 28/22 = 1.27. In the fifth embodiment, when the oxygen pump element is started, a voltage of 32 V is first applied to a voltage of 24 V at a predetermined current value of 4.0 A. Therefore, voltage A / voltage B = 32/24 = 1.33. If the voltage A is increased, the starting time until the oxygen pump element reaches a predetermined current value is shortened. However, in the worst case, the solid electrolyte may lead to crack breakage. The maximum value of the voltage A is determined by the size and thickness of the solid electrolyte. If the dimensions are small and the thickness is small, voltage A / voltage B can be up to about 5. Further, when the oxygen pump element is started, the difference between the voltage A and the voltage B will be clarified at least when the voltage A / voltage B = 1.1 or more. Therefore, it can be said that the effectiveness of the present invention is manifested in the range of voltage A / voltage B = 1.1-5.

また、酸素供給装置に対して、加熱手段への入力を低減する場合には酸素ポンプ素子への電圧を電圧Aから電圧Bに低減することなく動作させたほうが定常状態へと導く時間を短縮できた。   In addition, when the input to the heating means is reduced with respect to the oxygen supply device, it is possible to shorten the time required to reach the steady state by operating without reducing the voltage to the oxygen pump element from the voltage A to the voltage B. It was.

また、実施の形態では、加熱手段として固体電解質をリボンヒータで間接加熱する方法を用いた。固体電解質を急速に酸素イオン伝導可能な温度へと導くためには、リボンヒー
タに大きな入力を加えるのが最も効率的であった。
In the embodiment, a method of indirectly heating the solid electrolyte with a ribbon heater is used as the heating means. In order to bring the solid electrolyte to a temperature at which oxygen ions can be conducted rapidly, it was most efficient to apply a large input to the ribbon heater.

また、実施の形態では、固体電解質としてランタンガレートを使用したがこれに限定させるものではなく、イットリウムドープ型のジルコニア(YSZ)、サマリウムドープ型のセリア(SDC)などであっても良い。但し現状ではランタンガレート系の材料が酸素イオン伝導体として動作温度が低いので材料の耐久性を鑑みた場合、もっとも好ましい材料といえる。   In the embodiment, lanthanum gallate is used as the solid electrolyte. However, the present invention is not limited to this, and yttrium-doped zirconia (YSZ), samarium-doped ceria (SDC), or the like may be used. However, at present, the lanthanum gallate material is the most preferable material in view of the durability of the material because the operating temperature is low as an oxygen ion conductor.

また、実施の形態では、第一電極膜の複合金属酸化物としてSm0.5Sr0.5CoO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。 In the embodiment, Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 is used as the composite metal oxide of the first electrode film, but the present invention 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. Particularly, 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 is replaced by strontium It had excellent conductivity and high oxygen molecule electrode reactivity.

また、実施の形態では、金属箔部材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。   In the embodiment, Fe-20Cr-5Al, which is a ferritic stainless steel containing aluminum, is used as the metal foil member. However, the present invention is not limited to this, and a material having durability against high-temperature oxidation is used. Other metal foil materials can be used if present. However, at present, ferritic stainless steel containing aluminum has excellent characteristics against high-temperature oxidation. Furthermore, it is possible to add a rare earth metal for the purpose of improving the high temperature oxidation resistance. Moreover, although 12 micrometers in thickness was used, it is thought that 5-20 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、実施の形態では、金属箔部材の構成として負電極膜側に接合させて固体電解質が空間部を区画する区画手段として使用した場合についてだけ説明したが、逆に正電極膜側に接合させて空間部を区画する区画手段として使用してもかまわない。   Further, in the embodiment, as a configuration of the metal foil member, only the case where the solid electrolyte is used as a partitioning means for partitioning the space by being bonded to the negative electrode film side has been described. It may be used as a partitioning means for partitioning the space portion.

また、実施の形態では、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。   In the embodiment, Au-based materials are used as the second electrode film and the conductive film. However, the present invention is not limited to this, and any other Ag-based material or AgPd-based material can be used as long as it has a low heat resistance and heat resistance. Things can be used.

また、実施の形態では、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。たと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。   In the embodiment, the case where the second electrode film is further disposed on the positive electrode film and the negative electrode film on the surface of the solid electrolyte has been described. However, the present invention can be applied to a structure in which the second electrode film is not disposed. For example, if the size of the electrode film formed on the surface of the solid electrolyte is 5 × 5 mm, the flowing current value 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供給装置の制御方法は、固体電解質を利用した酸素ポンプ素子に適用でき、酸素供給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 method for controlling an oxygen supply apparatus according to the present invention can be applied to an oxygen pump element using a solid electrolyte, and can be applied to a wide range of devices such as an air purifier, an air conditioner, a health promotion device, and a health promotion device using oxygen supply. Can be used for various purposes.

本発明の第1の実施の形態における酸素ポンプ素子の断面構成図Sectional block diagram of the oxygen pump element according to the first embodiment of the present invention 本発明の第1の実施の形態における酸素ポンプ素子の概略構成図1 is a schematic configuration diagram of an oxygen pump element according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における酸素供給装置の概略断面構成図1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of an oxygen supply device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図The figure which shows the control mode at the time of starting of the oxygen pump element in the 1st Embodiment of this invention 比較例1の酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図The figure which shows the control mode at the time of starting of the oxygen pump element of the comparative example 1 本発明の第2の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図The figure which shows the control mode at the time of starting of the oxygen pump element in the 2nd Embodiment of this invention 比較例2の酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図The figure which shows the control mode at the time of starting of the oxygen pump element of the comparative example 2 本発明の第3の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図The figure which shows the control mode at the time of starting of the oxygen pump element in the 3rd Embodiment of this invention 本発明の第4の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図The figure which shows the control mode at the time of starting of the oxygen pump element in the 4th Embodiment of this invention 本発明の第5の実施の形態における酸素ポンプ素子の正極側の概略構成図Schematic block diagram of the positive electrode side of the oxygen pump element in the fifth embodiment of the present invention 本発明の第5の実施の形態における酸素ポンプ素子の負極側の概略構成図Schematic block diagram of the negative electrode side of the oxygen pump element in the fifth embodiment of the present invention 従来の特許文献1参照における酸素ポンプ素子装置を示す図The figure which shows the oxygen pump element apparatus in the conventional patent document 1 reference 従来の特許文献2参照における酸素ポンプ素子装置を示す図The figure which shows the oxygen pump element apparatus in the conventional patent document 2 reference

符号の説明Explanation of symbols

16、45 固体電解質
17 正電極膜(第一電極膜)
18 負電極膜(第一電極膜)
19、49 正第二電極膜
20、50 負第二電極膜
21、46 金属箔部材
22、47 絶縁膜
23、48 導電膜
25、52 金線
26、27、53、54 リード部
30 電圧印加手段
31 電圧制御手段
32 加熱手段
34 温度制御手段
35、36 断熱手段
37 送風ポンプ
38 送風回路
381 熱交換器
382 給気通路
383 排気通路
40 混合手段
16, 45 Solid electrolyte 17 Positive electrode film (first electrode film)
18 Negative electrode film (first electrode film)
19, 49 Positive second electrode film 20, 50 Negative second electrode film 21, 46 Metal foil member 22, 47 Insulating film 23, 48 Conductive film 25, 52 Gold wire 26, 27, 53, 54 Lead part 30 Voltage application means 31 Voltage control means 32 Heating means 34 Temperature control means 35, 36 Heat insulation means 37 Blower pump 38 Blower circuit 381 Heat exchanger 382 Supply passage 383 Exhaust passage 40 Mixing means

Claims (12)

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を備え、起動時に前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧Aを印加するとともに前記加熱手段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ながら、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値に達した時点で、所定の電流値を維持する電圧Bに低減して動作状態とし、前記電圧Aと電圧Bの関係が電圧A/電圧B=1.1〜5であることを特徴とする酸素供給装置。 An oxygen pump element comprising a solid electrolyte, a voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element, a voltage control means for controlling the voltage applying means, a heating means for heating the oxygen pump element, and the oxygen pump Temperature control means for controlling the heating means by detecting the temperature of the element, and applying the voltage A to the oxygen pump element by the voltage control means at the start-up and using the heating means to control the oxygen pump element When the oxygen pump element reaches a predetermined current value while being heated to a predetermined temperature, the voltage is reduced to a voltage B that maintains the predetermined current value, and the operation state is established. An oxygen supply device, wherein A / voltage B = 1.1-5. 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を備え、起動時に前記加熱手段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て、前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって、一旦電圧Aを印加して所定の電流値に達した時点で、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値を維持する電圧Bに低減して動作状態とし、前記電圧Aと電圧Bの関係が電圧A/電圧B=1.1〜5であることを特徴とする酸素供給装置。 An oxygen pump element comprising a solid electrolyte, a voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element, a voltage control means for controlling the voltage applying means, a heating means for heating the oxygen pump element, and the oxygen pump Temperature control means for controlling the heating means by detecting the temperature of the element, and heating the oxygen pump element to a predetermined temperature using the heating means at the time of start-up to control the voltage to the oxygen pump element. When the voltage A is once applied by the means and reaches a predetermined current value, the oxygen pump element is reduced to a voltage B at which the predetermined current value is maintained to be in an operating state, and the relationship between the voltage A and the voltage B Is a voltage A / voltage B = 1.1-5. 酸素ポンプ素子への電圧を電圧Bとした後、加熱手段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により、電圧Bからさらに上昇させて、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とすることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の酸素供給装置。 After the voltage to the oxygen pump element is set to the voltage B, the voltage applied to the heating means is reduced by the temperature control means, and the voltage applied to the oxygen pump element is further increased from the voltage B by the voltage control means. The oxygen supply device according to claim 1, wherein the operation state at a predetermined current value is maintained to be in a steady state. 酸素ポンプ素子への電圧を電圧Aに保ちながら、酸素ポンプ素子の電流が所定値に達した時点で、加熱手段への印加電圧を前記温度制御手段より低減させながら、所定の電流値を維持するように動作させて定常時とすることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の酸素供給装置。 While the voltage to the oxygen pump element is maintained at the voltage A, when the current of the oxygen pump element reaches a predetermined value, the voltage applied to the heating means is reduced from the temperature control means, and the predetermined current value is maintained. The oxygen supply device according to claim 1, wherein the oxygen supply device is operated in a steady state. 起動時に加熱手段を使用した後、定常時には、酸素ポンプ素子に印加する電力だけで動作状態を維持させることを特徴とする請求項3または4のいずれかに記載の酸素供給装置。 5. The oxygen supply device according to claim 3, wherein the operation state is maintained only by electric power applied to the oxygen pump element in a steady state after using the heating means at the start-up. 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を特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の酸素供給装置。 The oxygen supply device according to any one of claims 1 to 5, wherein a blower circuit having a supply / exhaust mechanism including a heat exchanger is disposed on a negative electrode side of the oxygen pump element. 酸素ポンプ素子は、金属箔部材に複数の開口部を設け、前記開口部には絶縁膜を介して酸素イオン伝導性の固体電解質がガスシールされた構造で複数配置され、前記金属箔部材が空間区画手段となり、前記固体電解質の両面には正電極膜と負電極膜が形成され、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を特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の酸素供給装置。 The oxygen pump element is provided with a plurality of openings in a metal foil member, and a plurality of oxygen ion conductive solid electrolytes are gas-sealed through the insulating film in the openings, and the metal foil member is a space. A positive electrode film and a negative electrode film are formed on both surfaces of the solid electrolyte, and a plurality of solid electrolytes are configured such that the positive electrode film and the negative electrode film are electrically connected in series. The oxygen supply device according to any one of claims 1 to 6, wherein 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を特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の酸素供給装置。 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 supply device according to claim 1, wherein the oxygen supply device is configured as follows. 加熱手段はリボンヒータで構成されることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の酸素供給装置。 The oxygen supply apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the heating means is constituted by a ribbon heater. 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、前記固体電解質上に複合金属酸化物成分を主体とする膜を前記第一電極膜とし、貴金属成分を主体とする膜を前記第二電極膜として前記第一電極膜上に配設したことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の酸素供給装置。
The positive electrode film and the negative electrode film are composed of a first electrode film directly bonded to a solid electrolyte and a second electrode film formed on the first electrode film, and a composite metal oxide component is formed on the solid electrolyte. The film mainly composed of the first electrode film and the film mainly composed of a noble metal component as the second electrode film are disposed on the first electrode film. The oxygen supply device according to item.
固体電解質がランタンガレート系であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の酸素供給装置。 The oxygen supply device according to any one of claims 1 to 10, wherein the solid electrolyte is a lanthanum gallate system. 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を特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の酸素供給装置。 The oxygen supply device according to any one of claims 7 to 11, wherein the metal foil member is ferritic stainless steel containing aluminum.
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