JP2007100152A - Oxygen pump - Google Patents

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Akihiro Umeda
章広 梅田
Hironao Numamoto
浩直 沼本
Kunihiro Tsuruta
邦弘 鶴田
Takeshi Nagai
彪 長井
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that the adhesion of a solid electrolyte to a supporting body is weak to easily causing the peel off or the breaking of the solid electrolyte in an oxygen pump. <P>SOLUTION: The heating in the oxygen pump is suppressed by linearly connecting a plurality of pump elements 13 to lower current. The oxygen pump secures a joint surface with the supporting body by miniaturizing an anode film having small effect on the performance and has improved adhesion to the supporting body without deteriorating the performance of the oxygen pump. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させることにより、一方の空間から酸素を排気したり、一方の空間へ酸素を富化したりする酸素ポンプに関するものである。   The present invention relates to an oxygen pump that exhausts oxygen from one space or enriches oxygen into one space by electrochemically moving oxygen ions.

従来この種の酸素ポンプは、複数枚の固体電解質を同時に使用する場合、支持部材に対して同じ面方向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。また、電極膜の面積は、アノード電極膜とカソード電極膜とで同一であった。(例えば特許文献1参照)。   Conventionally, this type of oxygen pump, when using a plurality of solid electrolytes simultaneously, electrically connects the electrode film in the same plane direction to the support member with a lead wire or the like, and applies a power supply voltage in parallel. there were. The area of the electrode film was the same for the anode electrode film and the cathode electrode film. (For example, refer to Patent Document 1).

図5は特許文献1に記載された酸素ポンプの平面図であり、図6は酸素ポンプの断面図である。16枚の酸素イオン導電性の固体電解質1が図示され、支持部材2に固定されている。それぞれの同一面積の電極膜3からリード線4が引き出されて集結し、配線に同電位の状態で接続されている。配線からはリード線5が引き出され、電源の一方の極に接続されている。また裏面からは同様にして引き出されたリード6線が、電源のもう一方の極に接続されている。
国際公開第96/28589号パンフレット
FIG. 5 is a plan view of the oxygen pump described in Patent Document 1, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the oxygen pump. Sixteen oxygen ion conductive solid electrolytes 1 are illustrated and fixed to a support member 2. The lead wires 4 are drawn out from the electrode films 3 having the same area and gathered, and connected to the wiring at the same potential. A lead wire 5 is drawn from the wiring and is connected to one pole of the power source. A lead 6 wire similarly drawn from the back surface is connected to the other pole of the power source.
WO96 / 28589 pamphlet

しかしながら、前記従来の構成では、複数個の固体電解質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、局部的な発熱が生じ、熱歪による割れの原因となっていた。また、それを防止するために十分に太いリード線や電気抵抗の小さい特殊なリード線を使う必要があった。さらに、固体電解質と支持体との異種材料の接合は、高温に曝されると大きな熱歪が生じるため、固体電解質の剥がれや割れが生じ易いという課題もあった。   However, in the conventional configuration, since a plurality of solid electrolytes are connected in parallel, a large current flows through the lead wire in which the lead wires are gathered. Therefore, local heat generation occurred, causing cracks due to thermal strain. In order to prevent this, it is necessary to use a sufficiently thick lead wire or a special lead wire having a small electric resistance. Furthermore, since the joining of different materials between the solid electrolyte and the support causes a large thermal strain when exposed to high temperatures, there is also a problem that the solid electrolyte is easily peeled off or cracked.

本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、直列接続によって低電流化することでポンプ素子の局部的発熱を抑え、また、固体電解質と支持体との密着力を高めることで熱歪による剥離を抑えた信頼性に優れた酸素ポンプを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, suppresses local heat generation of the pump element by reducing the current by series connection, and increases the adhesion between the solid electrolyte and the support to increase thermal strain. An object of the present invention is to provide an oxygen pump excellent in reliability with suppressed peeling due to the above.

前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプは、複数の開口部が設けられた支持体と、前記開口部を塞ぐように接合体によって接合された酸素イオン導電性の固体電解質と、前記固体電解質の両面にアノード電極膜とカソード電極膜がそれぞれ形成されたポンプ素子を有し、前記複数のポンプ素子が電気的に直列回路となるように構成され、かつアノード電極膜の外気に接する面積が、カソード電極膜の外気に接する面積より小さいことを特徴とするものである。   In order to solve the above-described conventional problems, an oxygen pump according to the present invention includes a support provided with a plurality of openings, and an oxygen ion conductive solid electrolyte joined by the joined body so as to close the openings. A pump element in which an anode electrode film and a cathode electrode film are formed on both surfaces of the solid electrolyte, the plurality of pump elements are configured to be electrically connected in series, and the outside of the anode electrode film The area in contact with the cathode electrode film is smaller than the area in contact with the outside air of the cathode electrode film.

表面の電極膜と、隣に並んだ裏面の反対電極膜をリード線で接続して全体を直列接続することで、低電流化が可能となり、発熱を抑えることができる。また、アノード電極膜を小さくすることで、支持体との接合面積を確保でき、酸素ポンプ性能を低下させることなく支持体との密着力を向上させることができる。   By connecting the electrode film on the front surface and the opposite electrode film on the back surface adjacent to each other with a lead wire and connecting the whole in series, the current can be reduced and heat generation can be suppressed. In addition, by reducing the anode electrode film, a bonding area with the support can be secured, and the adhesion with the support can be improved without deteriorating the oxygen pump performance.

本発明の酸素ポンプは、支持体の設置した複数個の固体電解質を直列接続することで低電流化をし、さらに支持体との密着力を高めることで、熱歪による固体電解質の破壊を抑
えることが可能となる。
The oxygen pump of the present invention suppresses destruction of the solid electrolyte due to thermal strain by reducing the current by connecting a plurality of solid electrolytes provided with a support in series and further increasing the adhesion with the support. It becomes possible.

第1の発明は、複数の開口部が設けられた支持体と、前記開口部を塞ぐように接合体によって接合された酸素イオン導電性の固体電解質と、前記固体電解質の両面にアノード電極膜とカソード電極膜がそれぞれ形成されたポンプ素子を有し、前記複数のポンプ素子が電気的に直列回路となるように構成され、かつアノード電極膜の外気に接する面積が、カソード電極膜の外気に接する面積より小さく構成されることにより、低電流化が可能となり、発熱を抑えることができる。また、性能に与える影響が小さいアノード電極膜の面積を小さくすることにより、支持体との接合面積を確保できるため、動作性能を低下させることなく熱歪による破壊を抑えた酸素ポンプが可能となる。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a support provided with a plurality of openings, an oxygen ion conductive solid electrolyte joined by a joined body so as to close the openings, and anode electrode films on both sides of the solid electrolyte. Each of the plurality of pump elements is configured to be electrically connected in series, and the area of the anode electrode film in contact with the outside air is in contact with the outside of the cathode electrode film. By being configured to be smaller than the area, the current can be reduced and heat generation can be suppressed. In addition, by reducing the area of the anode electrode film that has a small effect on the performance, it is possible to secure a bonding area with the support, thereby enabling an oxygen pump that suppresses breakage due to thermal strain without deteriorating the operating performance. .

第2の発明は、特に、第1の発明の開口部が、格子形状またはスリット形状であるものである。支持体と固体電解質が周囲のみ接合するより、固体電解質の全面の部分で接合するほうが、衝撃に対する強度が高い。また、支持体によって全面に覆われていることから固体電解質の熱分布もより均一であり、熱応力も小さく抑えられる。したがって、熱歪による破壊を抑えた酸素ポンプが可能となる。   In the second invention, in particular, the opening of the first invention has a lattice shape or a slit shape. The strength against impact is higher when the support and the solid electrolyte are joined only at the periphery than when the whole surface of the solid electrolyte is joined. Further, since the entire surface is covered with the support, the heat distribution of the solid electrolyte is more uniform, and the thermal stress can be kept small. Therefore, an oxygen pump that suppresses breakage due to thermal strain becomes possible.

第3の発明は、特に、アノード電極膜が、カソード電極膜と面積比で50%以上かつ100%未満であるものである。アノード電極膜側では、固体電解質の基板の半分程度まで接合部分として形成させることができるため、密着力を向上させることができる。したがって、酸素ポンプの加熱及び通電によって生じる熱歪に起因する破壊を防止することができる。   In the third invention, in particular, the anode electrode film has an area ratio of 50% or more and less than 100% with respect to the cathode electrode film. On the anode electrode film side, about half of the solid electrolyte substrate can be formed as a bonding portion, so that the adhesion can be improved. Therefore, it is possible to prevent destruction due to thermal strain caused by heating and energization of the oxygen pump.

第4の発明は、特に、第1の発明の支持体が金属箔であるものである。金属箔とすることで支持体の柔軟性が高まり、固体電解質の熱歪を吸収させることができる。すなわち、熱歪による破壊を抑えた酸素ポンプが可能となる。   In the fourth invention, in particular, the support of the first invention is a metal foil. By using a metal foil, the flexibility of the support can be increased and the thermal strain of the solid electrolyte can be absorbed. That is, an oxygen pump that suppresses breakage due to thermal strain is possible.

第5の発明は、アノード電極膜に電気的に接続された導電性の接合体と、前記接合体に接続されたリード線とを有し、前記リード線が支持体に対してカソード電極膜と同じ面側であることを特徴とするものである。リード線をカソード側の一方向にのみすることで、リード線が支持体を貫通したり、支持体の側面を迂回することがないため、アノード電極膜側とカソード電極膜側との空間を完全に分離でき、ガスリークを防ぐことができる。また、アノード電流を周囲から取り出すことで電流の集中を緩和でき、発熱を抑えることができる。すなわち、熱歪による破壊を抑えた酸素ポンプが可能となる。   5th invention has the electroconductive joining body electrically connected to the anode electrode film | membrane, and the lead wire connected to the said joining body, and the said lead wire is a cathode electrode film | membrane with respect to a support body. It is the same surface side. By using the lead wire only in one direction on the cathode side, the lead wire does not penetrate the support body or bypass the side surface of the support body, so the space between the anode electrode film side and the cathode electrode film side is completely removed. And gas leakage can be prevented. Further, by taking out the anode current from the surroundings, the concentration of current can be relaxed and heat generation can be suppressed. That is, an oxygen pump that suppresses breakage due to thermal strain is possible.

第6の発明は、特に、第5の発明の支持体が導電性の金属箔であり、かつ前記金属箔と接合体が絶縁体によって電気的に絶縁されているものである。アノード電流を周囲から取り出すことで電流の集中を緩和でき、発熱を抑えることができるだけでなく、金属箔とすることで支持体の柔軟性が高まり、固体電解質の熱歪を吸収させることができる。すなわち、熱歪による破壊を抑えた酸素ポンプが可能となる。   In the sixth invention, in particular, the support of the fifth invention is a conductive metal foil, and the metal foil and the joined body are electrically insulated by an insulator. By taking out the anode current from the surroundings, current concentration can be alleviated and heat generation can be suppressed, and by using the metal foil, the flexibility of the support can be increased and the thermal strain of the solid electrolyte can be absorbed. That is, an oxygen pump that suppresses breakage due to thermal strain is possible.

第7の発明は、特に、第4または6の発明の金属箔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ものである。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℃付近の高温での長期使用に対して安定した特性を維持することができる。   In the seventh invention, in particular, the metal foil of the fourth or sixth invention is a ferritic stainless steel containing aluminum. By using a ferritic stainless steel containing aluminum, it has excellent characteristics against high-temperature oxidation, and can maintain stable characteristics for long-term use at a high temperature around 800 ° C.

第8の発明は、第1の発明の電極膜が、固体電解質に接した金属酸化物と前記金属酸化物に接した貴金属との2層で構成されたものである。固体電解質の全面に形成された貴金属によって表面の熱分布をより均一にすることができるため、熱歪による破壊を抑えた酸
素ポンプが可能となる。
In an eighth invention, the electrode film of the first invention is composed of two layers of a metal oxide in contact with a solid electrolyte and a noble metal in contact with the metal oxide. Since the surface heat distribution can be made more uniform by the noble metal formed on the entire surface of the solid electrolyte, an oxygen pump in which destruction due to thermal strain is suppressed is possible.

第9の発明は、特に、第1または2の固体電解質の材料に対して、ランタンガレートを使用するものである。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℃以上で酸素イオン導電性を有す。したがって酸素ポンプの動作温度を600℃程度の比較的低温に保持することでも十分な能力を得ることができるため、低温化でき、熱に対する劣化を抑制できる。   In the ninth invention, lanthanum gallate is used particularly for the first or second solid electrolyte material. Lanthanum gallate is a perovskite complex 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 even by maintaining the operating temperature of the oxygen pump at a relatively low temperature of about 600 ° C., the temperature can be lowered and deterioration against heat can be suppressed.

第10の発明は、特に、第6の発明の絶縁体に対して、ガラスの焼結体とするものである。ガラスの絶縁体は酸素ポンプで使用する数百度の高温にも十分対応することができるものであり、絶縁体は非常に薄い膜なので、金属箔の柔軟性を損なうことが少ない。   The tenth aspect of the invention is a glass sintered body, in particular, with respect to the insulator of the sixth aspect of the invention. A glass insulator can sufficiently cope with a high temperature of several hundred degrees used in an oxygen pump, and since the insulator is a very thin film, the flexibility of the metal foil is rarely lost.

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(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態におけるポンプ素子の断面構成図を示すものである。ここで、アノード電極膜7の面積が、カソード電極膜8の面積より小さくなるように構成されており、支持体2とはアノード電極膜7の側で接合されている。
固体電解質1はジルコニアやセリア等の金属酸化物が用いられるが、ランタンガレートが特に好ましい。その中でも、ランタン−ストロンチウム−ガリウム−マグネシウム(LSGMO)を組成に持つペロブスカイト型酸化物は輸率が高いため、最も有用である。実施の形態では、一辺30mm、厚み0.15mmの四角形のLSGMOを用いた。
(Embodiment 1)
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional structural views of a pump element according to the first embodiment of the present invention. Here, the area of the anode electrode film 7 is configured to be smaller than the area of the cathode electrode film 8, and is bonded to the support 2 on the side of the anode electrode film 7.
As the solid electrolyte 1, metal oxides such as zirconia and ceria are used, and lanthanum gallate is particularly preferable. Among them, a perovskite oxide having a composition of lanthanum-strontium-gallium-magnesium (LSGMO) is most useful because of its high transport number. In the embodiment, a square LSGMO having a side of 30 mm and a thickness of 0.15 mm is used.

アノード電極膜7とカソード電極膜8はそれぞれ2層構造(図示せず)で、下層にサマリウム−ストロンチウム−コバルト(SSCO)の金属酸化物、上層に金を使用した。ただし、本発明の実施の形態としては、電極膜を1層構造にしてもよく、そのときの電極材料として、銀や白金、金とパラジウムの合金、銀とパラジウムの合金を使用してもよい。これらの電極膜は、スクリーン印刷や電着、蒸着、スパッタリングによって形成するが、スクリーン印刷がコスト面で優れている。本実施の形態での電極膜は、スクリーン印刷によって印刷膜を形成し、乾燥後、SSCOを1100℃にて焼成することにより厚み15〜25μm、金を800℃にて焼成することにより厚み5〜10μmを得た。   The anode electrode film 7 and the cathode electrode film 8 each have a two-layer structure (not shown), and a metal oxide of samarium-strontium-cobalt (SSCO) is used for the lower layer and gold is used for the upper layer. However, as an embodiment of the present invention, the electrode film may have a single-layer structure, and silver, platinum, an alloy of gold and palladium, or an alloy of silver and palladium may be used as an electrode material at that time. . These electrode films are formed by screen printing, electrodeposition, vapor deposition, or sputtering, but screen printing is excellent in terms of cost. The electrode film in this embodiment forms a printed film by screen printing, and after drying, the SSCO is fired at 1100 ° C. to a thickness of 15 to 25 μm, and gold is fired at 800 ° C. to a thickness of 5 to 5 10 μm was obtained.

支持体2は、厚さ1mmのアルミナ製のセラミックス板を使用し、開口部9の周囲で固体電解質1と金を焼結した接合体10によって接合した。   As the support 2, an alumina ceramic plate having a thickness of 1 mm was used, and the solid electrolyte 1 and gold were sintered around the opening 9 and joined together by a joined body 10.

図2(a)は、支持体2にポンプ素子を6個接合させたもの平面図である。また、図2(b)は、そのポンプ素子部分2箇所の断面図であり、下面のアノード電極膜7と隣接したカソード電極膜8がリード線11によって支持体2の貫通孔12を介して接続されている。全体として、ポンプ素子6個が直列に接続されていることになる。   FIG. 2A is a plan view of six pump elements joined to the support 2. FIG. 2B is a cross-sectional view of the pump element portion at two locations, and the cathode electrode film 8 adjacent to the anode electrode film 7 on the lower surface is connected via the through hole 12 of the support 2 by the lead wire 11. Has been. As a whole, six pump elements are connected in series.

リード線11は、直径0.2mmの金線を使用し、端部の結合は金ペーストを用い、750℃で焼結することで固定した。   As the lead wire 11, a gold wire having a diameter of 0.2 mm was used, and bonding at the ends was fixed by sintering at 750 ° C. using a gold paste.

本実施例において、アノード電極膜側の接合部は外周を1.5mm、3.0mm、5.0mmの3種類の幅で形成させた。この場合のアノード電極膜の面積は、カソード電極膜の面積の、それぞれ100%、76%、48%となった。   In this example, the outer periphery of the bonding portion on the anode electrode film side was formed with three types of widths of 1.5 mm, 3.0 mm, and 5.0 mm. In this case, the area of the anode electrode film was 100%, 76%, and 48% of the area of the cathode electrode film, respectively.

図3は上記ポンプ素子13を組み込んだ酸素ポンプの動作モデルの概略断面構成図を示すものである。9個の固体電解質に対して空間区画手段となる一枚の支持体2の周囲には
、電気絶縁性のガス封止剤(図示せず)によって筐体14に固定されている。また、リード線11は、電源(図示せず)に接続されている。また、酸素ポンプの上下には、シリカとアルミナを主成分とする平板状に成形された断熱材15が配置され、その中に、ヒータ16が配されている。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional configuration diagram of an operation model of an oxygen pump in which the pump element 13 is incorporated. Around one support 2 serving as a space partitioning means for nine solid electrolytes, it is fixed to the housing 14 by an electrically insulating gas sealant (not shown). The lead wire 11 is connected to a power source (not shown). In addition, above and below the oxygen pump, a heat insulating material 15 formed in a plate shape mainly composed of silica and alumina is disposed, and a heater 16 is disposed therein.

以上のように構成された酸素ポンプの動作、作用を説明する。   The operation and action of the oxygen pump configured as described above will be described.

まず、断熱材15に挟まれた開口部が図1(a)タイプのポンプ素子が、カソード電極膜8側の断熱材に埋め込まれたヒータ16によって650℃に加熱される。その後、リード線11を介してポンプ素子13に電圧を印加すると、カソード電極膜8側の空間の酸素がカソード電極膜8上でイオン化する。そして電界によって酸素イオンが固体電解質1の中を移動し、反対側のアノード電極膜7に到達する。その後、電子を放出して再び酸素分子となり、空間に放出される。   First, an opening sandwiched between the heat insulating materials 15 is heated to 650 ° C. by the heater 16 embedded in the heat insulating material on the cathode electrode film 8 side in the pump element of FIG. Thereafter, when a voltage is applied to the pump element 13 via the lead wire 11, oxygen in the space on the cathode electrode film 8 side is ionized on the cathode electrode film 8. The oxygen ions move in the solid electrolyte 1 by the electric field and reach the anode electrode film 7 on the opposite side. After that, electrons are released to become oxygen molecules again and released into the space.

本実施の形態では、アノード電極膜7の面積を変えた3種類について電圧を1.0V印加した結果、すべて約10.0Aの電流が流れた。酸素発生量は、推定で約330ccである。しかし、通電後300時間では、アノード電極膜の面積が小さいものほど電圧上昇、電流低下が発生し、劣化が生じた。通電試験後のポンプ素子を観察すると、支持体と固体電解質との接合部が部分的に剥離していた。なお、本実施例での酸素発生量約330ccを並列接続で行うと、約90Aという大電流を流す必要がある。   In the present embodiment, as a result of applying a voltage of 1.0 V to three types in which the area of the anode electrode film 7 was changed, a current of about 10.0 A all flowed. The estimated oxygen generation is about 330 cc. However, at 300 hours after energization, the smaller the area of the anode electrode film, the higher the voltage and the lower the current, and the deterioration occurred. When the pump element after the energization test was observed, the joint between the support and the solid electrolyte was partially peeled off. In addition, when the oxygen generation amount of about 330 cc in this embodiment is performed in parallel connection, a large current of about 90 A needs to flow.

以上、本実施の形態により、アノード電極膜7で空間に接する面積が、カソード電極膜8で空間に接する面積より、面積比で50%小さくしても、初期の酸素発生量は減少せず、むしろ、接合面積を大きくすることができるため、熱に対する耐久性能を向上させることができた。   As described above, according to the present embodiment, even when the area of the anode electrode film 7 in contact with the space is 50% smaller than the area of the cathode electrode film 8 in contact with the space by an area ratio, the initial oxygen generation amount does not decrease, Rather, since the bonding area can be increased, the durability against heat can be improved.

(実施の形態2)
図4(a)は、本発明の第2の実施の形態における6個のポンプ素子を直列に接続したものの平面図である。また、図4(b)、(c)は、そのポンプ素子部分2箇所の断面図であり、下面のアノード電極膜7に接続した導電性の接合体と隣接したカソード電極膜8がリード線11によって接続されている。また、アノード電極膜7の面積が、カソード電極膜8の面積より小さくなるように構成されており、支持体2とはアノード電極膜7の側で接合されている。以下、実施の形態1と異なる部分を中心に説明を加える。
(Embodiment 2)
FIG. 4 (a) is a plan view of six pump elements connected in series in the second embodiment of the present invention. FIGS. 4B and 4C are cross-sectional views of the pump element portion at two locations. The cathode electrode film 8 adjacent to the conductive joint connected to the anode electrode film 7 on the lower surface is a lead wire 11. Connected by. Further, the area of the anode electrode film 7 is configured to be smaller than the area of the cathode electrode film 8, and the anode 2 is joined to the support 2 on the anode electrode film 7 side. Hereinafter, a description will be added with a focus on differences from the first embodiment.

支持体2は、図4(b)では、実施の形態1と同様にセラミックス板であるが、図4(c)では、金属箔である。そして、金属箔と導電性の接合体の間はガラス製の絶縁体によって絶縁されている。ここで、金属箔として、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。また、絶縁体としてガラスの焼結体を使用したがこれに限定されるものでなく、ZrO2膜、Al2O3膜が使用できる。   In FIG. 4B, the support 2 is a ceramic plate as in the first embodiment, but in FIG. 4C, it is a metal foil. The metal foil and the conductive joined body are insulated by a glass insulator. Here, although Fe-20Cr-5Al material was used as the metal foil, the material is not limited to this, and other metal foil materials can be used as long as the material has durability against high-temperature oxidation. . 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. Further, although a glass sintered body is used as the insulator, the invention is not limited to this, and a ZrO 2 film or an Al 2 O 3 film can be used.

本実施例において、アノード電極膜側の接合部は外周を3.0mmの3種類の幅で形成させた。この場合のアノード電極膜の面積は、カソード電極膜の面積の76%である。   In this example, the outer periphery of the junction part on the anode electrode film side was formed with three types of widths of 3.0 mm. In this case, the area of the anode electrode film is 76% of the area of the cathode electrode film.

そして、ポンプ素子を組み込んだ酸素ポンプの動作モデルの概略断面構成図は図3と同様であるが、リード線11がカソード電極膜側のみから引き出されている(図示せず)のが特徴である。   The schematic cross-sectional configuration diagram of the operation model of the oxygen pump incorporating the pump element is the same as that of FIG. 3, but the lead wire 11 is drawn out only from the cathode electrode film side (not shown). .

以上のように構成された酸素ポンプを実施の形態1と同様な方法で動作させた。その結果、電圧を1.0V印加したとき、約10.0Aの電流が流れた。酸素発生量は、推定で約330ccである。そして、500時間通電後、図4(b)と(c)のタイプのポンプ素子を観察すると、図4(b)の支持体がセラミックスである方の固体電解質にマイクロクラックが生じていた。   The oxygen pump configured as described above was operated in the same manner as in the first embodiment. As a result, when a voltage of 1.0 V was applied, a current of about 10.0 A flowed. The estimated oxygen generation is about 330 cc. When the pump elements of the types shown in FIGS. 4B and 4C were observed after energization for 500 hours, microcracks were generated in the solid electrolyte in which the support in FIG. 4B was a ceramic.

以上、本実施の形態により、支持体2を金属箔にして、アノード電極膜7の方を接合のために面積を小さくしても初期の酸素発生量は減少せず、むしろ、接合面積を大きくできたことと、熱歪に対する柔軟性を得られたことで、熱に対する耐久性能を向上させることができた。   As described above, according to the present embodiment, even if the support 2 is made of metal foil and the area of the anode electrode film 7 is reduced for bonding, the initial oxygen generation amount does not decrease, but rather the bonding area is increased. As a result, it was possible to improve durability against heat because of its flexibility and resistance to thermal strain.

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは、回路の低電流化が可能となるので、家庭用の電化製品として利用できる。このような電化製品として、例えば酸素富化器や酸素吸引器のような健康機器、空気清浄器やエアコンのような空調機器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品があげられる。   As described above, the oxygen pump according to the present invention can reduce the circuit current, and thus can be used as a household electric appliance. Examples of such electrical appliances include health equipment such as an oxygen enricher and oxygen aspirator, air conditioning equipment such as an air purifier and an air conditioner, and products in which they are incorporated as part of the function.

(a)と(b)は発明の実施の形態1、2におけるポンプ素子の断面図(A) And (b) is sectional drawing of the pump element in Embodiment 1, 2 of invention (a)は発明の実施の形態1におけるポンプ素子の平面図(b)は(a)の断面図(A) is the top view of the pump element in Embodiment 1 of invention, (b) is sectional drawing of (a). 発明の実施の形態1、2における酸素ポンプの動作モデルの断面図Sectional drawing of the operation | movement model of the oxygen pump in Embodiment 1, 2 of invention (a)は発明の実施の形態2におけるポンプ素子の平面図(b)と(c)は(a)の断面図(A) is a top view of the pump element in Embodiment 2 of invention, (b) and (c) are sectional drawings of (a). 従来の特許文献1参照による酸素ポンプの平面図Plan view of an oxygen pump according to a conventional patent document 1 従来の特許文献1参照による酸素ポンプの断面図Sectional view of an oxygen pump according to the conventional patent document

符号の説明Explanation of symbols

1 固体電解質
2 支持体
7 アノード電極膜
8 カソード電極膜
9 開口部
11 リード線
13 ポンプ素子
14 筐体
15 断熱材
16 ヒータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid electrolyte 2 Support body 7 Anode electrode film 8 Cathode electrode film 9 Opening part 11 Lead wire 13 Pump element 14 Case 15 Heat insulating material 16 Heater

Claims (10)

複数の開口部が設けられた支持体と、前記開口部を塞ぐように接合体によって接合された酸素イオン導電性の固体電解質と、前記固体電解質の両面にアノード電極膜とカソード電極膜がそれぞれ形成されたポンプ素子と、前記ポンプ素子にリード線を介して電圧を印加するための電源と、前記ポンプ素子に対向して配置されたヒータとを備え、前記複数の電極膜の極性が支持体に対して同極性であって、前記複数のポンプ素子が電気的に直列回路となるように構成され、かつアノード電極膜の外気に接する面積が、カソード電極膜の外気に接する面積より小さいことを特徴とする酸素ポンプ。 A support provided with a plurality of openings, an oxygen ion conductive solid electrolyte joined by a joined body so as to close the openings, and an anode electrode film and a cathode electrode film formed on both sides of the solid electrolyte, respectively. A pump element, a power source for applying a voltage to the pump element via a lead wire, and a heater disposed opposite to the pump element, wherein the polarities of the plurality of electrode films are on the support. The plurality of pump elements are configured to be electrically connected in series, and the area of the anode electrode film in contact with the outside air is smaller than the area of the cathode electrode film in contact with the outside air. And oxygen pump. 開口部が格子形状またはスリット形状である請求項1に記載の酸素ポンプ。 The oxygen pump according to claim 1, wherein the opening has a lattice shape or a slit shape. アノード電極膜が、カソード電極膜と面積比で50%以上かつ100%未満である請求項1または2に記載の酸素ポンプ。 The oxygen pump according to claim 1 or 2, wherein the anode electrode film has an area ratio of 50% or more and less than 100% with respect to the cathode electrode film. 支持体が金属箔である請求項1に記載の酸素ポンプ。 The oxygen pump according to claim 1, wherein the support is a metal foil. アノード電極膜に電気的に接続された導電性の接合体と、前記接合体に接続されたリード線とを有し、前記リード線が支持体に対してカソード電極膜と同じ面側であることを特徴とする請求項1に記載の酸素ポンプ。 It has a conductive joined body electrically connected to the anode electrode film and a lead wire connected to the joined body, and the lead wire is on the same surface side as the cathode electrode film with respect to the support. The oxygen pump according to claim 1. 支持体が導電性の金属箔であり、かつ前記金属箔と接合体が絶縁体によって電気的に絶縁されている請求項5に記載の酸素ポンプ。 The oxygen pump according to claim 5, wherein the support is a conductive metal foil, and the metal foil and the joined body are electrically insulated by an insulator. 金属箔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4または6に記載の酸素ポンプ。 The oxygen pump according to claim 4 or 6, wherein the metal foil is a ferritic stainless steel containing aluminum. 電極膜が、固体電解質に接した金属酸化物と前記金属酸化物に接した貴金属との2層で構成された請求項1に記載の酸素ポンプ。 The oxygen pump according to claim 1, wherein the electrode film is composed of two layers of a metal oxide in contact with a solid electrolyte and a noble metal in contact with the metal oxide. 固体電解質がランタンガレートである請求項1または2に記載の酸素ポンプ。 The oxygen pump according to claim 1 or 2, wherein the solid electrolyte is lanthanum gallate. 絶縁体がガラスの焼結体である請求項6に記載の酸素ポンプ。












The oxygen pump according to claim 6, wherein the insulator is a sintered body of glass.












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