JP2007126327A - Oxygen pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加熱に必要な消費電力などのエネルギーの低減と耐久信頼性を向上させた酸素イオン導電性固体電解質を用いた酸素ポンプ装置に関する。 The present invention relates to an oxygen pump device using an oxygen ion conductive solid electrolyte that has reduced energy such as power consumption necessary for heating and improved durability reliability.
酸素ポンプ装置として、従来は有機シリコーンなどの高分子膜やゼオライトを用いて酸素濃度を高めた酸素富加装置があるが、最近になって、酸素イオン導電性固体電解質を用いた装置の提案が見受けられる(例えば、特許文献1参照)。 Conventional oxygen pump devices include oxygen enriched devices that use high molecular weight membranes such as organosilicones and zeolites to increase the oxygen concentration. Recently, there have been proposals for devices using oxygen ion conductive solid electrolytes. (See, for example, Patent Document 1).
図3は、その構成を示し、酸素イオン導電性固体電解質51の両面に形成した第1電極52と第2電極53に直流電源54により数Vの電圧を印加して、酸素分子を第1電極52から酸素イオン導電性固体電解質51を経由して第2電極53に移動させて、第2電極3の側に100%の酸素ガスを生成する酸素ポンプ素子55を構成している。
FIG. 3 shows the configuration, and a voltage of several volts is applied to the
酸素ポンプ素子55は、接着材料56を介して取り付けられた区画手段57により第1電極52の側の空間58と第2電極53の側の空間59に区画されている。
The
また、この酸素生成の電気化学反応を効果的におこなうため、酸素ポンプ素子55の近くには、これを加熱するためのヒータ60が配置されており、通電により発熱して600℃前後まで昇温されている。
Further, in order to effectively perform this electrochemical reaction for oxygen generation, a
酸素ポンプ素子55と区画手段57とヒータ60は、その周囲を通気性の断熱材61で外包し、さらにその周囲を開口部を設けた筐体62で外包して放熱低減を図り、ヒータ60の電力を低減させている。
The
酸素ポンプ素子55とヒータ60が通気性の断熱材61によって直接に大気と接触しないようにしているので、ヒータ60による酸素ポンプ素子55への熱効率が向上し、消費電力を小さくすることができる。
Since the
また、酸素ポンプ素子55の保持も同時におこなう区画手段57が熱膨張係数が略同一の鉄―クロム合金の金属箔で構成されているため、この酸素ポンプ素子55は、弾力的に保持されることとなり、断熱材62との相乗効果と合せて均一な温度分布とすることができ、温度差を原因とするクラック破損が防止されるようにしてある。
しかしながら、従来の酸素イオン導電性固体電解質を用いた酸素ポンプ装置は、加熱に必要な電力を小さくするために、酸素ポンプ素子55と区画手段57とヒータ60の周囲を通気性の断熱材61で外包して放熱低減を図る構成であるため、酸素発生濃縮能力が大型化すると、ヒータ60の消費電力が期待したほど低減しないという課題があった。
However, in a conventional oxygen pump device using an oxygen ion conductive solid electrolyte, in order to reduce the power required for heating, the
これは、酸素発生濃縮能力が増大すると、多量の空気の供給補充を必要とし、この多量の空気供給補充を円滑にするには、断熱材61の通気性を積極的に高める必要性が生じて断熱材の厚みを薄くしなければならない。このことは結果的に断熱性能の低下となり酸素ポンプ素子55の温度低下を招いてしまうので、このことを防止する目的で、ヒータ60の電力量を増大して酸素ポンプ素子55を所定温度に維持して対処するためである。
This is because when the oxygen generation / concentration capacity is increased, it is necessary to supply and replenish a large amount of air. In order to smoothly replenish this large amount of air, it is necessary to positively increase the air permeability of the
このように、酸素ポンプ素子55とヒータ60とは通気性の断熱材61によって直接に大気と接触しないようにされている構成であるため、酸素発生濃縮能力が小さいと少量の空気供給補充で済むのでこの構成で対応できるのだが、酸素発生濃縮能力が大きくなると多量の空気供給補充を必要とするので断熱材61が空気の供給補充を妨げてしまう。このため、従来の断熱構成をそのまま使用して酸素発生濃縮能力を向上させると、断熱材61の厚みを薄くするなどしてその通気性を積極的に高める必要があり、これがヒータ60の消費電力増大を招いていた。
本発明は、前記課題を解決するものであり、酸素イオン導電性固体電解質を加熱するヒータなどの加熱体の消費電力の一層の低減を目的とする。
As described above, since the
This invention solves the said subject and aims at the further reduction of the power consumption of heating bodies, such as a heater which heats an oxygen ion conductive solid electrolyte.
前記目的を達成するために、本発明の酸素ポンプ装置は、酸素イオン導電性固体電解質の両面に形成したカソード電極とアノード電極を有する酸素ポンプ素子と、酸素ポンプ素子のカソード側空間とアノード側空間を区画する区画手段と、カソード側空間もしくはアノード側空間の少なくとも片側内部空間に配置され酸素ポンプ素子の加熱をおこなう加熱体と、カソード側空間とアノード側空間の周囲を外包するように配置された断熱材を具備し、区画手段を構成する部材であり酸素イオン導電性固体電解質を無機系電気絶縁性接合材を介して保持する保持板は、酸素イオン導電性固体電解質と熱膨張係数が略同一の金属であり、少なくとも加熱体の側の表面には金属酸化物系微薄膜が形成されているとした。 In order to achieve the above object, an oxygen pump device of the present invention includes an oxygen pump element having a cathode electrode and an anode electrode formed on both surfaces of an oxygen ion conductive solid electrolyte, a cathode side space and an anode side space of the oxygen pump element. Partitioning means for partitioning, a heating body for heating the oxygen pump element disposed in at least one internal space of the cathode side space or the anode side space, and a space surrounding the cathode side space and the anode side space The holding plate that has a heat insulating material and constitutes the partition means and holds the oxygen ion conductive solid electrolyte via the inorganic electrically insulating bonding material has substantially the same thermal expansion coefficient as the oxygen ion conductive solid electrolyte. It is assumed that a metal oxide fine thin film is formed at least on the surface of the heating body.
酸素イオン導電性固体電解質を保持する保持板は、金属であり、加熱体の側の表面に、金属酸化物系微薄膜が形成された構成である。一方、電気絶縁性接合材は、一般にガラスやセラミックを使用するので電気絶縁性と接合性を確保するために、高温で焼成する必要があり、この高温焼成により、保持板の金属およびその表面の金属酸化物系微薄膜は熱処理される。この熱受熱構成と高温熱処理のため、金属酸化物系微薄膜は、加熱体から発せられる赤外線を吸収して温度上昇し、その上昇熱を金属を介して酸素イオン導電性固体電解質に伝達する。このため、酸素イオン導電性固体電解質は、加熱体から発せられる輻射熱を効果的に受熱して高温に保持され、多量の空気供給の必要性から生じた断熱材の厚み低減にともなう温度低下の影響を受けにくくなり、結果的に、併設した加熱体の電力が増加しにくくなる効果が生じる。 The holding plate for holding the oxygen ion conductive solid electrolyte is made of metal, and has a structure in which a metal oxide-based fine thin film is formed on the surface on the heating body side. On the other hand, since an electrically insulating bonding material generally uses glass or ceramic, it is necessary to fire at a high temperature in order to ensure electrical insulation and bonding properties. The metal oxide thin film is heat treated. Due to this heat receiving structure and high-temperature heat treatment, the metal oxide fine thin film absorbs infrared rays emitted from the heating body and rises in temperature, and transmits the rising heat to the oxygen ion conductive solid electrolyte through the metal. For this reason, the oxygen ion conductive solid electrolyte effectively receives the radiant heat generated from the heating body and is held at a high temperature, and the influence of the temperature drop due to the reduction in the thickness of the heat insulating material caused by the necessity of supplying a large amount of air As a result, there is an effect that it is difficult to increase the power of the heating element provided.
また、金属酸化物系微薄膜は、金属箔の酸化防止などの保護作用があり、その耐久信頼性を一層向上させる効果が生じる。さらに、酸素ポンプ素子の保持も同時におこなう保持板が、熱膨張係数が略同一の金属で構成されているため、酸素ポンプ素子は、弾力的に保持されており、金属酸化物系微薄膜の輻射熱受熱効果との相乗効果とあわさって均一な温度分布とすることができ、温度差を原因とするクラック破損が防止される。 In addition, the metal oxide fine thin film has a protective action such as prevention of oxidation of the metal foil, and has an effect of further improving the durability reliability. Furthermore, since the holding plate that holds the oxygen pump element at the same time is made of a metal having substantially the same thermal expansion coefficient, the oxygen pump element is held elastically, and the radiant heat of the metal oxide fine thin film In combination with the synergistic effect with the heat receiving effect, a uniform temperature distribution can be obtained, and crack breakage due to the temperature difference is prevented.
本発明の酸素ポンプ装置は、酸素ポンプ素子の加熱に必要なエネルギー低減とその耐久信頼性を向上させることができる。 The oxygen pump device of the present invention can reduce the energy required for heating the oxygen pump element and improve its durability reliability.
第1の発明の酸素ポンプ装置は、酸素イオン導電性固体電解質の両面に形成したカソード電極とアノード電極を有する酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子のカソード側空間とアノード側空間を区画する区画手段と、前記カソード側空間もしくはアノード側空間の少なくとも片側内部空間に配置され前記酸素ポンプ素子の加熱をおこなう加熱体と、前記カソード側空間とアノード側空間の周囲を外包するように配置された断熱材を具備し、前記区画手段を構成する部材であり前記酸素イオン導電性固体電解質を電気絶縁性接合材を介して保持する保持板は、前記酸素イオン導電性固体電解質と熱膨張係数が略同一の金属
であり、少なくとも前記加熱体との対向側の表面には金属酸化物系微薄膜が形成されているとした。
An oxygen pump device according to a first aspect of the present invention is an oxygen pump element having a cathode electrode and an anode electrode formed on both surfaces of an oxygen ion conductive solid electrolyte, and a partition means for partitioning a cathode side space and an anode side space of the oxygen pump element. A heating element that is disposed in at least one internal space of the cathode side space or the anode side space and that heats the oxygen pump element; and a heat insulating material that is disposed so as to surround the cathode side space and the anode side space And a holding plate that holds the oxygen ion conductive solid electrolyte via an electrically insulating bonding material and has a thermal expansion coefficient substantially the same as that of the oxygen ion conductive solid electrolyte. It is a metal, and a metal oxide fine thin film is formed at least on the surface facing the heating element.
酸素イオン導電性固体電解質を保持する保持板は、金属であり、加熱体の側の表面に、金属酸化物系微薄膜が形成された構成である。一方、電気絶縁性接合材は、電気絶縁性と接合性を確保するために高温で焼成する必要があり、この高温焼成により、保持板の金属およびその表面の金属酸化物系微薄膜は熱処理される。 The holding plate for holding the oxygen ion conductive solid electrolyte is made of metal, and has a structure in which a metal oxide-based fine thin film is formed on the surface on the heating body side. On the other hand, the electrical insulating bonding material needs to be fired at a high temperature in order to ensure electrical insulation and bondability. By this high-temperature firing, the metal of the holding plate and the metal oxide fine thin film on the surface are heat-treated. The
この構成と高温熱処理のため、金属酸化物系微薄膜は、加熱体から発せられる赤外線を吸収して温度上昇し、その上昇熱を金属を介して酸素イオン導電性固体電解質に伝達する。このため、酸素イオン導電性固体電解質は、加熱体から発せられる輻射熱を効果的に受熱して高温に保持され、多量の空気供給の必要性から生じた断熱材の厚み低減にともなう温度低下の影響を受けにくくなり、結果的に、併設した加熱体の電力が増加しにくくなる効果が生じる。 Due to this configuration and high-temperature heat treatment, the metal oxide fine thin film absorbs infrared rays emitted from the heating body and rises in temperature, and transmits the rising heat to the oxygen ion conductive solid electrolyte through the metal. For this reason, the oxygen ion conductive solid electrolyte effectively receives the radiant heat generated from the heating body and is held at a high temperature, and the influence of the temperature drop due to the reduction in the thickness of the heat insulating material caused by the necessity of supplying a large amount of air As a result, there is an effect that it is difficult to increase the power of the heating element provided.
また、金属酸化物系微薄膜は、金属箔の酸化防止などの保護作用があり、その耐久信頼性を一層向上させる効果が生じる。さらに、酸素ポンプ素子の保持も同時におこなう保持板が、熱膨張係数が略同一の金属で構成されているため、酸素ポンプ素子は、弾力的に保持されており、金属酸化物系微薄膜の輻射熱受熱効果との相乗効果とあわさって一層均一な温度分布とすることができ、温度差を原因とするクラック破損が一層防止される。 In addition, the metal oxide fine thin film has a protective action such as prevention of oxidation of the metal foil, and has an effect of further improving the durability reliability. Furthermore, since the holding plate that holds the oxygen pump element at the same time is made of a metal having substantially the same thermal expansion coefficient, the oxygen pump element is held elastically, and the radiant heat of the metal oxide fine thin film In combination with the synergistic effect with the heat receiving effect, a more uniform temperature distribution can be obtained, and crack breakage due to the temperature difference is further prevented.
第2の発明の酸素ポンプ装置は、第1の発明の酸素ポンプ装置における保持板がフェライト系ステンレスであり、金属酸化物系微薄膜はガラス化や結晶化に優れた酸化ジルコニウムもしくは酸化チタンを主成分とした。 In the oxygen pump device of the second invention, the holding plate in the oxygen pump device of the first invention is ferritic stainless steel, and the metal oxide fine thin film is mainly composed of zirconium oxide or titanium oxide excellent in vitrification and crystallization. Ingredients.
この材料組成にすると相乗効果により、金属酸化物系微薄膜は、加熱体から発せられる輻射熱を効果的に受熱して、酸素ポンプ素子を効果的に高温保持できた。 With this material composition, the metal oxide fine thin film can effectively receive the radiant heat generated from the heating body and can effectively hold the oxygen pump element at a high temperature due to a synergistic effect.
第3の発明の酸素ポンプ装置は、第1の発明の酸素ポンプ装置におけるカソード側空間を構成する筐体が、空気が流入通過する2つの空気パイプを有する金属であり、その内部空間に加熱体を配置した構成とした。 In the oxygen pump device of the third invention, the casing constituting the cathode side space in the oxygen pump device of the first invention is a metal having two air pipes through which air flows in and flows, and a heating body is provided in the internal space. It was set as the structure which arranged.
この構成にすると、加熱体から発せられる輻射熱を筐体の金属が反射して、その反射熱を金属酸化物系微薄膜が効果的に受熱して、酸素ポンプ素子を効果的に高温保持できた。また、加熱体から発せられる対流熱も、筐体の金属により逆戻りしてその熱が閉じ込められるため、酸素ポンプ素子をさらに効果的に高温保持できた。 With this configuration, the metal of the housing reflects the radiant heat generated from the heating body, and the reflected heat is effectively received by the metal oxide thin film, so that the oxygen pump element can be effectively held at a high temperature. . Further, the convection heat generated from the heating body is also reversed by the metal of the housing and is confined, so that the oxygen pump element can be held more effectively at a high temperature.
第4の発明の酸素ポンプ装置は、第1の発明の酸素ポンプ装置におけるアノード側空間を構成する筐体を少なくとも酸素関連生成ガスが通過するガス排出パイプを有する金属であるとした。 The oxygen pump device of the fourth invention is a metal having a gas discharge pipe through which at least the oxygen-related product gas passes through the casing constituting the anode side space in the oxygen pump device of the first invention.
この構成にすると、高温に保持された酸素ポンプ素子から発せられる輻射熱を筐体の金属が反射して、その反射熱を酸素ポンプ素子が効果的に受熱して、その温度を一層効果的に高温保持できた。また、対流熱も、筐体の金属により逆戻りしてその熱が閉じ込められるため、酸素ポンプ素子をさらに効果的に高温保持できた。 With this configuration, the housing metal reflects the radiant heat emitted from the oxygen pump element held at a high temperature, and the reflected heat is effectively received by the oxygen pump element, so that the temperature can be increased more effectively. I was able to hold it. In addition, the convection heat is reversed by the metal of the casing and the heat is confined, so that the oxygen pump element can be held at a high temperature more effectively.
第5の発明の酸素ポンプ装置は、第1の発明の酸素ポンプ装置における金属酸化物系微薄膜を酸素イオン導電性固体電解質を保持する側の保持板に形成したとした。 In the oxygen pump device of the fifth invention, the metal oxide fine thin film in the oxygen pump device of the first invention is formed on the holding plate on the side holding the oxygen ion conductive solid electrolyte.
金属酸化物系微薄膜を酸素イオン導電性固体電解質を保持する側の保持板に形成すると
、ガラスやセラミックからなる電気絶縁性接合材と保持板との密着性や電気絶縁性が向上した。
When the metal oxide fine thin film is formed on the holding plate on the side holding the oxygen ion conductive solid electrolyte, the adhesion and the electric insulation between the electric insulating bonding material made of glass or ceramic and the holding plate are improved.
第6の発明の酸素ポンプ装置は、第1の発明の酸素ポンプ装置における金属酸化物系微薄膜を保持板の両面に形成したとした。 In the oxygen pump device of the sixth invention, the metal oxide fine thin film in the oxygen pump device of the first invention is formed on both surfaces of the holding plate.
金属酸化物系微薄膜を保持板の両面に形成すると、加熱体から発せられる輻射熱の受熱と、電気絶縁性接合材と保持板との密着性や電気絶縁性向上という2つの課題が、簡単な設計で簡単に解決できる。 When the metal oxide thin film is formed on both sides of the holding plate, the two problems of receiving heat of the radiant heat generated from the heating body, and improving the adhesion between the electrically insulating bonding material and the holding plate and improving the electrical insulation are simple. Can be solved easily by design.
第7の発明の酸素ポンプ装置は、第5の発明の酸素ポンプ装置における電気絶縁性接合材がガラスであり、金属酸化物系微薄膜がガラス化や結晶化に優れた酸化ジルコニウムもしくは酸化チタンを主成分としたとした。 In the oxygen pump device of the seventh invention, the electrically insulating bonding material in the oxygen pump device of the fifth invention is glass, and the metal oxide micro thin film is made of zirconium oxide or titanium oxide excellent in vitrification and crystallization. The main component was used.
この材料組成にすると相乗効果により、電気絶縁性接合材と保持板との密着性や電気絶縁性が一層向上する。 With this material composition, due to a synergistic effect, the adhesion between the electrically insulating bonding material and the holding plate and the electrical insulation are further improved.
第8の発明の酸素ポンプ装置は、第5の発明の酸素ポンプ装置における電気絶縁性接合材が金属酸化物系微薄膜の側と酸素イオン導電性固体電解質の側の両方に形成されて各々を接合したガラスであるとした。 In the oxygen pump device of the eighth invention, the electrically insulating bonding material in the oxygen pump device of the fifth invention is formed on both the metal oxide-based fine thin film side and the oxygen ion conductive solid electrolyte side. The glass was bonded.
電気絶縁性接合材は、ガラスであり、金属酸化物系微薄膜の側と酸素イオン導電性固体電解質の側の両方に形成されて各々を接合した構成とすると、電気絶縁性接合材と保持板との密着性や電気絶縁性が一層向上する。 The electrically insulating bonding material is glass, and is formed on both the metal oxide-based fine thin film side and the oxygen ion conductive solid electrolyte side to join each other. Adhesion and electrical insulation are further improved.
第9の発明の酸素ポンプ装置は、第7または8の発明の酸素ポンプ装置における電気絶縁性接合材が、結晶化ガラスであるとした。 In the oxygen pump device of the ninth invention, the electrically insulating bonding material in the oxygen pump device of the seventh or eighth invention is crystallized glass.
電気絶縁性接合材が、結晶化ガラスであると電気絶縁性接合材と保持板との密着性や電気絶縁性がさらに一層向上する。 When the electrically insulating bonding material is crystallized glass, the adhesion between the electrically insulating bonding material and the holding plate and the electric insulation are further improved.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the form of this invention.
(実施の形態1)
図1において、酸素イオン導電性固体電解質1の両面に形成したカソード電極2とアノード電極3に直流電源(記載せず)により数Vの電圧を印加することによって、空気中の酸素分子がカソード電極2から酸素イオン導電性固体電解質1を経由してアノード電極3に移動し、このアノード電極3の側に100%の酸素ガスを生成する。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, a voltage of several volts is applied to a
この酸素生成をおこなう酸素ポンプ素子4は、その片側の電極の近くに対向して配置された加熱体5により加熱されて600℃前後まで昇温され、酸素生成の電気化学反応が効果的におこなわれるようにされている。
The oxygen pump element 4 for generating oxygen is heated by a
また、酸素ポンプ素子4は、区画手段6によりカソード電極2側の空間(以下、カソード側空間と称す)7と、アノード電極3側の空間(以下、アノード側空間と称す)8に区画されており、生成した100%の酸素ガスが効果的に得られるようにしている。
The oxygen pump element 4 is partitioned by a partitioning means 6 into a space on the
加熱体5は、カソード側空間7、もしくはアノード側空間8の少なくとも片側内部空間に配置されており、断熱材9がこれら両空間の周囲を外包するように配置されているため
、放熱低減が図られ、加熱体5の電力低減がなされる。
The
保持板10は、区画手段6を構成する部材であるが、電気絶縁性接合材11を介して酸素イオン導電性固体電解質1を保持しており、この酸素イオン導電性固体電解質1と熱膨張係数が略同一の金属で構成し、少なくとも加熱体5の側の表面に金属酸化物系微薄膜12を有している。
The holding
酸素富加装置として使用する材料について説明する。酸素イオン導電性固体電解質体1は、ZrO2の97〜85モル%にY2O3やCaOなどを3〜15モル%固溶させたジルコニア系複合金属酸化物(La0.8Sr0.2)(Ga0.8Mg0.15Co0.05)O3− δや、LaGaO3等のランタンガレード系複合金属酸化物(Ba、Sr、La)2(In1−xYx)2OYの欠陥ペロブスカイト型複合酸化物を使用する。
The material used as the oxygen enricher will be described. The oxygen ion conductive
カソード電極2およびアノード電極3は、酸素欠陥性構造もしくはペロブスカイト構造または両方の金属酸化物を主成分とする金属酸化物系電極と、この上に積層した貴金属を主成分とする貴金属電極との積層電極を用いる。
The
酸素欠陥性構造金属酸化物は、化学量論的にみて酸素分子の個数が不足した化学式で表現される金属酸化物であり、ペロブスカイト構造金属酸化物は、A金属とB金属と酸素とからなりその化学式がABO3と表現される複合金属酸化物である。 An oxygen-deficient structure metal oxide is a metal oxide expressed by a chemical formula in which the number of oxygen molecules is insufficient in terms of stoichiometry, and a perovskite structure metal oxide is composed of an A metal, a B metal, and oxygen. It is a complex metal oxide whose chemical formula is expressed as ABO 3 .
金属酸化物系電極は、具体的には、LaCo3、SmSrCox(La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O3、(Sr0.10Ce0.01)Zr0.89O2(La0.6Sr0.4)MnO3―δ(La1−xSrx)、CoO3―δを使用する。 Specifically, the metal oxide-based electrodes are LaCo 3 , SmSrCox (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O 3 , (Sr 0.10 Ce 0.01 ) Zr. 0.89 O 2 (La 0.6 Sr 0.4 ) MnO 3-δ (La 1-x Srx), CoO 3-δ is used.
貴金属電極は、白金、パラジウム、金、銀、銀、ロジウム、イリジウム、ルテニウムの単独成分もしくは複数成分であり、必要により酸化ビスマスを1〜6wt%さらに混合してもよい。これらカソード電極2およびアノード電極3は、酸素イオン導電性固体電解質1の両面に各々形成され、酸素ポンプ素子4を構成している。
The noble metal electrode is a single component or a plurality of components of platinum, palladium, gold, silver, silver, rhodium, iridium, and ruthenium, and bismuth oxide may be further mixed in an amount of 1 to 6 wt% if necessary. The
加熱体5は、鉄―ニッケル合金やニッケルークロム合金を使用した電気ヒータであり、赤外線を多く発する。また、この加熱体5は、酸素ポンプ素子4の片側電極の近くに対向して配置して、発せられる赤外線をできるだけ多く酸素ポンプ素子4が受熱できるようにすることが望ましいのだが、電気絶縁性確保のためやむを得ず両者の中間位置に電気絶縁膜を配置する場合は、その層高をできるだけ薄くして、加熱体5から発せられる赤外線を多く酸素ポンプ素子4が受熱できるように工夫している。
The
断熱材9は、シリカやアルミナの単独もしくは複合の材料であり、本実施の形態では通気性を持たせることで、酸素ポンプ素子4と加熱体5が直接に大気と接触しないようにして、通気と放熱抑制を兼ねるようにしている。
The
区画手段6は金属やセラミックであり、カソード側空間7とアノード側空間8との区画をおこなう。保持板10は区画手段6の一部分であり、酸素ポンプ素子4を構成する酸素イオン導電性固体電解質1をガラスやセラミックの電気絶縁性接合材11を介して保持する。そのため、保持板10は酸素イオン導電性固体電解質1と熱膨張係数が略同一(±15%以内で同一)である金属材料の板や箔であり、特に、鉄―クロム系ステンレスの金属箔が望ましい。
The partition means 6 is made of metal or ceramic, and partitions the
電気絶縁性接合材11は、保持板10や酸素イオン導電性固体電解質1と熱膨張係数が
略同一(±15%以内で同一)であるガラスやセラミックであり、電気絶縁性と接合性を確保するために、高温で焼成する必要があった。電気絶縁性接合材11を高温焼成することにより、保持板10として用いた一枚の大面積の鉄―クロム系ステンレスの金属箔に、多くの小面積の酸素ポンプ素子4が金属箔に予め設けた貫通穴の周辺に各々保持固定できるようにしている。
The electrically insulating
金属酸化物系微薄膜12は、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化銅、酸化鉄、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化クロム、酸化インジウムなどの少なくとも1種成分を主成分とする膜厚20Å〜0.2μmの微薄膜であり、加熱体5に対向する側の保持板10の表面に予め形成されている。
The metal oxide
また、金属酸化物系微薄膜12は、金属アルコキシドを出発原料としたゾルゲル法で形成されており、600〜1000℃で焼成されることでガラス状物質となる。電気絶縁性接合材11の形成にともなう高温焼成により、保持板10の金属およびその表面の金属酸化物系微薄膜12は熱処理される。
The metal oxide fine
この構成と高温熱処理とにより、金属酸化物系微薄膜12は、加熱体5から発せられる赤外線を吸収して温度上昇し、その上昇熱を熱伝導性に優れた金属の保持板10を介して酸素ポンプ素子4に伝達する。
With this configuration and the high-temperature heat treatment, the metal oxide fine
このため、酸素ポンプ素子4は、加熱体5から発せられる輻射熱を効果的に受熱して高温に保持され、多量の空気供給に起因する温度低下が抑制される。そのため、酸素ポンプ素子4を所定温度に保持するに必要な加熱体5の消費電力が増加しにくくなる効果が生じた。
For this reason, the oxygen pump element 4 effectively receives the radiant heat generated from the
また、金属酸化物系微薄膜12は、金属箔からなる保持板10の酸化防止などの保護作用があり、その耐久信頼性を向上させる効果がある。さらに、酸素ポンプ素子4の保持も同時におこなう保持板10は、熱膨張係数が略同一の金属箔で構成されているため、酸素ポンプ素子16は、弾力的に保持されており、金属酸化物系微薄膜24の輻射熱受熱効果との相乗効果とあわさってさらに均一な温度分布とすることができ、温度差を原因とするクラック破損が一層防止された。
In addition, the metal oxide fine
一方、保持板10に金属酸化物系微薄膜12が形成されていない従来品にすると、加熱体5の輻射熱受熱が少ないため、酸素ポンプ素子4を所定温度に保持するに必要な加熱体5の消費電力が増加し、クラック破損の頻度がやや多くなった。
On the other hand, if the conventional product in which the metal oxide-based fine
なお、この酸素ポンプ装置は、燃料電池として使用することもできる。その場合、カソード電極2が空気極となるので、酸素欠陥性構造もしくはペロブスカイト構造または両方の金属酸化物を主成分とする金属酸化物系電極の単独電極もしくは、この上に積層した貴金属を主成分とする貴金属電極との積層電極を用いて対応する。
This oxygen pump device can also be used as a fuel cell. In that case, since the
また、アノード電極3は、燃料極となるので、酸素イオン導電性固体電解質と、酸化ニッケルもしくはニッケルの混合電極を用いて対応する。
Moreover, since the
(実施の形態2)
各部位の材質などの最適化について詳述する。
(Embodiment 2)
The optimization of the material of each part will be described in detail.
第1に、保持板10に使用する金属の材質と、金属酸化物系微薄膜12の材質との最適化について先ず説明する。
First, optimization of the material of the metal used for the holding
保持板10に使用する金属箔が鉄―クロム系ステンレスとし、金属酸化物系微薄膜12がガラス化や結晶化に優れた酸化ジルコニウムもしくは酸化チタンとすると、加熱体5から発せられる輻射熱を効果的に受熱して、酸素ポンプ素子4を効果的に高温保持できた。この輻射熱受熱の効果は、他材料の組合せ品を使用した場合と比較して顕著であり、両材料の相乗効果に起因するものと思われる。
When the metal foil used for the holding
第2に、カソード側空間7を構成する筐体の材料と、加熱体の配置の最適化について説明する。
Secondly, optimization of the material of the casing constituting the
カソード側空間7を構成する筐体13が空気が流入通過する2つの空気パイプ14,15を有する鉄―クロム系ステンレスなどの熱反射性と耐熱性に優れた金属からなりもので、その内部空間に加熱体5を配置した構成である。
The
このように、加熱体5を配置したカソード側空間7を筐体13で外包しているので、この筐体13をさらに外側から外包する断熱材9は、通気性を必要とせず放熱抑制のみを担わせるようにしている。
Thus, since the
この構成にすると、加熱体5から発せられる輻射熱を筐体13の材料である金属が反射して、その反射熱を金属酸化物系微薄膜12が効果的に受熱して、酸素ポンプ素子4を効果的に高温保持できた。
With this configuration, the metal that is the material of the
また、加熱体5から発せられる対流熱も、筐体13の金属により逆戻りしてその熱が閉じ込められるため、酸素ポンプ素子4をさらに効果的に高温保持できた。この輻射熱や対流熱の受熱効果は、金属を使用せずに断熱材を使用した場合と比較して顕著であり、金属の効果に起因するものと思われる。
Further, the convection heat generated from the
第3に、アノード側空間を構成する筐体の材料について説明する。 Thirdly, the material of the casing that constitutes the anode side space will be described.
アノード側空間8を構成する筐体16は、少なくとも酸素関連生成ガスが通過するガス排出パイプ17を有する鉄―クロム系ステンレスなどの熱反射性と耐熱性とに優れた金属からなる。
The
また、酸素関連生成ガスが通過するガス排出パイプ17を除いて、アノード側空間8を筐体16で外包しているので、この筐体16をさらに外側から外包する断熱材9は通気性を必要とせず放熱抑制のみを担わせるようにしている。
Further, since the
この構成にすると、高温に保持された酸素ポンプ素子4から発せられる輻射熱を筐体16の金属が反射して、その反射熱を酸素ポンプ素子4が効果的に受熱して、その温度を一層効果的に高温保持できた。
With this configuration, the metal of the
また、対流熱も、筐体材料16の金属により逆戻りしてその熱が閉じ込められるため、酸素ポンプ素子4をさらに効果的に高温保持できた。この輻射熱や対流熱の受熱効果は、金属を使用せずに断熱材を使用した場合と比較して顕著であり、金属の効果に起因するものと思われる。
Further, since the convection heat is also reversed by the metal of the
次に、金属酸化物系微薄膜12の保持板10における形成向きについて述べる。
Next, the formation direction of the metal oxide fine
金属酸化物系微薄膜12を酸素イオン導電性固体電解質1を保持する側の保持板10に形成すると、ガラスやセラミックからなる電気絶縁性接合材11と保持板10との密着性や電気絶縁性が向上した。この密着性や電気絶縁性の向上効果は、金属酸化物系微薄膜1
2が形成されていない従来品を使用した場合と比較して顕著であり、構成の効果に起因するものと思われる。
When the metal oxide-based fine
This is conspicuous as compared with the case of using a conventional product in which 2 is not formed, and is considered to be due to the effect of the configuration.
また、金属酸化物系微薄膜12の保持板10における形成向きについてさらに述べる。
In addition, the formation direction of the metal oxide fine
金属酸化物系微薄膜12を保持板10の両面に形成すると、加熱体5から発せられる輻射熱の受熱と、電気絶縁性接合材11と保持板10との密着性や電気絶縁性の向上という2つの課題が、簡単な設計で簡単に解決できる。
When the metal oxide fine
金属酸化物系微薄膜12を保持板10に形成する場合の電気絶縁性接合材11の材質と金属酸化物系微薄膜12の材質との最適化について述べる。
The optimization of the material of the electrically insulating
電気絶縁性接合材11がガラスであり、金属酸化物系微薄膜12がガラス化や結晶化に優れた酸化ジルコニウムもしくは酸化チタンを主成分とすると、電気絶縁性接合材11と保持板10との密着性や電気絶縁性が一層向上する。
When the electrically insulating
この密着性や電気絶縁性の向上効果は、他材料の組合せ品を使用した場合と比較して顕著であり、両材料の相乗効果に起因するものと思われる。 The effect of improving the adhesion and electrical insulation is remarkable as compared with the case of using a combination of other materials, and is considered to be due to the synergistic effect of both materials.
また、金属酸化物系微薄膜12を保持板10に形成する場合における電気絶縁性接合材11の材質と構成の最適化について説明する。
Further, optimization of the material and configuration of the electrically insulating
電気絶縁性接合材11はガラスであり、金属酸化物系微薄膜12の側と酸素イオン導電性固体電解質1の側の両方に形成されて各々を接合した材料であるとすると、電気絶縁性接合材11と保持板10との密着性や電気絶縁性がさらに一層向上する。この密着性や電気絶縁性の向上効果は、片側のどちらかだけに電気絶縁性接合材11を形成した場合と比較して顕著であり、両方に形成した構成品のこの効果は、電気絶縁性接合材11の膜厚が厚く効果と、両方に同一材料を設けて接合した相乗効果に起因する効果のためと思われる。
If the electrically insulating
また、金属酸化物系微薄膜12を保持板10に形成する場合における電気絶縁性接合材11の材質についてさらに述べる。電気絶縁性接合材11は、結晶化ガラスであると結晶化した緻密な膜が得られるため、この電気絶縁性接合材11と保持板10との密着性や電気絶縁性がさらに一層向上する。この密着性や電気絶縁性の向上効果は、通常のガラスを電気絶縁性接合材11に使用した場合と比較して顕著であり、結晶化ガラスの効果に起因する効果のためと思われる。
Further, the material of the electrically insulating
なお、本実施の形態2において、図1と同一作用を発揮する構成については同一符号を付し、説明は実施の形態1のものを援用する。 In the second embodiment, the same reference numerals are given to configurations that exhibit the same action as in FIG. 1, and the description of the first embodiment is used for the description.
本発明のポンプ装置は、酸素イオン導電性固体電解質を用いた酸素濃縮装置や燃料電池システムなどの用途に応用できる。 The pump device of the present invention can be applied to applications such as an oxygen concentrator using an oxygen ion conductive solid electrolyte and a fuel cell system.
1 酸素イオン導電性固体電解質
2 カソード電極
3 アノード電極
4 酸素ポンプ素子
5 加熱体
6 区画手段
7 カソード側空間
8 アノード側空間
9 断熱材
10 保持板
11 電気絶縁性接合材
12 金属酸化物系微薄膜
13 カソード側空間を構成する筐体
14,15 空気パイプ
16 アノード側空間を構成する筐体
17 ガス排出パイプ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005320389A JP2007126327A (en) | 2005-11-04 | 2005-11-04 | Oxygen pump device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005320389A JP2007126327A (en) | 2005-11-04 | 2005-11-04 | Oxygen pump device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007126327A true JP2007126327A (en) | 2007-05-24 |
Family
ID=38149283
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005320389A Pending JP2007126327A (en) | 2005-11-04 | 2005-11-04 | Oxygen pump device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007126327A (en) |
-
2005
- 2005-11-04 JP JP2005320389A patent/JP2007126327A/en active Pending
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