JP2007277070A - Oxygen supply device - Google Patents

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Hironao Numamoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen supply device which supplies oxygen in a short period of time while reducing temperature variations to a plurality of solid electrolytes without causing cracks in solid electrolytes. <P>SOLUTION: The voltage of the first voltage application means 14 which applies voltage to an oxygen pump element having a solid electrolyte 1 is controlled by the first voltage control means 15. The voltage of the second application means 19 which applies voltage to a heating means 16 for heating the oxygen pump element is controlled by a second voltage control means 18. When starting, voltage (a) is applied for a certain period of time by the second voltage control 18, and the applied voltage is changed to the voltage (b). Consequently, during the process of the temperature decrease of once raised temperature of the solid electrolyte 1, a specific voltage is applied to the oxygen pump element by the first voltage application means 14 to start. The relationship of the voltage (a) and voltage (b) satisfies (a)>(b). <P>COPYRIGHT: (C)2008,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、特にその制御方法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, and more particularly to a control method thereof.

従来この種の酸素ポンプ素子としては図9に示すように、酸素イオン導電性基板101の両側に電極膜102,103を形成して構成される。それぞれの電極膜102,103からはリード部材104,105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101は支持材1066で保持されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, this type of oxygen pump element is configured by forming electrode films 102 and 103 on both sides of an oxygen ion conductive substrate 101 as shown in FIG. Lead members 104 and 105 are taken out from specific portions of the electrode films 102 and 103, respectively, and connected to a power source (not shown). The oxygen ion conductive substrate 101 is held by a support member 1066 (see, for example, Patent Document 1).

また、他に、図10に示すように、酸素ポンプ素子107がアルミナなどの多孔質基板108に形成された第1電極109と酸素イオン伝導体の薄膜110と第2電極111とから構成され、第1電極膜109は白金の微粒子を多孔質基板108に、第2電極111は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜110に結合して得られる薄膜を形成した構成としている。   In addition, as shown in FIG. 10, the oxygen pump element 107 includes a first electrode 109 formed on a porous substrate 108 such as alumina, a thin film 110 of oxygen ion conductor, and a second electrode 111. The first electrode film 109 has a structure in which platinum fine particles are formed on the porous substrate 108, and the second electrode 111 is formed by forming a thin film obtained by combining the platinum fine particles with the thin film 110 of the oxygen ion conductor.

加熱手段112は、アルミナ基板などの絶縁性基板113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114から構成されている。同加熱手段112は筐体115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。   The heating means 112 includes a heater printing film 114 formed by patterning a conductive paste on an insulating substrate 113 such as an alumina substrate by screen printing. The heating means 112 is not included in the casing 115 and is disposed in a state released to the atmosphere.

この構成において、加熱手段112によって酸素ポンプ素子107を酸素ポンプとして動作する温度に加熱し、第1電極109をカソード、第2電極111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109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110中を移動し、第2電極111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115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(例えば、特許文献2参照)。   In this configuration, when the oxygen pump element 107 is heated to a temperature at which the oxygen pump element 107 operates as an oxygen pump by the heating means 112 and a DC voltage is applied between both electrodes using the first electrode 109 as a cathode and the second electrode 111 as an anode, As shown in FIG. 2, oxygen in the air dissociated and adsorbed by the first electrode 109 moves as oxygen ions in the thin film 110 of the oxygen ion conductor, is carried to the second electrode 111, and is released into the atmosphere as oxygen molecules. Is done. Thus, the oxygen concentration in the container attached to the housing 115 can be reduced (see, for example, Patent Document 2).

さらに、他の酸素ポンプとしては図11、図12に示すようなものがある。すなわち、複数枚の酸素イオン伝導性基板を同時に使用する場合、同じ面側の電極膜をリード線等で電気的に接続し、電源電圧を並列に印加するものであった。   Further, other oxygen pumps include those shown in FIGS. That is, when a plurality of oxygen ion conductive substrates are used at the same time, the electrode films on the same surface side are electrically connected by lead wires or the like, and the power supply voltage is applied in parallel.

つまり、25枚の酸素イオン導電性基板116が支持部材117に固定されている。それぞれの電極膜118の周縁部からリード線119が引き出されて集結され、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120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121線が電源のもう一方の極に接続されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2000−86204号公報 特開平11−23525号公報 国際公開第96/28589号パンフレット
That is, 25 oxygen ion conductive substrates 116 are fixed to the support member 117. Lead wires 119 are drawn from the peripheral portions of the respective electrode films 118 and gathered, and are connected to the wiring in the same potential state. A lead wire 120 is drawn from the wiring and is connected to one pole of the power source. In addition, a lead 121 wire similarly drawn from the back surface is connected to the other pole of the power source (see, for example, Patent Document 3).
JP 2000-86204 A JP 11-23525 A WO96 / 28589 pamphlet

しかしながら、図9に示す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104,105に集中し、酸素イオン導電性基板102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。   However, in the oxygen pump element shown in FIG. 9, the amount of heat during operation of the oxygen pump element is concentrated on the lead members 104 and 105, and local temperature spots are generated on the oxygen ion conductive substrate 102. There was a problem that cracking occurred.

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。素子の起動方法については特に記述はないが、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。   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. Although there is no particular description about the starting method of the element, it is generally considered that the oxygen pump element is applied after being heated to a predetermined temperature.

また、図10に示す酸素ポンプ装置の構成では、酸素ポンプ素子107と加熱手段112が大気に解放された状態にあるので、この加熱手段112からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子107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107を作動させる温度に昇温させるのに必要な加熱手段112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、加熱手段112は酸素ポンプ素子107の上部に配置されているので、この酸素ポンプ素子107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。   Further, in the configuration of the oxygen pump device shown in FIG. 10, since the oxygen pump element 107 and the heating means 112 are released to the atmosphere, the heat energy from the heating means 112 is not only in the oxygen pump element 107 but also in the atmosphere. As a result, the thermal efficiency is deteriorated, the power consumption of the heating means 112 necessary for raising the temperature to the temperature at which the oxygen pump element 107 is operated increases, and the oxygen ions of the oxygen pump element are increased. Had the problem of poor transport efficiency. Further, since the heating means 112 is disposed on the upper part of the oxygen pump element 107, the oxygen pump element 107 has a drawback that most of the radiation heat is used, and the convection heat of the heated air cannot be used.

この場合にも素子の起動方法については特に記述はないが、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。   In this case as well, there is no particular description about the method for starting the element, but it is generally considered that the oxygen pump element is applied after being heated to a predetermined temperature.

図11,12の酸素ポンプ装置の構成では、複数個の酸素イオン伝導性基板116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120,121には大きな電流が流れることになる。   11 and 12, since a plurality of oxygen ion conductive substrates 116 are connected in parallel, a large current flows through the lead wires 120 and 121 where the lead wires are gathered. .

したがって、十分に太いリード線や電気抵抗の小さな特別なリード線を使う必要があるという課題を有していた。また、接続部やスイッチ部などの抵抗値が小さい部分でも発熱することがあった。   Therefore, there is a problem that it is necessary to use a sufficiently thick lead wire or a special lead wire having a small electric resistance. Moreover, heat may be generated even in a portion having a small resistance value such as a connection portion or a switch portion.

さらに、例えば家庭での実使用を考慮した場合、数十ボルトの電圧よりも数十アンペアの電流の方が、電源回路の構成が複雑になり、高コストという課題もあった。この場合にも素子の起動方法については特に記述はないが、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。   Further, for example, considering actual use at home, a current of several tens of amperes is more complicated than a voltage of several tens of volts, resulting in a problem that the configuration of the power supply circuit is complicated and the cost is high. In this case as well, there is no particular description about the method for starting the element, but it is generally considered that the oxygen pump element is applied after being heated to a predetermined temperature.

本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、加熱手段に印加する電圧を意図的に変動させることで、複数の固体電解質に対する温度ムラをできるだけ低減し、固体電解質に無理な負荷を生じることなく、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 heating means, temperature unevenness for a plurality of solid electrolytes is reduced as much as possible, and an unreasonable load is generated on the solid electrolytes. An object of the present invention is to provide an oxygen supply device capable of supplying oxygen in a shorter time.

前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素供給装置の制御方法は、少なくとも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第1電圧印加手段と、前記第1電圧印加手段を制御する第1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、前記加熱手段に電圧を印加する第2電圧印加手段と、第2前記電圧印加手段を制御する第2電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子および前記加熱手段を収納する断熱性の筐体とを備え、起動時に前記第2電圧制御手段によって電圧aの印加を所定時間行った後、印加電圧を電圧bへ変更することで、一旦温度上昇した前記固体電解質の温度が低下している過渡時に、前記酸素ポンプ素子へ前記電圧印加手段Aによって所定の電圧を印加することで起動させ、この時の電圧aと電圧bとの関係を電圧a>電圧bに設定したものである。   In order to solve the conventional problems, an oxygen supply device control method according to the present invention includes an oxygen pump element having at least a solid electrolyte, first voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element, A first voltage control means for controlling one voltage application means; a heating means for heating the oxygen pump element; a second voltage application means for applying a voltage to the heating means; and a second voltage control means for controlling the second voltage application means. Two voltage control means, and a heat-insulating housing for housing the oxygen pump element and the heating means, and after the voltage a is applied for a predetermined time by the second voltage control means at the start-up, By changing to b, when the temperature of the solid electrolyte once increased, the voltage is applied by applying a predetermined voltage to the oxygen pump element by the voltage applying means A. The relationship between the voltage a and the voltage b at this time is obtained by setting the voltage a> Voltage b.

これによって、起動時には加熱手段によって最大限急速加熱した後、印加電圧を低下させることで、加熱時のレイアウトによって複数の固体電解質間に生じている温度ムラが時
間経過とともに収斂され、その状態で酸素ポンプ素子に電圧を印加するため、固体電解質に無理な負荷を生じることがなく、スムーズに酸素ポンプ素子を起動させることができる。
As a result, the temperature is rapidly heated by the heating means at the start-up, and the applied voltage is lowered, so that the temperature unevenness occurring between the plurality of solid electrolytes due to the layout at the time of heating is converged over time. Since the voltage is applied to the pump element, the oxygen pump element can be started smoothly without causing an excessive load on the solid electrolyte.

本発明の酸素供給装置は、複数の固体電解質に対する温度ムラを低減して、固体電解質に無理な負荷を生じることなく、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 reduce temperature unevenness with respect to a plurality of solid electrolytes, and can further shorten the rise time during which oxygen can be supplied without causing an excessive load on the solid electrolytes.

第1の発明は、少なくとも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第1電圧印加手段と、前記第1電圧印加手段を制御する第1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、前記加熱手段に電圧を印加する第2電圧印加手段と、第2前記電圧印加手段を制御する第2電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子および前記加熱手段を収納する断熱性の筐体とを備え、起動時に前記第2電圧制御手段によって電圧aの印加を所定時間行った後、印加電圧を電圧bへ変更することで、一旦温度上昇した前記固体電解質の温度が低下している過渡時に、前記酸素ポンプ素子へ前記電圧印加手段Aによって所定の電圧を印加することで起動させ、この時の電圧aと電圧bとの関係を電圧a>電圧bに設定したものである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided an oxygen pump element comprising at least a solid electrolyte, first voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element, first voltage control means for controlling the first voltage applying means, A heating means for heating the oxygen pump element; a second voltage applying means for applying a voltage to the heating means; a second voltage control means for controlling the second voltage applying means; the oxygen pump element and the heating means; The solid-state electrolyte that is once heated, by applying the voltage a by the second voltage control means for a predetermined time at the start-up, and then changing the applied voltage to the voltage b. At the time when the temperature is falling, the oxygen pump element is activated by applying a predetermined voltage to the oxygen pump element by the voltage applying means A, and the relationship between the voltage a and the voltage b at this time is set to voltage a> voltage b. It is a thing.

これにより、起動時には加熱手段によって最大限急速加熱した後、印加電圧を低下させることで、加熱時のレイアウトによって複数の固体電解質間に生じている温度ムラが断熱手段を有する筐体内部で時間経過とともに収斂され、その状態で酸素ポンプ素子に電圧を印加するため、固体電解質に無理な負荷を生じることがなく、スムーズに酸素ポンプ素子を起動させることができる。その結果固体電解質にクラックを発生させるリスクが大幅に軽減される。   As a result, after starting up, the heating means rapidly heats up at the maximum, and then the applied voltage is lowered, so that the temperature unevenness that occurs between the multiple solid electrolytes due to the layout at the time of heating elapses in the housing having the heat insulating means. Since the voltage is applied to the oxygen pump element in this state, the oxygen pump element can be started smoothly without causing an excessive load on the solid electrolyte. As a result, the risk of generating cracks in the solid electrolyte is greatly reduced.

第2の発明は、少なくとも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第1電圧印加手段と、前記第1電圧印加手段を制御する第1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、前記加熱手段に電圧を印加する第2電圧印加手段と、前記第2電圧印加手段を制御する第2電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子および前記加熱手段を収納する断熱性を有する筐体とを備えた酸素供給装置において、起動時に前記第2電圧制御手段によって電圧aの印加を所定時間行った後、電圧印加を停止することで、一旦温度上昇した前記固体電解質の温度が低下している過渡時に、前記酸素ポンプ素子へ前記第1電圧印加手段によって所定の電圧cを印加することで起動させた後、所定電流値での動作状態を維持させるように前記第1電圧印加手段によって印加する電圧を最終的に電圧dへと移行して定常化させ、この時の電圧cと電圧dとの関係を電圧c<電圧dに設定したものである。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an oxygen pump element comprising at least a solid electrolyte, first voltage application means for applying a voltage to the oxygen pump element, first voltage control means for controlling the first voltage application means, Heating means for heating the oxygen pump element; second voltage applying means for applying a voltage to the heating means; second voltage control means for controlling the second voltage applying means; the oxygen pump element and the heating means; In the oxygen supply device including the housing having heat insulation to be housed, the voltage a is applied by the second voltage control unit for a predetermined time at the start-up, and then the voltage is temporarily stopped to stop the temperature application. During a transition in which the temperature of the solid electrolyte is lowered, the oxygen pump element is activated by applying a predetermined voltage c to the oxygen pump element by the first voltage applying means, and then operating at a predetermined current value. The voltage applied by the first voltage applying means is finally shifted to the voltage d so as to be maintained, and the relation between the voltage c and the voltage d at this time is set to voltage c <voltage d It is.

これにより、起動時には加熱手段によって最大限急速加熱した後に、加熱手段を停止し、加熱時のレイアウトによって複数の固体電解質間に生じている温度ムラが断熱手段を有する筐体内部で時間経過とともに収斂され、その状態で酸素ポンプ素子に電圧を印加するため、固体電解質に無理な負荷を生じることがなく、スムーズに酸素ポンプ素子を起動させることができる。   As a result, after starting up, the heating means is stopped at the maximum speed after starting up, and then the heating means is stopped, and the temperature unevenness generated between the plurality of solid electrolytes due to the layout at the time of heating converges with the passage of time inside the housing having the heat insulating means. In this state, since the voltage is applied to the oxygen pump element, an excessive load is not generated on the solid electrolyte, and the oxygen pump element can be started smoothly.

さらに酸素ポンプ素子へ印加する電圧cをさらに大きな電圧dに移行することで、酸素ポンプ素子によって発生した熱量によって、効率的に熱バランス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できる。   Further, by shifting the voltage c applied to the oxygen pump element to a larger voltage d, the oxygen supply that reduces the power consumption required when supplying oxygen by efficiently balancing the heat by the amount of heat generated by the oxygen pump element. Equipment can be provided.

第3の発明は、特に、第1または第2の発明の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。
In particular, the third invention provides a plurality of openings in the metal foil member for the oxygen pump element of the first or second invention, and the openings are provided with an oxygen ion conductive solid through an insulating film. A plurality of electrolytes are arranged in a gas-sealed structure, the metal foil member serves as a space partition means, a positive electrode film and a negative electrode film are formed on both surfaces of the solid electrolyte, and the plurality of solid electrolytes are the positive electrode film and Since the negative electrode film is configured to be electrically connected in series, the voltage applied to a large number of solid electrolytes can be accumulated. It becomes possible to operate with.

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 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4の発明は、特に、第1〜第3のいずれか一つの発明の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さらに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 fourth invention, in particular, with respect to the solid electrolyte of any one of the first to third inventions, one solid electrolyte is divided into a plurality of positive electrode films and negative electrode films to constitute a capacitor. The positive electrode film and the negative electrode film are arranged in such a pair structure, and the voltage applied to one solid electrolyte is applied to the positive electrode film and the negative electrode film. By dividing it, it becomes possible to further accumulate, and with a small number of solid electrolytes, the current value to the whole oxygen pump element can be kept low, and a high voltage and a small current can be realized to operate with a general-purpose power source.

第5の発明は、特に、第1〜第4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。   The fifth aspect of the invention is a blower circuit having a supply / exhaust mechanism equipped with a heat exchanger on the negative electrode side of the oxygen pump element, particularly with respect to the oxygen supply device of any one of the first to fourth aspects of the invention. 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6の発明は、特に、第1〜第5のいずれか一つの発明の加熱手段に対して、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℃まで最大限な電力で急速に加熱することができ、その後電力を可変することにも容易に対応することができる。   In the sixth aspect of the invention, in particular, by using a ribbon heater for the heating means of any one of the first to fifth aspects, a temperature at which the solid electrolyte can conduct oxygen ions, for example, 400 to 600 ° C. Heating can be rapidly performed with the maximum electric power, and the electric power can be easily changed after that.

第7の発明は、特に、第6の発明のリボンヒータに対して、その表面が無機多孔質膜で被覆されることにより、発熱する幾何学的な表面積が増加するために、加熱手段としてさらに急速加熱に適したものとすることができる。   In the seventh invention, in particular, the ribbon heater according to the sixth invention has a surface area covered with an inorganic porous film to increase a geometric surface area that generates heat. It can be suitable for rapid heating.

第8の発明は、特に、第7の発明の無機多孔質膜に対して、ZrO2、TiO2、Al2O3、SiO2を主体として構成されることにより、金属材料からなるリボンヒータの熱膨張に対しても剥離することない剛性を有する無機多孔質膜を形成することができる。   In the eighth invention, in particular, the inorganic porous film of the seventh invention is composed mainly of ZrO2, TiO2, Al2O3, and SiO2, so that the thermal expansion of the ribbon heater made of a metal material can be prevented. An inorganic porous film having rigidity that does not peel off can be formed.

第9の発明は、特に、第3〜第8のいずれか一つの発明の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。   In particular, the ninth invention is the first electrode film directly bonded to the solid electrolyte with respect to the positive electrode film and the negative electrode film of any one of the third to eighth inventions, and the first electrode film on the first electrode film A first electrode film comprising a composite metal oxide component as a main electrode on a solid electrolyte, and a second electrode film as a film mainly comprising a noble metal component. Since the second electrode film is made of a highly conductive material, the same potential can be applied to the electrode portion having a certain area. 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10の発明は、特に、第1〜第9のいずれか一つの発明の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。
The tenth invention is a perovskite-type composite metal oxide mainly composed of lanthanum and gallium by using the solid electrolyte of any one of the first to ninth inventions as lanthanum gallate, It 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11の発明は、特に、第3〜第10のいずれか一つの発明の金属箔部材として、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。   In an eleventh aspect of the invention, in particular, by using a ferritic stainless steel containing aluminum as the metal foil member of any one of the third to tenth aspects of the invention, it has excellent characteristics against high-temperature oxidation. Thus, stable characteristics can be maintained even when used at a temperature near 800 ° C. for a long time.

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において、固体電解質1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2と負電極膜3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1として寸法16×16mm、厚み100μmを想定して説明する。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, a solid electrolyte 1 is a sintered body of substitutional type lanthanum gallate (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) molded into a flat plate having an arbitrary thickness. As the electrode film, the positive electrode film 2 and the negative electrode film 3 are formed so as to exhibit oxygen ion conductivity. Here, the solid electrolyte 1 will be described assuming a size of 16 × 16 mm and a thickness of 100 μm.

正電極膜2と負電極膜3には、導電性を有するペロブスカイト型複合酸化物を用いた。具体的には、Sm0.5Sr0.5CoO3を有機溶剤であるセルロース系ビヒクルと混合したペーストを、スクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥後、1100℃にて焼成することにより膜厚約15μmの多孔性を有した電極膜を形成した。 For the positive electrode film 2 and the negative electrode film 3, a perovskite complex oxide having conductivity was used. Specifically, a paste prepared by mixing Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 with a cellulose-based vehicle as an organic solvent is formed by screen printing to form a printed film, dried, and fired at 1100 ° C. to obtain a film thickness of about 15 μm. An electrode film having porosity was formed.

さらに、正電極膜2と負電極膜3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4、負第二電極膜5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4、負第二電極膜5は、正電極膜2と負電極膜3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 4 and a negative second electrode film 5 were laminated on the surfaces of the positive electrode film 2 and the negative electrode film 3 as a second electrode film. 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 4 and the negative second electrode film 5 can improve surface distribution unevenness on the solid electrolyte with respect to the potential when a voltage is applied between the positive electrode film 2 and the negative electrode film 3.

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1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1は負電極膜3側が1枚の金属箔部材6と連結されている。金属箔部材6としてはFe−20Cr−5Al、12μmを使用し、固体電解質1の負第二電極膜5の面が露出するように36個の開口部713×13mmが設けられている。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the oxygen pump element. Here, an oxygen pump element using 36 solid electrolytes 1 will be described. Each solid electrolyte 1 is connected to one metal foil member 6 on the negative electrode film 3 side. Fe-20Cr-5Al, 12 μm is used as the metal foil member 6, and 36 openings 713 × 13 mm are provided so that the surface of the negative second electrode film 5 of the solid electrolyte 1 is exposed.

固体電解質1と接合関係となる開口部の周囲には絶縁膜7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8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。   An insulating film 7 is disposed around the opening that has a bonding relationship with the solid electrolyte 1. Specifically, a BaO—CaO—Al 2 O 3 —SiO 2 glass ceramic paste was formed by screen printing to form a printed film, dried, and then fired at 880 ° C. to form an insulating film 8 having a thickness of about 10 μm. . 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7上には金属箔部材6とは絶縁関係を保ちながら、導電膜8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8を形成した。   Further, a conductive film 8 is disposed on the insulating film 7 while maintaining an insulating relationship with the metal foil member 6. Specifically, a printed film was formed by screen printing using Au paste, dried, and baked at 800 ° C. to form a conductive film 8 having a thickness of about 3 μm.

固体電解質1とその外周部負電極側は導電膜(図示せず)によって導電膜8と接合されている。固体電解質1の寸法は16×16mmに対して金属箔部材6に設けられた開口部は13×13mmなので、導電膜による接合部は固体電解質1の周囲1.5mm幅となる。   Solid electrolyte 1 and its outer peripheral negative electrode side are joined to conductive film 8 by a conductive film (not shown). Since the size of the solid electrolyte 1 is 16 × 16 mm and the opening provided in the metal foil member 6 is 13 × 13 mm, the joint portion formed by the conductive film has a width of 1.5 mm around the solid electrolyte 1.

導電膜として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1を金属箔部材6と接合固定した。   Screen printing was performed twice using Au paste as the conductive film. Then, 36 solid electrolytes 1 were bonded and fixed to the metal foil member 6 by drying and firing at 780 ° C. while applying a predetermined load.

隣合う固体電解質1の負第二電極膜5と電気的に導通する導電膜8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4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9によって行った。個々の固体電解質1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1に対して最終的には1番目の固体電解質1の正第二電極膜と結線されたリード部10と、36番の固体電解質1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11から酸素ポンプ素子全体に電圧を印加する構成となる。   The lead extraction portion formed by the conductive film 8 electrically connected to the negative second electrode film 5 of the adjacent solid electrolyte 1 and the adjacent solid electrolyte positive second electrode film 4 side are connected to each other to electrically connect the series circuit. It has become. The connection was made with a gold wire 9 of φ0.1 mm. The individual solid electrolytes 1 are numbered in the order connected to the series circuit. The lead part 10 finally connected to the positive second electrode film of the first solid electrolyte 1 and the negative second electrode film of the 36th solid electrolyte 1 are electrically connected to the 36 solid electrolytes 1. A voltage is applied to the entire oxygen pump element from the lead portion 11 connected to the conductive film.

図3は上記の酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置を示すものである。
36個の固体電解質1に対して空間区画手段となる一枚の金属箔部材6の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤12を介して支持体13に固定されている。
FIG. 3 shows an oxygen supply apparatus using the oxygen pump element.
Around one metal foil member 6 serving as a space partitioning means for 36 solid electrolytes 1, it is fixed to a support 13 via an electrically insulating gas sealant 12.

また、リード部10およびリード部11には、導線を介して第1電圧印加手段14が接続されており、この第1電圧印加手段14には、第1電圧制御手段15が接続されている。リボンヒータなどからなる加熱手段16は、負電極側の表面に対向して配置され、複数の固体電解質1へ均等に熱が伝わるようになっている。   The lead part 10 and the lead part 11 are connected to a first voltage applying means 14 via a conducting wire, and the first voltage applying means 14 is connected to a first voltage control means 15. The heating means 16 composed of a ribbon heater or the like is arranged to face the surface on the negative electrode side so that heat is evenly transmitted to the plurality of solid electrolytes 1.

加熱手段16には、固体電解質1の温度を検知する手段17を有する第2電圧制御手段18に第2電圧印加手段19が接続されている。   A second voltage applying means 19 is connected to the heating means 16 with a second voltage control means 18 having a means 17 for detecting the temperature of the solid electrolyte 1.

図4は上記加熱手段16を示すものである。すなわち、ヒータ線20として幅1mm、厚み0.1mmのFe−20Cr−5Alを使用し、このヒータ線20を固定するためにマイカ枠21を使用している。   FIG. 4 shows the heating means 16. That is, Fe-20Cr-5Al having a width of 1 mm and a thickness of 0.1 mm is used as the heater wire 20, and a mica frame 21 is used to fix the heater wire 20.

加熱手段16の外寸は130×63mmであり、これを2個並べて酸素ポンプ素子の下に配置することになる。2個のリボンヒータは電気的に並列回路で構成されリード部22,23に電圧が印加されることになる。   The outer dimension of the heating means 16 is 130 × 63 mm, and two of these are arranged below the oxygen pump element. The two ribbon heaters are electrically constituted by a parallel circuit, and a voltage is applied to the lead portions 22 and 23.

加熱手段16の表面上にはマイカ枠21に対して直線部分だけ、無機多孔質膜24が形成されている。無機多孔質膜24はZrO2粒子とTiO2粒子がSiO2ゾル中に混合拡散された水溶液によって形成した。前記水溶液をスプレー後、ヒータ通電することによって、約20μmの無機多孔質膜24を形成させた。   On the surface of the heating means 16, an inorganic porous film 24 is formed only in a straight portion with respect to the mica frame 21. The inorganic porous film 24 was formed by an aqueous solution in which ZrO2 particles and TiO2 particles were mixed and diffused in the SiO2 sol. After spraying the aqueous solution, the heater was energized to form an inorganic porous film 24 of about 20 μm.

加熱手段16が発生する熱の損失を抑制するのが断熱手段25,26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25には給気のために通気孔27が配設されている。   The heat insulating means 25 and 26 suppress the loss of heat generated by the heating means 16. Here, a heat insulating member molded into a flat plate mainly composed of silica and alumina was used. The heat insulating means 25 is provided with a vent hole 27 for supplying air.

通気孔27は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1の負極側へ供給されるように設計した。   The air holes 27 are designed so that a space is provided in a wide area of the heat insulating member and is uniformly supplied to the negative electrode side of the solid electrolyte 1 by diffusion resistance accompanying air flow.

送風ポンプ28からの外気は熱交換器29を具備した送風回路30の給気通路31を経て通気孔27へ導かれ、最後に断熱手段25によって給気が受熱して固体電解質1の負極側へ至る。   The outside air from the blower pump 28 is guided to the vent hole 27 through the supply passage 31 of the blower circuit 30 provided with the heat exchanger 29, and finally the supply air receives heat by the heat insulating means 25 to the negative electrode side of the solid electrolyte 1. It reaches.

したがって、冷たい外気が固体電解質1の負極側へ来ることはない。その後排気通路3
2を経て外部へと排出される。この時、熱交換器29によって給気通路31を通過する空気は排気通路32を通過する空気から熱を得る。
Therefore, cold outside air does not come to the negative electrode side of the solid electrolyte 1. Then exhaust passage 3
2 is discharged to the outside. At this time, the air passing through the air supply passage 31 by the heat exchanger 29 obtains heat from the air passing through the exhaust passage 32.

酸素ポンプ素子が収納されている容器33の正極側には、通気口34を介してガスの混合手段35が連結されている。この混合手段35は、ガス誘導管36と、被混合ガス導入管37と、ガス混合器38と、ガスポンプ39によって構成されている。   A gas mixing means 35 is connected to the positive electrode side of the container 33 in which the oxygen pump element is accommodated via a vent 34. The mixing means 35 includes a gas induction pipe 36, a mixed gas introduction pipe 37, a gas mixer 38, and a gas pump 39.

以上のように構成された酸素供給装置について、以下その起動操作、作用を説明する。   About the oxygen supply apparatus comprised as mentioned above, the starting operation and effect | action are demonstrated below.

第2電圧印加手段19によって加熱手段16に100Vで約400Wの電力を通電すると、断熱手段25,26内の固体電解質1の温度が急激に上昇する。   When electric power of about 400 W is applied to the heating unit 16 by the second voltage applying unit 19, the temperature of the solid electrolyte 1 in the heat insulating units 25 and 26 is rapidly increased.

固体電解質近傍の温度が約40secで600℃程度に達したことを検知すると、第2電圧制御手段18によって第2電圧印加手段190を制御して、加熱手段16への入力を50Vで約100Wまで一気に低下させ、20sec間放置する。その時36個の固体電解質1は加熱手段16との配置関係によって600℃に達した時点では約150℃の温度差を有していた。   When it is detected that the temperature in the vicinity of the solid electrolyte has reached about 600 ° C. in about 40 seconds, the second voltage control means 18 controls the second voltage application means 190 so that the input to the heating means 16 is up to about 100 W at 50V. Decrease at once and leave for 20 seconds. At that time, the 36 solid electrolytes 1 had a temperature difference of about 150 ° C. when the temperature reached 600 ° C. due to the arrangement relationship with the heating means 16.

しかし、断熱性を有する筐体内部で冷却され、個々の温度差が徐々に収斂され、最大でも50℃程度になってくる。この時に酸素ポンプ素子へ第1電圧印加手段14によって電圧28Vを印加すると、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。その後は酸素ポンプ素子が電圧22Vで4.0Aの電流値を維持するように加熱手段16への入力を40V、60W程度まで低下させることになる。   However, cooling is performed inside the casing having heat insulation properties, and individual temperature differences are gradually converged to reach about 50 ° C. at the maximum. At this time, when a voltage of 28 V is applied to the oxygen pump element by the first voltage applying means 14, oxygen ions are 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. Thereafter, the input to the heating means 16 is reduced to about 40 V and 60 W so that the oxygen pump element maintains a current value of 4.0 A at a voltage of 22 V.

図5には酸素ポンプ素子起動時の固体電解質に対する温度変化図と制御モードを示した。固体電解質に対する温度変化は最高温度と最低温度を示してあり、この差が固体電解質間で生じている温度ムラとなる。本実施の形態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70secであった。   FIG. 5 shows a temperature change diagram and a control mode for the solid electrolyte when the oxygen pump element is activated. The temperature change with respect to the solid electrolyte indicates the maximum temperature and the minimum temperature, and this difference becomes a temperature unevenness occurring between the solid electrolytes. In the present embodiment, it takes about 70 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28も起動させることで、所定量の外気が給気通路31を経て通気孔27へと導かれ、最後に断熱手段25によって受熱しながら、固体電解質1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22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。   At this time, by starting the blower pump 28 as well, a predetermined amount of outside air is guided to the vent hole 27 via the air supply passage 31 and finally supplied to the negative electrode side of the solid electrolyte 1 while receiving heat by the heat insulating means 25. Is done. 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 22 to the positive electrode side, and the negative electrode side falls into a nitrogen-rich state.

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32を経て外部へと排出し、新たな空気を連続的に給気通路31から供給している。この時熱交換器29によって給気通路31を通過する空気は排気通路32を通過する空気から熱を得ることになる。熱交換器29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。このように酸素ポンプ素子の負極側に熱交換器を具備する給排気機構を有する送風回路を設けることによって、酸素ポンプ流量の大きな酸素供給装置を低消費電力で提供することが可能となる。   In order to suppress this, the air in the nitrogen-rich state is discharged to the outside through the exhaust passage 32, and new air is continuously supplied from the air supply passage 31. At this time, the air passing through the air supply passage 31 by the heat exchanger 29 obtains heat from the air passing through the exhaust passage 32. The heat recovery rate by the heat exchanger 29 was designed to be about 50%. Here, copper fins were used as heat exchange members. Thus, by providing a blower circuit having a supply / exhaust mechanism including a heat exchanger on the negative electrode side of the oxygen pump element, an oxygen supply device having a large oxygen pump flow rate can be provided with low power consumption.

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26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6とガス封止剤12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1と金属箔部材6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 26 having air permeability. Therefore, the metal foil member 6 and the gas sealant 12 serving as 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 1 and the metal foil member 6 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34を通り、ガス混合手段35を構成するガス誘導管36と、被混合ガス導入管37と、ガス混合器38とによって被混合ガスと混合される。本実施の形態では被混合ガスは大気である。生成される混合ガスは酸素富化ガスであり、その流量はガスポンプ39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 34 and is mixed with the mixed gas by the gas induction pipe 36, the mixed gas introduction pipe 37, and the gas mixer 38 that constitute the gas mixing means 35. 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 39.

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.

(比較の形態1)
本比較の形態でも、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。
(Comparative form 1)
Also in this comparative embodiment, the same oxygen supply apparatus as that in Embodiment 1 was used. The starting method at that time will be described.

第2電圧印加手段19によって加熱手段16に70Vで約200Wの電力を通電すると、固体電解質近傍の温度が約60secで500℃程度に達したことを検知できた。その時個々の固体電解質間に生じている温度差は最大110℃に達していた。   When power of about 200 W was applied to the heating means 16 at 70 V by the second voltage applying means 19, it was detected that the temperature in the vicinity of the solid electrolyte reached about 500 ° C. in about 60 seconds. At that time, the temperature difference generated between the individual solid electrolytes reached a maximum of 110 ° C.

したがって、加熱手段16に一定の電力を加えながら、所定の温度に達した時点で固体電解質に電圧を印加する方法よりも、加熱手段に最大電力を加えて所定の温度をオーバーシュートさせて、その後冷却時間を置いて固体電解質に電圧を印加する方法のほうが明らかに温度ムラを抑えることができる。加熱手段16から生じている温度ムラおよび固体電解質のレイアウトから生じている温度ムラが合算されるからである。それに対して加熱手段16の入力を抑えた状態の場合には最高温度は当然中心部であり、そこから徐々に温度勾配を有する状態となる。   Accordingly, rather than applying a voltage to the solid electrolyte when a predetermined temperature is reached while applying a constant power to the heating means 16, the maximum power is applied to the heating means to overshoot the predetermined temperature, and then The method of applying a voltage to the solid electrolyte with a cooling time clearly can suppress temperature unevenness. This is because the temperature unevenness generated from the heating means 16 and the temperature unevenness generated from the layout of the solid electrolyte are added together. On the other hand, in the state where the input of the heating means 16 is suppressed, the maximum temperature is naturally the central portion, and gradually has a temperature gradient from there.

温度ムラを極力軽減することによって、固体電解質に過大な電流を流してもクラックが生じるリスクを大幅に低減できることになる。酸素ポンプ素子が複数の固体電解質から構成される場合には、個々の固体電解質の温度ムラは避けられない。その条件下で極力温度ムラを軽減する制御を行うことで、固体電解質をクラックに至らしめるリスクを回避することができる。   By reducing the temperature unevenness as much as possible, the risk of cracking even when an excessive current is passed through the solid electrolyte can be greatly reduced. When the oxygen pump element is composed of a plurality of solid electrolytes, temperature unevenness of individual solid electrolytes is inevitable. By performing control to reduce temperature unevenness as much as possible under such conditions, the risk of causing the solid electrolyte to crack can be avoided.

実施の形態1では加熱手段16への電圧を電圧aに相当する100Vから電圧bに相当する50Vへと低下させてから20sec放置したが、最大150℃開いた温度差が収斂している過渡時なので30sec放置すれば、さらに温度ムラが小さくなる方向にいく。しかし放置した時間分、酸素供給までの時間が遅くなる。したがって電圧bにした後の放置時間が固体電解質の温度ムラを鑑みて妥協する必要がある。   In the first embodiment, the voltage to the heating means 16 is lowered from 100V corresponding to the voltage a to 50V corresponding to the voltage b, and left for 20 sec. Therefore, if left for 30 seconds, the temperature unevenness is further reduced. However, the time until oxygen supply is delayed by the amount of time left. Therefore, it is necessary to make a compromise in view of the temperature unevenness of the solid electrolyte after leaving the voltage b.

また実施の形態1では、36枚の固体電解質1を使用しているが、使用する枚数によっても考慮する必要がある。   In the first embodiment, 36 solid electrolytes 1 are used. However, it is necessary to consider depending on the number of sheets used.

(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.

第2電圧印加手段19によって加熱手段16に110Vで約480Wの電力を通電すると、断熱手段25,26内の固体電解質1の温度が急激に上昇する。   When electric power of about 480 W is applied to the heating means 16 by the second voltage applying means 19 at 110 V, the temperature of the solid electrolyte 1 in the heat insulating means 25 and 26 increases rapidly.

固体電解質1の近傍の温度が約40secで700℃程度に達したことを検知すると、第2電圧制御手段18によって第2電圧印加手段19を制御して加熱手段16への入力を停止し、20sec間放置する。その時36個の固体電解質1は加熱手段16との配置関係によって、700℃に達した時点では約130℃の温度差を有していた。   When it is detected that the temperature in the vicinity of the solid electrolyte 1 has reached about 700 ° C. in about 40 seconds, the second voltage control means 18 controls the second voltage application means 19 to stop the input to the heating means 16 and 20 seconds. Leave for a while. At that time, the 36 solid electrolytes 1 had a temperature difference of about 130 ° C. when the temperature reached 700 ° C. due to the arrangement relationship with the heating means 16.

しかし、断熱性を有する筐体内部で冷却され、温度差が徐々に収斂され、最大40℃程度になってくる。この時に酸素ポンプ素子へ第1電圧印加手段14によって電圧25Vを印加すると、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20Vへと低下させる。
この時、送風ポンプ28も起動させることで、所定量の外気が給気通路31を経て通気孔27へと導かれ、固体電解質1の負極側へと給気される。
However, it is cooled inside the heat-insulating housing, and the temperature difference is gradually converged to reach a maximum of about 40 ° C. At this time, when a voltage of 25 V is applied to the oxygen pump element by the first voltage applying means 14, oxygen ions are 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 20V.
At this time, the blower pump 28 is also activated, whereby a predetermined amount of outside air is guided to the vent hole 27 through the air supply passage 31 and supplied to the negative electrode side of the solid electrolyte 1.

しかし、断熱手段25,26の内部には酸素ポンプ素子だけが熱源となっているので、その後徐々に固体電解質1の温度は低下している。したがって、酸素ポンプ素子の電流値を4.0Aのままに維持させようとした場合には、電圧を20Vから最大33Vまで上昇させる必要があった。   However, since only the oxygen pump element is a heat source inside the heat insulating means 25 and 26, the temperature of the solid electrolyte 1 gradually decreases thereafter. Therefore, in order to maintain the current value of the oxygen pump element at 4.0 A, it is necessary to increase the voltage from 20V to a maximum of 33V.

この時酸素供給装置は酸素ポンプ素子で発生した熱量によって熱バランスされた状態に達した。酸素ポンプ素子を起動させる時には固体電解質および近傍がかなり高温なので、印加する電圧cは20Vであったが、酸素供給装置を酸素ポンプ素子の熱量だけで定常化させた時、印加する電圧dは33V必要であった。したがって、電圧c<電圧dの関係となる。   At this time, the oxygen supply device reached a heat balanced state by the amount of heat generated by the oxygen pump element. When the oxygen pump element is started, the solid electrolyte and the vicinity thereof are considerably hot, so that the applied voltage c is 20 V. However, when the oxygen supply device is stabilized only by the amount of heat of the oxygen pump element, the applied voltage d is 33 V. It was necessary. Therefore, the relationship of voltage c <voltage d is established.

図6には酸素ポンプ素子起動時の固体電解質に対する温度変化図と制御モードを示した。固体電解質に対する温度変化は最高温度と最低温度を示してあり、この差が固体電解質間で生じている温度ムラを表している。本実施の形態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70secであり、最終的に熱バランスされた状態に達したのは起動後、8minしてであった。   FIG. 6 shows a temperature change diagram and a control mode for the solid electrolyte when the oxygen pump element is activated. The temperature change with respect to the solid electrolyte indicates the maximum temperature and the minimum temperature, and this difference represents the temperature unevenness occurring between the solid electrolytes. In the present embodiment, it takes about 70 seconds for the oxygen pump element to reach a predetermined current value of 4.0 A, and it finally reaches the heat balanced state after 8 minutes.

(実施の形態3)
図7,8は実施の形態3の酸素ポンプ素子を示し、実施の形態1と同作用を行なう構成の詳細についてはこの実施の形態1のものを援用する。
(Embodiment 3)
7 and 8 show an oxygen pump element according to the third embodiment, and the details of the configuration that performs the same operation as in the first embodiment are the same as those in the first embodiment.

固体電解質38の表面上に形成する第一電極膜および第二電極膜の構成は同じである。固体電解質38の寸法は32×32mm、厚み120μmである。ここでは一枚の固体電解質38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39も実施の形態1と同様のものを使用し、9個の開口部29×29mmが設けられている。   The configuration of the first electrode film and the second electrode film formed on the surface of the solid electrolyte 38 is the same. The dimensions of the solid electrolyte 38 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 38. 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 39 is the same as that of the first embodiment, and nine openings 29 × 29 mm are provided.

固体電解質38と接合関係となる開口部の周囲には絶縁膜40が配設されている。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。さらに絶縁膜上には金属箔部材39とは絶縁関係を保ちながら、導電膜が配設されている。
An insulating film 40 is disposed around the opening that is in a bonding relationship with the solid electrolyte 38. 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 is disposed on the insulating film while maintaining an insulating relationship with the metal foil member 39.

4分割された正第二電極膜41と負第二電極膜42とは電気的に直列回路となるように構成されている。図7、図8において、個々の固体電解質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 41 and the negative second electrode film 42 divided into four are configured to be electrically connected in series. 7 and 8, 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43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。   Specifically, three through holes 43 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.

4番目の負第二電極膜は固体電解質38が金属箔部材39上に配設された導電膜44と接合結線され、導電膜44には固体電解質38からはみ出す部分が設けられ、その導電膜44を利用して隣に位置する固体電解質38の5番目の正第二電極膜と金線45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46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47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。   The fourth negative second electrode film is joined and connected to the conductive film 44 in which the solid electrolyte 38 is disposed on the metal foil member 39, and the conductive film 44 is provided with a portion protruding from the solid electrolyte 38. Is connected to the fifth positive second electrode film of the solid electrolyte 38 located adjacent to the gold electrode 45 by the gold wire 45. A voltage is applied to the lead portion 46 connected to be sequentially connected in the same manner and finally connected to the lead portion 46 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。電圧印加手段によって加熱手段に100Vで約400Wの電力を通電すると、断熱手段および断熱手段内の固体電解質の温度が急激に上昇する。固体電解質近傍の温度が約40secで600℃程度に達したことを検知すると、電圧制御手段によって電圧印加手段を制御して、加熱手段への入力を50Vで約100Wまで低下させ、20sec間放置する。   An oxygen supply device similar to that in Embodiment 1 was produced, and the oxygen pump element was operated. When power of about 400 W is applied to the heating means by the voltage applying means at 100 V, the temperature of the heat insulating means and the solid electrolyte in the heat insulating means rapidly increases. When it is detected that the temperature in the vicinity of the solid electrolyte has reached about 600 ° C. in about 40 seconds, the voltage application means is controlled by the voltage control means, the input to the heating means is reduced to about 100 W at 50 V, and left for 20 seconds. .

その時9個の固体電解質はリボンヒータとの配置関係によって、600℃に達した時点では約120℃の温度差を有していたが、断熱性を有する筐体内部で冷却され、温度差が徐々に収斂され、最大でも40℃程度になってくる。この時に酸素ポンプ素子へ電圧印加手段によって電圧32Vを印加すると、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。   At that time, the nine solid electrolytes had a temperature difference of about 120 ° C. when the temperature reached 600 ° C. due to the arrangement relationship with the ribbon heater, but they were cooled inside the casing having heat insulation properties, and the temperature difference gradually increased. The maximum temperature is about 40 ° C. At this time, when a voltage of 32 V is applied to the oxygen pump element by voltage application means, oxygen ions are conducted inside the solid electrolyte, and the current value increases.

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24Vへと低下させる。その後は酸素ポンプ素子が電圧24Vで4.0Aの電流値を維持するようにリボンヒータへの入力を40V、60W程度まで低下させることになる。   When the current value reaches 4.0 A, the voltage applied to the oxygen pump element is reduced to 24V. Thereafter, the input to the ribbon heater is reduced to about 40 V and 60 W so that the oxygen pump element maintains a current value of 4.0 A at a voltage of 24 V.

その結果、酸素イオン伝導によって酸素ポンプ素子の正極側から酸素ガス約520ml/minを得ることが可能となる。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. 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, the device voltage can be increased by dividing the electrode film with a single solid electrolyte to form a series circuit, and using nine solid electrolytes, the same performance with the same current value as in the first embodiment. Could get. 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.

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り、可変する場合の非常に応答性を良好とすることができた。   In the embodiment, a method of indirectly heating the solid electrolyte with a ribbon heater is used as the heating means. In order to lead the solid electrolyte to a temperature at which oxygen ions can be conducted rapidly, it is most efficient to add a large input to the ribbon heater, and the response when variable can be made very good.

また、実施の形態では、リボンヒータの表面上に無機多孔質膜として、ZrO2粒子とTiO2粒子がSiO2ゾルで構成させるものを使用したが、これに限定させるものではない。そのほかにTiO2、Al2O3を使用することもできる。無機多孔質膜としてはリボンヒータが熱膨張する時の剛性に耐えうるものであれば良い。リボンヒータの表面上に無機多孔質膜を形成することで、無機多孔質膜がない場合に比べて固体電解質を約20%急速加熱させることが可能であった。   In the embodiment, the inorganic porous film on the surface of the ribbon heater is made of ZrO2 particles and TiO2 particles made of SiO2 sol. However, the present invention is not limited to this. In addition, TiO2 and Al2O3 can be used. The inorganic porous film may be any film that can withstand the rigidity when the ribbon heater is thermally expanded. By forming the inorganic porous film on the surface of the ribbon heater, it was possible to rapidly heat the solid electrolyte by about 20% compared to the case without the inorganic porous film.

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)、サマリウムト゛ープ型のセリア(SDC)などであっても良い。但し現状ではランタンガレート系の材料が酸素イオン伝導体として動作温度が低いので材料の耐久性を鑑みた場合、もっとも好ましい材料といえる。   In 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Sm0.5Sr0.5CoO3を使用したがこれに限定されるものではない。しかしペロブスカイト型構造を有する複合金属酸化物は酸素分子との電極反応性が高く、かつそれ自体が導電性を有するので優れた酸素イオン伝導性を実現することができる。特に、ペロブスカイト型複合酸化物の中でもAサイトにランタン、サマリウムの少なくとも1種と、Bサイトにコバルト、鉄、マンガンの少なくとも1種で構成されるもの、また、Aサイトの一部をストロンチウムで置換したものが優れた導電性と高い酸素分子の電極反応性を有していた。 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。   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.

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。   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.

本発明の実施の形態1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1 is a cross-sectional configuration diagram of a solid electrolyte serving as an oxygen pump element in Embodiment 1 of the present invention. 同酸素ポンプ素子の概略構成図Schematic configuration diagram of the oxygen pump element 同酸素供給装置の概略断面構成図Schematic cross-sectional configuration diagram of the oxygen supply device 同加熱手段となるリボンヒータの外観図External view of the ribbon heater as the heating means 同酸素ポンプ素子起動時の温度変化図および制御モード図Temperature change chart and control mode chart when starting the oxygen pump element 本発明の第2の実施の形態における酸素ポンプ素子起動時の温度変化図および制御モード図Temperature change diagram and control mode diagram at the time of starting the oxygen pump element in the second embodiment of the present invention 本発明の第3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 third embodiment of the present invention 同酸素ポンプ素子の負極側の概略構成図Schematic configuration diagram on the negative electrode side of the oxygen pump element 従来の酸素ポンプ素子の概略構成図Schematic configuration diagram of a conventional oxygen pump element 従来の他の酸素ポンプ素子の概略構成図Schematic configuration diagram of another conventional oxygen pump element 従来の他の酸素ポンプ素子の概略構成図Schematic configuration diagram of another conventional oxygen pump element 従来の他の酸素ポンプ素子の概略断面図Schematic sectional view of another conventional oxygen pump element

符号の説明Explanation of symbols

1,38 固体電解質
2,41 正電極膜(第一電極膜)
3,42 負電極膜(第一電極膜)
6,39 金属箔部材
7,40 絶縁膜
8,44 導電膜
14 第1電圧印加手段
15 第1電圧制御手段
16 加熱手段
18 第2電圧制御手段
19 第2電圧印加手段
25,26 断熱手段
28 送風ポンプ
29 熱交換器
30 送風回路
31 給気通路
32 排気通路
35 混合手段
1,38 Solid electrolyte 2,41 Positive electrode membrane (first electrode membrane)
3,42 Negative electrode film (first electrode film)
6, 39 Metal foil member 7, 40 Insulating film 8, 44 Conductive film 14 First voltage application means 15 First voltage control means 16 Heating means 18 Second voltage control means 19 Second voltage application means 25, 26 Heat insulation means 28 Blower Pump 29 Heat exchanger 30 Blower circuit 31 Air supply passage 32 Exhaust passage 35 Mixing means

Claims (11)

少なくとも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第1電圧印加手段と、前記第1電圧印加手段を制御する第1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、前記加熱手段に電圧を印加する第2電圧印加手段と、前記第2電圧印加手段を制御する第2電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子および前記加熱手段を収納する断熱性の筐体とを備え、起動時に前記第2電圧制御手段によって電圧aの印加を所定時間行った後、印加電圧を電圧bへ変更することで、一旦温度上昇した前記固体電解質の温度が低下している過渡時に、前記酸素ポンプ素子へ前記第1電圧印加手段によって所定の電圧を印加することで起動させ、この時の電圧aと電圧bとの関係を電圧a>電圧bに設定した酸素供給装置。 An oxygen pump element comprising at least a solid electrolyte; first voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element; first voltage control means for controlling the first voltage applying means; and heating the oxygen pump element. A heat insulating housing that houses the oxygen pump element and the heating means; a heating means; a second voltage applying means for applying a voltage to the heating means; a second voltage control means for controlling the second voltage applying means; The solid electrolyte, once heated, is lowered by changing the applied voltage to the voltage b after the voltage a is applied by the second voltage control means for a predetermined time at the time of startup. At the time of transition, the oxygen pump element is activated by applying a predetermined voltage by the first voltage applying means, and the relationship between the voltage a and the voltage b at this time is set to voltage a> voltage b. Apparatus. 少なくとも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第1電圧印加手段と、前記第1電圧印加手段を制御する第1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、前記加熱手段に電圧を印加する第2電圧印加手段と、前記第2電圧印加手段を制御する第2電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子および前記加熱手段を収納する断熱性の筐体とを備え、起動時に前記第2電圧制御手段によって電圧aの印加を所定時間行った後、電圧印加を停止することで、一旦温度上昇した前記固体電解質の温度が低下している過渡時に、前記酸素ポンプ素子へ前記第1電圧印加手段によって所定の電圧cを印加することで起動させた後、所定電流値での動作状態を維持させるように前記第1電圧印加手段によって印加する電圧を最終的に電圧dへと移行して定常化させ、この時の電圧cと電圧dとの関係を電圧c<電圧dに設定した酸素供給装置。 An oxygen pump element comprising at least a solid electrolyte; first voltage applying means for applying a voltage to the oxygen pump element; first voltage control means for controlling the first voltage applying means; and heating the oxygen pump element. A heat insulating housing that houses the oxygen pump element and the heating means; a heating means; a second voltage applying means for applying a voltage to the heating means; a second voltage control means for controlling the second voltage applying means; And when the voltage a is applied by the second voltage control means for a predetermined time at the start-up, and then the voltage application is stopped, so that the temperature of the solid electrolyte once increased is reduced, After being activated by applying a predetermined voltage c to the oxygen pump element by the first voltage applying means, the first voltage applying means maintains the operating state at a predetermined current value. Finally migrated to steady state in to voltage d the voltage applied Te, oxygenator in which the relationship between the voltage c and the voltage d at this time the voltage c <voltage d. 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または2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 apparatus according to claim 1 or 2, 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1〜3のいずれか1項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 any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen supply device is configured as follows. 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1〜4のいずれか1項記載の酸素供給装置。 The oxygen supply device according to any one of claims 1 to 4, 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. 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1〜5のいずれ1項記載の酸素供給装置。 The oxygen supply apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the heating means comprises a ribbon heater. リボンヒータの表面が無機多孔質膜で被覆されていることを特徴とする請求項6記載の酸素供給装置。 The oxygen supply device according to claim 6, wherein the surface of the ribbon heater is covered with an inorganic porous film. 無機多孔質膜がZrO2、TiO2、Al2O3、SiO2を主体として構成されることを特徴とする請求項7記載の酸素供給装置。 The oxygen supply apparatus according to claim 7, wherein the inorganic porous film is mainly composed of ZrO2, TiO2, Al2O3, and SiO2. 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3〜8のいずれか1項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. 9. The film according to claim 3, wherein a film mainly composed of the first electrode film and a film mainly composed of a noble metal component are disposed on the first electrode film as the second 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1〜9のいずれか1項記載の酸素供給装置。 The oxygen supply apparatus according to any one of claims 1 to 9, 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3〜10のいずれか1項記載の酸素供給装置。

The oxygen supply device according to any one of claims 3 to 10, wherein the metal foil member is ferritic stainless steel containing aluminum.

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