JP4380404B2

JP4380404B2 - Oxygen pump

Info

Publication number: JP4380404B2
Application number: JP2004126589A
Authority: JP
Inventors: 謙三黄地; 浩直沼本; 章広梅田; 彪長井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP2005307286A

Description

本発明は、空気中含まれる酸素をイオン導電性基板を利用して移動させる酸素ポンプに関するものである。 The present invention relates to an oxygen pump that moves oxygen contained in air using an ion conductive substrate.

従来、この種の酸素ポンプは、酸素イオン導電性基板の両面に電極膜を設け、電源電圧を印加、酸素ポンプとして動作させていた（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, this type of oxygen pump has been provided with electrode films on both surfaces of an oxygen ion conductive substrate, applied with a power supply voltage, and operated as an oxygen pump (see, for example, Patent Document 1).

図９は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプ１の平面図である。図９に示すように、ジルコニアなどで構成された酸素イオン導電性基板２の上面および下面に電極膜３、４が形成され、電極膜３，４はリード線を介して直流電源５に接続されている。このような構成において、外部ヒーター（図示せず）などにより、酸素イオン導電性基板２を加熱し、約５００〜６００℃の高温に保持し、酸素ポンプとしていた。即ち、酸素を含む空気などが下面電極４に衝突すると、含まれる酸素分子がイオン化され酸素イオン導電性基板２内にイオンとして注入される。この注入されたイオンは、直流電源５からの供給電圧により上面電極３に向かって移動する。このイオンが、上面電極３においてイオンから分子に変換され空気中に放出される。このようにして、酸素イオン導電性基板２の下側の空気から酸素を上側に供給する酸素ポンプとして動作させていた。
特開平８−６７９９７号公報 FIG. 9 is a plan view of a conventional oxygen pump 1 described in Patent Document 1. As shown in FIG. As shown in FIG. 9, electrode films 3 and 4 are formed on the upper and lower surfaces of an oxygen ion conductive substrate 2 made of zirconia or the like, and the electrode films 3 and 4 are connected to a DC power source 5 through lead wires. ing. In such a configuration, the oxygen ion conductive substrate 2 is heated by an external heater (not shown) or the like, and is kept at a high temperature of about 500 to 600 ° C. to form an oxygen pump. That is, when air containing oxygen collides with the lower surface electrode 4, the contained oxygen molecules are ionized and injected as ions into the oxygen ion conductive substrate 2. The implanted ions move toward the upper surface electrode 3 by the supply voltage from the DC power source 5. The ions are converted from ions to molecules at the upper surface electrode 3 and released into the air. In this way, the oxygen pump was operated as an oxygen pump that supplies oxygen upward from the air below the oxygen ion conductive substrate 2.
JP-A-8-67997

しかしながら、前記従来の構成では、酸素イオン導電性基板が大きくなり、電極面積が広くなると、駆動電圧が数ボルト、駆動電流が数十アンペアとなる低電圧・高電流型となり、電源回路が非常に複雑で高コストになるとう課題があった。また、イオン導電性基板を高温に保持して使用するため、基板に温度分布が発生した場合には、局所的に大電流が流れ、基板が破損するという課題もあった。 However, in the conventional configuration, when the oxygen ion conductive substrate becomes large and the electrode area becomes large, the driving voltage becomes several volts and the driving current becomes several tens of amperes. There was a problem of being complicated and expensive. In addition, since the ion conductive substrate is used while being held at a high temperature, when a temperature distribution occurs in the substrate, there is a problem that a large current flows locally and the substrate is damaged.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低電流・高電圧型の酸素ポンプを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a low current / high voltage type oxygen pump.

前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素ポンプは、上面と下面とに複数個の電極対を設けた酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板を支持する支持部材と、前記酸素イオン導電性基板を加熱するヒーターとを備え、前記電極対を直列接続してなる構成とした。この複数個の電極対を直列接続する構成により、大面積の酸素イオン導電性基板であっても、高電圧、低電流とすることができ、電源回路が簡単に、また、低コストとすることができる。また、大面積の酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に大電流が流れることがなくなり、破損することもなくなる。 In order to solve the conventional problem, an oxygen pump of the present invention includes an oxygen ion conductive substrate provided with a plurality of electrode pairs on an upper surface and a lower surface, a support member that supports the oxygen ion conductive substrate, And a heater for heating the oxygen ion conductive substrate, and the electrode pairs are connected in series. With this configuration in which a plurality of electrode pairs are connected in series, even a large area oxygen ion conductive substrate can be made to have a high voltage and a low current, and the power supply circuit can be made simple and low in cost. Can do. Further, even if a temperature distribution occurs in a large-area oxygen ion conductive substrate, a large current will not flow locally and will not be damaged.

本発明の酸素ポンプは、高電圧、低電流で駆動することができ、電源回路を簡単にすることができ、低コストを実現できる。 The oxygen pump of the present invention can be driven at a high voltage and a low current, can simplify a power supply circuit, and can realize a low cost.

第１の発明は、上面と下面とに複数対の電極を設けた酸素イオン導電性基板と、前記酸素イオン導電性基板を支持する支持部材と、前記酸素イオン導電性基板を加熱するヒーターとを備え、前記電極対を直列接続する酸素ポンプの構成とした。この構成により、電源回路を高電圧、低電流とすることができ、電源回路を簡略に、低コストにすることができる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an oxygen ion conductive substrate provided with a plurality of pairs of electrodes on an upper surface and a lower surface, a support member that supports the oxygen ion conductive substrate, and a heater that heats the oxygen ion conductive substrate. And having an oxygen pump configuration in which the electrode pairs are connected in series. With this configuration, the power supply circuit can have a high voltage and a low current, and the power supply circuit can be simplified and reduced in cost.

第２の発明は、特に第１の発明の電極間接続を、酸素イオン導電性基板に形成されたスルーホールを介して接続する構成とした。この構成により、外部リードが不要となり、基板内だけで処理できるため、コンパクトに構成することができる。 In the second invention, the interelectrode connection of the first invention is particularly connected through a through hole formed in the oxygen ion conductive substrate. This configuration eliminates the need for external leads and can be processed only in the substrate, so that a compact configuration can be achieved.

第３の発明は、特に第１の発明の加熱ヒーターをセラミックヒーターを用いる構成とした。この構成により、ヒーター線が酸素イオン導電性基板に接触するなどの不具合が無くなり、信頼性の高い酸素ポンプを提供できる。 In the third invention, a ceramic heater is used as the heater of the first invention. With this configuration, there is no inconvenience such as contact of the heater wire with the oxygen ion conductive substrate, and a highly reliable oxygen pump can be provided.

第４の発明は、特に第１の発明の複数対の電極の各々に概ね等しい電圧が印加される構成とした。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に大電流がながれなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することがなくなり、信頼性が向上する。 In the fourth aspect of the invention, in particular, a substantially equal voltage is applied to each of the plurality of pairs of electrodes of the first aspect of the invention. With this configuration, even if a temperature distribution occurs in the oxygen ion conductive substrate, a large current is not locally flown, the oxygen ion conductive substrate is not damaged, and reliability is improved.

第５の発明は、特に第１の発明の複数対の電極の各々に概ね等しい電流が流れる構成とした。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に大電流が流れるようなことがなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することがなく、信頼性が向上する。 The fifth aspect of the invention is particularly configured such that substantially equal current flows through each of the plurality of pairs of electrodes of the first aspect of the invention. With this configuration, even if a temperature distribution occurs in the oxygen ion conductive substrate, no large current flows locally, the oxygen ion conductive substrate is not damaged, and the reliability is improved.

第６の発明は、特に第１の発明における複数対の電極の各々の面積比を、イオン電流密度に反比例するように構成した。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布があっても、各電極に流れる電流がほぼ一定となり、局所的に電流が集中することがなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することもなくなり、信頼性が向上する。 In the sixth aspect of the invention, in particular, the area ratio of each of the plurality of pairs of electrodes in the first aspect of the invention is configured to be inversely proportional to the ion current density. With this configuration, even if there is a temperature distribution in the oxygen ion conductive substrate, the current flowing through each electrode is almost constant, the current is not concentrated locally, and the oxygen ion conductive substrate is not damaged, Reliability is improved.

第７の発明は、特に第１〜６の発明におけるイオン導電性基板を円形に構成するともに、各電極対の面積比を、イオン電流密度に反比例する構成とした。この構成により、酸素イオン導電性基板に温度分布があっても、各電極に流れる電流がほぼ一定となり、局所的に電流が集中することがなくなり、酸素イオン導電性基板が破損することもなくなり、信頼性が向上する。 In the seventh invention, in particular, the ion conductive substrate in the first to sixth inventions is configured in a circular shape, and the area ratio of each electrode pair is inversely proportional to the ion current density. With this configuration, even if there is a temperature distribution in the oxygen ion conductive substrate, the current flowing through each electrode is almost constant, the current is not concentrated locally, and the oxygen ion conductive substrate is not damaged, Reliability is improved.

第８の発明は、特に第１〜９の発明の酸素イオン導電性基板を、ランタンガレートで構成した。この構成により、酸素イオン導電性に優れた酸素ポンプができ、高効率な酸素ポンプを提供できる。 In the eighth invention, the oxygen ion conductive substrate of the first to ninth inventions is particularly composed of lanthanum gallate. With this configuration, an oxygen pump excellent in oxygen ion conductivity can be obtained, and a highly efficient oxygen pump can be provided.

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. In addition, this invention is not limited by this embodiment.

（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態における酸素ポンプ１１の平面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のＡーＡ’線における断面図を示す。１２は酸素イオン導電性基板を、１３、１４、１５、１６は酸素イオン導電性基板１２の上面に設けられた上部電極を、１７は酸素イオン導電性基板１２を保持する支持部材を、１８、１９は酸素イオン導電性基板１２の下面側に設けられた下部電極を、２０はヒーターを、それぞれ示す。２１は外部の直流電源を、２２は直流電源２１の＋端子と上電極１６とを接続するリード線を、２３は下電極１９と上電極１５とを接続するリード線を、２４は下電極１８と上電極１３とを接続するリード線とを、それぞれ示す。なお、図面が煩雑になるため図示していないが、上電極１３の下側に設けられた下電極と上電極１４と接続するリード線と、さらに、上電極１４の下側に設けられた下電極と直流電源２０のー端子とを接続するリード線２５とにより、それぞれの電極が直列接続される。 (Embodiment 1)
Fig.1 (a) is a top view of the oxygen pump 11 in 1st Embodiment of this invention, FIG.1 (b) shows sectional drawing in the AA 'line of (a). 12 is an oxygen ion conductive substrate, 13, 14, 15 and 16 are upper electrodes provided on the upper surface of the oxygen ion conductive substrate 12, 17 is a support member for holding the oxygen ion conductive substrate 12, and 18, Reference numeral 19 denotes a lower electrode provided on the lower surface side of the oxygen ion conductive substrate 12, and 20 denotes a heater. 21 is an external DC power source, 22 is a lead wire connecting the + terminal of the DC power source 21 and the upper electrode 16, 23 is a lead wire connecting the lower electrode 19 and the upper electrode 15, and 24 is a lower electrode 18. And lead wires connecting the upper electrode 13 and the upper electrode 13, respectively. Although not shown because the drawing is complicated, the lower electrode provided below the upper electrode 13, the lead wire connected to the upper electrode 14, and the lower electrode provided below the upper electrode 14. Each electrode is connected in series by a lead wire 25 that connects the electrode and the negative terminal of the DC power supply 20.

この構成において、ヒーター２０に通電し酸素イオン導電性基板１２を約５００〜６００℃の高温に加熱し、動作させる。この時、図１（ａ）に示した１３、１４、１５、１６の各電極は、上記したように、外部電源（図示せず）に直列接続されているため、それぞれの電極対において、上電極は下電極に対して＋電圧となる。従って、各電極対において、下側電極において空気中の酸素をイオン化し、酸素イオン導電性基板の注入し、上側電極において酸素おイオンから酸素分子へと変換するよう動作する。この場合、動作電流蜜度をＩｉ［Ａ／ｃｍ＾２］、動作電圧をＶｉ［Ｖ］とすると、４個の電極対からなる本発明の場合、動作電圧は、４＊Ｖｉ、動作電流はＩｉとなる。通常の場合、Ｉｉ＝５〜１０［Ａ］、Ｖｉ＝１〜２［Ｖ］であるので、動作電圧が４〜８［Ｖ］、動作電流が５〜１０［Ａ］となり、高電圧、低電流が実現でき、簡単な構成で、低価格の直流電源とすることができる。 In this configuration, the heater 20 is energized and the oxygen ion conductive substrate 12 is heated to a high temperature of about 500 to 600 ° C. and operated. At this time, the electrodes 13, 14, 15, and 16 shown in FIG. 1A are connected in series to an external power source (not shown) as described above. The electrode has a positive voltage with respect to the lower electrode. Accordingly, in each electrode pair, oxygen in the air is ionized in the lower electrode, an oxygen ion conductive substrate is injected, and oxygen ions are converted into oxygen molecules in the upper electrode. In this case, when the operating current honey is Ii [A / cm ^ 2] and the operating voltage is Vi [V], in the case of the present invention consisting of four electrode pairs, the operating voltage is 4 * Vi, and the operating current is Ii. In a normal case, since Ii = 5 to 10 [A] and Vi = 1 to 2 [V], the operating voltage is 4 to 8 [V] and the operating current is 5 to 10 [A]. An electric current can be realized, and a low-cost DC power supply can be obtained with a simple configuration.

なお、従来のような一対の電極構成であれば、動作電圧が１〜２［Ｖ］、動作電流が２０〜４０［Ａ］となり、低電圧、高電流となり、容易に実現することが困難となり、外部直流電源が高価格となる。このように本発明の効果は、酸素イオン導電性基板が大きくなればなるほど大いに発揮される。 In addition, with a conventional pair of electrodes, the operating voltage is 1 to 2 [V] and the operating current is 20 to 40 [A], which results in low voltage and high current, making it difficult to realize easily. External DC power supply becomes expensive. As described above, the effect of the present invention becomes more significant as the oxygen ion conductive substrate becomes larger.

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における酸素ポンプの要部断面図を示す。２６は酸素イオン導電性基板１２に設けられたスルーホールを示し、２７はスルーホールに無機接着剤を用いて固定された金属の棒状端子を、２８は上電極１５と棒状端子２７と接続するリード線を、２９は下電極１９と棒状端子２７と接続するリード線を示す。 (Embodiment 2)
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a main part of the oxygen pump according to Embodiment 2 of the present invention. Reference numeral 26 denotes a through hole provided in the oxygen ion conductive substrate 12, 27 denotes a metal bar terminal fixed to the through hole using an inorganic adhesive, and 28 denotes a lead connecting the upper electrode 15 and the bar terminal 27. Reference numeral 29 denotes a lead wire connecting the lower electrode 19 and the rod-shaped terminal 27.

この構成により、リード線の引き回しが大幅に短縮された。また、リード線を酸素イオン導電性基板１２の下側から上側、あるいは上側から下側へと煩雑な引き回しもなくなり、作業性が大幅に向上した。更に、この場合にはワイヤーボンディングのように、上面は上面、下面は下面のように平面配線作業を採用することも可能となり、量産性に優れた構成とすることができる。 With this configuration, the lead wire routing is greatly shortened. In addition, troublesome routing of the lead wire from the lower side to the upper side or the upper side to the lower side of the oxygen ion conductive substrate 12 is eliminated, and the workability is greatly improved. Furthermore, in this case, as in wire bonding, it is possible to employ a flat wiring work in which the upper surface is the upper surface and the lower surface is the lower surface, and the structure can be excellent in mass productivity.

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における酸素ポンプの要部断面図を示す。３０は酸素イオン導電性基板１２に近接して設けられた板状のセラミックヒーターを示し、３１、３２はヒーター通電のリード線を示す。この構成により、ヒーター３０を酸素イオン導電性基板２１に近接して設置することが可能となり、熱効率が非常に向上した。 (Embodiment 3)
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a main part of the oxygen pump according to Embodiment 3 of the present invention. Reference numeral 30 denotes a plate-like ceramic heater provided close to the oxygen ion conductive substrate 12, and reference numerals 31 and 32 denote heater energization leads. With this configuration, the heater 30 can be installed close to the oxygen ion conductive substrate 21 and the thermal efficiency is greatly improved.

即ち、図１に示したような線状のヒーターの場合には、通電し加熱しようとした場合、ヒーター線が温度上昇ととみ、熱膨張により撓むことがあったため、酸素イオン導電性基板に近接して設置できないことがあった。また近接して設置した場合には、ヒーター線が、温度上昇に伴って酸素イオン導電性基板と接触し、充分に昇温できないこともあった。また、接触し、充分な酸素ポンプとして性能を発揮できないこともあった。 That is, in the case of a linear heater as shown in FIG. 1, when energizing and heating, the heater wire is considered to have a temperature rise and may be bent due to thermal expansion. In some cases, it was not possible to place them close together In addition, when installed close to each other, the heater wire may come into contact with the oxygen ion conductive substrate as the temperature rises, and the temperature may not be sufficiently increased. In addition, there was a case where it was unable to perform as a sufficient oxygen pump due to contact.

なお、この構成にした場合には、通電直後の温度立上がり特性が大きく改善され、立上がり特性に優れた酸素ポンプを実現できる。図４にその結果を示す。図４は横軸に時間を、縦軸に酸素ポンプのイオン電流を示す。３３は本発明のセラミックヒーターを用い、セラミックヒーターを酸素イオン導電性基板に近接して設置した場合のイオン電流の立上がり特性を示す。３４は、従来のヒーター線による本発明と同電力での加熱結果を示す。近接することにより、立上がり特性が２０％程度改善された。 In this configuration, the temperature rise characteristic immediately after energization is greatly improved, and an oxygen pump excellent in the rise characteristic can be realized. FIG. 4 shows the result. FIG. 4 shows time on the horizontal axis and ion current of the oxygen pump on the vertical axis. Reference numeral 33 denotes the rise characteristic of the ionic current when the ceramic heater of the present invention is used and the ceramic heater is installed close to the oxygen ion conductive substrate. 34 shows the heating result by the same power as this invention by the conventional heater wire. Due to the proximity, the rise characteristic was improved by about 20%.

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における酸素ポンプの要部断面図を示す。３６は電圧モニターを示し、リード線３７、３８を介して上電極１６および下電極１９に接続されている。他の各電極対にも同様の電圧モニターを設けた（図が煩雑になるため図示せず）。この構成により、各電極対に印加される電圧をモニターすることができ、酸素ポンプとしての動作時に、各電極対に概ね同じような電圧が印加されるようにした。 (Embodiment 4)
FIG. 5 shows a cross-sectional view of a main part of the oxygen pump according to Embodiment 4 of the present invention. A voltage monitor 36 is connected to the upper electrode 16 and the lower electrode 19 via lead wires 37 and 38. The same voltage monitor was provided for each of the other electrode pairs (not shown because the figure becomes complicated). With this configuration, the voltage applied to each electrode pair can be monitored, and substantially the same voltage is applied to each electrode pair during operation as an oxygen pump.

この構成により、異常な高電圧が印加されることが無くなり、信頼性が向上した。即ち、異常な高電圧が一部の電極対に印加されると、局所的に高温と成ったり、あるいは、局所的に異常に大きな酸素イオン電流が流れることになり、上下の電極が破損したり、あるいは酸素イオン導電性基板が破損したりして、信頼性が不十分であった。 With this configuration, an abnormal high voltage is not applied, and reliability is improved. That is, when an abnormally high voltage is applied to some electrode pairs, the temperature is locally high, or an abnormally large oxygen ion current flows locally, and the upper and lower electrodes are damaged. Or, the oxygen ion conductive substrate was damaged, and the reliability was insufficient.

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における酸素ポンプの要部平面図を示す。３８は酸素イオン導電性基板を、３９は中央部の上電極を、４０は中間部の上電極を、４１は周辺部の上電極を示す。酸素イオン導電性基板３８の下面にはそれぞれの電極３９、４０、４１に対応した下電極を構成した。なお、４２には酸素イオン導電性基板３８を周辺部で支持する支持部材を示す。図７に、酸素イオン導電性基板３８を高温に保持したときの電圧電流特性を示す。同図は、横軸に印加電圧を、縦軸にイオン電流密度、即ち、単位面積あたりの電流値を示す。実線４３は中央部の電極３９での特性を、破線４４は中間部の電極４０での特性を、点線４５は周辺部の電極４１での特性をそれぞれ示す。このように電極の位置により、電圧電流特性が異なるのは酸素イオン導電性基板３８に温度分布が発生しているためと思われる。 (Embodiment 5)
FIG. 6 shows a plan view of the main part of an oxygen pump according to Embodiment 5 of the present invention. Reference numeral 38 denotes an oxygen ion conductive substrate, 39 denotes an upper electrode in the central portion, 40 denotes an upper electrode in the middle portion, and 41 denotes an upper electrode in the peripheral portion. Lower electrodes corresponding to the electrodes 39, 40, 41 were formed on the lower surface of the oxygen ion conductive substrate 38. Reference numeral 42 denotes a support member for supporting the oxygen ion conductive substrate 38 at the peripheral portion. FIG. 7 shows voltage-current characteristics when the oxygen ion conductive substrate 38 is held at a high temperature. In the figure, the applied voltage is shown on the horizontal axis, and the ion current density, that is, the current value per unit area is shown on the vertical axis. A solid line 43 indicates the characteristics of the central electrode 39, a broken line 44 indicates the characteristics of the intermediate electrode 40, and a dotted line 45 indicates the characteristics of the peripheral electrode 41. The reason why the voltage-current characteristics are different depending on the position of the electrode is considered to be that the temperature distribution is generated in the oxygen ion conductive substrate 38.

即ち、中央部電極３９の部分の温度が最も高く、周辺にいくほど温度が低下してことを示している。従って、それぞれの電極対部分に同程度の電流を流すためには、電流密度の大きい中央部電極面積は小さく、周辺部の温度の低い、従って、電流密度の小さい周辺部電極面積を大きくなるようにすれば、それぞれの電極対部分を流れる電流を同一にすることができる。また、この場合には、それぞれに印加される電圧も、必然的に同一となる。 That is, the temperature of the portion of the central electrode 39 is the highest, and the temperature decreases toward the periphery. Therefore, in order to allow the same level of current to flow through each electrode pair, the central electrode area with a large current density is small, the peripheral temperature is low, and therefore the peripheral electrode area with a small current density is large. By doing so, the currents flowing through the respective electrode pair portions can be made the same. In this case, the voltage applied to each is inevitably the same.

このように予め温度分布を想定して各部の電極面積を変えておくと、各部の電極を流れる電流が同一となり、また印加される電圧も同一となる。従って、酸素イオン導電性基板全体にわたって、同一の電圧値で動作することになり、局所的に大電流が流れたり、あるいは、局所的に高電圧が印加されたりすることがなくなる。このため、信頼性の高い酸素ポンプを構成することができる。 Thus, if the electrode area of each part is changed in advance assuming the temperature distribution, the current flowing through the electrode of each part becomes the same, and the applied voltage becomes the same. Therefore, the entire oxygen ion conductive substrate operates at the same voltage value, and a large current does not flow locally or a high voltage is not applied locally. For this reason, a highly reliable oxygen pump can be constituted.

なお、各部の電極対での電流密度がわかっている場合には、各部の電極面積を電流密度に反比例するように設定すると、各部の電極対に印加される電圧は一定となり、また、各部の電極対を流れる電流も一定となる。 In addition, when the current density in the electrode pair of each part is known, if the electrode area of each part is set to be inversely proportional to the current density, the voltage applied to the electrode pair in each part becomes constant, and The current flowing through the electrode pair is also constant.

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６における酸素ポンプの要部平面図を示す。４６は円形の酸素イオン導電性基板を、４７、４８、４９はそれぞれ中央部の電極対の上電極、中間部の電極対の上電極を、周辺部の電極対の上電極をそれぞれ示す。この構成において、各部の電極対を直列接続とした。なお、５０は酸素イオン導電性基板４６を周辺部で支持する支持部材を示す。このように酸素イオン導電性基板、電極対、周辺支持部材を円対称に配置することにより、効率よく酸素ポンプを動作させることができる。 (Embodiment 6)
FIG. 8 shows a plan view of the main part of an oxygen pump according to Embodiment 6 of the present invention. Reference numeral 46 denotes a circular oxygen ion conductive substrate, 47, 48 and 49 respectively denote an upper electrode of the central electrode pair, an upper electrode of the intermediate electrode pair, and an upper electrode of the peripheral electrode pair. In this configuration, the electrode pairs in each part were connected in series. Reference numeral 50 denotes a support member that supports the oxygen ion conductive substrate 46 at the periphery. Thus, the oxygen pump can be operated efficiently by arranging the oxygen ion conductive substrate, the electrode pair, and the peripheral support member in a circular symmetry.

即ち、円対称に配置することにより、酸素イオン導電性基板を高温になるよう加熱した場合、周辺部で酸素イオン導電性基板を支持部材で支持しているため、中央部ほど温度が高く、周辺に向かって温度が低下することになる。従って、同図に示したようにイオン電流密度に反比例した電極面積にすることにより、各電極部分に同じ電圧が印加され、同じ電流が流れることになる。従って、酸素イオン導電性基板に温度分布が発生しても、局所的に高温になったり、局所的にお題電流が流れたりすることがなくなる。このため、効率のよい、信頼性の高い酸素ポンプを実現できる。 That is, when the oxygen ion conductive substrate is heated to a high temperature by arranging it in a circular symmetry, since the oxygen ion conductive substrate is supported by the support member in the peripheral portion, the temperature is higher in the central portion, The temperature will decrease toward. Therefore, by setting the electrode area inversely proportional to the ion current density as shown in the figure, the same voltage is applied to each electrode portion, and the same current flows. Therefore, even if a temperature distribution occurs in the oxygen ion conductive substrate, the temperature does not become high locally or the theme current does not flow locally. For this reason, an efficient and reliable oxygen pump is realizable.

（実施の形態７）
本発明の酸素ポンプの電極として、ポーラスな電極が適している。即ち、ポーラスな電極であれば、大電流が流れた場合、放熱効果が大きいため、局所的な高温部が発生しなくなる。また、酸素分子が容易に、電極膜の中まで浸透することができるので、酸素イオン化効率を大きくなる。スクリーン印刷による電極形成が適している。 (Embodiment 7)
A porous electrode is suitable as the electrode of the oxygen pump of the present invention. That is, in the case of a porous electrode, when a large current flows, the heat dissipation effect is large, so that a local high temperature portion does not occur. Further, since oxygen molecules can easily penetrate into the electrode film, the oxygen ionization efficiency is increased. Electrode formation by screen printing is suitable.

即ち、印刷ペーストに焼成時に揮発してなくなる有機物成分で構成された微粒子を、予め混合しておく。印刷、焼成するとその部分が揮発・蒸発してなくなり、その跡が微小な気泡となり、ポーラスな電極膜を構成することができる。 That is, fine particles composed of organic components that do not volatilize during firing are mixed in advance in the printing paste. When printing and baking, the portion is not volatilized / evaporated, and the trace becomes a fine bubble, so that a porous electrode film can be formed.

より具体的には、アクリス樹脂からなる粒径数ミクロン以下の微粒子を、印刷ペーストに混入して用いた。なお、印刷ペーストはサマリム・ストロンチウム・コバルトを用いた。電極膜の厚さは数ミクロン以上であれば十分機能することがわかった。 More specifically, fine particles made of an Acris resin having a particle size of several microns or less were mixed into the printing paste and used. Note that samarim, strontium, and cobalt were used as the printing paste. It has been found that if the thickness of the electrode film is several microns or more, it will function sufficiently.

また、酸素イオン導電性基板には、ジルコニアやセリア等の金属酸化物が用いられるが、ランタンガレートが特に適している。その中でも、ランタンーストロンチウムーガリウムーマグネシウムを組成に持つペロブスカイト型酸化物が特に、酸素イオン導電性に優れているので、最も適している。また酸素イオン導電性基板は周辺部を支持部材で支持したが、支持部材には、電気絶縁性であり、熱絶縁性の材質が適切であるが、高温で使用するため、ガラス等のシリカ板、アルミナ板やマイカ板が適している。 Further, metal oxides such as zirconia and ceria are used for the oxygen ion conductive substrate, and lanthanum gallate is particularly suitable. Among them, a perovskite oxide having a composition of lanthanum strontium-gallium-magnesium is particularly suitable because it has excellent oxygen ion conductivity. In addition, the oxygen ion conductive substrate is supported at the periphery by a support member, but the support member is electrically insulating and a heat insulating material is suitable, but since it is used at a high temperature, a silica plate such as glass is used. Alumina plates and mica plates are suitable.

以上のように、本発明にかかる酸素ポンプは高電圧、低電流での動作が可能となり、電源回路を簡単に構成することができ、低コストが可能となり、酸素供給機器や脱酸素機器などへの用途にも適用できる。 As described above, the oxygen pump according to the present invention can operate at a high voltage and a low current, can easily configure a power supply circuit, and can be manufactured at a low cost. It can be applied to other uses.

（ａ）本発明の実施の形態１における酸素ポンプの平面図（ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図(A ) Plan view of the oxygen pump according to Embodiment 1 of the present invention (b ) AA ′ cross-sectional view of FIG . 1 (a) 本発明の実施の形態２における酸素ポンプの要部断面図Sectional drawing of the principal part of the oxygen pump in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態３における酸素ポンプの要部断面図Sectional drawing of the principal part of the oxygen pump in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態３における酸素ポンプの特性図Characteristics diagram of oxygen pump in embodiment 3 of the present invention 本発明の実施の形態４における酸素ポンプの要部断面図Sectional drawing of the principal part of the oxygen pump in Embodiment 4 of this invention 本発明の実施の形態５における酸素ポンプの要部平面図The principal part top view of the oxygen pump in Embodiment 5 of this invention 本発明の実施の形態５における酸素ポンプの特性図Characteristics diagram of oxygen pump according to embodiment 5 of the present invention 本発明の実施の形態６における酸素ポンプの要部平面図The principal part top view of the oxygen pump in Embodiment 6 of this invention 従来の酸素ポンプの断面図Cross section of a conventional oxygen pump

Explanation of symbols

１２酸素イオン導電性基板
１３、１４、１５、１６上電極
１７支持部材
１８、１９下電極
２０ヒーター
２１外部電源
２６スルーホール
３０セラミックヒーター
３５電圧モニター 12 Oxygen ion conductive substrate 13, 14, 15, 16 Upper electrode 17 Support member 18, 19 Lower electrode 20 Heater 21 External power supply 26 Through hole 30 Ceramic heater 35 Voltage monitor

Claims

An oxygen ion conductive substrate provided with a plurality of pairs of electrodes on an upper surface and a lower surface; a support member that supports the oxygen ion conductive substrate; and a heater that heats the oxygen ion conductive substrate. An oxygen pump connected in series.

The oxygen pump according to claim 1, wherein the oxygen pumps are connected in series via through holes formed in the oxygen ion conductive substrate.

The oxygen pump according to claim 1, wherein the heater is a ceramic heater.

The oxygen pump according to claim 1, wherein a substantially equal voltage is applied to each of the plurality of pairs of electrodes.

The oxygen pump according to claim 1, wherein substantially equal current flows through each of the plurality of pairs of electrodes.

The oxygen pump according to claim 1, wherein the area ratio of each of the plurality of pairs of electrodes is set to be inversely proportional to the ion current density.

The oxygen pump according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen ion conductive substrate is formed in a disk shape, a peripheral portion thereof is supported by a support member, and a plurality of electrode pairs are formed concentrically.

The oxygen pump according to any one of claims 1 to 7, wherein the oxygen ion conductive substrate is lanthanum gallate .