JP4380404B2 - Oxygen pump - Google Patents
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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。
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
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
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.
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
(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.
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.
(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
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.
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
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.
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.
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
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