JP4412560B2 - ガスポンプ - Google Patents

Description

本発明は、イオン導電性の固体電解質筒状体を使用した酸素ポンプ、水素ポンプなどの固体電解質型ガスポンプに関する。

イオン導電性固体電解質は、高温でイオンを透過させることができる。この現象を利用し、燃料電池、ガス分析の測定、ガス混合物の分離などに実用化されている。酸素ポンプとして使用する場合は、酸素イオンが酸素などの還元により発生し与えられた電位勾配の元で、陰極側から酸素が生成する陽極へ酸素イオン伝導性電解質を通って移動することを利用している。

上記酸素ポンプを使用した試料育成装置等の設備の概要を図５に、上記酸素ポンプの概要を図６に示す。

図５において、１は酸素分圧制御装置で、バルブ２を通してガスボンベ（図示せず）から不活性ガスが供給される。通常、不活性ガス中の酸素分圧は10^-４ａｔｍ程度である。酸素分圧制御装置１は、バルブ２を通った不活性ガスの流量を設定値に制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３と、このマスフローコントローラ３を通った不活性ガスを目的の酸素分圧に制御可能な電気化学的な酸素ポンプ４と、酸素ポンプ４で制御された不活性ガスの酸素分圧をモニタして試料育成装置などの次工程（装置）に供給する供給ガス用の酸素センサ５を有する。

酸素分圧制御装置１は、所望の酸素分圧値を設定する酸素分圧設定部６と、酸素センサ５によるモニタ値を酸素分圧設定部６による設定値と比較して酸素ポンプ４から送り出される不活性ガスの酸素分圧を所定値に制御する酸素分圧制御部７と、酸素センサ５によるモニタ値を表示する酸素分圧表示部８を備える。

図６の電気化学的な酸素ポンプ４は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質筒状体４ａの内外両面に白金よりなる電極４ｂ、４ｃを形成している。固体電解質筒状体４ａは、例えばジルコニア系の固体電解質で、図示しないヒーターで７００℃程度に加熱される。固体電解質筒状体４ａの一方の開口から他方の開口に向けて軸方向に不活性ガスを供給する。不活性ガスは、例えばＡｒ＋Ｏ₂（10^-４ａｔｍ）である。内外両面の電極４ｂ、４ｃ間に直流電源Ｅの直流電圧を印加する。外面の電極４ｃに＋極を印加し、内面の電極４ｂに−極を印加して電流Ｉを流すと、固体電解質筒状体４ａ内を流れる不活性ガス中の酸素分子（Ｏ₂）が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質を通して再び酸素分子（Ｏ₂）として固体電解質筒状体４ａの外部に放出される。固体電解質筒状体４ａの外部に放出された酸素分子は、空気等の補助ガスと共に排気される。固体電解質筒状体４ａに供給されたＡｒ＋Ｏ₂（10^-４ａｔｍ）の不活性ガスは、酸素分子が低減されて目的の酸素分圧に制御された処理済みガスとなり、次工程（装置）に給送される。

図６の酸素ポンプ４は、固体電解質筒状体４ａの内外両面の電極４ｂ、４ｃ間に上記と逆極性の直流電圧を印加してポンプ動作を行わせることも可能である。すなわち、外面の電極４ｃに−極を印加し、内面の電極４ｂに＋極を印加すると、固体電解質筒状体４ａの外面に沿って流れる空気などのガス中の酸素分子（Ｏ₂）が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質を通して再び酸素分子（Ｏ₂）として固体電解質筒状体４ａの内部に放出される。この場合、固体電解質筒状体４ａの内部を流れる不活性ガスの酸素分圧が上昇して、外部に給送される。

このような酸素ポンプにより酸素分圧を制御したガスを供給すれば、結晶育成、合金化、熱処理、半導体製造工程などが酸素分圧を制御した不活性ガスなどの雰囲気下で行うことができる。

イオン導電体の固体電解質筒状体の内部を軸方向に不活性ガスなどのポンプ作用を受ける被処理ガスを流すガスポンプは、図６の酸素ポンプのように、１本の円形パイプ状の固体電解質筒状体を使用する。この１本の固体電解質筒状体の内部空間に軸方向に被処理ガスを流し、固体電解質筒状体内を流れる間に固体電解質隔壁内外でイオン導電のポンプ作用を行う。このようなガスポンプが処理できるガス流量は、被処理ガスと固体電解質筒状体内外面との接触面積に比例する。従って、ガス流量を増大させるためには、被処理ガスと固体電解質筒状体外面との接触面積を増大させる必要がある。

そのためには、固体電解質筒状体を長くすることや、パイプ径を大きくすることが考えられる。酸素イオン導電性固体電解質を有効に利用するためには、酸素ポンプの抵抗値をできる限り低くして、酸素ポンプの酸素透過能力を高くすることが必要である。酸素ポンプの抵抗値には、固体電解質の形状（表面積と厚さ）、電極膜、リード端子などが影響する。この中で固体電解質の形状は表面積が大きく、薄いほど抵抗値は小さくなる。すなわち、筒状体を考えると、その直径と長さが大きく、厚みの薄い形状がよい。しかし、固体電解質筒状体を製造する容易さや、加熱・高温保持状態で使用される固体電解質筒状体の強度を考慮すると、直径と長さと厚みには限界がある。また、パイプ径を大きくするほど、固体電解質筒状体の中心部を流れる被処理ガスのイオン伝導反応が急減して、結果的に中心部を流れる被処理ガスが反応なしで素通りすることになり、酸素分圧などの制御精度が低下する。このようなことから、固体電解質筒状体のパイプ径を単純に大きくするには自ずと限界がある。従って、上記の方法で被処理ガスと固体電解質筒状体との接触面積を増大するには限界がある。そのため、ガスポンプが実質的有効に処理できるガス流量が制限され、酸素分圧を制御したガスを供給する用途が制限されていた。

本発明の目的とするところは、適切な口径の固体電解質筒状体にて実質的有効に処理できるガス流量を増大させたガスポンプを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、それぞれが内外両面に電極を有する、径の異なる複数の固体電解質筒状体を同心に組み合わせてユニット化した円形固体電解質筒状体ユニットを、各々の中心線が略鉛直となる縦置き仕様で同心円上に等間隔で複数配設し、この複数の固体電解質筒状体ユニットを囲むリング状の加熱装置で各固体電解質筒状体ユニットを加熱するガスポンプであって、複数の固体電解質筒状体ユニットで囲まれる空間に加熱装置で加熱されて蓄熱する蓄熱部材を配置したことを特徴とする。

ここで、固体電解質筒状体は、酸化物イオン導電体であるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）のジルコニア系や、プロトン導電体の固体電解質が適用できる。前者ジルコニア系固体電解質筒状体を使用したガスポンプは、所謂酸素ポンプである。後者プロトン導電体の固体電解質筒状体を使用したガスポンプは、所謂水素ポンプであり、燃料電池製造装置などに適用できる。また、複数の固体電解質筒状体は内径が大小異なる円形パイプが強度的、品質的に望ましいが、用途によっては楕円パイプや多角形パイプも適用可能である。径が大小異なる複数の固体電解質筒状体の各々の内外両面に、白金などのネット状の電極を形成する。１つの固体電解質筒状体の外面側電極と内面側電極に極性の異なる直流電圧を印加して、イオン導電のポンプ作用を行わせる。また、複数の各固体電解質筒状体を同心にして多重に配設し、同心状に隣接する内側と外側の固体電解質筒状体の間に筒状空間を形成し、この筒状空間に所望のガスを固体電解質筒状体軸方向に流す。ここでのガスは、酸素分圧制御などされるポンプ動作対象の被処理ガスと、被処理ガスの処理に基づく二次ガス（被処理ガスを処理することで生成された酸素分子などを含む排ガス、または、被処理ガスの処理のために被処理ガスに供与される高酸素分圧の大気ガスなど）である。これらのガスが同心かつ多重に配置された複数の固体電解質筒状体の間の空間や、最大径の固体電解質筒状体の外周と加熱装置の間に形成した流路に流れる。

このように同心円上に配置された複数の固体電解質筒状体ユニットのそれぞれの内部に被処理ガスを流すことで、被処理ガスと固体電解質筒状体との接触面積が増大し、ポンプ処理するガス量が増大する。また、複数の固体電解質筒状体ユニットに対して等距離にあるリング状加熱装置が各個体電解質筒状体ユニットを均一的に加熱して、ユニット間での温度差が少なくなり、この温度差によって生じる固体電解質筒状体ユニットの酸素透過能力差が解消される。さらに、中心線が略鉛直に配置された各個体電解質筒状体ユニットを外側からは加熱装置で加熱し、内側からは蓄熱部材で加熱することで、各ユニットの固体電解質筒状体を周方向に温度差少なくして均一的に加熱することができ、各ユニット内部を流れる被処理ガスの制御精度を高めることができる。これにより、複数の固体電解質筒状体ユニットで個体差なく同質な被処理ガスの処理が行われて、酸素分圧などの制御精度の向上が図れる。

本発明においては、内外両面に電極を有する同一径で同一長さの複数の円形固体電解質筒状体を、各々の中心軸を鉛直にして同心円上に設置し、この複数の円形固体電解質筒状体を囲むリング状の加熱装置で各固体電解質筒状体を加熱するガスポンプであって、複数の固体電解質筒状体で囲まれる空間に加熱装置で加熱されて蓄熱する蓄熱部材を配置したことを特徴とする。

また、本発明においては、複数の各固体電解質筒状体を酸化物イオン導電体で構成することができる。この酸化物イオン導電体の固体電解質筒状体は、所定温度で加熱された条件下で被処理ガス中の酸素分子を二次ガスに移動させるポンプ動作、あるいは、二次ガス中の酸素分子を被処理ガスに移動させる逆のポンプ動作をして、安定した動作をする酸素ポンプを構成する。

本発明のガスポンプによれば、同心円上に配置された複数の固体電解質筒状体ユニットや固体電解質筒状体のそれぞれの内部を被処理ガスが通過することによって、被処理ガスと固体電解質筒状体との接触面積を増大させることができ、ポンプ処理するガス量の増大が図れるという優れた効果を奏し得る。また、ガスポンプが処理できるガス量の増大で、極低酸素分圧ガスを使用する材料生成装置や高酸素分圧ガスを使用する熱処理装置などの製造設備に処理量の大きな高能力大型設備を適用できる有利さがある。しかも、各ユニットの固体電解質筒状体を周方向に温度差少なくして均一的に加熱することができ、各ユニット内部を流れる被処理ガスの制御精度を高めることができる。

以下、実施の形態の概要を図１〜図４を参照して説明する。

図１及び図２に示す酸素ポンプは、直径が大小異なる２本の円形固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂを同心に組み合わせてユニット化した円形固体電解質筒状体ユニット１０’を複数ユニット使用する。同一サイズの複数の個体電解質筒状体１０’を、各々の中心軸を鉛直にして等間隔で同心円上に設置する。鉛直に縦配置された複数の円形固体電解質筒状体ユニット１０’の下端部が中空の下部キャップ１２に連結され、各固体電解質筒状体ユニット１０’の上端部が中空の上部キャップ１３に連結される。同心円上の複数の固体電解質筒状体ユニット１０’で囲まれる空間に蓄熱部材例えばダミーパイプ１５が設置される。ダミーパイプ１５の上下端部が各キャップ１２、１３に固定される。

同心円上の複数の固体電解質筒状体ユニット１０’の回りに加熱装置であるリング状ヒーター４０を同心に配設する。内外２本の固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂは、それぞれに内外両面に白金よりなるネット状の電極（図示せず）を有する。この内外両面の電極には、直流電源から異なる極性の直流電圧が印加される。

図１及び図２の酸素ポンプの場合、複数の各固体電解質筒状体ユニット１０’の内側固体電解質筒状体１０ａと外側固体電解質筒状体１０ｂの間の筒状空間が被処理ガスＧ１を流す一次流路Ｍｐであり、内側固体電解質筒状体１０ａの内部空間と各固体電解質筒状体ユニット１０’の間の空間が二次流路Ｎｐである。下部キャップ１２を下にして各固体電解質筒状体ユニット１０’を縦置きした状態にして、周囲からヒーター４０で加熱する。各固体電解質筒状体ユニット１０’はヒーター４０から等距離にあるので加熱斑少なくして均一的に加熱される。また、各固体電解質筒状体ユニット１０’で囲まれる内部空間にあるダミーパイプ１５もヒーター４０で加熱される。このダミーパイプ１５の蓄熱で、ダミーパイプ１５の回りの各固体電解質筒状体ユニット１０’が加熱される。つまり、複数の各固体電解質筒状体ユニット１０７は、内外双方から加熱されるので、周方向に温度差少なくして均一的に加熱され、かつ、加熱効率が良くなり、ヒーター４０の消費電力量を抑えることができる。

図１の酸素ポンプの動作を説明する。ヒーター４０に通電して各固体電解質筒状体ユニット１０’を７００℃程度に加熱した状態で、下部キャップ１２の流路穴１４に被処理ガスＧ１を給送する。各固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂの内外両面の電極に直流電圧を印加する。下部キャップ１２に外部から給送された被処理ガスＧ１は、各固体電解質筒状体ユニット１０’の一次通路Ｍｐにほぼ同時にほぼ同量で流入し、上昇する。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍｐを流れる間に内側固体電解質筒状体１０ａの外面と外側固体電解質筒状体１０ｂの内面に沿って流れるガス中の酸素分子（Ｏ₂）の一部が固体電解質によって電気的に還元されてイオン（Ｏ^2-）化され、固体電解質筒状体１０ａ、１０ｂをイオン伝導して二次流路Ｎｐに放出される。被処理ガスＧ１が一次流路Ｍｐを通過する間に酸素分圧が目的値まで下がり、処理済みガスとして一次流路Ｍｐからキャップ１３を介して排気される。また、各固体電解質筒状体ユニット１０’の外部空間である二次流路Ｎｐに放出された酸素分子が周囲のキャリアガス（空気）と共に排気される。下部キャップ１２に給送された被処理ガスＧ１が複数本の固体電解質筒状体ユニット１０’内を通過するため、ガスと固体電解質の接触面積が増大して、処理されるガス量が増大する。

図１に示す酸素ポンプの固体電解質筒状体ユニット１０’は、二重筒構造体としたが、二重以上の多重筒構造体にしてもよく、また、単一の固体電解質筒状体のみでユニット化しない構造体も可能である。その具体例を図３及び図４に示す。

図３及び図４に示す酸素ポンプは、図１の酸素ポンプを応用したもので、同一径で同一長さの複数の円形固体電解質筒状体１１を、各々の中心軸を鉛直にして同心円上に設置している。鉛直に縦配置された複数の円形固体電解質筒状体１１の下端部が中空の下部キャップ１２に連結され、上端部が中空の上部キャップ１３に連結される。同心円上の複数の固体電解質筒状体１１で囲まれる空間に蓄熱部材のダミーパイプ１５が設置される。ダミーパイプ１５の上下端部が各キャップ１２、１３に固定される。同心円上の複数の固体電解質筒状体１１の回りにリング状ヒーター（加熱装置）４０が設置される。

図３及び図４の酸素ポンプの場合、複数の各固体電解質筒状体１１の内部空間が被処理ガスＧ１を流す一次流路Ｍｐであり、各固体電解質筒状体１１の間の空間が二次流路Ｎｐである。下部キャップ１２を下にして各固体電解質筒状体１１を縦置きした状態にして、周囲からヒーター４０で加熱する。各固体電解質筒状体１１はヒーター４０から等距離にあるので加熱斑少なくして均一的に加熱され、ダミーパイプ１５もヒーター４０で加熱される。ダミーパイプ１５の蓄熱で、ダミーパイプ１５の回りの各固体電解質筒状体１１が加熱される。この場合も、複数の各固体電解質筒状体１１は、内外双方から加熱されるので、加熱効率が良くなり、ヒーター４０の消費電力量を抑えることができる。

各固体電解質筒状体１１を７００℃程度に加熱した状態で、下部キャップ１２の流路穴１４に被処理ガスＧ１を給送する。流路穴１４と各固体電解質筒状体１１の一次流路Ｍｐが連通させてあり、下部キャップ１２に外部から給送された被処理ガスＧ１は、各固体電解質筒状体１１の一次通路Ｍｐにほぼ同時にほぼ同量で流入し、上昇する。被処理ガスＧ１が鉛直な一次流路Ｍｐを上昇する間に、酸素分子のイオン化反応が行われて、処理済みガスが中空の上部キャップ１３に入り、最終的に排気される。また、各固体電解質筒状体１１の外部空間である二次流路Ｎｐに放出された酸素分子が周囲のキャリアガスと共に排気される。下部キャップ１２に給送された被処理ガスＧ１が複数本の固体電解質筒状体１１内を通過するため、ガスと固体電解質の接触面積が増大して、処理されるガス量が増大する。また、複数本の固体電解質筒状体１１が均一的に加熱されて固体間の酸素透過能力差が解消されるため、酸素分圧の制御精度を向上させることができる。

なお、本発明のガスポンプは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係るガスポンプの概要を示す部分断面を含む側面図である。 図１のＴ５−Ｔ５線に沿う断面図である。 他の実施の形態を示すガスポンプの概要を示す部分断面を含む側面図である。 図３のＴ６−Ｔ６線に沿う断面図である。 酸素ポンプを使用した設備のブロック図である。 酸素ポンプの概要を示す断面図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ 固体電解質筒状体
１０’ 固体電解質筒状体ユニット
１１ 固体電解質筒状体
１２ 下部キャップ
１３ 上部キャップ
１５ 蓄熱部材、ダミーパイプ

Claims (3)

1. それぞれが内外両面に電極を有する、径の異なる複数の固体電解質筒状体を同心に組み合わせてユニット化した円形固体電解質筒状体ユニットを、各々の中心線が略鉛直となる縦置き仕様で同心円上に等間隔で複数配設し、この複数の固体電解質筒状体ユニットを囲むリング状の加熱装置で各固体電解質筒状体ユニットを加熱するガスポンプであって、
   前記複数の固体電解質筒状体ユニットで囲まれる空間に前記加熱装置で加熱されて蓄熱する蓄熱部材を配置したことを特徴とするガスポンプ。
2. 内外両面に電極を有する同一径で同一長さの複数の円形固体電解質筒状体を、各々の中心軸を鉛直にして同心円上に設置し、この複数の円形固体電解質筒状体を囲むリング状の加熱装置で各固体電解質筒状体を加熱するガスポンプであって、
   前記複数の固体電解質筒状体で囲まれる空間に前記加熱装置で加熱されて蓄熱する蓄熱部材を配置したことを特徴とするガスポンプ。
3. 前記固体電解質筒状体が酸化物イオン導電体であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスポンプ。

Images