(57)【要約】【課題】酸素供給が可能となる酸素ポンプ素子の立ち上がり特性を改善して、より短時間化を図ることを目的とする。【解決手段】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電圧印加手段３０と、電圧印加手段３０を制御する電圧制御手段３１と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段３２と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して加熱手段３２を制御する温度制御手段３４とを備え、起動時に前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段３１によって電圧Ａを印加するとともに加熱手段３２を使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱しながら、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値に達した時点で、所定の電流値を維持する電圧Ｂに低減して動作状態とし、前記電圧Ａと電圧Ｂの関係が電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１〜５である酸素供給装置とする。【選択図】図４
2007022833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備え、起動時に前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧Ａを印加するとともに前記加熱手段を使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱しながら、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値に達した時点で、所定の電流値を維持する電圧Ｂに低減して動作状態とし、前記電圧Ａと電圧Ｂの関係が電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１〜５であることを特徴とする酸素供給装置。
【請求項２】
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電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備え、起動時に前記加熱手段を使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱して、前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって、一旦電圧Ａを印加して所定の電流値に達した時点で、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値を維持する電圧Ｂに低減して動作状態とし、前記電圧Ａと電圧Ｂの関係が電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１〜５であることを特徴とする酸素供給装置。
【請求項３】
酸素ポンプ素子への電圧を電圧Ｂとした後、加熱手段への印加電圧を前記温度制御手段より低減させるとともに、前記酸素ポンプ素子に印加する電圧を前記電圧制御手段により、電圧Ｂからさらに上昇させて、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の酸素供給装置。
【請求項４】
酸素ポンプ素子への電圧を電圧Ａに保ちながら、酸素ポンプ素子の電流が所定値に達した時点で、加熱手段への印加電圧を前記温度制御手段より低減させながら、所定の電流値を維持するように動作させて定常時とすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の酸素供給装置。
【請求項５】
起動時に加熱手段を使用した後、定常時には、酸素ポンプ素子に印加する電力だけで動作状態を維持させることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の酸素供給装置。
【請求項６】
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１〜５のいずれか１項に記載の酸素供給装置。
【請求項７】
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１〜６のいずれか１項に記載の酸素供給装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の酸素供給装置。
【請求項９】
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１〜８のいずれかに記載の酸素供給装置。
【請求項１０】
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７〜９のいずれか１項に記載の酸素供給装置。
【請求項１１】
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１〜１０のいずれか１項に記載の酸素供給装置。
【請求項１２】
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７〜１１のいずれか１項に記載の酸素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の酸素ポンプ素子として、図１２に示す酸素ポンプ素子が開示されている（例えば特許文献１参照）。酸素ポンプ素子は、酸素イオン導電性基板１の両側に電極膜２、３を形成して構成される。それぞれの電極膜からはリード部材４、５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１は支持材６で保持されている。
【０００３】
また、この種の酸素ポンプ素子装置としては、図１３に示すようなものがある（例えば特許文献２参照）。図１３において、酸素ポンプ素子７は、アルミナなどの多孔質基板８に形成された第１電極９と酸素イオン伝導体の薄膜１０と第２電極１１とから構成され、第１電極膜９は白金の微粒子を多孔質基板８に、第２電極１１は白金の微粒子を酸素イオン伝導体の薄膜１０に結合して得られる薄膜を形成した構成としている。加熱手段１２は、アルミナ基板などの絶縁性基板１３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１４から構成され、加熱手段１２は筐体１５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。
【０００４】
この構成において、加熱手段１２によって酸素ポンプ素子７を酸素ポンプとして動作する温度に加熱し、第１電極９をカソード、第２電極１１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９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１０中を移動し第２電極１１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１５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
【特許文献１】特開２０００−８６２０４号公報
【特許文献２】特開平１１−２３５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の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４、５に集中し、酸素イオン導電性基板２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。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。素子に印加する電圧の時期については特に詳細な記述はないが、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。印加する電圧の意図的な変動についても記載はない。
【０００６】
また、特許文献２の酸素ポンプ装置の構成では、酸素ポンプ素子７と加熱手段１２が大気に解放された状態にあるので、加熱手段１２からの熱エネルギーは酸素ポンプ素子７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７を作動させる温度に昇温させるのに必要な加熱手段１２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、実施例では加熱手段１２は酸素ポンプ素子７の上部に配置されているので酸素ポンプ素子７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。この場合にも素子に印加する電圧の時期については特に詳細な記述はないが、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。印加する電圧の意図的な変動についても記載はない。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、固体電解質に印加する電圧を意図的に変動させることで、酸素供給可能となる時間、すなわち酸素ポンプ素子としての立ち上がり性を改善させ、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、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電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備え、起動時に前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧Ａを印加するとともに前記加熱手段を使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱しながら、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値に達した時点で、所定の電流値を維持する電圧Ｂに低減して動作状態とし、電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１〜５である構成としたものである。
【０００９】
これによって、起動時には酸素ポンプ素子に印加する電圧を電圧Ａとすることで、所定の電流値に達する時間を大幅に短縮でき、所定の電流値に達した後は電圧Ｂに低減することで酸素ポンプ素子の温度と電流値との関係を安定化させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の酸素供給装置は、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、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電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備え、起動時に前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって電圧Ａを印加するとともに前記加熱手段を使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱しながら、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値に達した時点で、所定の電流値を維持する電圧Ｂに低減して動作状態とし、この時電圧Ａと電圧Ｂの関係は電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１〜５である構成としたものである。これにより、起動時には酸素ポンプ素子に印加する電圧を電圧Ａとすることで、所定の電流値に達する時間を大幅に短縮でき、所定の電流値に達した後は電圧Ｂに低減することで酸素ポンプ素子の温度と電流値とのバランス関係を安定化させることができる。
【００１２】
第２の発明は、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電圧印加手段と、前記電圧印加手段を制御する電圧制御手段と、前記酸素ポンプ素子を加熱する加熱手段と、前記酸素ポンプ素子の温度を検知して前記加熱手段を制御する温度制御手段とを備えた酸素供給装置において、起動時に前記加熱手段を使用して前記酸素ポンプ素子を所定の温度まで加熱して、前記酸素ポンプ素子に前記電圧制御手段によって、一旦電圧Ａを印加して所定の電流値に達した時点で、前記酸素ポンプ素子が所定の電流値を維持する電圧Ｂに低減して動作状態とし、この時電圧Ａと電圧Ｂの関係は電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１〜５である構成としたものである。これにより、起動時に、固体電解質がクラック破損に至るというリスクを回避しながら、酸素ポンプ素子に印加する電圧を電圧Ａとすることで、所定の電流値に達する時間を大幅に短縮でき、所定の電流値に達した後は電圧Ｂに低減することで酸素ポンプ素子の温度と電流値とのバランス関係を安定化さ
せることができる。
【００１３】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の酸素供給装置を、酸素ポンプ素子への電圧を電圧Ｂとした後、加熱手段への印加電圧を前記温度制御手段より低減させるとともに、前記酸素ポンプ素子に印加する電圧を前記電圧制御手段により、電圧Ｂからさらに上昇させて、所定電流値での動作状態を維持させて定常時とすることにより、酸素ポンプ素子となる固体電解質に電圧を印加した時に発生する熱量によって、効率的に固体電解質自体の温度を維持させることで、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する。
【００１４】
第４の発明は、特に、第１または第２の発明の酸素供給装置を、酸素ポンプ素子への電圧を電圧Ａに保ちながら、酸素ポンプ素子の電流が所定値に達した時点で、加熱手段への印加電圧を前記温度制御手段より低減させながら、所定の電流値を維持するように動作させて定常時とすることにより、定常状態までの移行時間を極力短時間とすることができる。また酸素ポンプ素子となる固体電解質に電圧を印加した時に発生する熱量によって、効率的に固体電解質自体の温度を維持させることで、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する。
【００１５】
第５の発明は、特に、第３または第４のいずれか一つの発明の酸素供給装置を、起動時に加熱手段を使用した後、定常時には、酸素ポンプ素子に印加する電力だけで動作させることにより、定常時には酸素イオン伝導によって発生する熱量だけで固体電解質自体を動作状態に維持させるので、酸素供給装置の消費電力を最も小さく抑えることができる。
【００１６】
第６の発明は、特に、第１〜第５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。
【００１７】
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか一つの発明の酸素供給装置における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。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。
【００１８】
第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか一つの発明の酸素供給装置における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。
【００１９】
第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか一つの発明の酸素供給装置における加熱手段に対して、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℃まで大きな電力で急速に加熱することができる。
【００２０】
第１０の発明は、特に、第７〜第９のいずれか一つの発明の酸素供給装置における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。
【００２１】
第１１の発明は、特に、第１〜第１０のいずれか一つの発明の酸素供給装置における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。
【００２２】
第１２の発明は、特に、第７〜第１１のいずれか一つの発明の酸素供給装置における金属箔部材として、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。
【００２３】
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。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態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を示すものである。
【００２５】
図１において、固体電解質１６は置換型のランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）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１７と負電極膜１８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として寸法１６×１６ｍｍ、厚み１００μｍを想定して説明する。
【００２６】
正電極膜１７と負電極膜１８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。
【００２７】
さらに、正電極膜１７と負電極膜１８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１９、負第二電極膜２０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１９、負第二電極膜２０は、正電極膜１７と負電極膜１８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。
【００２８】
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１６が３６個使用された酸素ポンプ素子について説明する。個々の固体電解質は負電極膜１８側が１枚の金属箔部材２１と連結されている。金属箔部材２１としてはＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ
、１２μｍを使用し、金属箔部材２１には、固体電解質の負第二電極膜２０面が露出するように３６個の開口部２１１、１３×１３ｍｍが設けられている。固体電解質と接合関係となる開口部２１１の周囲には絶縁膜２２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２２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。
【００２９】
さらに絶縁膜２２上には金属箔部材２１とは絶縁関係を保ちながら、導電膜２３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２３を形成した。
【００３０】
固体電解質と固体電解質の外周部負電極側は導電膜２４（図示せず）によって導電膜２３と接合されている。固体電解質の寸法は１６×１６ｍｍに対して金属箔部材２１に設けられた開口部は１３×１３ｍｍなので導電膜２４による接合部は固体電解質の周囲１．５ｍｍ幅となる。導電膜２４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個の固体電解質を金属箔部材２１と接合固定した。
【００３１】
隣合う固体電解質の負第二電極膜２０と電気的に導通する導電膜２３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１９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２５によって行った。図２において、個々の固体電解質には直列回路に結線した序列を番号付けしている。３６個の固体電解質に対して最終的には１番目の固体電解質の正第二電極膜と結線されたリード部２６と、３６番の固体電解質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２７から酸素ポンプ素子全体に電圧を印加する構成となる。
【００３２】
図３は上記酸素ポンプ素子を使用した酸素供給装置の概略断面構成図を示すものである。
【００３３】
３６個の固体電解質に対して空間区画手段となる一枚の金属箔部材２１の周囲には、電気絶縁性のガス封止剤２８で支持体２９に固定されている。また、リード部２６およびリード部２７には、導線を介して電圧印加手段３０が接続されており、電圧印加手段３０には、電圧制御手段３１が接続されている。加熱手段３２を構成するヒータ３３は、負電極側の表面に対向して配置され、固体電解質の温度を検知する手段３４１を有する温度制御手段３４が、加熱手段３２に信号を送っている。ここではヒータ３３としてＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌからなるリボンヒータを使用した。
【００３４】
固体電解質の温度を検知する手段３４１は、温度センサーあるいは他の方法であってもよい。センサーの場合、固体電解質の近傍に配置されるかあるいは、任意の個所に配置してよい。温度制御手段３４が検知する固体電解質の温度によって、温度制御手段３４が、加熱手段３２を構成するヒータ３３の入力制御を行う。
【００３５】
ヒータ３３が発生する熱の損失を抑制するための断熱部材が断熱手段３５および断熱手段３６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３５には給気のために通気孔３５１が配設されている。通気孔３５１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１６の負極側へ供給されるように設計した。
【００３６】
送風ポンプ３７から外気は熱交換器３８１を具備した送風回路３８の給気通路３８２を
経て、通気孔３５１へと導かれ、最後に断熱手段３５によって給気が受熱して固体電解質１６の負極側へ至る。したがって冷たい外気が固体電解質１６の負極側へ来ることはない。その後排気通路３８３を経て外部へと排出される。この時熱交換器３８１によって給気通路３８２を通過する空気は排気通路３８３を通過する空気から熱を得る。
【００３７】
酸素ポンプ素子が収納されている容器３９の正極側には、通気口３９１を介して、ガスの混合手段４０が連結されている。混合手段４０は、ガス誘導管４１と、被混合ガス導入管４２と、ガス混合器４３と、ガスポンプ４４によって構成されている。
【００３８】
以上のように構成された酸素供給装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３９】
酸素ポンプ素子に最初２８Ｖの電圧を印加するとともに、温度制御手段３４によってヒータ３３に２００Ｗの電力を通電すると、断熱手段３５および断熱手段３６内の固体電解質の温度が上昇する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約４００℃に近づくと、次第に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。これによって酸素ポンプ素子は電圧２２Ｖで４．０Ａの電流値を維持することになる。図４には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。本実施例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８０ｓｅｃであった。
【００４０】
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。
【００４１】
この時送風ポンプ３７も起動させることで、所定量の外気が給気通路３８２を経て、通気孔３５１へと導かれ、最後に断熱手段３５によって受熱しながら、固体電解質１６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１６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。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３８３を経て外部へと排出し、新たな空気を連続的に給気通路３８２から供給している。この時熱交換器３８１によって給気通路３８２を通過する空気は排気通路３８３を通過する空気から熱を得ることになる。熱交換器３８１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。
【００４２】
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。
【００４３】
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３６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２１とガス封止剤２８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。また固体電解質と金属箔部材２１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。
【００４４】
正電極側から放出される酸素ガスは、通気口３９１を通り、ガス混合手段４０を構成するガス誘導管４１と、被混合ガス導入管４２と、ガス混合器４３とによって被混合ガスと混合される。本実施例では、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４４の吸引と排出速度によって決められる。
【００４５】
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。
【００４６】
（比較例１）
本比較例１では、酸素ポンプ素子に最初から２２Ｖの電圧を印加しながら起動させた。その結果、所定の電流値４．０Ａに達したのは約５ｍｉｎ後であった。図５には比較例１の酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
【００４７】
（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。
【００４８】
温度制御手段３４によってヒータ３３に２００Ｗの電力を通電すると、断熱手段３５および断熱手段３６内の固体電解質の温度が上昇する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約４００℃に近づいた４０ｓｅｃ後に、酸素ポンプ素子に２８Ｖの電圧を印加する。その結果、一気に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２Ａ以上に上昇する。その後さらに上昇し続けて、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。これによって酸素ポンプ素子は電圧２２Ｖで４．０Ａの電流値を維持することになる。図６には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。本実施例でも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８０ｓｅｃであった。
【００４９】
（比較例２）
比較例２では、酸素ポンプ素子に固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約４００℃に近づいた４０ｓｅｃ後に、２２Ｖの電圧を印加しながら起動させた。その結果、所定の電流値４．０Ａに達したのは約５ｍｉｎ後であった。図７には比較例２の酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
【００５０】
ここで、実施の形態１と実施の形態２の違いについて説明する。実施の形態１では、最初から酸素ポンプ素子に電圧を印加するため、印加する電圧の大きさによってはさらに酸素供給状態に達するまでの時間を短縮可能である。しかし固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度に達しない内から無理に電流を流そうとしているために、固体電解質をクラック破損に至らしめるリスクを持っている。それに比較して実施の形態２では、固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度付近に達してから酸素ポンプ素子に電圧を印加するため、固体電解質に加わる負荷は軽減されることとなる。
【００５１】
（実施の形態３）
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。図８には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
【００５２】
酸素ポンプ素子に最初２８Ｖの電圧を印加するとともに、温度制御手段３４によってヒータ３３に２００Ｗの電力を通電する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約４００℃に近づくと、次第に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。これによって酸素ポンプ素子は電圧２２Ｖで４．０Ａの電流値を維持することになる。その後ヒータ３３への入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持させるように、印加する電圧を徐々に上昇させた。最終的には酸素ポンプ素子への印加電圧を３３Ｖとして、加熱手段Ａによるヒータ２５への入力をゼロ
にすることができた。すなわち酸素イオン伝導によって生じた３３Ｖ、４．０Ａの１３２Ｗによって約６ｍｉｎ後には、断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。
【００５３】
（実施の形態４）
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。図９には酸素ポンプ素子に対する起動時の制御モードを示した。
【００５４】
酸素ポンプ素子に最初２８Ｖの電圧を印加するとともに、温度制御手段３４によってヒータ３３に２００Ｗの電力を通電する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度、約４００℃に近づくと、次第に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に達した時点でヒータ３３への入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子に印加する電圧を３０Ｖへとさらに上昇させる。その後ヒータ３３への入力を低減させていくとともに酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持させるように、電圧を３３Ｖまで上昇させた。最終的には約５ｍｉｎ後に加熱手段によるヒータ３３への入力をゼロにすることができ、断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。
【００５５】
（実施の形態５）
図１０は、本発明の第５の実施の形態における酸素ポンプ素子の正極側概略構成図を示し、図１１は、本発明の第５の実施の形態における酸素ポンプ素子の負極側概略構成図を示すものである。概略の構成は実施の形態１と重複しているので異なる部分について説明を加える。固体電解質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４５の寸法は３２×３２ｍｍ、厚み１２０μｍである。ここでは一枚の固体電解質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４６も実施の形態１と同様のものを使用し、９個の開口部４６１、２９×２９ｍｍが設けられている。
【００５６】
固体電解質と接合関係となる開口部４６１の周囲には絶縁膜４７が配設されている。この場合にも実施の形態１と同様である。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４７上には金属箔部材４６とは絶縁関係を保ちながら、導電膜４８が配設されている。
【００５７】
４分割された正第二電極膜４９と負第二電極膜５０とは電気的に直列回路となるように構成されている。図１０、図１１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。
【００５８】
具体的には一つの固体電解質の中心線位置に貫通孔５１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。４番目の負第二電極膜は固体電解質４５が金属箔部材４６上に配設された導電膜４８と接合結線され、導電膜４８には固体電解質からはみ出す部分が設けられ、その導電膜４８を利用して隣に位置する固体電解質の５番目の正第二電極膜と金線５２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５３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５４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。
【００５９】
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。ここで
は酸素ポンプ素子に３２Ｖを印加するとともに、温度制御手段によってヒータに１５０Ｗを入力して酸素ポンプ素子の起動を行った。その結果、約１１０ｓｅｃで４．０Ａの電流を流すことができ、その後は酸素ポンプ素子への印加電圧を２５Ｖに低減させた。その後ヒータ入力を徐々に低減させるとともに酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持できるように印加する電圧を上昇させて、３７Ｖの時ヒータ入力はゼロにできた。
【００６０】
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り、酸素イオン伝導によって生じた３７Ｖ、４．０Ａの１４８Ｗによって断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。また酸素ポンプ素子の負極側には給気３２００ｍｌ／ｍｉｎを行った。
【００６１】
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。
【００６２】
（実施の形態６）
本実施の形態でも、実施の形態５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。
【００６３】
酸素ポンプ素子に最初３２Ｖの電圧を印加するとともに、温度制御手段によってヒータに１５０Ｗの電力を通電する。固体電解質が酸素イオン伝導可能な温度に近づくと、次第に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に達した時点でヒータへの入力を徐々に低減させていくとともに、酸素ポンプ素子に印加する電圧を３４Ｖへとさらに上昇させる。その後ヒータへの入力を低減させていくとともに酸素ポンプ素子の電流値４．０Ａを維持させるように、電圧を３７Ｖまで上昇させた。最終的には約６ｍｉｎ後に加熱手段によるヒータへの入力をゼロにすることができ、断熱部材内部は給排気に伴う熱ロスも含めて熱平衡となり、固体電解質を定常的に動作可能とさせることができた。
【００６４】
実施の形態１では、酸素ポンプ素子の起動時に、所定の電流値４．０Ａになる電圧２２Ｖに対して最初に電圧２８Ｖを印加した。したがって電圧Ａ／電圧Ｂ＝２８／２２＝１．２７である。また実施の形態５では酸素ポンプ素子の起動時に、所定の電流値４．０Ａになる電圧２４Ｖに対して最初に電圧３２Ｖを印加した。したがって電圧Ａ／電圧Ｂ＝３２／２４＝１．３３である。電圧Ａを大きくすれば酸素ポンプ素子が所定の電流値に達するまでの起動時間は短縮される。しかしながら最悪の場合固体電解質がクラック破損に至る場合もある。電圧Ａの最大値は固体電解質の寸法と厚みによって決まってくる。寸法が小さく、厚みが薄ければ電圧Ａ／電圧Ｂ＝５程度まで可能であった。また酸素ポンプ素子が起動する時に、電圧Ａと電圧Ｂとの差が明確化するのは少なくとも電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１以上の時であろう。したがって本発明の有効性が顕在化するのは電圧Ａ／電圧Ｂ＝１．１〜５の範囲と言える。
【００６５】
また、酸素供給装置に対して、加熱手段への入力を低減する場合には酸素ポンプ素子への電圧を電圧Ａから電圧Ｂに低減することなく動作させたほうが定常状態へと導く時間を短縮できた。
【００６６】
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った。
【００６７】
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）、サマリウムドープ型のセリア（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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子の断面構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子の概略構成図
【図３】本発明の第１の実施の形態における酸素供給装置の概略断面構成図
【図４】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図
【図５】比較例１の酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図
【図６】本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図
【図７】比較例２の酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図
【図８】本発明の第３の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図
【図９】本発明の第４の実施の形態における酸素ポンプ素子の起動時制御モードを示す図
【図１０】本発明の第５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
【図１１】本発明の第５の実施の形態における酸素ポンプ素子の負極側の概略構成図
【図１２】従来の特許文献１参照における酸素ポンプ素子装置を示す図
【図１３】従来の特許文献２参照における酸素ポンプ素子装置を示す図
【符号の説明】
【００７５】
１６、４５  固体電解質
１７  正電極膜（第一電極膜）
１８  負電極膜（第一電極膜）
１９、４９  正第二電極膜
２０、５０  負第二電極膜
２１、４６  金属箔部材
２２、４７  絶縁膜
２３、４８  導電膜
２５、５２  金線
２６、２７、５３、５４  リード部
３０  電圧印加手段
３１  電圧制御手段
３２  加熱手段
３４  温度制御手段
３５、３６  断熱手段
３７  送風ポンプ
３８  送風回路
３８１  熱交換器
３８２  給気通路
３８３  排気通路
４０  混合手段
【図１２】
2007022833.tif 000003
【図１３】
2007022833.tif 000004
【図１】
2007022833.tif 000005
【図２】
2007022833.tif 000006
【図３】
2007022833.tif 000007
【図４】
2007022833.tif 000008
【図５】
2007022833.tif 000009
【図６】
2007022833.tif 000010
【図７】
2007022833.tif 000011
【図８】
2007022833.tif 000012
【図９】
2007022833.tif 000013
【図１０】
2007022833.tif 000014
【図１１】
2007022833.tif 000015