專利名稱：氧分離組件和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電驅(qū)動氧分離組件和方法，其中氧通過使用該組件的一個或多個管狀薄膜元件而被分離。更特別是，本發(fā)明涉及這樣一種氧分離組件和方法，其中電位被施加到位于管狀薄膜元件的兩個中央隔開位置以及與所述兩個中央隔開位置在外部隔開的至少兩個端部位置處的一個或多個管狀薄膜元件的相對電極。
背景技術(shù)：
電驅(qū)動氧分離器用來從例如空氣的含氧供給中分離出氧。另外，這種裝置還常用于希望通過從供給中分離氧來純化含氧供給的純化應(yīng)用中。電驅(qū)動氧分離器可采用具有分層結(jié)構(gòu)的管狀薄膜元件，所述分層結(jié)構(gòu)含有能夠在經(jīng)受高溫時輸送氧離子的電解質(zhì)層、定位在電解質(zhì)層的相對表面上的陰極和陽極電極層以及將電流供應(yīng)到陰極和陽極電極層的集流器層。在管狀薄膜元件經(jīng)受高溫時，供給中所含的氧將通過從施加的電位獲得電子而在電解質(zhì)層的與陰極電極層相鄰的一個表面上產(chǎn)生離子化。在所施加的電位的影響下，得到的氧離子將經(jīng)由電解質(zhì)層輸送到與陽極層相鄰的相對側(cè)，并重新組合為元素氧。管狀薄膜元件被容納在電加熱的容器內(nèi)以便將管狀薄膜元件加熱到操作溫度，在該溫度下將可以輸送氧離子。另外，這種管狀薄膜元件可匯集在一起，使得含氧供給進(jìn)入被加熱容器，并且被分離的氧經(jīng)由歧管從管狀薄膜元件抽取。在某些純化應(yīng)用中，含氧供給可經(jīng)過管狀薄膜元件的內(nèi)部，并且分離的氧可從容器中抽取。用來形成電解質(zhì)層的典型材料是釔或鈧穩(wěn)定的氧化鋯以及摻雜釓的二氧化鈰。電極層可以由電解質(zhì)材料和傳導(dǎo)金屬、金屬合金或例如導(dǎo)電鈣鈦礦的氧化物的混合物制成。 本技術(shù)領(lǐng)域中的集流器由傳導(dǎo)金屬和金屬合金例如銀以及這種金屬和金屬氧化物的混合物來形成。為了將電位施加到管狀薄膜元件上，導(dǎo)體可被附接到集流器層上。這種導(dǎo)體在單個位置被附接，以便串聯(lián)或并聯(lián)地連接管狀薄膜元件。這種方法的問題在于電流在每個管狀元件的長度上不均勻地分布，導(dǎo)致在導(dǎo)體與管狀薄膜元件的連接部處形成熱點(diǎn)。這種熱點(diǎn)會造成管狀元件失效。理想地，電流沿著集流器的長度均勻分布，從而形成均勻溫度分布，并且局部的氧離子沿著薄膜的長度流動。由于電流的分布是不均勻的，因此氧離子經(jīng)過電解質(zhì)層的離子傳導(dǎo)也是不均勻的，這種不均勻最大程度地出現(xiàn)在導(dǎo)體與電流收集層的連接部處。又一問題在于管狀薄膜元件經(jīng)由絕緣體和/或也可以是絕緣的被加熱容器伸出。 因此，在管狀薄膜元件的伸出端部處，所產(chǎn)生的溫度比可以是大約700°C的被加熱容器內(nèi)的管狀元件的溫度的小大約500°C。在這些溫度過渡區(qū)域處，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)層可經(jīng)受化學(xué)還原，其中電極被化學(xué)還原成電子導(dǎo)體，繼而造成管狀薄膜元件隨著時間而失效的另一點(diǎn)。如下文所將要描述的是，本發(fā)明提供一種采用一個或多個管狀薄膜元件的氧分離組件，以及一種相關(guān)的方法，其中與現(xiàn)有技術(shù)相比，在其他優(yōu)點(diǎn)之中，電流沿著管狀薄膜元件的長度更加均勻地分布。另外，每個管狀元件可被改進(jìn)成在所述的溫度過渡區(qū)域內(nèi)抵抗失效。另外，管狀薄膜元件的端部可通過插塞式構(gòu)件以具有成本效率的方式進(jìn)行密封。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明提供一種電驅(qū)動氧分離組件。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，提供至少一個管狀薄膜元件，其具有陽極層、陰極層、位于陽極層和陰極層之間的電解質(zhì)層以及靠近并接觸陽極層和陰極層定位并位于至少一個管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的兩個集流器層。所述兩個集流器層使得電流通過電源施加到電極層，從而導(dǎo)致氧離子從陰極層穿過電解質(zhì)層輸送到陽極層。一組導(dǎo)體，其被連接到位于至少一個管狀薄膜元件的兩個中央隔開位置處的兩個集流器層之一上，并且其被連接到至少位于至少一個管狀薄膜元件的與兩個中央隔開位置在外部隔開的相對端部位置處的兩個集流器層的另一個上，使得電源能夠經(jīng)由兩個中央隔開位置之間的所述組導(dǎo)體和至少兩個相對端部位置施加電流。因此，通過所施加的電位產(chǎn)生且流過至少一個管狀薄膜元件的電流被分成在中央隔開位置與相對端部位置之間流動的兩個部分。電流的分流使得電流在管狀薄膜元件上更加均勻地分布，以便防止熱點(diǎn)形成以及造成管狀薄膜元件的失效。另外，電流的均勻分布使得更多的管狀薄膜元件在分離氧的過程中得到高效地使用。兩個集流器層之一可以位于至少一個管狀薄膜元件的外側(cè)，其中陰極層靠近兩個集流器層之一。至少一個管狀薄膜元件的外部相對端部部分可以保持在絕緣構(gòu)件內(nèi)，并且陰極層和兩個集流器層之一部分地沿著至少一個管狀薄膜元件的長度尺寸延伸，使得至少一個管狀薄膜元件的外部相對端部部分至少沒有陰極層和兩個集流器層之一。該端部部分可能也沒有陽極層和兩個集流器層的另一個。這里應(yīng)該注意到由于外部相對端部部分被保持在絕緣構(gòu)件內(nèi)，如上所述，在端部部分內(nèi)存在溫度過渡區(qū)域。但是，由于沒有陰極層并且如將描述那樣也可以沒有陽極層，在此區(qū)域內(nèi)沒有傳導(dǎo)電流來造成電解質(zhì)化學(xué)還原及其可能的失效。在此方面，注意到“兩個相對端部位置”不必須位于至少一個管狀薄膜元件的實(shí)際端部，并且在沒有陽極層的情況下，這種位置應(yīng)該向內(nèi)與實(shí)際端部隔開，以便位于絕緣構(gòu)件之外。具有細(xì)長構(gòu)造的電流分配器可以位于至少一個管狀薄膜元件內(nèi)，在至少一個管狀薄膜元件的端部之間延伸，并且在位于管狀薄膜元件內(nèi)的多個點(diǎn)處接觸兩個集流器的另一個。連接到管狀薄膜元件的相對端部位置的導(dǎo)體被連接到電流分配器的相對端部。電流分配器可以具有螺旋狀構(gòu)造。至少一個管狀薄膜元件可以設(shè)置相對的端部密封件、穿過相對的端部密封件的相對的密封電饋通件以及穿過相對的端部密封件之一以便排出氧的出口管。在兩個相對端部位置連接到至少一個管狀薄膜元件的導(dǎo)體經(jīng)過電饋通件并連接到電流分配器。至少一個管狀薄膜元件可以是多個管狀薄膜元件。多個管狀薄膜元件可以通過該組導(dǎo)體串聯(lián)電連接，其中第一對導(dǎo)體連接到管狀薄膜元件中的第一個的兩個中央隔開位置，第二對導(dǎo)體連接到管狀薄膜元件中的第二個的相對端部位置，并且其余對的導(dǎo)體連接位于兩個中央隔開位置及其至少相對端部位置處的其余成對管狀薄膜元件，使得第一對導(dǎo)體和第二對導(dǎo)體能夠連接到電源上。
兩個集流器之一可以位于靠近陰極層的每個管狀薄膜元件的外側(cè)上，并且兩個集流器的另一個可以位于靠近陽極層的管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上。管狀薄膜元件可以以捆束在一起的形式配置，并且通過位于管狀薄膜元件的外部相對端部部分處的相對的絕緣構(gòu)件以徑向陣列的形式得以保持。管狀薄膜元件可以設(shè)置相對的端部密封件、穿過相對的端部密封件的相對的密封的電饋通件以及在捆束一端處穿過相對的端部密封件以便排出氧的出口管。在兩個相對端部位置處連接到管狀薄膜元件的導(dǎo)體經(jīng)過電饋通件并與兩個集流器的另一個電接觸。歧管連接到出口管，并具有公共出口來排出從出口管排出的氧。陰極層和兩個集流器層之一可以部分地沿著管狀薄膜元件的長度尺寸延伸，使得管狀薄膜元件的外部相對端部部分至少沒有陰極層和兩個集流器層之一。 端部部分也可以沒有陽極層和兩個集流器層的另一個。如上所述，電流分配器可以采用連接到與電流分配器的相對端部連接的管狀薄膜元件的相對端部位置的導(dǎo)體。電流分配器可以具有螺旋狀構(gòu)造。在另一方面，本發(fā)明提供一種在電驅(qū)動氧分離組件中施加電位的方法。根據(jù)本發(fā)明的此方面，電位被施加到至少一個管狀薄膜元件，其具有陽極層、陰極層、由電解質(zhì)材料形成并定位在陽極層和陰極層之間的電解質(zhì)層以及靠近并接觸陽極層和陰極層定位并位于至少一個管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的兩個集流器層。電位被施加到位于至少一個管狀薄膜元件的兩個中央隔開位置上的兩個集流器層之一上以及位于至少一個管狀薄膜元件的與兩個中央隔開位置在外部隔開的至少相對端部位置的兩個集流器層的另一個上，使得通過所施加的電位產(chǎn)生且流過至少一個管狀薄膜元件的電流分成在兩個中央隔開位置與相對端部位置之間流動的兩個部分。兩個集流器層之一位于管狀薄膜元件的外側(cè)上。陰極靠近兩個集流器層之一定位，并且含氧供給接觸管狀薄膜元件的外側(cè)。氧在管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上收集，并且從管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)抽取。如上所述，陰極層和兩個集流器層之一可部分地沿著管狀薄膜元件的長度尺寸延伸，使得管狀薄膜元件的外部相對端部部分至少沒有陰極層和靠近至少一個陰極層定位的兩個集流器層之一。在此方面，如上所述端部部分也可以沒有陽極層和兩個集流器層的另一個。電流可在管狀薄膜元件的端部位置之間在管狀薄膜元件內(nèi)的多個點(diǎn)處施加到集流器的另一個上。在又一方面，本發(fā)明提供一種用于電驅(qū)動氧分離的管狀薄膜元件，其中管狀薄膜元件包括陽極層、陰極層、定位在陽極層和陰極層之間的電解質(zhì)層以及靠近并接觸陽極層和陰極層的兩個集流器層。兩個集流器層位于管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上，以允許電源施加電位，從而導(dǎo)致氧離子從陰極層穿過電解質(zhì)層輸送到陽極層。端部密封件位于管狀薄膜元件的相對端部處。每個端部密封件包括位于管狀薄膜元件內(nèi)并由彈性體形成以便形成氣密密封的插塞式構(gòu)件以及用于將插塞式構(gòu)件保持在管狀薄膜元件內(nèi)的裝置。至少一個密封的電饋通件穿過至少一個端部密封件，并且一組電導(dǎo)體經(jīng)過至少一個密封的電饋通件并與位于管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上的兩個集流器層之一電接觸，并連接到位于管狀薄膜元件的外側(cè)上的兩個集流器層的另一個。出口管穿過端部密封件之一或端部密封件的另一個，使得氧從管狀薄膜元件排出。保持裝置可以是靠近插塞式構(gòu)件定位在管狀薄膜元件內(nèi)并防止插塞式構(gòu)件向外運(yùn)動的陶瓷粘合劑的沉積物。
至少一個密封電饋通件可以是穿過端部密封件的兩個相對的密封的電饋通件。出口管可以穿過端部密封件之一，并且該組電導(dǎo)體包括第一對電導(dǎo)體和第二對電導(dǎo)體。第一對電導(dǎo)體被連接到位于管狀薄膜元件外側(cè)上的兩個集流器層的另一個的兩個隔開中央位置上，并且第二對電導(dǎo)體經(jīng)過兩個相對的密封的電饋通件。具有細(xì)長構(gòu)造的電流分配器定位在每個管狀薄膜元件內(nèi)，在管狀薄膜元件的端部之間延伸，接觸位于管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上的兩個集流器層之一，并在相對端部處連接到第二對電導(dǎo)體。電流分配器可以具有螺旋狀構(gòu)造。在再一方面，本發(fā)明提供一種用于被構(gòu)造成電驅(qū)動氧分離的密封管狀薄膜元件的端部的端部密封件。端部密封件包括位于管狀薄膜元件內(nèi)并由彈性體形成以便形成氣密密封的插塞式構(gòu)件以及用于將插塞式構(gòu)件保持在管狀薄膜元件內(nèi)的裝置。保持裝置是靠近插塞式構(gòu)件定位在管狀薄膜元件內(nèi)并定位成防止插塞式構(gòu)件向外運(yùn)動的陶瓷粘合劑的沉積物。此端部密封件可在本發(fā)明的任何實(shí)施例中使用。


雖然本說明書以明確指出本申請人認(rèn)為是其發(fā)明的主題的權(quán)利要求書來結(jié)束，但是應(yīng)該相信的是應(yīng)結(jié)合附圖來理解本發(fā)明，在附圖中
圖1是示出了在被加熱容器內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的電驅(qū)動氧分離組件的管狀薄膜元件的捆束的示意截面圖，圖中未示出與這些元件的電連接；
圖2是圖1所采用的捆束在一起的管狀薄膜元件的透視圖； 圖3是在圖1和2所示的管狀薄膜元件中所采用的管狀合成薄膜的示意截面圖； 圖4是圖1所采用的氧分離組件的不完全示意截面圖，圖中示出了其與電源的電連
接；
圖5是圖1所示的氧分離組件所采用的合成薄膜元件的電連接的示意截面圖； 圖6是與現(xiàn)有技術(shù)的氧分離組件的管狀薄膜元件相比的沿著根據(jù)本發(fā)明的氧分離組件的管狀薄膜元件的長度的溫度曲線的示意圖；以及
圖7是圖1所采用的管狀薄膜元件的另一可選實(shí)施例的示意截面圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1，氧分離器1被表示成具有容納在被加熱容器12內(nèi)的氧分離組件10。氧分離組件10分別通過由端部絕緣構(gòu)件16和18保持在捆束狀位置上的管狀薄膜元件14形成，所述端部絕緣構(gòu)件16和18由高純度鋁氧化鋁纖維制成。用于示例性目的的管狀薄膜元件可具有大約6. 35mm的外直徑、大約0. 5mm的總壁厚以及大約55cm的長度。端部絕緣構(gòu)件16和18被保持在被加熱容器12的絕緣端壁28和30內(nèi)限定的相對開口 20、22以及 24和沈內(nèi)。被加熱容器12可以具有圓柱形構(gòu)造，具有連接端壁觀和30的絕緣側(cè)壁32。 被加熱絕緣層34被同軸定位在絕緣側(cè)壁32內(nèi)，并且包括加熱元件用以將管狀薄膜元件14 加熱達(dá)到操作溫度，在所述操作溫度下，在電位施加到這些元件時將產(chǎn)生氧離子輸送。在氧分離器1的操作過程中，含氧供給流36通過入口 37被引入被加熱容器12的內(nèi)部，以便接觸管狀薄膜元件14的外部。通過施加到管狀薄膜元件14的電位，氧轉(zhuǎn)換成輸送到這些元件14內(nèi)部的氧離子。分離的氧經(jīng)由具有連接到壓縮裝配件40的管39的蜘蛛狀配置的歧管配置38排出，壓縮裝配件40具有從管39接收氧流且從壓縮裝配件40排出氧流42的孔(未示出)。雖然圖中未示出，但是壓縮裝配件40可以連接到公共排放管或其它歧管，以便收集和排出分離的氧。耗盡氧的滯留物作為滯留物流44從被加熱容器12的出口 46排出。另外參考圖2，可以看出每個端部絕緣構(gòu)件16和18設(shè)置狹槽48，以便將管狀薄膜元件14保持就位。在特別表示的實(shí)施例中，每個捆束包括六個這樣的管狀薄膜元件14。每個管狀薄膜元件14設(shè)置通過位于其相對端部的端蓋50形成的端部密封件。電饋通件52 和M穿過端蓋50。另外，出口管56在管狀薄膜元件14的一端處穿過端蓋50。應(yīng)理解氧分離器1的描述只出于說明目的，并且不打算對本發(fā)明的應(yīng)用或所附權(quán)利要求書的范圍形成限制。在此方面，本發(fā)明適用于具有單個管狀薄膜元件14或者用于氧的制造以外目的的管狀薄膜元件14的氧分離器。例如，本發(fā)明適用于用來從含氧供給流去除氧的純化器，并且因此供給流可以被供應(yīng)到管狀薄膜元件的內(nèi)部。參考圖3，每個管狀薄膜元件14設(shè)置陰極層58、陽極層60和電解質(zhì)層62。兩個集流器層64和66分別靠近陽極層58和陰極層60定位，以便將電流引導(dǎo)到陽極層和陰極層。 雖然本發(fā)明適用于構(gòu)成管狀薄膜元件14的任何合成結(jié)構(gòu)，但是出于示例性目的，陰極層58 和陽極層60的厚度可在大約10微米和大約50微米之間，并且電解質(zhì)層62的厚度可以在大約100微米和大約Imm之間，其中優(yōu)選厚度為大約500微米。電解質(zhì)層62是不透氣的， 并且可以是大于大約95%的致密度，優(yōu)選為大約99%的致密度。每個陰極層58和陽極層60 可具有大約30%至大約50%的孔隙度，并且可由(LEtuSrc^c^MnO^形成。電解質(zhì)層62可以具有6md%鈧摻雜的氧化鋯。集流器層64和66的厚度可以各自在大約50微米和大約 150微米之間，并且具有大約30%至大約50%的孔隙度，并且可由具有氧化鋯的表面沉積物的銀顆粒的粉末形成。這種粉末可以通過本領(lǐng)域公知的方法制成，例如通過刷涂或機(jī)械合金化。出于示例性目的，標(biāo)示為FERRO S11000-02粉末的銀粉末可以從i^erro Corporation, Electronic Material Systems, 3900 South Clinton Avenue, South Plainfield, New Jersey 07080 USA得到。這些粉末中所含顆粒的直徑在大約3微米和大約10微米之間，并且顆粒具有大約0.2 m2/克的低比表面。氧化鋯表面沉積物可以形成在這些粉末上，使得氧化鋯占有被涂覆顆粒的大約0. 25%的重量。在氧分離器1的操作過程中，含氧供給流36內(nèi)所含的氧接觸集流器層64，并透過它的孔到達(dá)上文同樣表示成多孔的陰極層58。由于在集流器層64和66處施加到陰極和陽極層58和60上的電位，氧發(fā)生電離。得到的氧離子在施加電位的驅(qū)動力下輸送經(jīng)過電解質(zhì)層62，并在靠近陽極層60的電解質(zhì)層62的一側(cè)出現(xiàn)，其中得到電子以形成元素氧。氧透過陽極層60和相鄰集流器層66的孔，其中氧進(jìn)入管狀薄膜元件14的內(nèi)部。應(yīng)該注意到雖然陰極層位于管狀薄膜元件14的外側(cè)，但是可以使得各層顛倒， 使得陽極層位于管狀薄膜元件14的外側(cè)，而陰極層位于內(nèi)側(cè)。這種實(shí)施例可以使用在裝置用作純化器的情況下。在這種情況下，含氧供給將在管狀薄膜元件14的內(nèi)側(cè)上流動。另外參考圖4和5，通過電源70產(chǎn)生的電位可通過一組導(dǎo)體施加到管狀薄膜元件 14，所述導(dǎo)體由優(yōu)選為銀的線材形成。第一對導(dǎo)體72和74在集流器層64處連接到管狀薄膜元件14的第一個的兩個中央隔開位置76，并連接到電源70的負(fù)極。第二對導(dǎo)體78和 80通過連接導(dǎo)體78和80的銀線材79以及連接到電源70的正極的線材81將管狀薄膜元件14的最后一個的陽極層60連接到電源的正極。第二對導(dǎo)體78和80優(yōu)選地在多個觸點(diǎn)處通過與電流分配器82的相對端部連接而與靠近陽極層60的集流器層66電接觸，如圖4 更加清楚表示，電流分配器82可以具有螺旋狀構(gòu)造并且因此由螺旋卷繞成螺旋狀構(gòu)造的一段銀線材形成。通過絕緣線材84、86以及88、90形成的其它成對的導(dǎo)體在兩個中央隔開位置76連接成對的其它管狀薄膜元件14，并連接到這種管狀薄膜元件14內(nèi)所采用的電流分配器80的端部。得到電連接是串聯(lián)的電連接。但是，并聯(lián)的電連接也是可以的。另外， 如上所述，只有一個構(gòu)造表面元件14可以在采用本發(fā)明的特殊裝置中使用，并因此這種實(shí)施例會只采用第一和第二對導(dǎo)軌72、74、78和80。特別參考圖5，應(yīng)該注意到出于說明目的，陰極層58和其相關(guān)的集流器層64被表示成單個元件，并且陽極層60及其相關(guān)集流器層66也是如此。如圖5所示，兩個隔開的中央位置76通過圍繞管狀薄膜元件14環(huán)繞線材86和90并通過銀膏94的沉積將環(huán)繞線材 92保持就位來形成。線材96和98接著分別經(jīng)過設(shè)置在絕緣構(gòu)件16和18內(nèi)的孔96和98。 雖然圖中未示出，但是線材96和98可以在經(jīng)過孔96和98之前圍繞管狀薄膜元件14的外部卷繞，以防止其下垂到其它管內(nèi)。注意到每個管狀薄膜元件14的端部通過端蓋50密封， 端蓋通過沉積物100來保持就位，并且電饋通件52和M以及出口 56都通過沉積物102保持就位。應(yīng)該理解到端蓋50可以通過壓制或注射模制的氧化鋁來形成，沉積物100和102 可以由玻璃密封材料體系形成，鉛硼硅酸鹽系統(tǒng)或鋇鋁硅酸鹽體系。理解到可以通過其它可能的方式來形成端部密封件。例如，玻璃密封材料本身或這種材料與氧化物的混合物可以被放置在管的端部內(nèi)。這種材料可接著被焙燒，并冷卻以便固化。線材84和88經(jīng)過電饋通件52和M，電饋通件52和M進(jìn)而通過優(yōu)選為50% Ag，Cu, Zn, Sn, Ni組分的黃銅材料的沉積物104進(jìn)行密封。如上所述，管狀薄膜元件14的兩個隔開的中央位置76設(shè)置用于管狀薄膜元件14 內(nèi)產(chǎn)生的電流，以便在這種元件的端部和兩個隔開中央位置76之間分布，使得電流更加均勻地沿著管狀薄膜元件14的長度分布。因此，與現(xiàn)有技術(shù)中將電位只施加在每個管狀薄膜元件的兩個端部位置的情況相比，每個管狀薄膜元件14內(nèi)的溫度分布更加均勻，并且更多的氧離子得到輸送。應(yīng)該注意到雖然比采用電流分配器82的情況的優(yōu)點(diǎn)少，但是某些優(yōu)點(diǎn)可以通過在每個管狀薄膜元件14的與兩個中央位置76在外部隔開的端部位置連接線材84和90來獲得。出于將要描述的原因，這種端部位置優(yōu)選地在其不被端部絕緣體16和18圍繞的區(qū)域處位于管內(nèi)。另外的問題在于如果管狀薄膜元件14用于純化應(yīng)用，兩個隔開位置會放置在這些元件內(nèi)。另一種可選方式是，在本發(fā)明的任何實(shí)施例中，兩個隔開位置可以靠近陽極層60定位。在700°C的標(biāo)稱操作溫度的典型操作情況的實(shí)例中，每個管狀薄膜元件通過額定電壓至少為6. 6伏的電源提供1. 1伏的直流電。流過整個電路的所得總電流包括經(jīng)過管狀薄膜元件14的電解質(zhì)的大約22. 5安培的氧離子電流。與此電流相關(guān)的是每個管大約0. 83 升或者對于六個管束為大致0. 5升并流出歧管40的出口 38的氧流量。大致一半的電流(大約11. 25安培)流過每個管狀薄膜元件14的一個端部到兩個隔開中央位置76之一之間形成的串聯(lián)電路，并且另一半電流流過兩個中央位置的另一個和其另一個相對端部之間的管狀薄膜元件14的另一半處形成的串聯(lián)電路。以此方式，電流在管狀薄膜元件14的長度上相對均勻地分布。均勻的電流分布是重要的，這是由于在操作過程中能量消耗而造成每個管狀薄膜元件14加熱。參考圖6，繪制了管狀薄膜元件的溫度， 其中陰極處的電位只施加到管接近端蓋50的端部處(圓圈給出的數(shù)據(jù))，陰極處的電位施加在中央位置76處(方形給出的數(shù)據(jù))。從圖中可以看到，溫度升高，因此沿著管長度的電流分布通過將接觸陰極的導(dǎo)體定位在管的中心而更好地得到控制。可以理解到所述描述只出于示例性的目的。例如，每個管狀薄膜元件可以是 27. 5cm?？梢允褂么蠹s兩倍的元件，并且電壓施加到每個元件的電壓可以是1. 1伏，電流為 11. 25安培。這種低的操作電流可使得每個管狀薄膜元件的壽命更長。繼續(xù)參考圖5，可以看出，每個管狀薄膜元件的外部相對端部部分定位在絕緣體 16、18內(nèi)，絕緣體繼而定位在被加熱容器12的絕緣端壁觀、30內(nèi)。因此，在這些位置基本上沒有氧的輸送出現(xiàn)。同時，如上所述，每個元件的溫度增加大約500°C。如圖中所示，每個管狀薄膜元件14的端部沒有陰極層58以及其相關(guān)集流器64，使得在這些位置上電流不在管狀薄膜元件14內(nèi)流動。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在管狀薄膜元件設(shè)計(jì)成電流在這些絕緣端部部分流動的情況下，在這些端部部分，陶瓷將趨于進(jìn)行化學(xué)還原反應(yīng)，元件因此可能失效。但是注意到有利的是在這些位置也可省略陽極層60及其相關(guān)的集流器層66，以確保沒有電流在管狀薄膜元件的絕緣端部流動。應(yīng)該注意到本發(fā)明的實(shí)施例可以使得陽極和陰極層及其相關(guān)的集流器層延伸到管狀薄膜元件14的實(shí)際端部，即使被覆蓋絕緣構(gòu)件也是如此，但是出于以上描述的原因，這并不是值得推薦的。如上所述，本發(fā)明的實(shí)施例也可以沒有電流分配器82。在這種情況下，陽極層62 及其相關(guān)的集流器66可以終止于絕緣構(gòu)件16和18，并且線材84和88可以在該端部以及端部絕緣構(gòu)件16和18的內(nèi)側(cè)連接在管狀薄膜元件14的內(nèi)部。因此，施加電位的端部位置可以向內(nèi)與管狀薄膜元件的實(shí)際端部隔開。參考圖7，管狀薄膜元件14’被表示成構(gòu)成所述的管狀薄膜元件14的另一可選實(shí)施例，其結(jié)合有代替管狀薄膜元件14內(nèi)所采用的端蓋50的端部密封件110。為了避免不需要的重復(fù)說明，上面相對于管狀薄膜元件14描述的圖7所示的元件具有相同的附圖標(biāo)記。 注意到在此特殊的實(shí)施例中，絕緣體16和18內(nèi)的管狀薄膜元件14’的外部相對端部部分在集流器層64和66處沒有陰極和陽極層58和60。如上所述，可以以類似的方式構(gòu)造管狀薄膜元件14，或者另一方面，以用于管狀薄膜元件14的附圖中所示的方式構(gòu)造管狀薄膜元件14’，雖然并不是最優(yōu)選的。端部密封件110和111通過各自由彈性體制成的插塞式構(gòu)件112和114形成， 以便在管狀薄膜元件14’的端部處形成氣密密封。適當(dāng)?shù)膹椥泽w是從美國Willmington， Delaware 的 Dupont Performance Elastomers 獲得的 VIT0N 含氟彈性體。在管狀薄膜元件14’的操作過程中，氧將積聚，并將趨于在向外方向上從管狀薄膜元件14’的端部壓迫插塞式構(gòu)件112和114。為了將插塞式構(gòu)件112和114保持在管狀薄膜元件14’的端部內(nèi)，陶瓷粘合劑116和118的沉積物在分別靠近插塞式構(gòu)件112和插塞式構(gòu)件114的位置處被引入管狀薄膜元件14’的端部。適當(dāng)?shù)奶沾烧澈蟿┛梢允敲绹?Cotronics Corporation of Brooklyn, New York制造的 RESB0ND( ) 940 快速固化粘合劑。 注意到可以采用其他適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀３植迦綐?gòu)件112和114，例如靠近插塞式構(gòu)件112 定位并穿過管狀薄膜元件14’的端部處限定的相對橫向孔的機(jī)械鍵，或者在管狀薄膜元件14’的端部內(nèi)固定就位的套筒。如圖中所示，電饋通件52和M分別穿過每個沉積物116、118和插塞式構(gòu)件112 和114。在此方面，軸向孔120被限定在插塞式構(gòu)件112內(nèi)，以便穿過電饋通件52，并且孔 122限定在插塞式構(gòu)件114內(nèi)，以便穿過電饋通件52。另外，出口 56穿過插塞式構(gòu)件114， 并且孔IM設(shè)置用于此目的。為了將插塞式構(gòu)件112和114安裝在管狀薄膜元件14’的端部內(nèi)，插塞式構(gòu)件112 和114制成比管狀薄膜元件14’的內(nèi)直徑大的外直徑，接著通過液氮冷卻。直徑上的百分比差別是大約10%。隨后，插塞式構(gòu)件112和114被安裝在管狀薄膜元件14’內(nèi)，并且隨著這些構(gòu)件被加熱到環(huán)境溫度，插塞式構(gòu)件膨脹，以便在管狀薄膜元件14’的端部內(nèi)形成氣密密封。另外，每個孔120、122和IM都設(shè)置成小于相關(guān)的電饋通件52和M和出口 56。在插塞式構(gòu)件112和114安裝和加熱之后，電饋通件52和M和出口 56被壓迫經(jīng)過較小的孔， 以便形成氣密密封。隨后，端部填充陶瓷粘合劑116和118的沉積物，以便形成端部密封?？梢岳斫獾?，插塞式元件112和114的端部密封件和例如陶瓷粘合劑的沉積物的保持裝置可以用于任何電驅(qū)動管狀氧分離元件。例如，可以制造這種元件，使其在一端封閉。在這種情況下，只有單個密封電饋通件和出口導(dǎo)管可以穿透這個端部密封件。另外在電驅(qū)動管狀氧分離元件制造成在兩端開口的情況下，這種端部密封件可用來密封其一個端部，并且因此包括看上去與例如插塞式元件112幾乎相同的插塞式元件，而沒有孔120和陶瓷粘合劑的沉積物。雖然已結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解可以對本發(fā)明進(jìn)行多種變化、添加和省略，而不偏離所附權(quán)利要求書中給出的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種電驅(qū)動氧分離組件，包括至少一個管狀薄膜元件，其具有陽極層、陰極層、位于陽極層和陰極層之間的電解質(zhì)層以及靠近并接觸陽極層和陰極層定位并位于至少一個管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的兩個集流器層，以允許電源施加電位，從而導(dǎo)致氧離子從陰極層穿過電解質(zhì)層輸送到陽極層； 以及一組導(dǎo)體，其被連接到位于至少一個管狀薄膜元件的兩個中央隔開位置處的兩個集流器層之一上，并且其被連接到至少位于至少一個管狀薄膜元件的與兩個中央隔開位置在外部隔開的相對端部位置處的兩個集流器層的另一個上，使得電源能夠經(jīng)由兩個中央隔開位置之間的所述組導(dǎo)體和至少兩個相對端部位置施加電位，通過所施加的電位產(chǎn)生且流過至少一個管狀薄膜元件的電流被分成在兩個中央隔開位置與相對端部位置之間流動的兩個部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中至少一個管狀薄膜元件的外部相對端部部分被保持在絕緣構(gòu)件內(nèi)；兩個集流器層之一位于至少一個管狀薄膜元件的外側(cè)上；陰極層靠近兩個集流器層之一；以及陰極層和兩個集流器層之一部分地沿著所述至少一個管狀薄膜元件的長度尺寸延伸， 使得所述至少一個管狀薄膜元件的外部相對端部部分至少沒有陰極層和兩個集流器層之ο
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中具有細(xì)長構(gòu)造的電流分配器定位在所述至少一個管狀薄膜元件內(nèi)，在所述至少一個管狀薄膜元件的端部之間延伸，并且在位于管狀薄膜元件內(nèi)的多個點(diǎn)處接觸兩個集流器的另一個；以及連接到管狀薄膜元件的相對端部位置的導(dǎo)體被連接到電流分配器的相對端部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中所述電流分配器具有螺旋狀構(gòu)造。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中所述至少一個管狀薄膜元件具有相對的端部密封件、穿過相對的端部密封件的相對的密封的電饋通件以及穿過相對的端部密封件之一以排出氧的出口管；并且在兩個相對端部位置處連接至所述至少一個管狀薄膜元件的導(dǎo)體經(jīng)過電饋通件并連接到電流分配器上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動氧分離器組件，其中所述至少一個管狀薄膜元件是多個管狀薄膜元件；并且多個管狀薄膜元件通過該組導(dǎo)體串聯(lián)電連接，其中第一對導(dǎo)體連接到管狀薄膜元件的第一個的兩個中央隔開位置，第二對導(dǎo)體連接到管狀薄膜元件的第二個的相對端部位置， 并且其余成對的導(dǎo)體在兩個中央隔開位置和至少其相對端部位置連接成對的其余管狀薄膜元件，使得第一對導(dǎo)體和第二對導(dǎo)體能夠連接到電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中兩個集流器之一位于靠近陰極層的每個管狀薄膜元件的外側(cè)上，并且兩個集流器的另一個位于靠近陽極層的管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中具有細(xì)長構(gòu)造的電流分配器定位在每個管狀薄膜元件內(nèi)，在管狀薄膜元件的端部之間延伸，并且在管狀薄膜元件內(nèi)的多個點(diǎn)處接觸兩個集流器的另一個；并且連接到管狀薄膜元件的相對端部位置的導(dǎo)體被連接到電流分配器的相對端部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中所述電流分配器具有螺旋狀構(gòu)造。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中管狀薄膜元件以捆束在一起的形式配置，并且通過位于管狀薄膜元件的外部相對端部部分處的相對的絕緣構(gòu)件以徑向陣列的形式得到保持；管狀薄膜元件具有相對的端部密封件、穿過相對的端部密封件的相對的密封的電饋通件以及在捆束一端處穿過相對的端部密封件以便排出氧的出口管；在兩個相對端部位置處連接到管狀薄膜元件的導(dǎo)體經(jīng)過電饋通件并與兩個集流器的另一個電接觸；以及歧管連接到出口管狀薄膜元件，并具有公共出口來排出從出口管排出的氧。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中所述端部密封件包括定位在管狀薄膜元件內(nèi)并由彈性體形成以便形成氣密密封的插塞式構(gòu)件以及用于將插塞式構(gòu)件保持在管狀薄膜元件內(nèi)的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中陰極層和兩個集流器層之一部分地沿著管狀薄膜元件的長度尺寸延伸，使得管狀薄膜元件的相對端部部分至少沒有陰極層和兩個集流器層之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中具有細(xì)長構(gòu)造的電流分配器定位在每個管狀薄膜元件內(nèi)，在管狀薄膜元件的端部之間延伸，并且在管狀薄膜元件內(nèi)的多個點(diǎn)處接觸兩個集流器中的另一個；并且連接到管狀薄膜元件的相對端部位置的導(dǎo)體被連接到電流分配器的相對端部。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電驅(qū)動氧分離組件，其中所述電流分配器具有螺旋狀構(gòu)造。
15.一種在電驅(qū)動氧分離組件中施加電位的方法，包括將電位施加到至少一個管狀薄膜元件，所述管狀薄膜元件具有陽極層、陰極層、由電解質(zhì)材料形成并定位在陽極層和陰極層之間的電解質(zhì)層以及靠近并接觸陽極層和陰極層定位并且位于至少一個管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的兩個集流器層；以及電位被施加到位于至少一個管狀薄膜元件的兩個中央隔開位置處的兩個集流器層之一上以及位于至少一個管狀薄膜元件的與兩個中央隔開位置在外部隔開的至少相對端部位置處的兩個集流器層的另一個上，使得通過所施加的電位產(chǎn)生且流過至少一個管狀薄膜元件的電流分成在兩個中央隔開位置與相對端部位置之間流動的兩個部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中 兩個集流器層之一定位在管狀薄膜元件的外側(cè)上； 陰極靠近兩個集流器層之一定位；以及兩個集流器層的另一個定位在靠近陽極層的管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少一個管狀薄膜元件的外部相對端部部分被保持在絕緣構(gòu)件內(nèi)； 陰極層和兩個集流器層之一部分地沿著管狀薄膜元件的長度尺寸延伸，使得管狀薄膜元件的外部相對端部部分至少沒有陰極層和兩個集流器層之一。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中電流在管狀薄膜元件內(nèi)在管狀薄膜元件的端部位置之間的多個點(diǎn)處被施加到集流器的另一個。
19.一種用于電驅(qū)動氧分離的管狀薄膜元件，所述管狀薄膜元件包括陽極層；陰極層；定位在陽極層和陰極層之間的電解質(zhì)層；靠近并接觸陽極層和陰極層的兩個集流器層，兩個集流器層位于管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上，以允許電源施加電位，從而導(dǎo)致氧離子從陰極層穿過電解質(zhì)層輸送到陽極層；定位在管狀薄膜元件的相對端部處的端部密封件，每個端部密封件包括定位在管狀薄膜元件內(nèi)并由彈性體形成以便形成氣密密封的插塞式構(gòu)件以及用于將插塞式構(gòu)件保持在管狀薄膜元件內(nèi)的裝置；至少一個密封的電饋通件，所述電饋通件穿過至少一個端部密封件；一組電導(dǎo)體，所述電導(dǎo)體經(jīng)過至少一個密封的電饋通件，并且與位于管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上的兩個集流器層之一電接觸，并連接到位于管狀薄膜元件的外側(cè)上的兩個集流器層的另一個上；以及出口管，所述出口管穿過端部密封件之一或端部密封件的另一個，使得氧從管狀薄膜元件排出。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的管狀薄膜元件，其中保持裝置是定位在管狀薄膜元件內(nèi)靠近插塞式構(gòu)件的位置處并且定位成防止插塞式構(gòu)件向外運(yùn)動的陶瓷粘合劑的沉積物。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的管狀薄膜元件，其中所述至少一個密封的電饋通件是穿過端部密封件的兩個相對的密封電饋通件；所述出口管穿過端部密封件之一；所述組電導(dǎo)體包括連接到位于管狀薄膜元件的外側(cè)上的兩個集流器層的另一個的兩個隔開中央位置的第一對電導(dǎo)體以及經(jīng)過兩個相對的密封的電饋通件的第二對電導(dǎo)體；以及具有細(xì)長構(gòu)造的電流分配器定位在每個管狀薄膜元件內(nèi)，在管狀薄膜元件的端部之間延伸，接觸位于管狀薄膜元件的內(nèi)側(cè)上的兩個集流器層之一，并且在相對端部處連接到第二對電導(dǎo)體。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的管狀薄膜元件，其中所述電流分配器具有螺旋狀構(gòu)造。
23.一種被構(gòu)造用以電驅(qū)動氧分離的用于密封管狀薄膜元件的端部的端部密封件，所述端部密封件包括定位在管狀薄膜元件內(nèi)并且由彈性體形成以便形成氣密密封的插塞式構(gòu)件和用于將插塞式構(gòu)件保持在管狀薄膜元件內(nèi)的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的端部密封件，其中保持裝置是定位在管狀薄膜元件內(nèi)靠近插塞式構(gòu)件的位置處并且定位成防止插塞式構(gòu)件向外運(yùn)動的陶瓷粘合劑的沉積物。
全文摘要
一種用于施加電位的電驅(qū)動氧分離組件和方法，其中該組件具有一個或多個管狀薄膜元件。電位被施加在管狀薄膜元件的兩個中央隔開位置處及其至少相對端部位置處。結(jié)果是，流過管狀薄膜元件的電流被分成在兩個中央隔開位置與相對端部位置之間流動的兩個部分。另外，本發(fā)明還提供一種與管狀薄膜元件結(jié)合使用的端部密封件。
文檔編號B01D53/32GK102209684SQ200980144463
公開日2011年10月5日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者D·F·蘇格斯, D·M·里德, G·M·克里斯蒂, M·J·科林斯, R·M·凱莉 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司