(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード層、カソード層、該アノード層と該カソード層の間に配置された電解質層、及び２つの集電体層を備える少なくとも１つの管状膜要素であって、該２つの集電体層が、該アノード層及び該カソード層に隣接してかつ接触して配置され、かつ該少なくとも１つの管状膜要素の内側及び外側に置かれて、該カソード層から該電解質層を通って該アノード層への酸素イオン輸送を誘発するために電源によって電位を印加できるようにする、上記管状膜要素、並びに
該少なくとも１つの管状膜要素の２つの中央離隔位置で該２つの集電体層の一方に接続され、且つ、該２つの中央離隔位置から外方向に離隔された該少なくとも１つの管状膜要素の少なくとも両端部位置で該２つの集電体層の他方に接続された１組の導体であって、それにより、電源が、該２つの中央離隔位置と該少なくとも２つの両端部位置との間で該１組の導体を通して電位を印加することができ、かつ該印加された電位によって誘発される該少なくとも１つの管状膜要素を通って流れる電流が、該２つの中央離隔位置と該両端部位置との間を流れる２つの部分に分割される上記１組の導体、
を含んでなる電気駆動酸素分離組立品。
【請求項２】
前記少なくとも１つの管状膜要素の外側の対向する端部区域が断熱部材の内部に保持され、
前記２つの集電体層の一方が、該少なくとも１つの管状膜要素の外側に置かれ、
前記カソード層が、該２つの集電体層の該一方に隣接し、
該少なくとも１つの管状膜要素の外側の対向する端部区域が少なくとも該カソード層と該２つの集電体層の該一方とを欠くように、該カソード層と該２つの集電体層の該一方とが、該少なくとも１つの管状膜要素の長さ寸法に沿って部分的に延在する
請求項１に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項３】
細長い形状の電流分配機構が、前記少なくとも１つの管状膜要素の内部に配置され、該少なくとも１つの管状膜要素の端部間に延在し、かつ該管状膜要素の内部に置かれた複数の位置で前記２つの集電体の他方と接触し、かつ
該管状膜要素の両端部位置に接続された前記導体が、該電流分配機構の両端部に接続される
請求項２に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項４】
前記電気分配機構が螺旋形状である請求項３に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項５】
前記少なくとも１つの管状膜要素が、対向する端部シール、該対向する端部シールを貫通する、対向する封止された電気フィードスルー、及び酸素を放出するために該対向する端部シールの一方を貫通する出口管を有し、かつ、
前記２つの両端部位置で該少なくとも１つの管状膜要素に接続された前記導体が、電気フィードスルーを通過し、前記電流分配機構に接続される
請求項４に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項６】
前記少なくとも１つの管状膜要素が、複数の管状膜要素であり、
該複数の管状膜要素が、該管状膜要素のうち第１の要素の２つの中央離隔位置に接続された第１の対の導体と、該管状膜要素のうち第２の要素の両端部位置に接続された第２の対の導体と、残りの該管状膜要素の対を前記２つの中央離隔位置及び前記少なくとも両端部位置で連結する残りの対の導体とを有する前記１組の導体によって直列に電気接続され、それにより第１の対の導体と第２の対の導体を電源に接続させることができる
請求項１に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項７】
前記２つの集電体の一方が、前記カソード層に隣接して各前記管状膜要素の外側に置かれ、前記２つの集電体の他方が、前記アノード層に隣接して前記管状膜要素の内側に置かれる請求項６に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項８】
細長い形状の電流分配機構が、各前記管状膜要素の内部に配置され、該管状膜要素の端部の間に延在し、かつ該管状膜要素の内部に置かれた複数の点で前記２つの集電体の他方と接触し、かつ
該管状膜要素の両端部位置に接続された前記導体が、該電流分配機構の両端部に接続される
請求項７に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項９】
前記電流分配機構が螺旋形状である請求項８に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項１０】
前記管状膜要素が、該管状膜要素の外側の対向する端部区域に配置された対向する断熱部材によって束状に配置され、放射状アレイとして保持され、
管状膜要素が、対向する端部シールと、該対向する端部シールを貫通する、対向する封止された電気フィードスルーと、酸素を放出するために束の一端で対向する端部シールを貫通する出口管とを有し、
前記２つの両端部位置で管状膜要素に接続された導体が、該電気フィードスルーを通過し、かつ前記２つの集電体の他方と電気接触し、
マニフォールドが、該管状膜要素出口に接続され、該出口管から放出される酸素を放出するために共通の出口を有する
請求項７に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項１１】
前記端部シールが、気密シールを形成するためにエラストマーによって形成された、前記管状膜要素の内部に配置されたプラグ状部材と、該管状膜要素の内部にプラグ状部材を保持するための手段とを備える請求項１０に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項１２】
前記カソード層と前記２つの集電体層の一方とが、前記管状膜要素の外側の対向する端部区域が少なくとも該カソード層と該２つの集電体層の一方とを含まないように、該管状膜要素の長さ寸法に沿って部分的に延在する請求項１０に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項１３】
細長い形状の電流分配機構が、各前記管状膜要素の内部に配置され、該管状膜要素の端部の間に延在し、かつ該管状膜要素の内部に置かれた複数の点で前記２つの集電体の他方と接触し、かつ
該管状膜要素の両端部位置に接続された前記導体が、該電流分配機構の両端部に接続される
請求項１１に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項１４】
前記電流分配機構が螺旋形状である請求項１３に記載の電気駆動酸素分離組立品。
【請求項１５】
電気駆動酸素分離組立品において電位を印加する方法であって、
アノード層、カソード層、電解質材料から形成され、該アノード層と該カソード層の間に配置された電解質層、及び該アノード層及び該カソード層に隣接して接触して配置され、少なくとも１つの管状膜要素の内側及び外側に置かれた２つの集電体層、を有する少なくとも１つの管状膜要素に電位を印加するステップを含み、
該電位が、該少なくとも１つの管状膜要素の２つの中央離隔位置で該２つの集電体層の一方に印加され、且つ、該２つの中央離隔位置から外方向に離隔された該少なくとも１つの管状膜要素の少なくとも両端部位置で該２つの集電体層の他方に印加され、それにより、印加された電位によって誘発される該少なくとも１つの管状膜要素を通って流れる電流が、該２つの中央離隔位置と該両端部位置の間を流れる２つの部分に分割される
上記方法。
【請求項１６】
前記２つの集電体層の一方が、前記管状膜要素の外側に配置され、
前記カソードが、該２つの集電体層の該一方に隣接して配置され、
該２つの集電体層の他方が、前記アノード層に隣接して該管状膜要素の内側に配置される
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの管状膜要素の外側の対向する端部区域が断熱部材の内部に保持され、
該管状膜要素の外側の対向する端部区域が少なくとも前記カソード層と前記２つの集電体層の一方とを含まないように、該カソード層と該２つの集電体層の一方とが、該管状膜要素の長さ寸法に沿って部分的に延在する
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記電流が、端部位置の間で前記管状膜要素の内部に置かれた複数の点で、前記集電体の他方に印加される請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組立品（ａｓｓｅｍｂｌｙ）の１つ又は複数の管状膜要素（ｔｕｂｕｌａｒ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）の使用によって酸素が分離される電気駆動酸素分離組立品及び方法に関する。より詳細には、本発明は、１つ又は複数の管状膜要素の対向電極に、２つの中央離隔位置で、及び少なくとも、２つの中央離隔位置から外方向に離隔された管状膜要素の２つの端部位置で電位が印加される酸素分離組立品及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気駆動酸素分離装置は、酸素含有供給物、例えば空気から酸素を分離するために使用される。さらに、そのようなデバイスは、供給物から酸素を分離することによって酸素含有供給物を浄化することが望まれる浄化用途でも使用される。電気駆動酸素分離装置は、高温にさらされるときに酸素イオンを輸送することができる電解質層と、電解質層の両面に配置されたカソード電極層及びアノード電極層と、カソード及びアノード電極層に電流を供給するための集電体（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）層とを含む層状構造を有する管状膜要素を利用することができる。
【０００３】
管状膜要素が高温にさらされるとき、供給物に含有される酸素は、印加された電位から電子を得ることによって、カソード電極層に隣接する電解質層の一面でイオン化する。得られた酸素イオンは、印加される電位の推進力の下で、電解質層を通って、アノード層に隣接する反対側に輸送され、元素酸素へと再結合する。
【０００４】
管状膜要素は、酸素イオンが輸送される動作温度まで管状膜要素を加熱するために電気加熱容器内に収容される。さらに、複数のそのような管状膜要素をマニフォールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）として一体化することができ、それにより、酸素含有供給物が加熱容器内に通され、分離された酸素は、マニフォールドを通して管状膜要素から引き出される。いくつかの浄化用途では、酸素含有供給物を、管状膜要素の内部を通して進めることができ、分離された酸素を容器から引き出すことができる。
【０００５】
電解質層を形成するために使用される典型的な材料は、イットリウム又はスカンジウム安定化ジルコニア及びガドリニウムドープセリアである。電極層は、電解質材料と、導電性金属、金属合金、又は導電性ペロブスカイトなどの金属酸化物との混合物から形成することができる。当技術分野における集電体は、銀などの導電性金属及び金属合金、並びにそのような金属及び金属酸化物の混合物から形成されている。
【０００６】
管状膜要素に電位を印加するために、導体を集電体層に取り付けることができる。そのような導体は、単一の位置に取り付けられて、管状膜要素を直列又は並列電気接続で接続する。これに伴う問題は、電流が、各管状要素の長さにわたって不均一に分配されることであり、これにより、管状膜要素への導体の接続部にホットスポットが生じる。そのようなホットスポットは、管状要素の故障をもたらすことがある。理想的には、電流は、集電体の長さに沿って均一に分配され、膜の長さに沿って温度分布を均一にして酸素イオン流を局所化させる。電流の分布が不均一であるので、電解質層を通る酸素イオンのイオン伝導も、概して集電層への導体の接続部で生じることにより、不均一になる。
【０００７】
さらなる問題は、管状膜要素が、断熱体及び／又はやはり断熱されることができる加熱容器を通って突出することである。したがって、管状膜要素の突出端部では、約７００℃であることがある加熱容器内部での管状要素の温度よりも約５００℃低い温度を生ずる。これらの温度遷移区域では、電解質層が化学的還元を受けることがあり、電極が化学的に還元して電子伝導体になり、時間が経つにつれて管状膜要素が故障する別の点となることが判明している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
追って論じるように、本発明は、１つ又は複数の管状膜要素を利用する酸素分離組立品及び関連の方法を提供し、そこでは、いくつかの利点の中でもとりわけ、従来技術に比べて電流が管状膜要素の長さに沿って均一に分配される。さらに、各管状要素を、上述したように温度遷移区域内で故障しないように改良することができる。さらに、管状膜要素の端部を、高い費用対効果で、プラグ状部材で封止することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、一態様では、電気駆動酸素分離組立品を提供する。本発明のこの態様によれば、少なくとも１つの管状膜要素が設けられ、アノード層と、カソード層と、アノード層とカソード層の間に配置された電解質層と、２つの集電体層とを有し、該２つの集電体層が、アノード層及びカソード層に隣接して、かつ、接触して配置され、少なくとも１つの管状膜要素の内側及び外側に置かれる。２つの集電体層により、電源によって電極層に電流を印加できるようにして、カソード層から電解質層を通ってアノード層への酸素イオン輸送を誘発する。１組の導体が、少なくとも１つの管状膜要素の２つの中央離隔位置（ｃｅｎｔｒａｌ  ｓｐａｃｅｄ  ｌｏｃａｔｉｏｎｓ）で２つの集電体層の一方に接続され、且つ、２つの中央離隔位置から外方向に離隔された少なくとも１つの管状膜要素の少なくとも両端部位置で２つの集電体層の他方に接続され、それにより、電源が、２つの中央離隔位置と少なくとも２つの両端部位置との間で１組の導体を通して電位を印加することができる。その結果、少なくとも１つの管状膜要素を通って流れる電流は、２つの中央離隔位置と両端部位置の間を流れる２つの部分に分割される。
【００１０】
電流の分割により、電流を、管状膜要素全体にわたってより均一に分配できるようになり、ホットスポットが生じて管状膜要素の故障をもたらすのを防止する。さらに、電流の均一な分布により、より多くの管状膜要素を、酸素を分離するのに効率的に使用できるようになる。
【００１１】
２つの集電体層の一方を、少なくとも１つの管状膜要素の外側に置くことができ、カソード層が、２つの集電体層のその一方に隣接する。該少なくとも１つの管状膜要素の外側の対向する端部区域を断熱部材の内部に保持することができ、少なくとも１つの管状膜要素の外側の対向する端部区域が少なくともカソード層と２つの集電体層の一方とを欠くように、カソード層と２つの集電体層のその一方とが、少なくとも１つの管状膜要素の長さ寸法に沿って部分的に延在する。また、端部区域は、アノード層と２つの集電体層の他方とを欠くいこともある。ここで、外側の対向する端部区域が断熱部材の内部に保持されるので、上で論じたように端部区域内に温度遷移区域が存在することに留意されたい。しかし、カソード層が存在せず、また追って論じるように場合によってはアノード層も存在しないので、この領域内で、電解質の化学的還元及び場合によっては電解質の故障をもたらす電流が伝導されない。これに関して、「２つの両端部位置」は、少なくとも１つの管状膜要素の物理的な端部に配置される必要はなく、アノード層がない状況下では、そのような位置を、断熱部材から外れるように、そのような物理的な端部から内方向に離隔すべきであることに留意されたい。
【００１２】
細長い形状の電流分配機構（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ）を、少なくとも１つの管状膜要素の内部に配置することができ、電流分配機構は、少なくとも１つの管状膜要素の端部間に延在し、管状膜要素の内部に置かれた複数の位置で２つの集電体の他方と接触する。管状膜要素の両端部位置に接続された導体が、電流分配機構の両端部に接続される。電流分配機構は螺旋形状にすることができる。
【００１３】
少なくとも１つの管状膜要素に、対向する端部シールと、該対向する端部シールを貫通する、対向する封止された電気フィードスルーと、酸素を放出するために対向する端部シールの一方を貫通する出口管とを設けることができる。２つの両端部位置で少なくとも１つの管状膜要素に接続された導体が、電気フィードスルーを通過し、電流分配機構に接続される。
【００１４】
少なくとも１つの管状膜要素は、複数の管状膜要素であってもよい。複数の管状膜要素を、管状膜要素のうち第１の要素の２つの中央離隔位置に接続された第１の対の導体と、管状膜要素のうち第２の要素の両端部位置に接続された第２の対の導体と、残りの管状膜要素の対を２つの中央離隔位置及び少なくとも両端部位置で連結する残りの対の導体とを有する１組の導体によって直列に電気接続することができ、それにより第１の対の導体と第２の対の導体を電源に接続させることができる。
【００１５】
２つの集電体の一方を、カソード層に隣接して各管状膜要素の外側に置くことができ、２つの集電体の他方を、アノード層に隣接して管状膜要素の内側に置くことができる。
【００１６】
管状膜要素を、管状膜要素の外側両端部区域に配置された対向する断熱部材によって束状に配置して、放射状（ｒａｄｉａｌ）アレイとして保持することができる。管状膜要素には、対向する端部シールと、対向する端部シールを貫通する、対向する封止された電気フィードスルーと、酸素を放出するために束の一端で対向する端部シールを貫通する出口管とが設けられる。２つの両端部位置で管状膜要素に接続された導体が、電気フィードスルーを通過し、２つの集電体の他方と電気接触する。マニフォールドが、出口管に接続されて、出口管から放出される酸素を放出するために共通の出口を有する。管状膜要素の外側の対向する端部区域が少なくともカソード層と２つの集電体層の一方とを欠くように、カソード層と２つの集電体層のその一方とが、管状膜要素の長さ寸法に沿って部分的に延在することができる。また、端部区域は、アノード層と２つの集電体層の他方とを欠くこともある。上述したように、電流分配機構を採用することができ、管状膜要素の両端部位置に接続された導体が、電流分配機構の両端部に接続される。電流分配機構は螺旋形状にすることができる。
【００１７】
別の態様では、本発明は、電気駆動酸素分離組立品において電位を印加する方法を提供する。本発明のこの態様によれば、アノード層と、カソード層と、電解質材料から形成され、アノード層とカソード層の間に配置された電解質層と、アノード層及びカソード層に隣接して、かつ接触して配置され、少なくとも１つの管状膜要素の内側及び外側に置かれた２つの集電体層とを有する少なくとも１つの管状膜要素に電位が印加される。電位は、少なくとも１つの管状膜要素の２つの中央離隔位置で２つの集電体層の一方に印加され、且つ、２つの中央離隔位置から外方向に離隔された少なくとも１つの管状膜要素の少なくとも両端部位置で２つの集電体層の他方に印加され、それにより、印加された電位によって誘発される少なくとも１つの管状膜要素を通って流れる電流が、２つの中央離隔位置と両端部位置の間を流れる２つの部分に分割される。
【００１８】
２つの集電体層の一方が、管状膜要素の外側に配置される。カソードが、２つの集電体層の一方に隣接して配置され、酸素含有供給物は、管状膜要素の外側に接触する。酸素は、管状膜要素の内側に収集され、管状膜要素の内側から取り去られる。上述したように、管状膜要素の外側の対向する端部区域が少なくともカソード層とカソード層の少なくとも一方に隣接して配置される２つの集電体層の一方とを欠くように、カソード層と２つの集電体層のその一方とが、管状膜要素の長さ寸法に沿って部分的に延在することができる。これに関して、上述した端部区域は、アノード層と２つの集電体層の他方も欠くことがある。端部位置の間で管状膜要素の内部に置かれた複数の点で、集電体の他方に電流を印加することができる。
【００１９】
さらに別の態様では、本発明は、電気駆動酸素分離のための管状膜要素を提供し、管状膜要素は、アノード層と、カソード層と、アノード層とカソード層の間に配置された電解質層と、アノード層及びカソード層に隣接して、かつ接触して配置される２つの集電体層とを備える。２つの集電体層は、管状膜要素の内側と外側に置かれて、電源によって電位を印加できるようにして、カソード層から電解質層を通ってアノード層への酸素イオン輸送を誘発する。
【００２０】
端部シールは、管状膜要素の両端部に配置される。各端部シールは、管状膜要素の内部に配置され、かつ気密シールを形成するようにエラストマーによって形成されたプラグ状部材と、管状膜要素の内部にプラグ状部材を保持するための手段とを備える。少なくとも１つの封止された電気フィードスルーが、端部シールの少なくとも一方を貫通し、１組の導電体が、少なくとも１つの封止された電気フィードスルーを通過し、管状膜要素の内側に置かれた２つの集電体層の一方と電気接触し、管状膜要素の外側に置かれた２つの集電体層の他方に接続される。出口管が、管状膜要素から酸素を放出できるようにするために、端部シールの一方又は端部シールの他方を貫通する。
【００２１】
保持手段は、プラグ状部材に隣接して管状膜要素の内部に配置され、プラグ状部材の外方向移動を防止するように位置決めされたセラミック接着剤の堆積物でよい。
【００２２】
少なくとも１つの封止された電気フィードスルーは、端部シールを貫通する２つの対向する封止された電気フィードスルーでよい。出口管は、端部シールの一方を貫通することができ、１組の導電体は、第１の対の導電体と、第２の対の導電体とを備える。第１の対の導電体は、管状膜要素の外側に置かれた２つの集電体層の他方の２つの離隔中央位置に接続され、第２の対の導電体は、２つの対向する封止された電気フィードスルーを通過する。細長い形状の電流分配機構が、各管状膜要素の内部に配置され、管状膜要素の端部の間に延在し、管状膜要素の内側に置かれた２つの集電体層の一方に接触し、両端部で第２の対の導電体に接続される。電流分配機構は螺旋形状にすることができる。
【００２３】
さらなる別の態様では、本発明は、電気駆動酸素分離のために構成された管状膜要素の一端を封止するための端部シールを提供する。端部シールは、管状膜要素の内部に配置され、かつ気密シールを形成するためにエラストマーによって形成されたプラグ状部材と、管状膜要素の内部でプラグ状部材を保持するための手段とを備える。保持手段は、プラグ状部材に隣接して管状膜要素の内部に配置され、プラグ状部材の外方向移動を防止するように位置決めされたセラミック接着剤の堆積物である。この端部シールは、本発明の任意の実施形態で使用することができる。
【００２４】
本明細書を元に、出願人が自らの発明とみなす主題を明示する特許請求の範囲を末尾に提示するが、添付図面に関連して考察すれば本発明が理解されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】加熱容器内部に示された本発明による電気駆動酸素分離組立品の管状膜要素の束の概略断面図であって、そのような要素への電気接続は示されていない概略断面図である。
【図２】図１で利用される束ねられた管状膜要素の斜視図である。
【図３】図１及び図２に示される管状膜要素で利用される管状複合膜の概略断面図である。
【図４】電源への電気接続を示す、図１で利用される酸素分離組立品の部分概略断面図である。
【図５】図１に示される酸素分離組立品で利用される複合膜要素の電気接続の概略断面図である。
【図６】従来技術の酸素分離組立品の管状膜要素と比較した、本発明の酸素分離組立品の管状膜要素の長さに沿った温度プロファイルのグラフである。
【図７】図１で利用される管状膜要素の代替実施形態の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１を参照すると、酸素分離装置１が示されており、酸素分離装置１は、加熱容器１２の内部に収容された酸素分離組立品１０を有する。酸素分離組立品１０はそれぞれ、高純度アルミナ繊維から製造された端部断熱部材１６及び１８によって束状となる位置に保持された管状膜要素１４によって形成される。一例としての管状膜要素は、外径が約６．３５ｍｍであり、全壁厚が約０．５ｍｍであり、長さが約５５ｃｍであってよい。端部断熱部材１６及び１８は、加熱容器１２の断熱端部壁２８及び３０に画定された向かい合う開口２０、２２及び２４、２６の中に保持される。加熱容器１２は、端部壁２８と端部壁３０をつなぐ断熱側壁３２を有する円筒形状であってよい。加熱断熱層３４が、断熱側壁３２の内部に同軸に位置決めされ、かつ加熱要素を含み、管状膜要素１４に電位が印加されたときに酸素イオン輸送が生じる動作温度まで管状膜要素１４を加熱する。
【００２７】
酸素分離装置１の動作中、酸素含有供給流３６が、入口３７を通って加熱容器１２の内部に導入されて、管状膜要素１４の外側に接触する。管状膜要素１４に印加された電位により、酸素が酸素イオンに変換され、酸素イオンは、そのような要素１４の内部に輸送される。次いで、分離された酸素は、マニフォールド構成３８を通して放出される。マニフォールド構成３８は、管３９から酸素流を受け取って圧縮継手４０から酸素流４２を放出するために、穴（図示せず）を有する圧縮継手４０に接続された管３９のクモ型（ｓｐｉｄｅｒ−ｌｉｋｅ）配列を有する。図示されていないが、圧縮継手４０は、分離された酸素を収集及び放出するために共通の放出パイプ又は他のマニフォールドに接続することができる。酸素枯渇残留物は、加熱容器１２の出口４６から残留物流４４として放出される。
【００２８】
さらに図２を参照すると、各端部断熱部材１６及び１８が、管状膜要素１４を定位置に保持するためにスロット４８を設けられていることが分かる。特定の例示的実施形態では、各束が、６つのそのような管状膜要素１４から成る。各管状膜要素１４は、その両端部に配置された端部キャップ５０によって形成される端部シールを設けられる。電気フィードスルー５２及び５４が、端部キャップ５０を貫通する。さらに、出口管５６が、管状膜要素１４の一端で端部キャップ５０を貫通する。
【００２９】
酸素分離装置１の論述は例示目的のものにすぎず、本発明の適用例又は添付の特許請求の範囲の範囲を限定するものとは意図されていないことを理解されたい。これに関して、本発明は、ただ１つの管状膜要素１４を有する酸素分離装置、又は酸素の生成以外の目的で利用されるそのような管状膜要素１４に適用される。例えば、本発明は、酸素含有供給流から酸素を除去するために使用される浄化装置に適用することができ、したがって、供給流を管状膜要素の内部に供給することができる。
【００３０】
図３を参照すると、各管状膜要素１４は、カソード層５８、アノード層６０、及び電解質層６２を設けられる。２つの集電体層６４及び６６が、それぞれアノード層５８及びカソード層６０に隣接して配置され、アノード層及びカソード層に電流を伝導する。本発明は、管状膜要素１４を構成する任意の複合構造に適用されるが、例として、カソード層５８及びアノード層６０は、厚さが約１０〜約５０ミクロンの間でよく、電解質層６２は、厚さが約１００ミクロン〜約１ｍｍの間でよく、好ましい厚さは約５００ミクロンである。電解質層６２は、ガス不浸透性であり、密度が約９５パーセントよりも大きい、好ましくは密度が９９パーセントよりも大きいことがある。カソード層５８及びアノード層６０はそれぞれ、約３０パーセント〜約５０パーセントの間の多孔率を有することができ、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８ＭｎＯ３−δから形成することができる。電解質層６２は、６モル％スカンジウムドープジルコニアであってもよい。各集電体層６４及び６６は、厚さが約５０〜約１５０ミクロンの間でよく、多孔率が約３０パーセント〜約５０パーセントの間であり、酸化ジルコニウムの表面堆積物を有する銀粒子の粉末から形成することができる。そのような粉末は、当技術分野でよく知られている方法、例えばウォッシュコーティング（ｗａｓｈ−ｃｏａｔｉｎｇ）や機械的合金化（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｌｌｏｙｉｎｇ）によって製造することができる。例として、ＦＥＲＲＯ  Ｓ１１０００−０２粉末と呼ばれる銀粉末を、Ｆｅｒｒｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（３９００  Ｓｏｕｔｈ  Ｃｌｉｎｔｏｎ  Ａｖｅｎｕｅ，  Ｓｏｕｔｈ  Ｐｌａｉｎｆｉｅｌｄ，  Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ  ０７０８０  ＵＳＡ；米国ニュージャージー州サウスプレーンフィールド、サウスクリントンアベニュー３９００）から得ることができる。そのような粉末に含まれる粒子のサイズは、直径が約３〜約１０ミクロンの間であり、粒子は、約０．２ｍ２／ｇの低い比表面積を有する。ジルコニア表面堆積物をそのような粉末の上に形成することができ、ジルコニアが、被覆された粒子の重量の約０．２５パーセントになるようにすることができる。
【００３１】
酸素分離装置１の動作中、酸素含有供給流３６中に含まれる酸素は、集電体層６４と接触し、その孔を通って、上述したようにやはり有孔であるカソード層５８まで浸透する。酸素は、集電体層６４及び６６でカソード層５８及びアノード層６０に印加された電位により、イオン化する。得られた酸素イオンは、印加された電位の推進力の下で電解質層６２を通して輸送され、アノード層６０に隣接する電解質層６２の側から出て、そこで電子が得られて元素酸素を生成する。酸素は、アノード層６０及び隣接する集電体６６の孔を通って浸透し、そこで管状膜要素１４の内部に入る。
【００３２】
カソード層が管状膜要素１４の外側に配置されているが、層を逆にして、アノード層を管状膜要素１４の外側に配置し、カソード層を内側に配置することもできることに留意されたい。そのような実施形態は、デバイスが浄化装置として使用される場合に使用される。そのような場合、酸素含有供給物は、管状膜要素１４の中を流れる。
【００３３】
さらに図４及び図５を参照すると、電源７０によって発生される電位を、好ましくは銀の、ワイヤから形成される１組の導体によって管状膜要素１４に印加することができる。第１の対の導体７２及び７４が、管状膜要素１４のうち第１の要素の２つの中央離隔位置７６に集電体層６４で接続され、且つ電源７０の負極に接続される。第２の対の導体７８及び８０が、導体７８と導体８０を接合する銀ワイヤ７９と、電源７０の正極に接続されるワイヤ８１とによって、管状膜要素１４のうち最後の要素のアノード層６０を電源の正極に接続する。第２の対の導体７８及び８０は、より明瞭には図４に示される電流分配機構８２の両端部への接続によって、好ましくは複数の接点で、アノード層６０に隣接する集電体層６６と電気接触する。電流分配機構８２は、螺旋形状でよく、したがって、螺旋形状になるように螺旋状に巻かれたある長さの銀ワイヤから形成することができる。絶縁されたワイヤ８４、８６及び８８、９０によって形成される残りの対の導体は、残りの管状膜要素１４の対を２つの中央離隔位置７６で連結し、且つそのような管状膜要素１４の内部で採用される電流分配機構８０の端部に連結する。得られる電気接続は直列電気接続である。しかし、並列電気接続も可能である。さらに、上述したように、本発明が採用される特定のデバイスにおいては、ただ１つの管状膜要素１４を使用することができ、したがってそのような実施形態は、第１及び第２の対の導体７２、７４、７８、及び８０のみを利用する。
【００３４】
図５を特に参照すると、例として、カソード層５８とそれに結びついた集電体６４が単一の要素として示され、また、アノード層６０とそれに結びついた集電体６６も単一の要素として示されていることに留意されたい。図５に示されるように、２つの離隔中央位置７６は、ワイヤ８６及び９０を管状膜要素１４の周りに輪状に巻き、輪状に巻かれたワイヤ９２を銀ペースト９４の堆積物によって定位置に保持することによって形成される。次いで、ワイヤ９６及び９８は、それぞれ断熱部材１６及び１８の内部に設けられる穴９６及び９８を通過する。図示されていないが、ワイヤ９６及び９８は、他の管へと垂れ下がらないように、穴９６及び９８を通過する前に管状膜要素１４の外側の周りに巻くことができる。各管状膜要素１４の端部が端部キャップ５０によって封止され、端部キャップ５０は、堆積物１００によって定位置に保持され、電気フィードスルー５２及び５４並びに出口５６は、すべて堆積物１０２によって定位置に保持されることに留意されたい。端部キャップ５０は、押圧又は射出成形されたジルコニアによって形成することができ、堆積物１００及び１０２は、ガラスシーリング材料系、すなわちホウ珪酸鉛系又はアルミノ珪酸バリウム系から形成することができることに留意されたい。端部シールを形成するための他の可能な方法もあることに留意されたい。例えば、ガラスシーリング材料自体、又はそのような材料と酸化物の混合物を管の端部に配置することができる。次いで、そのような材料を焼成し、冷却して固化することができる。ワイヤ８４及び８８が電気フィードスルー５２及び５４を通過し、電気フィードスルー５２及び５４は、ろう付け材料、好ましくはＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｎｉ５０パーセントの組成物、の堆積物１０４によって封止される。
【００３５】
上述したように、管状膜要素１４の２つの離隔中央位置７６は、管状膜要素１４内で誘発される電流を、そのような要素の両端部と２つの離隔中央位置７６との間で分配できるようにし、それにより電流は、管状膜要素１４の長さに沿ってより均一に分配される。その結果、従来技術におけるように各管状膜要素１４の２つの端部位置のみに電位が印加されるよりも、各管状膜要素１４において温度分布が均一であり、多くの酸素イオン輸送が行われる。
【００３６】
電流分配機構８２が利用されるときよりも利点は少ないが、２つの中央位置７６から外方向に離隔された各管状膜要素１４の端部位置にワイヤ８４及び９０を接続することによっていくらかの利点を得ることができることに留意されたい。追って論じる理由から、そのような端部位置は、管の内側であり、端部断熱体１６及び１８によって取り囲まれない管領域にあることが好ましい。さらなる要点は、管状膜要素１４が浄化用途のために使用される場合、２つの離隔位置をそのような要素の内部に配置することができることである。別法として、本発明のいかなる実施形態においても、２つの離隔位置をアノード層６０に隣接して位置決めすることができる。
【００３７】
公称動作温度７００℃での典型的な動作条件の一例では、各管状膜要素は、少なくとも６．６ボルト定格の電源によって１．１ボルトの直流を供給される。それにより生じる、管状膜要素１４の電解質を通る酸素イオン流を含めた回路全体を通って流れる総電流は、約２２．５アンペアである。管当たり約０．８３リットル、又は６つの管束に関して約０．５リットルの、マニフォールド４０の出口３８から出る酸素流がこの電流に関連付けられる。
【００３８】
電流の約半分、約１１．２５アンペアが、各管状膜要素１４の一端と２つの離隔中央位置７６の一方との間に形成される直列回路を通って流れ、残りの半分は、２つの中央位置の他方と管状膜要素１４の反対側の他端との間で管状膜要素１４のもう半分に形成される直列回路を通って流れる。このようにして、電流は、管状膜要素１４の長さにわたって比較的均一に分配される。この均一な電流分配は、動作中に損失される電力により各管状膜要素１４が発熱するので重要である。図６を参照すると、カソードでの電位が端部キャップ５０に近い管の端部にのみ印加された場合（丸で表されるデータ）と、カソードでの電位が中央位置７６に印加された場合（正方形で表されるデータ）における管状膜要素の温度がプロットされている。グラフから明らかなように、管の中央でカソードに接触するように導体を配置することによって、管の長さに沿った温度上昇、したがって電流分布がより良く管理される。
【００３９】
理解できるように、上の説明は例示目的のものにすぎない。例えば、各管状膜要素が２７．５ｃｍでもよい。約２倍の数の要素が使用されることになり、そのような要素それぞれへの印加電圧は、１１．２５アンペアの電流で１．１ボルトとなる。このより低い動作電流によって各管状膜要素の寿命を延ばすことができるようになるであろう。
【００４０】
引き続き図５を参照すると、各管状膜要素の両端の外側端部区域が、断熱体１６、１８の内部に配置されていて、これらはさらに加熱容器１２の断熱端部壁２８及び３０の内部に配置されているのを見ることができる。その結果、そのような位置で酸素輸送は実質的に行われない。同時に、上述したように、各要素の温度は約５００℃上昇している。図示されるように、各管状膜要素１４の端部は、カソード層５８とそれに関連する集電体６４の両方を欠いており、したがってそのような位置では管状膜要素１４の内部に電流は流れない。管状膜要素が、そのような断熱端部区域の内部で電流が流れるように設計される場合、セラミックは、そのような端部区域で化学的還元反応を受ける傾向があり、その結果、要素が故障する可能性があることが判明している。しかし、有利には、管状膜要素の断熱端部で電流が流れないことを保証するために、そのような位置でアノード層６０とそれに関連する集電体層６６もなくすことができることに留意されたい。アノード層及びカソード層とそれらに関連する集電体層が、そこが断熱部材でカバーされているときでさえ管状膜要素１４の物理的な端部に延在する本発明の実施形態も可能ではあるが、上述した理由から、これは推奨されないことに留意されたい。
【００４１】
上述したように、本発明の実施形態は、電流分配機構８２を備えなくても実現可能である。そのような場合、アノード層６２とそれに関連する集電体６６は、断熱体部材１６及び１８で終端することができ、ワイヤ８４及び８８は、管状膜要素１４の内側で、管状膜要素１４の端部及び端部断熱体部材１６及び１８よりも内方向に接続される。したがって、電位が印加される端部位置は、管状膜要素の物理的な端部から内方向に離隔される。
【００４２】
図７を参照すると、上述した管状膜要素１４の代替実施形態を構成する管状膜要素１４’が例示され、これは、管状膜要素１４で採用される端部キャップ５０の代わりに端部シール１１０を組み込む。説明の無用な繰り返しを避けるために、図７に示される要素のうち、管状膜要素１４に関して既に上述した要素には、同じ参照番号を付してある。この特定の実施形態では、断熱体１６及び１８内部にある管状膜要素１４’の対向する外側端部区域は、カソード層５８及びアノード層６０並びに集電体層６４及び６６を含まないことに留意されたい。上述したように、管状膜要素１４を同様に構成することができ、他方、それほど好ましくはないが、管状膜要素１４に関して図面に特に示したようにして管状膜要素１４’を構成することもできる。
【００４３】
端部シール１１０及び１１１は、プラグ状部材１１２及び１１４によって形成され、これらはそれぞれ、管状膜要素１４’の端部に気密シールを成すようにエラストマーから製造される。適切なエラストマーは、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ（Ｗｉｌｌｍｉｎｇｔｏｎ，  Ｄｅｌａｗａｒｅ，  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ；米国デラウェア州ウィルミントン）から得られるＶＩＴＯＮ（登録商標）フルオロエラストマーである。
【００４４】
管状膜要素１４’の動作中、酸素が蓄積し、プラグ状部材１１２及び１１４を外方向に管状膜要素１４’の端部から押す傾向がある。管状膜要素１４’の端部の内部にプラグ状部材１１２及び１１４を保持するために、セラミック接着剤１１６及び１１８の堆積物が、それぞれプラグ状部材１１２及びプラグ状部材１１４に隣接した位置で管状膜要素１４’の端部に導入される。適切なセラミック接着剤は、Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｂｒｏｏｋｌｙｎ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ；米国ニューヨーク州ブルックリン）によって製造されているＲＥＳＢＯＮＤ（商標）９４０急速硬化接着剤でよい。プラグ状部材１１２及び１１４を保持するための他の適切な手段を採用することもできることに留意されたい。例えば、管状膜要素１４’の端部に画定された向かい合う横方向穴を貫通する、プラグ状部材１１２に隣接して配置された機械的キーや、管状膜要素１４’の端部の内部で定位置にセメント接着されたスリーブである。
【００４５】
図示されるように、電気フィードスルー５２及び５４は、それぞれ各堆積物１１６及び１１８、並びにそれぞれプラグ状部材１１２及び１１４を貫通する。これに関して、電気フィードスルー５２が貫通できるようにプラグ状部材１１２の内部に軸方向穴１２０が画定され、電気フィードスルー５２が貫通できるようにプラグ状部材１１４の内部に穴１２２が画定される。さらに、出口５６がプラグ状部材１１４を貫通し、そのために穴１２４が設けられる。
【００４６】
管状膜要素１４’の端部の内部にプラグ状部材１１２及び１１４を設置するために、プラグ状部材１１２及び１１４は、管状膜要素１４’の内径よりも大きな外径で製造され、次いで液体窒素で冷却される。直径の差のパーセンテージは、約１０パーセントでよい。その後、プラグ状部材１１２及び１１４は、管状膜要素１４’の端部に設置され、それら部材は、大気温度まで温まるにつれて膨張して、管状膜要素１４’の端部の内部に気密シールを生成する。さらに、各穴１２０、１２２、及び１２４はすべて、関連する電気フィードスルー５２及び５４並びに出口５６よりも小さいサイズである。プラグ状部材１１２及び１１４の設置及び加熱後、電気フィードスルー５２及び５４並びに出口５６は、より小さな穴に押し通されて、気密シールを生成する。その後、端部がセラミック接着剤１１６及び１１８の堆積物で充填されて、端部シールが完成する。
【００４７】
理解することができるように、プラグ状要素１１２及び１１４の端部シール、並びにセラミック接着剤の堆積物などの保持手段は、任意の電気駆動管状酸素分離要素で使用することができる。例えば、そのような要素を、一端で閉じられているように製造することができる。そのような場合、ただ１つの封止された電気フィードスルー及び出口管路がそのような端部シールを貫通する。さらに、両端で開いているように電気駆動管状酸素分離要素が製造される場合、そのような端部シールを使用して管状酸素分離要素の端部の一方を封止することができ、したがって、端部シールは、例えば、穴１２０を有さないプラグ状要素１１２とほぼ同じ外観のプラグ状要素と、セラミック接着剤の堆積物とから成る。
【００４８】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者には想到されるように、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変更、追加、及び省略を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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