УЗЕЛ И СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА
ASSEMBLY AND METHOD OF OXYGEN SEPARATION

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к приводимому в действие электричеством узлу и способу отделения кислорода, в которых кислород отделяют с использованием одного или более трубчатых мембранных элементов этого узла. Точнее говоря, настоящее изобретение относится к такому узлу и способу отделения кислорода, в которых электрический потенциал прикладывают к противоположным электродам трубчатого мембранного элемента или элементов в двух центральных разнесенных местоположениях и по меньшей мере в двух концевых местоположениях трубчатого мембранного элемента, разнесенных наружу от двух центральных разнесенных местоположений.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Приводимые в действие электричеством сепараторы кислорода используют для отделения кислорода от кислородсодержащего сырья, например, воздуха. Дополнительно, такие устройства также используют в применении для очистки, где является желательным очистить кислородсодержащее сырье путем отделения кислорода от сырья. В приводимых в действие электричеством сепараторах кислорода можно использовать трубчатые мембранные элементы, имеющие многослойную структуру, содержащую слой электролита, способный переносить ионы кислорода при воздействии повышенной температуры, слои катодного и анодного электродов, расположенные на противоположных поверхностях слоя электролита, и слои токоприемника для подачи электрического тока к слоям катодного и анодного электродов.
[0003] Когда трубчатые мембранные элементы подвергают воздействию повышенной температуры, содержащийся в сырье кислород будет ионизироваться на одной поверхности слоя электролита, прилегающего к слою катодного электрода, получая электроны за счет приложенного электрического потенциала. Под действием приложенного электрического потенциала полученные в результате ионы кислорода будут переноситься через слой электролита к противоположной стороне, смежной со слоем анода, и рекомбинировать с образованием элементарного кислорода.
[0004] Трубчатые мембранные элементы помещают в электрически нагреваемую оболочку для нагрева трубчатых мембранных элементов до рабочей температуры, при которой будут переноситься ионы кислорода. Дополнительно, такие трубчатые мембранные элементы могут вместе собраны в коллектор, так что кислородсодержащее сырье пропускают в нагреваемую оболочку, а отделенный кислород отводят из трубчатых мембранных элементов через коллектор. В определенных применениях по очистке кислородсодержащее сырье можно пропускать через внутренность трубчатых мембранных элементов, а из оболочки можно отводить отделенный кислород.
[0005] Типичными материалами, которые используются для формирования слоя электролита, являются стабилизированный иттрием или скандием диоксид циркония и легированный гадолинием оксид церия. Электродные слои могут быть изготовлены из смесей материала электролита и проводящего металла, сплава или оксида металла, такого как электропроводящий перовскит. Токоприемники в уровне техники выполняли из проводящих металлов и сплавов металлов, таких как серебро, а также из смесей таких металлов и оксидов металлов.
[0006] Для того чтобы приложить электрический потенциал к трубчатым мембранным элементам, к слоям токоприемников могут быть прикреплены проводники. Такие проводники прикрепляют в одиночных местоположениях для подключения трубчатых мембранных элементов в виде последовательного или параллельного соединения. Проблема, связанная с этим, состоит в том, что электрический ток распределяется равномерно по длине каждого из трубчатых элементов, что приводит к образованию участков перегрева, развивающихся в местах подсоединения проводников к трубчатым мембранным элементам. Такие участки перегрева могут привести к выходу из строя трубчатых элементов. В идеале, ток распределяется равномерно по длине токоприемника, что приводит к равномерному распределению температуры и локализованному потоку ионов кислорода по длине мембраны. Поскольку распределение электрического тока неравномерно, ионная проводимость ионов кислорода через слой электролита также неравномерна, поскольку она в значительной степени происходит в местах подсоединения проводников к токосъемным слоям.
[0007] Еще одна проблема состоит в том, что трубчатые мембранные элементы выступают сквозь изоляторы и/или нагреваемую оболочку, которая также может быть изолирована. Таким образом, на выступающих концах трубчатых мембранных элементов создается температура, которая примерно на 500°C ниже температуры трубчатых элементов внутри нагреваемой оболочки, которая может составлять примерно 700°C. В этих зонах температурного перехода было обнаружено, что слой электролита может претерпевать химическое восстановление, при котором электрод химически восстанавливается в электронный проводник, ведущий к другой точке, в которой трубчатые мембранные элементы с течением времени будут выходить из строя.
[0008] Как будет обсуждаться далее, настоящее изобретение предусматривает узел отделения кислорода, в котором использован один или несколько трубчатых мембранных элементов, и соответствующий способ, в которых, помимо прочих преимуществ, ток более равномерно распределен по длине трубчатых мембранных элементов по сравнению с уровнем техники. Кроме того, каждый из трубчатых элементов может быть модифицирован так, чтобы он был стойким к выходу из строя в зоне температурного перехода, как обсуждалось выше. Кроме того, концы трубчатых мембранных элементов могут быть герметизированы пробкообразной деталью экономичным образом.
Сущность изобретения
[0009] Настоящее изобретение предусматривает в одном своем аспекте приводимый в действие электричеством узле отделения кислорода. В соответствии с этим аспектом настоящего изобретения предусмотрен по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент, имеющий слой анода, слой катода, слой электролита, расположенный между слоем анода и слоем катода, и два слоя токоприемника, расположенные смежными с и в контакте со слоем анода и слоем катода и размещенные на внутренней стороне и внешней стороне упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента. Два слоя токоприемника позволяют подавать электрический ток посредством источника питания к слоям электродов, в свою очередь вызывая перенос ионов кислорода через слой электролита от слоя катода к слою анода. Комплект проводников соединяют с одним из двух слоев токоприемника в двух центральных разнесенных местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента и с другим из двух слоев токоприемника по меньшей мере в противоположных концевых местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента, разнесенных наружу от двух центральных разнесенных местоположений, так что источник питания может подавать электрический ток через комплект проводников между двумя центральными разнесенными местоположениями и по меньшей мере двумя противоположными концевыми местоположениями. В результате, электрический ток, текущий через упомянутый по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент, делится на две части, текущие между двумя центральными разнесенными местоположениями и противоположными концевыми местоположениями.
[0010] Такое разделение электрического тока позволяет электрическому току быть более равномерно распределенным по всему трубчатому мембранному элементу, чтобы предотвратить развитие участков перегрева, ведущих к выходу из строя трубчатого мембранного элемента. Дополнительно, равномерное распределение электрического тока позволяет более эффективно использовать больше трубчатого мембранного элемента при отделении кислорода.
[0011] Упомянутый один из двух слоев токоприемника может быть расположен на внешней стороне упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента, причем слой катода является смежным с этим одним из двух слоев токоприемника. Внешние, противоположные концевые участки упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента могут удерживаться внутри изоляционных деталей, и слой катода и упомянутый один из двух слоев токоприемника частично простираются вдоль протяженности в длину упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента, так что внешние, противоположные концевые участки упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента лишены по меньшей мере слоя катода и упомянутого одного из двух слоев токоприемника. Концевые участки также могут быть лишены слоя анода и другого из двух слоев токоприемника. Здесь следует понимать, что поскольку внешние, противоположные концевые участки поддерживаются внутри изоляционных деталей, в пределах концевых участков возникает зона температурного перехода, как обсуждалось выше. Однако, поскольку здесь отсутствует слой катода и, как будет обсуждаться далее, также возможно отсутствие и слоя анода, в этой области не проводится электрический ток, который мог бы приводить к химическому восстановлению электролита и его возможному выходу из строя. В этом отношении следует отметить, что «два противоположные концевые местоположения» не должны быть расположены на физических концах упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента, и при обстоятельствах, при которых отсутствует слой анода, такие местоположения должны быть отнесены вовнутрь от таких физических концов так, чтобы они лежали снаружи от изоляционных деталей.
[0012] Внутри упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента может быть расположен токораспределитель удлиненной конфигурации, простирающийся между концами упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента и находящийся в контакте с другим из двух токоприемников во множестве точек, расположенных внутри трубчатых мембранных элементов. Проводники, соединенные с противоположными концевыми местоположениями трубчатых мембранных элементов, соединены с противоположными концами токораспределителя. Токораспределитель может иметь геликоидальную конфигурацию.
[0013] Упомянутый по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент может быть снабжен противоположными концевыми уплотнениями, противоположными, герметизированными электрическими выводами, пронизывающими противоположные концевые уплотнения, и выходной трубкой, пронизывающей одно из противоположных концевых уплотнений для выпуска кислорода. Проводники, соединенные с упомянутым по меньшей мере одним трубчатым мембранным элементом в двух противоположных концевых местоположениях, проходят сквозь электрические выводы и соединены с токораспределителем.
[0014] Упомянутый по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент может представлять собой множество трубчатых мембранных элементов. Множество трубчатых мембранных элементов может быть электрически соединено последовательно комплектом проводников, причем первая пара проводников соединена с двумя центральными разнесенными местоположениями первого из трубчатых мембранных элементов, вторая пара проводников соединена с противоположными концевыми местоположениями второго из трубчатых мембранных элементов, а остальные пары проводников связывают пары остальных трубчатых мембранных элементов в двух центральных разнесенных местоположениях и по меньшей мере их противоположных концевых местоположениях, так что первая пара проводников и вторая пара проводников могут быть подключены к источнику электропитания.
[0015] Упомянутый один из двух токоприемников может быть размещен на наружной стороне каждого из трубчатых мембранных элементов смежным со слоем катода, а другой из двух токоприемников может быть размещен на внутренней стороне трубчатых мембранных элементов смежным со слоем анода.
[0016] Трубчатые мембранные элементы могут быть собраны в пучок и удерживаться по радиальной схеме противоположными изоляционными деталями, расположенных на внешних, противоположных концевых участках трубчатых мембранных элементов. Трубчатые мембранные элементы могут быть снабжены противоположными концевыми уплотнениями, противоположными герметизированными электрическими выводами, пронизывающими противоположные концевые уплотнения, и выходными трубками, пронизывающими противоположные концевые уплотнения на одном конце пучка для выпуска кислорода. Проводники, соединенные с трубчатыми мембранными элементами в двух противоположных концевых местоположениях, проходят сквозь электрические выводы и находятся в электрическом контакте с другим из двух токоприемников. С выходной трубкой соединен коллектор, который имеет общий выход для выпуска кислорода, который выпускают из выходной трубки. Слой катода и упомянутый один из двух слоев токоприемника может простираться частично вдоль протяженности в длину трубчатых мембранных элементов, так что внешние противоположные концевые участки трубчатых мембранных элементов лишены по меньшей мере слоя катода и упомянутого одного из двух слоев токоприемника. Концевые участки также могут быть лишены слоя анода и другого из двух слоев токоприемника. Как было указано выше, можно использовать токораспределитель, причем проводники, соединенные с противоположными концевыми местоположениями трубчатых мембранных элементов, соединены с противоположными концами токораспределителя. Токораспределитель может иметь геликоидальную конфигурацию.
[0017] В другом аспекте настоящее изобретение предусматривает способ приложения электрического потенциала в приводимом в действие электричеством узле отделения кислорода. В соответствии с этим аспектом настоящего изобретения электрический потенциал прикладывают к по меньшей мере одному трубчатому мембранному элементу, имеющему слой анода, слой катода, слой электролита, образованный из материала-электролита и расположенный между слоем анода и слоем катода, и два слоя токоприемника, расположенные смежными с и в контакте со слоем анода и слоем катода и размещенные на внутренней стороне и наружной стороне упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента. Электрический потенциал прикладывают к одному из двух слоев токоприемника в двух центральных разнесенных местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента и к другому из двух слоев токоприемника по меньшей мере в противоположных концевых местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента, отнесенных наружу от двух центральных разнесенных местоположений, так что вызванный приложенным электрическим потенциалом электрический ток, текущий через упомянутый по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент, делился на две части, текущие между двумя центральными разнесенными местоположениями и противоположными концевыми местоположениями.
[0018] Упомянутый один из двух слоев токоприемника расположен на наружной стороне трубчатого мембранного элемента. Катод расположен смежным с упомянутым одним из двух слоев токоприемника, а кислородсодержащее сырье контактирует с внешней стороной трубчатого мембранного элемента. Кислород накапливается на внутренней стороне трубчатого мембранного элемента и отводится изнутри трубчатого мембранного элемента. Как было указано выше, слой катода и упомянутый один из двух слоев токоприемника могут частично простираться вдоль протяженности в длину трубчатого мембранного элемента, так что внешние, противоположные концевые участки трубчатого мембранного элемента лишены по меньшей мере слоя катода и упомянутого одного из двух слоев токоприемника, расположенного смежным с по меньшей мере одним слоем катода. В этом отношении концевые участки, как было указано выше, могут быть также лишены слоя анода и другого из двух слоев токоприемника. Ток можно быть подведен к другому из токоприемников во множестве точек, расположенных внутри трубчатого мембранного элемента между его концевыми местоположениями.
[0019] В еще одном аспекте настоящее изобретение предусматривает трубчатый мембранный элемент для приводимого в действие электричеством отделения кислорода, причем этот трубчатый мембранный элемент содержит слой анода, слой катода, слой электролита, расположенный между слоем анода и слоем катода, и два слоя токоприемника, расположенных смежным с и в контакте со слоем анода и слоем катода. Два слоя токоприемника размещены на внутренней стороне и внешней стороне трубчатого мембранного элемента, позволяя прикладывать электрический потенциал посредством источника питания для вызывания переноса ионов кислорода через слой электролита от слоя катода к слою анода.
[0020] На противоположных концах трубчатого мембранного элемента расположены концевые уплотнения. Каждое из концевых уплотнений содержит пробкообразную деталь, расположенную внутри трубчатого мембранного элемента и образованную эластомером для получения герметичного уплотнения, и средство для удерживания пробкообразной детали внутри трубчатого мембранного элемента. По меньшей мере один герметизированный электрический вывод пронизывает по меньшей мере одно из концевых уплотнений, а комплект электрических проводников проходят сквозь упомянутый по меньшей мере один герметизированный электрический вывод и в электрическом контакте с одним из двух слоев токоприемника, размещенным на внутренней стороне трубчатого мембранного элемента, и соединены с другим из двух слоев токоприемника, размещенным на наружной стороне трубчатого мембранного элемента. Выходная трубка пронизывает упомянутое одно из концевых уплотнений или другое из концевых уплотнений, позволяя кислороду выходить из трубчатого мембранного элемента.
[0021] Средство удерживания может представлять собой отложение клея на основе керамики, расположенного внутри трубчатого мембранного элемента смежным с пробкообразной деталью и позиционированного для предотвращения движения наружу пробкообразной детали.
[0022] Упомянутый по меньшей мере один герметизированный электрический вывод может представлять собой два противоположных герметизированных электрических вывода, пронизывающих концевые уплотнения. Выходная трубка может пронизывать упомянутое одно из концевых соединений, а комплект электрических проводников содержит первую пару электрических проводников и вторую пару электрических проводников. Первая пара электрических проводников соединена с двумя разнесенными центральными местоположениями другого из двух слоев токоприемника, размещенного на наружной стороне трубчатого мембранного элемента, а вторая пара электрических проводников проходит сквозь два противоположных герметизированных электрических вывода. Внутри каждого из трубчатых мембранных элементов расположен токораспределитель удлиненной конфигурации, который простирается между концами трубчатого мембранного элемента, контактирует с упомянутым одним из двух слоев токоприемника, размещенным на внутренней стороне трубчатого мембранного элемента, и соединен на противоположных концах со второй парой электрических проводников. Токораспределитель может иметь геликоидальную конфигурацию.
[0023] В еще одном аспекте настоящее изобретение предусматривает концевое уплотнение для герметизации конца трубчатого мембранного элемента, выполненного с возможностью приводимого в действие электричеством отделения кислорода. Концевое уплотнение содержит пробкообразную деталь, расположенную внутри трубчатого мембранного элемента и образованную эластомером для получения герметичного уплотнения, и средство для удерживания пробкообразной детали внутри трубчатого мембранного элемента. Средство удерживания представляет собой отложение клея на основе керамики, расположенного внутри трубчатого мембранного элемента смежным с пробкообразной деталью и позиционированного для предотвращения движения наружу пробкообразной детали. Это концевое уплотнение может быть использовано в любом варианте воплощения настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
[0024] Хотя из описания выведена формула изобретения, которая отчетливо показывает объект изобретения, который заявители рассматривают в качестве своего изобретения, можно полагать, что изобретение будет понятно при изучении в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0025] Фиг. 1 представляет собой схематический вид в разрезе пучков трубчатых мембранных элементов приводимого в действие электричеством узла отделения кислорода в соответствии с настоящим изобретением, проиллюстрированных внутри нагреваемой оболочки, а электрические соединения с такими элементами не показаны;
[0026] Фиг. 2 представляет собой изображение в перспективе собранных в пучок трубчатых мембранных элементов, используемых на Фиг. 1;
[0027] Фиг. 3 представляет собой схематический вид в разрезе трубчатой композиционной мембраны, используемой в трубчатых мембранных элементах, проиллюстрированных на Фиг. 1 и 2;
[0028] Фиг. 4 представляет собой фрагментарный, схематический вид в разрезе узла отделения кислорода, используемого на Фиг. 1, иллюстрирующий его электрическое соединение с источником питания;
[0029] Фиг. 5 представляет собой схематический вид в разрезе электрического соединения композиционных мембранных элементов, используемых в узле отделения кислорода, показанном на Фиг. 1;
[0030] Фиг. 6 представляет собой графическое представление температурного профиля вдоль длины трубчатого мембранного элемента узла отделения кислорода по настоящему изобретению в сравнении с трубчатым мембранным элементом узла отделения кислорода согласно уровню техники; и
[0031] Фиг. 7 представляет собой схематический вид в разрезе альтернативного варианта воплощения трубчатого мембранного элемента, используемого на Фиг. 1.
Подробное описание
[0032] Обращаясь к Фиг. 1, проиллюстрирован сепаратор 1 кислорода, который имеет узлы 10 отделения кислорода, заключенные внутри нагреваемой оболочки 12. Каждый из узлов 10 отделения кислорода образован трубчатыми мембранными элементами 14, которые удерживаются в пучковидном положении концевыми изоляционными деталями 16 и 18, которые изготовлены из алюмооксидного волокна высокой чистоты. Для примера, трубчатые мембранные элементы могут иметь внешний диаметр примерно 6,35 мм, общую толщину стенки примерно 0,5 мм и длину примерно 55 см. Концевые изоляционные детали 16 и 18 удерживаются внутри противоположных отверстий 20, 22 и 24, 26, созданных в изолированных концевых (торцевых) стенках 28 и 30 нагреваемой оболочки 12. Нагреваемая оболочка 12 может обладать цилиндрической конфигурацией, имея изолированную боковую стенку 32, соединяющую концевые стенки 28 и 30. Нагреваемый слой 34 изоляции расположен коаксиально внутри изолированной боковой стенки 32 и содержит нагревающие элементы для нагрева трубчатых мембранных элементов 14 до рабочей температуры, при которой будет происходить перенос ионов кислорода при приложении электрического потенциала к таким элементам.
[0033] В ходе эксплуатации сепаратора 1 кислорода поток 36 кислородсодержащего сырья вводят во внутреннее пространство нагреваемой оболочки 12 через вход 37 для приведения в контакт с внешней стороной трубчатых мембранных элементов 14. Под действием потенциала, приложенного к трубчатым мембранным элементам 14, кислород преобразуется в ионы кислорода, переносимые во внутреннее пространство этих элементов 14. Отделенный кислород затем выпускается по коллекторным приспособлениям 38, имеющим паукообразное расположение трубок 39, соединенных с компрессионным фитингом 40, имеющим отверстия (не проиллюстрированы) для приема потоков кислорода из трубок 39 и для выпуска потока 42 кислорода из компрессионных фитингов 40. Хотя это и не проиллюстрировано, компрессионные фитинги 40 могут быть соединены с общей выпускной трубой или другим коллектором для сбора и выпуска отделенного кислорода. Обедненный кислородом ретентат выпускают в виде потока 44 ретентата из выхода 46 нагреваемой оболочки 12.
[0034] При дополнительном обращении к Фиг. 2 можно видеть, что каждая из концевых изоляционных деталей 16 и 18 снабжена гнездами 48 для удержания трубчатых мембранных элементов 14 на месте. В конкретном проиллюстрированном варианте воплощения каждый из пучков состоит из шести таких трубчатых мембранных элементов 14. Каждый из трубчатых мембранных элементов 14 снабжен концевыми уплотнениями, которые образованы концевыми колпачками 50, расположенными на его противоположных концах. Электрические выводы 52 и 54 пронизывают концевые колпачки 50. Дополнительно, концевые колпачки 50 на одном конце трубчатых мембранных элементов 14 пронизывают выходные трубки 56.
[0035] Следует понимать, что обсуждение сепаратора 1 кислорода приведено лишь в иллюстративных целях и не должно рассматриваться как ограничивающее применение изобретения или объем прилагаемой формулы изобретения. В этом отношении настоящее изобретение имеет применение к сепаратору кислорода, обладающему одним единственным трубчатым мембранным элементом 14, или такому трубчатому мембранному элементу 14, используемому по назначениям, отличным от получения кислорода. Например, изобретение применимо к очистителю, который используют для удаления кислорода из потока кислородсодержащего сырья, а поток сырья как таковой можно подавать вовнутрь трубчатых мембранных элементов.
0,8
0,2
0,98
3-δ
2
[0036] Обращаясь к Фиг. 3, каждый трубчатый мембранный элемент 14 снабжен слоем 58 катода, слоем 60 анода и слоем 62 электролита. Два слоя 64 и 66 токоприемника расположены смежными соответственно со слоем 58 анода и слоем 60 катода для проведения электрического тока к слою анода и слою катода. Хотя настоящее изобретение применимо к любой составной конструкции, образующей трубчатый мембранный элемент 14, в качестве примера, слой 58 катода и слой 60 анода могут составлять между примерно 10 и примерно 50 микронами в толщину, а слой 62 электролита может составлять между примерно 100 микронами и примерно 1 мм в толщину, с предпочтительной толщиной примерно 500 микрон. Слой 62 электролита является газонепроницаемым и может иметь плотность более примерно 95 процентов, а предпочтительно, более 99 процентов. Каждый из слоя 58 катода и слоя 60 анода может обладать пористостью между примерно 30 процентами и примерно 50 процентами и может быть выполнен из (LaSr)MnO. Слой 62 электролита может представлять собой диоксид циркония, легированный 6 мол.% скандия. Каждый из слоев 64 и 66 токоприемника может составлять между примерно 50 и примерно 150 микронами в толщину, обладать пористостью между примерно 30 процентами и примерно 50 процентами и может быть выполнен из порошка частиц серебра, с поверхностными осадками оксида циркония. Такой порошок может быть получен способами, хорошо известными из уровня техники, например, путем нанесения покрытия промывкой или механического сплавления. В качестве примера, порошок серебра, обозначенный как порошок FERRO S11000-02, может быть получен у компании Ферро Корпорэйшн, Электроник Матириал Системс (Ferro Corporation, Electronic Material Systems, 3900 South Clinton Avenue, South Plainfield), Нью-Джерси 07080, США. Размер частиц, содержащихся в таком порошке, составляет между примерно 3 и примерно 10 микронами в диаметре, и эти частицы обладают низкой удельной поверхностью примерно 0,2 м/грам. На таком порошке могут быть сформированы поверхностные осадки диоксида циркония таким образом, чтобы диоксид циркония составлял примерно 0,25 процента от массы покрытой частицы.
[0037] В ходе эксплуатации сепаратора 1 кислорода содержащийся в потоке кислородсодержащего сырья 36 кислород контактирует со слоем 64 токоприемника и проникает сквозь его поры к слою 58 катода, который, как было указано выше, также является пористым. Кислород ионизуется под действием электрического потенциала, приложенного к слоям 58 и 60 катода и анода на слоях 64 и 66 токоприемников. Полученные ионы кислорода переносятся через слой 62 электролита под действием движущей силы приложенного потенциала и появляются на смежной с слоем 60 анода стороне слоя 62 электролита, где электроны собираются с образованию элементарного кислорода. Кислород проникает сквозь поры слоя 60 анода и смежного токоприемника 66, где кислород проходит во внутреннее пространство трубчатого мембранного элемента 14.
[0038] Следует отметить, что хотя слой катода расположен на наружной стороне трубчатых мембранных элементов 14, можно перевернуть слои таким образом, чтобы на наружной стороне трубчатых мембранных элементов 14 был расположен слой анода, а слой катода был расположен на внутренней стороне. Такой вариант воплощения можно было бы использовать там, где устройство используется в качестве очистителя. В таком случае кислородсодержащее сырье протекло бы с внутренней стороны трубчатых мембранных элементов 14.
[0039] При дополнительном обращении к Фиг. 4 и 5, электрический потенциал, создаваемый источником 70 питания, можно прикладывать к трубчатым мембранным элементам 14 посредством комплекта проводников, которые выполнены из проволок, предпочтительно, серебряных. Первая пара проводников 72 и 74 соединена с двумя центральными разнесенными местоположениями 76 первого из трубчатых мембранных элементов 14 на слое 64 токоприемника и с отрицательным полюсом источника 70 питания. Вторая пара проводников 78 и 80 соединяет слой 60 анода последнего из трубчатых мембранных элементов 14 с положительным полюсом источника электропитания посредством серебряной проволоки 79, которая соединяет проводник 78 и 80 и проволоку 81, которая соединена с положительным полюсом источника 70 электропитания. Вторая пара проводников 78 и 80 находится в электрическом контакте со слоем 66 токоприемника, смежным со слоем 60 анода, предпочтительно, в нескольких точках контакта, посредством подключения к противоположным концам токораспределителя 82, более ясно показанного на Фиг. 4, который может иметь геликоидальную конфигурацию и, таким образом, быть образованным отрезком серебряной проволоки, изогнутого по спирали до геликоидальной конфигурации. Остальные пары проводников, образованных изолированными проволоками 84, 86 и 88, 90, связывают пары остальных трубчатых мембранных элементов 14 в двух центральных разнесенных местоположениях 76 и с концами токораспределителей 80, используемых внутри таких трубчатых мембранных элементов 14. Полученное электрическое подключение является последовательным электрическим соединением. Однако, также возможно и параллельное электрическое соединение. Кроме того, как указано выше, в конкретном устройстве, в котором применено настоящее изобретение, можно использовать только один из трубчатых мембранных элементов 14, и поэтому в таком варианте воплощения можно использовать только первую и вторую пары проводников 72, 74, 78 и 80.
[0040] С конкретной ссылкой на Фиг. 5, следует отметить, что в целях иллюстрации слой 58 катода и связанный с ним токоприемник 64 показаны в виде одного элемента, также как и слой 60 анода и связанный с ним слой токоприемника 66. Как показано на Фиг. 5, два разнесенных центральных местоположения 76 образованы обматыванием петлей проволок 86 и 90 вокруг трубчатого мембранного элемента 14 и закрепления петлеобразно обмотанных проволок 92 на месте отложениями серебряной пасты 94. Проволоки 96 и 98 затем проходят через отверстия 96 и 98, предусмотренные внутри соответственно изоляционных деталей 16 и 18. Проволоки 96 и 98, хотя это и не проиллюстрировано, можно обматывать вокруг внешней стороны трубчатого мембранного элемента 14 до их пропускания через отверстия 96 и 98 для предохранения их от попадания в другие трубки. Следует отметить, что концы каждого из трубчатых мембранных элементов 14 уплотнены концевыми колпачками 50, которые удерживаются на месте отложениями 100, а электрические выводы 52 и 54 и выходы 56 все удерживаются на месте отложениями 102. Следует отметить, что концевые колпачки 50 могут быть выполнены из прессованного или полученного формованием под давлением диоксида циркония, а отложения 100 и 102 могут быть выполнены из системы стеклогерметизирующего материала, либо свинцово-боросиликатной системы, либо бариево-алюмосиликатной системы. Следует отметить, что также возможны и другие способы формирования концевых уплотнений. Например, сам по себе стеклогерметизирующий материал или смесь такого материала с оксидом можно помещать в концы трубок. Такой материал можно затем прокаливать и охлаждать до его отверждения. Проволоки 84 и 88 проходят по электрическим выводам 52 и 54, которые, в свою очередь, уплотнены отложениями 104 твердого припоя, предпочтительно, с составом 50 процентов Ag, Cu, Zn, Sn, Ni.
[0041] Как было указано выше, два разнесенных центральных местоположения 76 трубчатых мембранных элементов 14 обеспечивают вызываемый в трубчатых мембранных элементах 14 электрический ток, распределяемый между концами таких элементов и двумя разнесенными центральными местоположениями 76 так, что ток более равномерно распределен по длине трубчатых мембранных элементов 14. В результате, распределение температуры становится более однородным, и в каждом из трубчатых мембранных элементов 14 имеет место больший перенос ионов кислорода, чем если бы потенциал был приложен только в двух концевых местоположениях каждого из трубчатых мембранных элементов 14, как в уровне техники.
[0042] Следует отметить, что некоторое, хотя и меньшее преимущество, чем при использовании токораспределителя 82, может быть получено при подключении проволок 84 и 90 к концевым местоположениям каждого из трубчатых мембранных элементов 14, которые отнесены наружу от двух центральных местоположений 76. По причинам, которые будут обсуждаться в дальнейшем, является предпочтительным, чтобы такие концевые местоположения находились внутри трубок в тех их областях, которые не окружены концевыми изоляторами 16 и 18. Еще один момент состоит в том, что, если бы трубчатые мембранные элементы 14 использовались в целях очистки, два разнесенные местоположения могли бы находиться внутри таких элементов. В качестве альтернативы, в любом варианте воплощения настоящего изобретения два разнесенные местоположения могут быть расположены смежными со слоем 60 анода.
[0043] В примере типичных рабочих условий при номинальной рабочей температуре 700°C, на каждый из трубчатых мембранных элементов подают 1,1 вольта напряжения постоянного тока с использованием источника питания с номинальным напряжением по меньшей мере 6,6 вольта. Результирующий полный ток, текущий по всей цепи, включает в себя ток ионов кислорода через электролит трубчатых мембранных элементов 14, который составляет примерно 22,5 ампера. С этим током связан поток кислорода, составляющий примерно 0,83 литра на трубку или около 0,5 литра для пучка шести трубок и выходящий из выхода 38 коллектора 40.
[0044] Приблизительно половина электрического тока, т.е. примерно 11,25 ампера, течет по последовательной цепи, созданной между одним концом каждого из трубчатых мембранных элементов 14 и одним из двух разнесенных центральных местоположений 76, а другая половина тока течет по последовательной цепи, созданной на другой половине трубчатых мембранных элементов 14 между другим из двух центральных местоположений и другим его противоположным концом. Таким образом, ток распределяется относительно равномерно по длине трубчатых мембранных элементов 14. Это равномерное распределение тока является очень важным, поскольку каждый из трубчатых мембранных элементов 14 в ходе эксплуатации нагревается в результате рассеивания энергии. На Фиг. 6 изображена температура трубчатого мембранного элемента в случае, когда электрический потенциал на катоде приложен лишь на концах трубки, близко к концевым колпачкам 50 (данные представлены в виде кружочков), и когда электрический потенциал на катоде приложен в центральных местоположениях 76 (данные представлены в виде квадратиков). Как следует из графика, ростом температуры, а следовательно, и распределением тока по длине трубы легче управлять, размещая контактирующие с катодом проводники в центре трубок.
[0045] Как можно оценить, вышеизложенное описание приведено лишь в качестве примера. Например, каждый из трубчатых мембранных элементов может составлять 27,5 см. Можно использовать приблизительно вдвое больше элементов, и напряжение, прикладываемое к каждому такому элементу, может составлять 1,1 вольта при токе 11,25 ампера. Этот более низкий рабочий ток может обеспечивать более высокую долговечность каждого из трубчатых мембранных элементов.
[0046] В продолжение рассмотрения Фиг. 5 можно видеть, что внешние, противоположные концевые участки каждого из трубчатых мембранных элементов расположены внутри изоляторов 16, 18, которые, в свою очередь, расположены внутри изолированной концевой стенки 28 и 30 нагреваемой оболочки 12. В результате, в таких местоположениях практически не имеет место перенос кислорода. В то же время, как было указано выше, температура каждого из элементов повышается примерно до 500°C. Как проиллюстрировано, концы каждого из трубчатых мембранных элементов 14 лишены как слоя 58 катода, так и связанного с ним токоприемника 64, так что в таких местоположениях ток не течет внутри трубчатых мембранных элементов 14. Было обнаружено, что когда трубчатые мембранные элементы спроектированы с протеканием электрического тока внутри такого изолированного концевого участка, керамика на таких концевых участках будет склонна претерпевать реакцию химического восстановления, в результате чего возможен выход из строя элементов. Однако, следует отметить, что, преимущественно, в таких местоположениях также можно обойтись без слоя 60 анода и связанного с ним слоя 66 токоприемника для обеспечения отсутствия протекания тока на изолированных концах трубчатых мембранных элементов. Также следует отметить, что возможны варианты воплощения настоящего изобретения, в которых слои анода и катода и связанные с ними слои токоприемника простираются до физических концов трубчатых мембранных элементов 14, даже когда они покрыты изолирующей деталью, но, по причинам, описанным выше, это нецелесообразно.
[0047] Как указано выше, возможны варианты воплощения настоящего изобретение без токораспределителей 82. В этом случае, слой 62 анода и связанный с ним токоприемник 66 может заканчиваться на деталях-изоляторах 16 и 18, а проволоки 84 и 88 могут быть подключены внутри трубчатых мембранных элементов 14, внутри их концов и концевых деталей-изоляторов 16 и 18. Как таковые, концевые местоположения, к которым может быть приложен потенциал, могут быть отнесены внутрь от физических концов трубчатых мембранных элементов.
[0048] Обращаясь к Фиг. 7, на чертеже проиллюстрирован трубчатый мембранный элемент 14', который составляет альтернативный вариант воплощения обсуждавшегося выше трубчатого мембранного элемента 14, который включает в себя концевые уплотнения 110 вместо концевых колпачков 50, используемых в трубчатом мембранном элементе 14. Во избежание ненужного повторения объяснения элементы, показанные на Фиг. 7, которые были описаны выше применительно к трубчатому мембранному элементу 14, имеют одинаковые ссылочные номера. Также следует отметить, что в данном конкретном варианте воплощения внешние противоположные концевые участки трубчатого мембранного элемента 14' внутри изоляторов 16 и 18 лишены обоих слоев 58 и 60 катода и анода на слоях 64 и 66 токоприемников. Как указано выше, можно сконструировать трубчатый мембранный элемент 14 аналогичным образом, или, с другой стороны, сконструировать трубчатый мембранный элемент 14' способом, конкретно проиллюстрированным на чертежах для трубчатого мембранного элемента 14, хотя это и менее предпочтительно.
[0049] Концевые уплотнения 110 и 111 образованы пробкообразными деталями 112 и 114, каждая из которых изготовлена из эластомера для осуществления герметичного уплотнения на концах трубчатого мембранного элемента 14'. Подходящий эластомер представляет собой фторэластомер VITON, полученный в компании Дюпонт Перфоманс Эластомерз (Dupont Performance Elastomers of Willmington), Делавэр, Соединенные Штаты Америки.
[0050] В ходе эксплуатации трубчатого мембранного элемента 14' кислород будет накапливаться и будет стремиться выталкивать пробкообразные детали 112 и 114 в направлении наружу и из концов трубчатого мембранного элемента 14'. Для удержания пробкообразных деталей 112 и 114 в конце трубчатого мембранного элемента 14' вводят отложения клея 116 и 118 на основе керамики в концы трубчатого мембранного элемента 14' в местоположении, прилегающем соответственно к пробкообразной детали 112 и пробкообразной детали 114. Подходящий клей на основе керамики может представлять собой быстроотверждающийся клей RESBOND™ 940, изготовленный в компании Котроникс Корпорэйшн (Cotronics Corporation) из Бруклина, Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки. Следует отметить, что можно использовать и другие подходящие средства для удерживания пробкообразной детали 112 и 114, такие как механические ключи, расположенные смежными с пробкообразной деталью 112, которые проникают в противоположные поперечные отверстия, созданные на концах трубчатого мембранного элемента 14', или втулки, цементированные на месте в концах трубчатого мембранного элемента 14'.
[0051] Как было проиллюстрировано, электрические выводы 52 и 54 проходят соответственно сквозь каждое из отложений 116 и 118 и пробкообразные детали 112 и 114. В этом отношении, в пробкообразной детали 112 образовано осевое отверстие 120 для прохождения сквозь него электрического вывода 52, а внутри пробкообразной детали 114 образовано отверстие 122 для прохождения сквозь него электрического вывода 52. Дополнительно, выход 56 пронизывает пробкообразную деталь 114, и для этих целей предусмотрено отверстие 124.
[0052] Для того чтобы установить пробкообразные детали 112 и 114 в конце трубчатого мембранного элемента 14', их изготавливают с большим внешним диаметром, чем внутренний диаметр трубчатого мембранного элемента 14', а затем охлаждают жидким азотом. Разница в диаметрах может составлять примерно 10 процентов. Затем пробкообразные детали 112 и 114 устанавливают в концах трубчатого мембранного элемента 14', и по мере того, как такие детали нагреваются до температуры окружающей среды, они расширяются с образованием герметичного уплотнения в концах трубчатого мембранного элемента 14'. Дополнительно, все отверстия 120, 122 и 124 обладают меньшими размерами, чем связанные с ними электрические выводы 52 и 54 и выход 56. После установки и нагрева пробкообразных деталей 112 и 114, электрические выводы 52 и 54 и выход 56 проталкивают через меньшие отверстия, создавая герметичные уплотнения. Затем концы заполняют отложениями клея 116 и 118 на основе керамики, образуя концевые уплотнения.
[0053] Как можно оценить, концевое уплотнение пробкообразных элементов 112 и 114 и средство удерживания, такое как отложение клея на основе керамики, можно использовать в любом приводимом в действие электричеством трубчатом элементе отделения кислорода. Например, можно изготавливать такие элементы так, чтобы они были закрыты на одном конце. В таком случае, лишь один герметизированный электрический вывод и выход могут проходить сквозь такое концевое уплотнение. Кроме того, при изготовлении приводимого в действие электричеством трубчатого элемента отделения кислорода так, чтобы он был открыт на обоих концах, такое концевое уплотнение можно использовать для уплотнения одного из его концов, и, как таковое, может состоять из пробкообразного элемента, который мог бы выглядеть фактически таким же, например, в виде пробкообразного элемента 112 без отверстия 120 и отложения клея на основе керамики.
[0054] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительный вариант воплощения, как должно быть ясно специалистам в данной области техники, могут быть проделаны многочисленные изменения, дополнения и исключения без отступления от сущности и объема настоящего изобретения, как указано в прилагаемой формуле изобретения.