专利名称：氧分离组件和方法
技术领域：
本发明涉及一种电驱动氧分离组件和方法，其中氧通过使用该组件的一个或多个管状薄膜元件而被分离。更特别是，本发明涉及这样一种氧分离组件和方法，其中电位被施加到位于管状薄膜元件的两个中央隔开位置以及与所述两个中央隔开位置在外部隔开的至少两个端部位置处的一个或多个管状薄膜元件的相对电极。
背景技术：
电驱动氧分离器用来从例如空气的含氧供给中分离出氧。另外，这种装置还常用于希望通过从供给中分离氧来纯化含氧供给的纯化应用中。电驱动氧分离器可采用具有分层结构的管状薄膜元件，所述分层结构含有能够在经受高温时输送氧离子的电解质层、定位在电解质层的相对表面上的阴极和阳极电极层以及将电流供应到阴极和阳极电极层的集流器层。在管状薄膜元件经受高温时，供给中所含的氧将通过从施加的电位获得电子而在电解质层的与阴极电极层相邻的一个表面上产生离子化。在所施加的电位的影响下，得到的氧离子将经由电解质层输送到与阳极层相邻的相对侧，并重新组合为元素氧。管状薄膜元件被容纳在电加热的容器内以便将管状薄膜元件加热到操作温度，在该温度下将可以输送氧离子。另外，这种管状薄膜元件可汇集在一起，使得含氧供给进入被加热容器，并且被分离的氧经由歧管从管状薄膜元件抽取。在某些纯化应用中，含氧供给可经过管状薄膜元件的内部，并且分离的氧可从容器中抽取。用来形成电解质层的典型材料是钇或钪稳定的氧化锆以及掺杂钆的二氧化铈。电极层可以由电解质材料和传导金属、金属合金或例如导电钙钛矿的氧化物的混合物制成。 本技术领域中的集流器由传导金属和金属合金例如银以及这种金属和金属氧化物的混合物来形成。为了将电位施加到管状薄膜元件上，导体可被附接到集流器层上。这种导体在单个位置被附接，以便串联或并联地连接管状薄膜元件。这种方法的问题在于电流在每个管状元件的长度上不均勻地分布，导致在导体与管状薄膜元件的连接部处形成热点。这种热点会造成管状元件失效。理想地，电流沿着集流器的长度均勻分布，从而形成均勻温度分布，并且局部的氧离子沿着薄膜的长度流动。由于电流的分布是不均勻的，因此氧离子经过电解质层的离子传导也是不均勻的，这种不均勻最大程度地出现在导体与电流收集层的连接部处。又一问题在于管状薄膜元件经由绝缘体和/或也可以是绝缘的被加热容器伸出。 因此，在管状薄膜元件的伸出端部处，所产生的温度比可以是大约700°C的被加热容器内的管状元件的温度的小大约500°C。在这些温度过渡区域处，已经发现了电解质层可经受化学还原，其中电极被化学还原成电子导体，继而造成管状薄膜元件随着时间而失效的另一点。如下文所将要描述的是，本发明提供一种采用一个或多个管状薄膜元件的氧分离组件，以及一种相关的方法，其中与现有技术相比，在其他优点之中，电流沿着管状薄膜元件的长度更加均勻地分布。另外，每个管状元件可被改进成在所述的温度过渡区域内抵抗失效。另外，管状薄膜元件的端部可通过插塞式构件以具有成本效率的方式进行密封。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种电驱动氧分离组件。根据本发明的这一方面，提供至少一个管状薄膜元件，其具有阳极层、阴极层、位于阳极层和阴极层之间的电解质层以及靠近并接触阳极层和阴极层定位并位于至少一个管状薄膜元件的内侧和外侧上的两个集流器层。所述两个集流器层使得电流通过电源施加到电极层，从而导致氧离子从阴极层穿过电解质层输送到阳极层。一组导体，其被连接到位于至少一个管状薄膜元件的两个中央隔开位置处的两个集流器层之一上，并且其被连接到至少位于至少一个管状薄膜元件的与两个中央隔开位置在外部隔开的相对端部位置处的两个集流器层的另一个上，使得电源能够经由两个中央隔开位置之间的所述组导体和至少两个相对端部位置施加电流。因此，通过所施加的电位产生且流过至少一个管状薄膜元件的电流被分成在中央隔开位置与相对端部位置之间流动的两个部分。电流的分流使得电流在管状薄膜元件上更加均勻地分布，以便防止热点形成以及造成管状薄膜元件的失效。另外，电流的均勻分布使得更多的管状薄膜元件在分离氧的过程中得到高效地使用。两个集流器层之一可以位于至少一个管状薄膜元件的外侧，其中阴极层靠近两个集流器层之一。至少一个管状薄膜元件的外部相对端部部分可以保持在绝缘构件内，并且阴极层和两个集流器层之一部分地沿着至少一个管状薄膜元件的长度尺寸延伸，使得至少一个管状薄膜元件的外部相对端部部分至少没有阴极层和两个集流器层之一。该端部部分可能也没有阳极层和两个集流器层的另一个。这里应该注意到由于外部相对端部部分被保持在绝缘构件内，如上所述，在端部部分内存在温度过渡区域。但是，由于没有阴极层并且如将描述那样也可以没有阳极层，在此区域内没有传导电流来造成电解质化学还原及其可能的失效。在此方面，注意到“两个相对端部位置”不必须位于至少一个管状薄膜元件的实际端部，并且在没有阳极层的情况下，这种位置应该向内与实际端部隔开，以便位于绝缘构件之外。具有细长构造的电流分配器可以位于至少一个管状薄膜元件内，在至少一个管状薄膜元件的端部之间延伸，并且在位于管状薄膜元件内的多个点处接触两个集流器的另一个。连接到管状薄膜元件的相对端部位置的导体被连接到电流分配器的相对端部。电流分配器可以具有螺旋状构造。至少一个管状薄膜元件可以设置相对的端部密封件、穿过相对的端部密封件的相对的密封电馈通件以及穿过相对的端部密封件之一以便排出氧的出口管。在两个相对端部位置连接到至少一个管状薄膜元件的导体经过电馈通件并连接到电流分配器。至少一个管状薄膜元件可以是多个管状薄膜元件。多个管状薄膜元件可以通过该组导体串联电连接，其中第一对导体连接到管状薄膜元件中的第一个的两个中央隔开位置，第二对导体连接到管状薄膜元件中的第二个的相对端部位置，并且其余对的导体连接位于两个中央隔开位置及其至少相对端部位置处的其余成对管状薄膜元件，使得第一对导体和第二对导体能够连接到电源上。
两个集流器之一可以位于靠近阴极层的每个管状薄膜元件的外侧上，并且两个集流器的另一个可以位于靠近阳极层的管状薄膜元件的内侧上。管状薄膜元件可以以捆束在一起的形式配置，并且通过位于管状薄膜元件的外部相对端部部分处的相对的绝缘构件以径向阵列的形式得以保持。管状薄膜元件可以设置相对的端部密封件、穿过相对的端部密封件的相对的密封的电馈通件以及在捆束一端处穿过相对的端部密封件以便排出氧的出口管。在两个相对端部位置处连接到管状薄膜元件的导体经过电馈通件并与两个集流器的另一个电接触。歧管连接到出口管，并具有公共出口来排出从出口管排出的氧。阴极层和两个集流器层之一可以部分地沿着管状薄膜元件的长度尺寸延伸，使得管状薄膜元件的外部相对端部部分至少没有阴极层和两个集流器层之一。 端部部分也可以没有阳极层和两个集流器层的另一个。如上所述，电流分配器可以采用连接到与电流分配器的相对端部连接的管状薄膜元件的相对端部位置的导体。电流分配器可以具有螺旋状构造。在另一方面，本发明提供一种在电驱动氧分离组件中施加电位的方法。根据本发明的此方面，电位被施加到至少一个管状薄膜元件，其具有阳极层、阴极层、由电解质材料形成并定位在阳极层和阴极层之间的电解质层以及靠近并接触阳极层和阴极层定位并位于至少一个管状薄膜元件的内侧和外侧上的两个集流器层。电位被施加到位于至少一个管状薄膜元件的两个中央隔开位置上的两个集流器层之一上以及位于至少一个管状薄膜元件的与两个中央隔开位置在外部隔开的至少相对端部位置的两个集流器层的另一个上，使得通过所施加的电位产生且流过至少一个管状薄膜元件的电流分成在两个中央隔开位置与相对端部位置之间流动的两个部分。两个集流器层之一位于管状薄膜元件的外侧上。阴极靠近两个集流器层之一定位，并且含氧供给接触管状薄膜元件的外侧。氧在管状薄膜元件的内侧上收集，并且从管状薄膜元件的内侧抽取。如上所述，阴极层和两个集流器层之一可部分地沿着管状薄膜元件的长度尺寸延伸，使得管状薄膜元件的外部相对端部部分至少没有阴极层和靠近至少一个阴极层定位的两个集流器层之一。在此方面，如上所述端部部分也可以没有阳极层和两个集流器层的另一个。电流可在管状薄膜元件的端部位置之间在管状薄膜元件内的多个点处施加到集流器的另一个上。在又一方面，本发明提供一种用于电驱动氧分离的管状薄膜元件，其中管状薄膜元件包括阳极层、阴极层、定位在阳极层和阴极层之间的电解质层以及靠近并接触阳极层和阴极层的两个集流器层。两个集流器层位于管状薄膜元件的内侧和外侧上，以允许电源施加电位，从而导致氧离子从阴极层穿过电解质层输送到阳极层。端部密封件位于管状薄膜元件的相对端部处。每个端部密封件包括位于管状薄膜元件内并由弹性体形成以便形成气密密封的插塞式构件以及用于将插塞式构件保持在管状薄膜元件内的装置。至少一个密封的电馈通件穿过至少一个端部密封件，并且一组电导体经过至少一个密封的电馈通件并与位于管状薄膜元件的内侧上的两个集流器层之一电接触，并连接到位于管状薄膜元件的外侧上的两个集流器层的另一个。出口管穿过端部密封件之一或端部密封件的另一个，使得氧从管状薄膜元件排出。保持装置可以是靠近插塞式构件定位在管状薄膜元件内并防止插塞式构件向外运动的陶瓷粘合剂的沉积物。
至少一个密封电馈通件可以是穿过端部密封件的两个相对的密封的电馈通件。出口管可以穿过端部密封件之一，并且该组电导体包括第一对电导体和第二对电导体。第一对电导体被连接到位于管状薄膜元件外侧上的两个集流器层的另一个的两个隔开中央位置上，并且第二对电导体经过两个相对的密封的电馈通件。具有细长构造的电流分配器定位在每个管状薄膜元件内，在管状薄膜元件的端部之间延伸，接触位于管状薄膜元件的内侧上的两个集流器层之一，并在相对端部处连接到第二对电导体。电流分配器可以具有螺旋状构造。在再一方面，本发明提供一种用于被构造成电驱动氧分离的密封管状薄膜元件的端部的端部密封件。端部密封件包括位于管状薄膜元件内并由弹性体形成以便形成气密密封的插塞式构件以及用于将插塞式构件保持在管状薄膜元件内的装置。保持装置是靠近插塞式构件定位在管状薄膜元件内并定位成防止插塞式构件向外运动的陶瓷粘合剂的沉积物。此端部密封件可在本发明的任何实施例中使用。
虽然本说明书以明确指出本申请人认为是其发明的主题的权利要求书来结束，但是应该相信的是应结合附图来理解本发明，在附图中
图1是示出了在被加热容器内的根据本发明的电驱动氧分离组件的管状薄膜元件的捆束的示意截面图，图中未示出与这些元件的电连接；
图2是图1所采用的捆束在一起的管状薄膜元件的透视图； 图3是在图1和2所示的管状薄膜元件中所采用的管状合成薄膜的示意截面图； 图4是图1所采用的氧分离组件的不完全示意截面图，图中示出了其与电源的电连
接；
图5是图1所示的氧分离组件所采用的合成薄膜元件的电连接的示意截面图； 图6是与现有技术的氧分离组件的管状薄膜元件相比的沿着根据本发明的氧分离组件的管状薄膜元件的长度的温度曲线的示意图；以及
图7是图1所采用的管状薄膜元件的另一可选实施例的示意截面图。
具体实施例方式参考图1，氧分离器1被表示成具有容纳在被加热容器12内的氧分离组件10。氧分离组件10分别通过由端部绝缘构件16和18保持在捆束状位置上的管状薄膜元件14形成，所述端部绝缘构件16和18由高纯度铝氧化铝纤维制成。用于示例性目的的管状薄膜元件可具有大约6. 35mm的外直径、大约0. 5mm的总壁厚以及大约55cm的长度。端部绝缘构件16和18被保持在被加热容器12的绝缘端壁28和30内限定的相对开口 20、22以及 24和沈内。被加热容器12可以具有圆柱形构造，具有连接端壁观和30的绝缘侧壁32。 被加热绝缘层34被同轴定位在绝缘侧壁32内，并且包括加热元件用以将管状薄膜元件14 加热达到操作温度，在所述操作温度下，在电位施加到这些元件时将产生氧离子输送。在氧分离器1的操作过程中，含氧供给流36通过入口 37被引入被加热容器12的内部，以便接触管状薄膜元件14的外部。通过施加到管状薄膜元件14的电位，氧转换成输送到这些元件14内部的氧离子。分离的氧经由具有连接到压缩装配件40的管39的蜘蛛状配置的歧管配置38排出，压缩装配件40具有从管39接收氧流且从压缩装配件40排出氧流42的孔(未示出)。虽然图中未示出，但是压缩装配件40可以连接到公共排放管或其它歧管，以便收集和排出分离的氧。耗尽氧的滞留物作为滞留物流44从被加热容器12的出口 46排出。另外参考图2，可以看出每个端部绝缘构件16和18设置狭槽48，以便将管状薄膜元件14保持就位。在特别表示的实施例中，每个捆束包括六个这样的管状薄膜元件14。每个管状薄膜元件14设置通过位于其相对端部的端盖50形成的端部密封件。电馈通件52 和M穿过端盖50。另外，出口管56在管状薄膜元件14的一端处穿过端盖50。应理解氧分离器1的描述只出于说明目的，并且不打算对本发明的应用或所附权利要求书的范围形成限制。在此方面，本发明适用于具有单个管状薄膜元件14或者用于氧的制造以外目的的管状薄膜元件14的氧分离器。例如，本发明适用于用来从含氧供给流去除氧的纯化器，并且因此供给流可以被供应到管状薄膜元件的内部。参考图3，每个管状薄膜元件14设置阴极层58、阳极层60和电解质层62。两个集流器层64和66分别靠近阳极层58和阴极层60定位，以便将电流引导到阳极层和阴极层。 虽然本发明适用于构成管状薄膜元件14的任何合成结构，但是出于示例性目的，阴极层58 和阳极层60的厚度可在大约10微米和大约50微米之间，并且电解质层62的厚度可以在大约100微米和大约Imm之间，其中优选厚度为大约500微米。电解质层62是不透气的， 并且可以是大于大约95%的致密度，优选为大约99%的致密度。每个阴极层58和阳极层60 可具有大约30%至大约50%的孔隙度，并且可由(LEtuSrc^c^MnO^形成。电解质层62可以具有6md%钪掺杂的氧化锆。集流器层64和66的厚度可以各自在大约50微米和大约 150微米之间，并且具有大约30%至大约50%的孔隙度，并且可由具有氧化锆的表面沉积物的银颗粒的粉末形成。这种粉末可以通过本领域公知的方法制成，例如通过刷涂或机械合金化。出于示例性目的，标示为FERRO S11000-02粉末的银粉末可以从i^erro Corporation, Electronic Material Systems, 3900 South Clinton Avenue, South Plainfield, New Jersey 07080 USA得到。这些粉末中所含颗粒的直径在大约3微米和大约10微米之间，并且颗粒具有大约0.2 m2/克的低比表面。氧化锆表面沉积物可以形成在这些粉末上，使得氧化锆占有被涂覆颗粒的大约0. 25%的重量。在氧分离器1的操作过程中，含氧供给流36内所含的氧接触集流器层64，并透过它的孔到达上文同样表示成多孔的阴极层58。由于在集流器层64和66处施加到阴极和阳极层58和60上的电位，氧发生电离。得到的氧离子在施加电位的驱动力下输送经过电解质层62，并在靠近阳极层60的电解质层62的一侧出现，其中得到电子以形成元素氧。氧透过阳极层60和相邻集流器层66的孔，其中氧进入管状薄膜元件14的内部。应该注意到虽然阴极层位于管状薄膜元件14的外侧，但是可以使得各层颠倒， 使得阳极层位于管状薄膜元件14的外侧，而阴极层位于内侧。这种实施例可以使用在装置用作纯化器的情况下。在这种情况下，含氧供给将在管状薄膜元件14的内侧上流动。另外参考图4和5，通过电源70产生的电位可通过一组导体施加到管状薄膜元件 14，所述导体由优选为银的线材形成。第一对导体72和74在集流器层64处连接到管状薄膜元件14的第一个的两个中央隔开位置76，并连接到电源70的负极。第二对导体78和 80通过连接导体78和80的银线材79以及连接到电源70的正极的线材81将管状薄膜元件14的最后一个的阳极层60连接到电源的正极。第二对导体78和80优选地在多个触点处通过与电流分配器82的相对端部连接而与靠近阳极层60的集流器层66电接触，如图4 更加清楚表示，电流分配器82可以具有螺旋状构造并且因此由螺旋卷绕成螺旋状构造的一段银线材形成。通过绝缘线材84、86以及88、90形成的其它成对的导体在两个中央隔开位置76连接成对的其它管状薄膜元件14，并连接到这种管状薄膜元件14内所采用的电流分配器80的端部。得到电连接是串联的电连接。但是，并联的电连接也是可以的。另外， 如上所述，只有一个构造表面元件14可以在采用本发明的特殊装置中使用，并因此这种实施例会只采用第一和第二对导轨72、74、78和80。特别参考图5，应该注意到出于说明目的，阴极层58和其相关的集流器层64被表示成单个元件，并且阳极层60及其相关集流器层66也是如此。如图5所示，两个隔开的中央位置76通过围绕管状薄膜元件14环绕线材86和90并通过银膏94的沉积将环绕线材 92保持就位来形成。线材96和98接着分别经过设置在绝缘构件16和18内的孔96和98。 虽然图中未示出，但是线材96和98可以在经过孔96和98之前围绕管状薄膜元件14的外部卷绕，以防止其下垂到其它管内。注意到每个管状薄膜元件14的端部通过端盖50密封， 端盖通过沉积物100来保持就位，并且电馈通件52和M以及出口 56都通过沉积物102保持就位。应该理解到端盖50可以通过压制或注射模制的氧化铝来形成，沉积物100和102 可以由玻璃密封材料体系形成，铅硼硅酸盐系统或钡铝硅酸盐体系。理解到可以通过其它可能的方式来形成端部密封件。例如，玻璃密封材料本身或这种材料与氧化物的混合物可以被放置在管的端部内。这种材料可接着被焙烧，并冷却以便固化。线材84和88经过电馈通件52和M，电馈通件52和M进而通过优选为50% Ag，Cu, Zn, Sn, Ni组分的黄铜材料的沉积物104进行密封。如上所述，管状薄膜元件14的两个隔开的中央位置76设置用于管状薄膜元件14 内产生的电流，以便在这种元件的端部和两个隔开中央位置76之间分布，使得电流更加均勻地沿着管状薄膜元件14的长度分布。因此，与现有技术中将电位只施加在每个管状薄膜元件的两个端部位置的情况相比，每个管状薄膜元件14内的温度分布更加均勻，并且更多的氧离子得到输送。应该注意到虽然比采用电流分配器82的情况的优点少，但是某些优点可以通过在每个管状薄膜元件14的与两个中央位置76在外部隔开的端部位置连接线材84和90来获得。出于将要描述的原因，这种端部位置优选地在其不被端部绝缘体16和18围绕的区域处位于管内。另外的问题在于如果管状薄膜元件14用于纯化应用，两个隔开位置会放置在这些元件内。另一种可选方式是，在本发明的任何实施例中，两个隔开位置可以靠近阳极层60定位。在700°C的标称操作温度的典型操作情况的实例中，每个管状薄膜元件通过额定电压至少为6. 6伏的电源提供1. 1伏的直流电。流过整个电路的所得总电流包括经过管状薄膜元件14的电解质的大约22. 5安培的氧离子电流。与此电流相关的是每个管大约0. 83 升或者对于六个管束为大致0. 5升并流出歧管40的出口 38的氧流量。大致一半的电流(大约11. 25安培)流过每个管状薄膜元件14的一个端部到两个隔开中央位置76之一之间形成的串联电路，并且另一半电流流过两个中央位置的另一个和其另一个相对端部之间的管状薄膜元件14的另一半处形成的串联电路。以此方式，电流在管状薄膜元件14的长度上相对均勻地分布。均勻的电流分布是重要的，这是由于在操作过程中能量消耗而造成每个管状薄膜元件14加热。参考图6，绘制了管状薄膜元件的温度， 其中阴极处的电位只施加到管接近端盖50的端部处(圆圈给出的数据)，阴极处的电位施加在中央位置76处(方形给出的数据)。从图中可以看到，温度升高，因此沿着管长度的电流分布通过将接触阴极的导体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，每个管状薄膜元件可以是 27. 5cm。可以使用大约两倍的元件，并且电压施加到每个元件的电压可以是1. 1伏，电流为 11. 25安培。这种低的操作电流可使得每个管状薄膜元件的寿命更长。继续参考图5，可以看出，每个管状薄膜元件的外部相对端部部分定位在绝缘体 16、18内，绝缘体继而定位在被加热容器12的绝缘端壁观、30内。因此，在这些位置基本上没有氧的输送出现。同时，如上所述，每个元件的温度增加大约500°C。如图中所示，每个管状薄膜元件14的端部没有阴极层58以及其相关集流器64，使得在这些位置上电流不在管状薄膜元件14内流动。已经发现在管状薄膜元件设计成电流在这些绝缘端部部分流动的情况下，在这些端部部分，陶瓷将趋于进行化学还原反应，元件因此可能失效。但是注意到有利的是在这些位置也可省略阳极层60及其相关的集流器层66，以确保没有电流在管状薄膜元件的绝缘端部流动。应该注意到本发明的实施例可以使得阳极和阴极层及其相关的集流器层延伸到管状薄膜元件14的实际端部，即使被覆盖绝缘构件也是如此，但是出于以上描述的原因，这并不是值得推荐的。如上所述，本发明的实施例也可以没有电流分配器82。在这种情况下，阳极层62 及其相关的集流器66可以终止于绝缘构件16和18，并且线材84和88可以在该端部以及端部绝缘构件16和18的内侧连接在管状薄膜元件14的内部。因此，施加电位的端部位置可以向内与管状薄膜元件的实际端部隔开。参考图7，管状薄膜元件14’被表示成构成所述的管状薄膜元件14的另一可选实施例，其结合有代替管状薄膜元件14内所采用的端盖50的端部密封件110。为了避免不需要的重复说明，上面相对于管状薄膜元件14描述的图7所示的元件具有相同的附图标记。 注意到在此特殊的实施例中，绝缘体16和18内的管状薄膜元件14’的外部相对端部部分在集流器层64和66处没有阴极和阳极层58和60。如上所述，可以以类似的方式构造管状薄膜元件14，或者另一方面，以用于管状薄膜元件14的附图中所示的方式构造管状薄膜元件14’，虽然并不是最优选的。端部密封件110和111通过各自由弹性体制成的插塞式构件112和114形成， 以便在管状薄膜元件14’的端部处形成气密密封。适当的弹性体是从美国Willmington， Delaware 的 Dupont Performance Elastomers 获得的 VIT0N 含氟弹性体。在管状薄膜元件14’的操作过程中，氧将积聚，并将趋于在向外方向上从管状薄膜元件14’的端部压迫插塞式构件112和114。为了将插塞式构件112和114保持在管状薄膜元件14’的端部内，陶瓷粘合剂116和118的沉积物在分别靠近插塞式构件112和插塞式构件114的位置处被引入管状薄膜元件14’的端部。适当的陶瓷粘合剂可以是美国 Cotronics Corporation of Brooklyn, New York制造的 RESB0ND( ) 940 快速固化粘合剂。 注意到可以采用其他适当的措施来保持插塞式构件112和114，例如靠近插塞式构件112 定位并穿过管状薄膜元件14’的端部处限定的相对横向孔的机械键，或者在管状薄膜元件14’的端部内固定就位的套筒。如图中所示，电馈通件52和M分别穿过每个沉积物116、118和插塞式构件112 和114。在此方面，轴向孔120被限定在插塞式构件112内，以便穿过电馈通件52，并且孔 122限定在插塞式构件114内，以便穿过电馈通件52。另外，出口 56穿过插塞式构件114， 并且孔IM设置用于此目的。为了将插塞式构件112和114安装在管状薄膜元件14’的端部内，插塞式构件112 和114制成比管状薄膜元件14’的内直径大的外直径，接着通过液氮冷却。直径上的百分比差别是大约10%。随后，插塞式构件112和114被安装在管状薄膜元件14’内，并且随着这些构件被加热到环境温度，插塞式构件膨胀，以便在管状薄膜元件14’的端部内形成气密密封。另外，每个孔120、122和IM都设置成小于相关的电馈通件52和M和出口 56。在插塞式构件112和114安装和加热之后，电馈通件52和M和出口 56被压迫经过较小的孔， 以便形成气密密封。随后，端部填充陶瓷粘合剂116和118的沉积物，以便形成端部密封。可以理解到，插塞式元件112和114的端部密封件和例如陶瓷粘合剂的沉积物的保持装置可以用于任何电驱动管状氧分离元件。例如，可以制造这种元件，使其在一端封闭。在这种情况下，只有单个密封电馈通件和出口导管可以穿透这个端部密封件。另外在电驱动管状氧分离元件制造成在两端开口的情况下，这种端部密封件可用来密封其一个端部，并且因此包括看上去与例如插塞式元件112几乎相同的插塞式元件，而没有孔120和陶瓷粘合剂的沉积物。虽然已结合优选实施例对本发明进行了描述，但是所属领域的技术人员应理解可以对本发明进行多种变化、添加和省略，而不偏离所附权利要求书中给出的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种电驱动氧分离组件，包括至少一个管状薄膜元件，其具有阳极层、阴极层、位于阳极层和阴极层之间的电解质层以及靠近并接触阳极层和阴极层定位并位于至少一个管状薄膜元件的内侧和外侧上的两个集流器层，以允许电源施加电位，从而导致氧离子从阴极层穿过电解质层输送到阳极层； 以及一组导体，其被连接到位于至少一个管状薄膜元件的两个中央隔开位置处的两个集流器层之一上，并且其被连接到至少位于至少一个管状薄膜元件的与两个中央隔开位置在外部隔开的相对端部位置处的两个集流器层的另一个上，使得电源能够经由两个中央隔开位置之间的所述组导体和至少两个相对端部位置施加电位，通过所施加的电位产生且流过至少一个管状薄膜元件的电流被分成在两个中央隔开位置与相对端部位置之间流动的两个部分。
2.根据权利要求1所述的电驱动氧分离组件，其中至少一个管状薄膜元件的外部相对端部部分被保持在绝缘构件内；两个集流器层之一位于至少一个管状薄膜元件的外侧上；阴极层靠近两个集流器层之一；以及阴极层和两个集流器层之一部分地沿着所述至少一个管状薄膜元件的长度尺寸延伸， 使得所述至少一个管状薄膜元件的外部相对端部部分至少没有阴极层和两个集流器层之ο
3.根据权利要求2所述的电驱动氧分离组件，其中具有细长构造的电流分配器定位在所述至少一个管状薄膜元件内，在所述至少一个管状薄膜元件的端部之间延伸，并且在位于管状薄膜元件内的多个点处接触两个集流器的另一个；以及连接到管状薄膜元件的相对端部位置的导体被连接到电流分配器的相对端部。
4.根据权利要求3所述的电驱动氧分离组件，其中所述电流分配器具有螺旋状构造。
5.根据权利要求4所述的电驱动氧分离组件，其中所述至少一个管状薄膜元件具有相对的端部密封件、穿过相对的端部密封件的相对的密封的电馈通件以及穿过相对的端部密封件之一以排出氧的出口管；并且在两个相对端部位置处连接至所述至少一个管状薄膜元件的导体经过电馈通件并连接到电流分配器上。
6.根据权利要求1所述的电驱动氧分离器组件，其中所述至少一个管状薄膜元件是多个管状薄膜元件；并且多个管状薄膜元件通过该组导体串联电连接，其中第一对导体连接到管状薄膜元件的第一个的两个中央隔开位置，第二对导体连接到管状薄膜元件的第二个的相对端部位置， 并且其余成对的导体在两个中央隔开位置和至少其相对端部位置连接成对的其余管状薄膜元件，使得第一对导体和第二对导体能够连接到电源。
7.根据权利要求6所述的电驱动氧分离组件，其中两个集流器之一位于靠近阴极层的每个管状薄膜元件的外侧上，并且两个集流器的另一个位于靠近阳极层的管状薄膜元件的内侧上。
8.根据权利要求7所述的电驱动氧分离组件，其中具有细长构造的电流分配器定位在每个管状薄膜元件内，在管状薄膜元件的端部之间延伸，并且在管状薄膜元件内的多个点处接触两个集流器的另一个；并且连接到管状薄膜元件的相对端部位置的导体被连接到电流分配器的相对端部。
9.根据权利要求8所述的电驱动氧分离组件，其中所述电流分配器具有螺旋状构造。
10.根据权利要求7所述的电驱动氧分离组件，其中管状薄膜元件以捆束在一起的形式配置，并且通过位于管状薄膜元件的外部相对端部部分处的相对的绝缘构件以径向阵列的形式得到保持；管状薄膜元件具有相对的端部密封件、穿过相对的端部密封件的相对的密封的电馈通件以及在捆束一端处穿过相对的端部密封件以便排出氧的出口管；在两个相对端部位置处连接到管状薄膜元件的导体经过电馈通件并与两个集流器的另一个电接触；以及歧管连接到出口管状薄膜元件，并具有公共出口来排出从出口管排出的氧。
11.根据权利要求10所述的电驱动氧分离组件，其中所述端部密封件包括定位在管状薄膜元件内并由弹性体形成以便形成气密密封的插塞式构件以及用于将插塞式构件保持在管状薄膜元件内的装置。
12.根据权利要求10所述的电驱动氧分离组件，其中阴极层和两个集流器层之一部分地沿着管状薄膜元件的长度尺寸延伸，使得管状薄膜元件的相对端部部分至少没有阴极层和两个集流器层之一。
13.根据权利要求11所述的电驱动氧分离组件，其中具有细长构造的电流分配器定位在每个管状薄膜元件内，在管状薄膜元件的端部之间延伸，并且在管状薄膜元件内的多个点处接触两个集流器中的另一个；并且连接到管状薄膜元件的相对端部位置的导体被连接到电流分配器的相对端部。
14.根据权利要求13所述的电驱动氧分离组件，其中所述电流分配器具有螺旋状构造。
15.一种在电驱动氧分离组件中施加电位的方法，包括将电位施加到至少一个管状薄膜元件，所述管状薄膜元件具有阳极层、阴极层、由电解质材料形成并定位在阳极层和阴极层之间的电解质层以及靠近并接触阳极层和阴极层定位并且位于至少一个管状薄膜元件的内侧和外侧上的两个集流器层；以及电位被施加到位于至少一个管状薄膜元件的两个中央隔开位置处的两个集流器层之一上以及位于至少一个管状薄膜元件的与两个中央隔开位置在外部隔开的至少相对端部位置处的两个集流器层的另一个上，使得通过所施加的电位产生且流过至少一个管状薄膜元件的电流分成在两个中央隔开位置与相对端部位置之间流动的两个部分。
16.根据权利要求15所述的方法，其中 两个集流器层之一定位在管状薄膜元件的外侧上； 阴极靠近两个集流器层之一定位；以及两个集流器层的另一个定位在靠近阳极层的管状薄膜元件的内侧上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个管状薄膜元件的外部相对端部部分被保持在绝缘构件内； 阴极层和两个集流器层之一部分地沿着管状薄膜元件的长度尺寸延伸，使得管状薄膜元件的外部相对端部部分至少没有阴极层和两个集流器层之一。
18.根据权利要求17所述的方法，其中电流在管状薄膜元件内在管状薄膜元件的端部位置之间的多个点处被施加到集流器的另一个。
19.一种用于电驱动氧分离的管状薄膜元件，所述管状薄膜元件包括阳极层；阴极层；定位在阳极层和阴极层之间的电解质层；靠近并接触阳极层和阴极层的两个集流器层，两个集流器层位于管状薄膜元件的内侧和外侧上，以允许电源施加电位，从而导致氧离子从阴极层穿过电解质层输送到阳极层；定位在管状薄膜元件的相对端部处的端部密封件，每个端部密封件包括定位在管状薄膜元件内并由弹性体形成以便形成气密密封的插塞式构件以及用于将插塞式构件保持在管状薄膜元件内的装置；至少一个密封的电馈通件，所述电馈通件穿过至少一个端部密封件；一组电导体，所述电导体经过至少一个密封的电馈通件，并且与位于管状薄膜元件的内侧上的两个集流器层之一电接触，并连接到位于管状薄膜元件的外侧上的两个集流器层的另一个上；以及出口管，所述出口管穿过端部密封件之一或端部密封件的另一个，使得氧从管状薄膜元件排出。
20.根据权利要求19所述的管状薄膜元件，其中保持装置是定位在管状薄膜元件内靠近插塞式构件的位置处并且定位成防止插塞式构件向外运动的陶瓷粘合剂的沉积物。
21.根据权利要求19所述的管状薄膜元件，其中所述至少一个密封的电馈通件是穿过端部密封件的两个相对的密封电馈通件；所述出口管穿过端部密封件之一；所述组电导体包括连接到位于管状薄膜元件的外侧上的两个集流器层的另一个的两个隔开中央位置的第一对电导体以及经过两个相对的密封的电馈通件的第二对电导体；以及具有细长构造的电流分配器定位在每个管状薄膜元件内，在管状薄膜元件的端部之间延伸，接触位于管状薄膜元件的内侧上的两个集流器层之一，并且在相对端部处连接到第二对电导体。
22.根据权利要求21所述的管状薄膜元件，其中所述电流分配器具有螺旋状构造。
23.一种被构造用以电驱动氧分离的用于密封管状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状薄膜元件内并且由弹性体形成以便形成气密密封的插塞式构件和用于将插塞式构件保持在管状薄膜元件内的装置。
24.根据权利要求20所述的端部密封件，其中保持装置是定位在管状薄膜元件内靠近插塞式构件的位置处并且定位成防止插塞式构件向外运动的陶瓷粘合剂的沉积物。
全文摘要
一种用于施加电位的电驱动氧分离组件和方法，其中该组件具有一个或多个管状薄膜元件。电位被施加在管状薄膜元件的两个中央隔开位置处及其至少相对端部位置处。结果是，流过管状薄膜元件的电流被分成在两个中央隔开位置与相对端部位置之间流动的两个部分。另外，本发明还提供一种与管状薄膜元件结合使用的端部密封件。
文档编号B01D53/32GK102209684SQ200980144463
公开日2011年10月5日 申请日期2009年10月30日 优先权日2008年11月10日
发明者D·F·苏格斯, D·M·里德, G·M·克里斯蒂, M·J·科林斯, R·M·凯莉 申请人:普莱克斯技术有限公司