JP4017690B2 - モジュール式セラミック酸素発生器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素を含有する複合ガスから酸素を分離し、その分離された酸素を利用のため供給する装置に関し、特に、複合ガスから酸素を分離するための固体状電気化学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素分子をイオン化してそれを固体電解質に通し、反対側の電解質表面上に酸素分子を再生するという電気化学的方法により、空気のような複合ガスから酸素を取り出せることが明らかにされてきている。酸素分子に対して多孔質であり、電解質との界面で酸素分子を酸素イオンに解離させる作用をし、電解質の表面に付着された、適当な触媒作用を及ぼす電極被膜に電圧が印加される。酸素イオンは電解質中を通して反対側表面へ送られ、そこも触媒作用を及ぼす電極で覆われていて酸素イオンから余分な電子を取り除く反対の電圧が印加されていて酸素分子が再生される。
【０００３】
イオン伝導体を形成する材料はよく知られているようにセラミックであり、いろいろな種類のセラミックスがこの目的のために有用であることが分かっている。例えば、米国特許第 5,385,874号で論じられているように、ドーピング（キャリア濃度を上げるために微量の不純物を添加すること）された金属酸化物セラミックスが高い酸素イオン伝導性をもたらすことが分かっている。金属酸化物は組成物全体の約７５％乃至約９０％を有することができ、組成物の主成分として用いられる典型的な酸化物は、ジルコニア、セリア、酸化ビスマス、トリア、ハフニア（酸化ハフニウム）およびセラミックス技術分野で知られている類似の物質でよい。これらは例にすぎず、材料の特定の選択は本発明の一部ではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、電極を付けたセラミック電解質あるいはイオン伝導体からの酸素の発生はよく知られている。これらの原理はいろいろな形状、構造で用いられている。すなわち、セラミック電解質の形状、および、その電解質上あるいは電解質内の電極の配置はいろいろな形をとっている。しかし、これらの形のどれもが、単位体積当りおよび単位重量当りの酸素発生のために使える表面積の大きさに関して重大な欠点を有することが分かっており、電気的接続はやりにくく、酸素を取り出すための収集装置は製造し電解質と統合するのが難しく、また、酸素が分離されるべきガス源はしばしば限定される。
【０００５】
例えば、この型の或るものでは、セラミック電解質が大きな平板状に作られており、これは重大な欠点を有する。それは高い取出し圧力に耐える能力が限定される。従って、その板はより厚くするか、強度を増すためのリブを付けるか、あるいは封止される縁の間隔を短くしなければならず、これらのどれもがコストと製造の複雑さを大いに増す。
【０００６】
米国特許第 5,302,258号は内側表面および外側表面に電極を有する複数の管が用いられている装置について述べている。この管を取り入れた設計はより高い圧力に耐える能力に関する改良である。しかしながら、各々の管を多岐管に封止し、また管の各々に必要な電気的接続を施すためにはかなりの労働コストを伴う。
【０００７】
米国特許第 5,205,990号は酸素分離に必要な表面積をもっと安価に作る方法を提供し、また、望ましいより高い圧力に耐えるのに構造上適している蜂の巣状の形態について述べている。この形態におけるセラミック電解質は一連の通路を有し、それらの一部は第１の極性の電極を付けられ、他の部分には第２の極性の電極を付けられており、これらの通路が蜂の巣状をなしている。この配列は多数の酸素収集通路の端部を封止するのに要する労力と、同じ極性の電極を持つ通路同士を結ぶ配線において重大な欠点を有する。酸素通路と空気通路の交互の列が、使われるセラミック電解質の量で利用できる筈の有効表面積の半分しか利用されず、また、この蜂の巣状構造での電気的接続が入り組んでいて製造に多くの費用を要する。
【０００８】
従って、本発明の一つの目的は、セラミック材料の単位体積当りおよび単位重量当りの有効表面積が増すように配慮した電解質形態を有するセラミック酸素発生器を提供することである。
本発明の他の目的は、個々の陽極および陰極表面への電気的接続が単純化され、より安価に作れるセラミック酸素発生器を提供することである。
本発明の更なる目的は、分離された酸素を受け取る多岐管構造が製造される酸素発生器との一体構造とされ、より安価に作れるセラミック酸素発生器を提供することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、モジュール式形態であり、それにより発生されるべき酸素の量についての異なる必要条件（要求仕様）に応じて単純な「組立て式ブロック」手法がとれるセラミック酸素発生器を提供することである。
本発明の付加的な目的は、前記した目的に合致し、更に、いろいろ異なる圧力の酸素含有注入ガスで作動するセラミック酸素発生器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記した目的および他の目的は、本発明に従って構成されたモジュール式セラミック酸素発生システムにおいて達成され、本発明ではイオン伝導性セラミック電解質がモジュールを形成する支持部から延びる複数の管を有するように型で作られる。それらの管は前述の支持部から遠い方の端部が閉塞されている一方、それらの管の開放端が管のための支持部の開口を形成している。管の内側と外側の表面および支持部の上面と下面を含めて電解質の全表面が多孔質のイオン化作用を及ぼす電極物質で連続的にコーティングされる。低い抵抗の電流キャリアおよび分配器として働くように、要望があれば、異なる物質の第２の被覆が同じ表面に施されてもよい。管は支持部上に横列および縦列に形成される。前述の物質の被覆は、管の縦列が並列に接続され、一方、それら管の横列が直列に接続されることとなるような電気的回路に形成される。支持部は、酸素発生器モジュール組立体を形成するために他の素子の同様な面と結合されるのに適した下面を有する。多数のモジュール組立体がそれらの酸素取出し口を一緒に結ばれて、より大きな能力のシステムを形成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図の各々において、類似の要素には類似の参照番号が付されている。
本発明に従うセラミック酸素発生器組立体は概略、図１に一つが示されているような、型で作られた「組立て式ブロック」あるいはモジュール式素子の対から成る。モジュール式素子１０は例えばイオン伝導性セラミック電解質の射出成形で作ることができ、同図の形態では大きな単位体積当り表面積をもたらし、また、それは酸素を収集するための一体化した多岐管構造（後述する）を含んでいる。図２に示されているように、素子１０と対称に設計したものが第２の素子１０´であり、反転され第１の素子に封止されて組立体を形成する。
【００１２】
再び図１に戻ると、前述のように素子１０は例えばイオン伝導性セラミック電解質の射出成形工程で作られる。この成形工程によって素子１０はほぼ平らな管支持部１４から延びている一連の管１２に形成される。この実施例では管１２は８本ずつの２８の縦列、換言すれば、２８本ずつの８つの横列に形成される。各管１２の外方端は１５において閉塞されている。その後、管１２の上側表面１６および外側表面１３は閉塞端１５と共に、触媒作用を及ぼす電導性の物質でコーティングされる（図４参照）。同様に、管１２のおのおのの下側表面１８（図３）および内部１７は同様な電導性物質でコーティングされる。これらの被膜はセラミック電解質で分けられた二つの電極面を形成する。図３に最もよく示されているように、一連の道（バイア）２０が設けられており、これらはセラミック電解質を貫通している単純な孔であって、これらの孔は電極付け工程の中で端から端までめっきされる（そして、めっきで満たされるか栓をされる）。電極付け工程の後、道２０によって所望の電気的接続（後述する）を形成するように、上側表面１６および下側表面１８の或る部分の電極物質が焼き取られる。
【００１３】
前述のように、図２の組立体を形成する素子１０および１０´は図２に示されているように一緒に配置されて完全な組立体を形成できるように、互いに似ていて対称である。フランジ部２２および２２´が管支持部１４の下側表面から外側に向かってその周辺に延びており、素子１０および１０´が図２におけるように一緒に配置されたとき、素子１０および１０´は結合されて、二つの素子１０および１０´の下側表面の間の内部に多岐管２４を形成する。図３に最もよく示されているように、取出し口２６が多岐管２４の内部と通じるように管支持部１４に設けられている。複数の組立体を縦に繋ぐのではなく横に並べて繋げるように、取出し口が素子１０および１０´の長い方の両縁に設けられてもよい。
【００１４】
図４は図１において線４−４に沿って描かれた部分的な断面図である。従って、図４はこれまで述べてきた実施例における２８本の管の或る列の内の４本の管の断面図である。管１２と管支持部１４はセラミック電解質でできている。管１２の外側表面２１と管支持部１４の上側表面１６は、イオン化作用を及ぼし且つ導電性のある物質で連続的にコーティングされ、これらの表面を連続的に被覆する電極を差し当たり形成する。同様に、管１２の内側表面２３は電導性の物質でコーティングされ、この被膜３４は管支持部１４の下側表面１８をも連続して覆っている。前述したように、この電極付け工程で、管支持部１４を貫通している道２０は電導性の物質で満たされる。全体の表面はディップ法によるなどしてコーティンッグされる。尚、図４において、矢印個所のレーザによる切れ目が直列接続をつくっている。又、わかりやすくするためある列の４本の管だけが示されている。
【００１５】
これらの被膜を、前述した型の酸素発生装置を作り上げることのできる電気的回路に形成するために、所望の電気的接続をもたらすように電極物質の何箇所かを選択的に焼き去ることが必要である。この目的で管支持部１４の下側表面１８の電極物質３４に一連の切れ目が３０ａ−ｃで示されているように入れられる。これらの切れ目は適当なレーザで入れられることができる。これらの切れ目は管１２のおのおのの縦列の間を管支持部１４の寸法一杯、縦列の長手方向に延びている。同様に、切れ目３２ａ−ｄが管支持部１４の上側表面１６に形成された電極面２１に入れられる。これらの切れ目も、管１２のおのおのの縦列に沿って管支持部１４の寸法一杯、長手方向に延びている。例えば、切れ目３２ａが道２０ａの管１２ａに近い側に入れられ、一方、切れ目３０ａが道２０ａの管１２ｂに近い側に入れられるということは注目されるべきである。従って、直列接続が管１２ｂの電極面２１と電極面３４の管１２ａに対応する部分の間に形成される。同じ関係がその横列の隣り同志の管の第１および第２の電極面の間でも見受けられ、また、この同じ関係がおのおのの横列においても引き続き起こる。電極物質を道２０にそのまま残しておくことによって、管の間のできるだけ低い抵抗での接続が形成される。切れ目３０および３２は管の縦列の長手方向に、管１２ａ、１２ｂによって形成される縦列の間の切れ目３０ａおよび３２ｂのように作られ、また、管の他の縦列の間の同様な切れ目が作られ、その結果、一つの縦列にある管を一つの並列電気回路にする。
【００１６】
この配置の結果、例として図１の実施例で説明すると、２８縦列×８横列の管の組合せにおいて、８本の管の各縦列でおのおのの管の第１および第２の電極は電気的に並列である。２８縦列のおのおのは電気的に直列である。この配列は単なる例示的なものであり管の大きさや管の横列および縦列の配列は、最良の電圧および電流分配を得るために、各管への電気的的直列および／または並列接続の配置が最適な設計となるように変えることができるものであることは注意されるべきである。図示されている例では、図１のモジュールが２４ボルト電源から電力を受けるものとすると、各縦列の管は実質的に２８個の直列抵抗の一つとして動作するので、各管に印加される電圧は１ボルトより低くなるであろう。イオン化させ酸素にこのような装置を通させるのに要する電圧は、動作温度、発生器の両側（複合ガス側と酸素側）間の酸素分圧の差、電解質のイオン導電率、電解質の電気抵抗、電極界面、電極の広がり抵抗、および発生器への電気接続の抵抗を含む幾つかのパラメータによって影響される。しかしながら、概して、この電圧は１ボルトより低く、最適化された設計では１ボルトの数分の１にすることができる。管（あるいは管の縦列）の数は電力供給電圧と各管に印加されるべき所望の電圧に依存する。本実施例における８本の管（および、それらに関連した道）の各縦列が、２８本ずつの管からなる８組の別々の直列系列となるよう更に再分割され得ることは理解されるべきである。しかしながら、電極特性の不均一性が局部的な過熱状態とそれに続く管の焼切れを引き起こすことがあり、１本の管の焼切れが２８本の直列系列の損失となる。管を多数の道と共に図示されているような縦列に配列することは電流の流れの重複性（機能代理性）と平準化性をもたらす。
【００１７】
動作では、酸素が抽出されるべき空気または他のガスが管１２を横切って流れ、前述したようなイオン伝導性の原理によって、より高い酸素の圧力を持つガスが管１２の内部に形成されて多岐管２４に集められる。この酸素の供給は取出し口２６を介して酸素を必要とする装置に送られる。
これまで述べてきた実施例では外側と内側の表面を有する丸い円筒状の管が示されているが、「管」として他の形状のものも用いることができ、「管」という用語はここでは説明の便宜のために用いられているに過ぎないことが理解されるべきである。
【００１８】
中空の管の各縦列の代わりの形態は、ほぼ同じ実効表面積をもたらす中空の「片持ち梁棚」構造である。一端が成形で閉塞されたこれらの平らな中空部は管のように一緒に多岐管とされ共通の取出し口を付けられる。内部の圧力に耐える性能を上げるために必要に応じて、強度を増す内側リブが対向する平らな壁の間に付加されることもできる。
本発明の原理は、これらの原理に従って作られた望ましい実施例によってこれまで述べられている。前述の実施例が特許請求の範囲によって規定されている本発明の精神と範囲から逸脱することなくいろいろな方法で修正あるいは変更され得るものであることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うセラミック酸素発生器モジュール組立体を作る二つの成形されたモジュール式素子のモジュール組立体を形成するために用いられる成形素子の内の一つの上面斜視図である。
【図２】前述のモジュール組立体に形成された図１の成形素子二つの上面斜視図である。
【図３】図１の実施例の底面図である。
【図４】図１の実施例の線４−４に沿って描かれた部分的断面図である。

Claims (13)

1. おのおのが内側表面および外側表面を有し、おのおのが閉塞端および開放端を有する複数の管、
   前記複数の管の前記開放端を受ける管支持部材、
   前記複数の管の前記外側表面を覆う第１の電導性の被覆、および
   前記複数の管の前記内側表面を覆う第２の電導性の被覆を備えており、
   少なくとも２つの縦列の管と、第１の極性の電圧源に接続可能であり第１の縦列の外側表面および第２の縦列の管の内側表面を覆う第１の電極と、前記第２の縦列の管の外側表面を覆い、第２の極性の電圧源の１つに接続可能であるかあるいは第３の縦列の管の内側表面を覆う第２の電極とを有することを特徴とするイオン伝導性セラミック素子。
2. 前記複数の管が前記管支持部材の上に横列および縦列として形成され、おのおのの管が前記第１の電極および前記第２の電極に接続されており、縦列における前記管のおのおのの第１および第２の電極部分が電気的に並列に接続されており、横列における前記管のおのおのが電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載のセラミック素子。
3. 前記第１および第２の電極が、
   前記管の縦列の間の前記第１および第２の電導性の被覆における切れ目であっておのおのの切れ目の両側にある前記第１および第２の電極部分が電気的に分離されるように管の縦列方向で且つ管の縦列の間に延在している切れ目、
   前記管のおのおのに近い前記第１および第２の表面を貫通して延びているバイア、および、
   前記バイアを通じて延在し、横列におけるおのおのの前記管の第１の電極部分を隣の縦列で同じ横列の管の第２の電極部分に、管のおのおのの横列が直列接続となるよう接続する電気的接続部
   から形成されることを特徴とする請求項２記載のセラミック素子。
4. 前記電気的接続部は、前記第１および第２の電極を形成する物質が前記バイアを通じて延在しているセラミック電解質の表面をコーティングすることによって構成されていることを特徴とする請求項３記載のセラミック素子。
5. 前記複数の管のおのおのが、隣接する管と間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項１記載のセラミック素子。
6. 管支持部材と、前記管支持部材から延在しており縦列および横列として形成される管部材の配列とを有する第１のセラミック素子、
   前記第１のセラミック素子に隣接する第２のセラミック素子、および
   前記第１のセラミック素子および前記第２のセラミック素子の間の封止
   を備えており、
   前記第１のセラミック素子は、少なくとも２つの縦列の管部材と、第１の極性の電圧源に接続可能であり第１の縦列の外側表面および第２の縦列の管部材の内側表面を覆う第１の電極と、前記第２の縦列の管部材の外側表面を覆い、第２の極性の電圧源に接続可能であるかあるいは第３の縦列の管部材の内側表面を覆う第２の電極とを有することを特徴とする酸素発生器。
7. 前記第１のセラミック素子が、前記管部材のおのおのの外側表面を覆う第１の電導性の被覆を含み、且つ、
   前記第１のセラミック素子が、前記管部材の内側表面を覆う第２の電導性の被覆を含むことを特徴とする請求項６記載の酸素発生器。
8. 前記第１のセラミック素子が一体に形成されることを特徴とする請求項６記載の酸素発生器。
9. 前記第１のセラミック素子が一体に形成されることを特徴とする請求項７記載の酸素発生器。
10. 前記管部材が前記管支持部材の上に横列および縦列として形成され、おのおのの管部材が前記第１の電極および前記第２の電極に接続されており、縦列における前記管部材のおのおのの第１および第２の電極部分が電気的に並列に接続されており、横列における前記管部材のおのおのが電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項６記載の酸素発生器。
11. 前記第１のセラミック素子が、前記管部材のおのおのの外側表面を覆う第１の電導性の被覆と前記管部材の内側表面を覆う第２の電導性の被覆とを含み、前記第１および第２の電極が、
    前記管部材の縦列の間の前記第１および第２の電導性の被覆における切れ目であっておのおのの切れ目の両側にある前記第１および第２の電極部分が電気的に分離されるように管部材の縦列方向で且つ管部材の縦列の間に延びている切れ目、
    前記管部材のおのおのに近い前記第１および第２の表面を貫通して延在しているバイア、および、
    前記バイアを通じて延在しており、横列におけるおのおのの前記管部材の第１の電極部分を隣の縦列で同じ横列の管部材の第２の電極部分に、管部材のおのおのの横列が直列接続となるよう接続する電気的接続部
    から形成されることを特徴とする請求項１０記載の酸素発生器。
12. 前記電気的接続部は、前記第１および第２の電極を形成する物質が前記バイアを通じて延在している前記セラミック素子の表面をコーティングすることによって構成されていることを特徴とする請求項１１記載の酸素発生器。
13. 前記管部材のおのおのが、隣接する管部材と間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項６記載の酸素発生器。

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