JP4837679B2 - 直列伝導性帯状部付きｉｍａｔモジュール - Google Patents

Description

［関連出願との相互参照］
この出願は、２００５年２月９日に「直列伝導性帯状部付きＩＭＡＴモジュール」なる名称で出願された米国仮出願第６０／５９３，７３２号に基づく。

この発明は、酸素をそれよりも複雑なガスから分離して、分離された酸素を使用するために配送するための装置の分野に関する。特に、この発明は、酸素をそれよりも複雑なガスから分離するための固体電気化学装置に関する。

特許文献１（米国特許第５，８７１，６２４号）に記載されているようなセラミック酸素発生システムである集積マニホルド及びチューブ（ＩＭＡＴ）は、高純度の酸素を高圧力で発生する能力を実証している。典型的なＩＭＡＴでは、各行のチューブは電気的に並列に接続され、そして各行はバイアワイヤを介して電気的に直列に接続されている。このアプローチを使用すると、ＩＭＡＴは、合理的な電流及び電圧レベルで動作させられる。これは、全てのチューブが並列に接続されて、等しい量の酸素を発生することに、より大きな電流を必要とするアプローチと比較した場合である。更に、バイアワイヤは、ＩＭＡＴベース上のバイアホール中に挿入される。雰囲気圧力よりも高い酸素を発生するために、バイアワイヤは、セラミックで緊密にシールされる必要がある。
米国特許第５，８７１，６２４号明細書

従来のアプローチが直面していた難題は、バイアワイヤをシールすること並びにバイア挿入に関与する作業時間及び設備／材料コストに関連した難しさである。動作温度（６００〜７５０℃）及び伝導性要求故に、制限された数の金属、例えば銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、及びそれらの合金だけが実現性のある候補となり得る。コストの観点から、一般的に銀が最良の候補である。しかしながら、銀は、ＩＭＡＴセラミックよりも熱膨張係数が小さいので、製品の製造及び応用における不可避な温度サイクルに起因して、シールプロセスを非常に不確実なものにする。

上記で引用された参考文献は、多数の注目すべき利点及び技術的改良を当技術に導入及び開示しているが、この発明によって達成される特定の目的を完全に遂行するものはない。

本発明によると、イオン伝導性セラミック素子は、各々が内面及び外面を有する複数のチューブを備える。各チューブは、閉鎖端及び開放端を有する。頂面及び底面を有するチューブ支持部材は、前記複数のチューブの開放端を受ける。第１の導電性被覆又は電流コレクタは、複数のチューブの少なくとも外面上に形成されている。第２の導電性被覆又は電流コレクタもまた、複数のチューブの少なくとも内面上に形成されている。

少なくとも１つの底部導電性帯状部は、チューブ支持部材の底面上に形成されて、チューブの内面上の２以上の選択された第２の導電性被覆又は電流コレクタ間に電気的接続を形成する。少なくとも１つの頂部導電性帯状部も同様に、チューブ支持部材の頂面上に形成されて、チューブの外面上にある２以上の選択された第１の導電性被覆間に電気的接続を形成する。

頂部上の導電性帯状部は、チューブ支持部材のエッジに至るまで延び、また底部上の導電性帯状部は、チューブ支持部材のエッジに至るまで延びている。このため、頂部帯状部と底部帯状部は接続され、一行のチューブを接続する頂部上の少なくとも１つの帯状部が、隣接する行のチューブを接続する底部上の少なくとも１つの帯状部と電気的に接続されるようにする。

この発明のこれら及び他の目的、利点及び特徴は、この発明の好ましい実施形態が示された添付図面を参照してなされる以下の説明から明らかとなるであろう。

上記で簡単に要約された発明の更に特別な説明は、図面に描かれると共に以下で更に詳細に論じられる例示的実施形態から分かるであろう。上記で引用された特徴が、これから明らかになる他のものと同様に、如何にして得られるか、また詳細に理解され得るかは、この参照を通して分かる。ただし、図面は、この発明の典型的な好ましい実施形態だけを描いており、その範囲を制限するものではない。これは、この発明には他の等しく効果的な実施形態が可能であるからである。

本発明の上記で引用された特徴、利点、及び目的が達成される手法を詳細に理解できるようにするために、上記で簡単に要約された発明の更に特別な説明が、添付図面に描かれたその実施形態を参照することによってなされる。全ての図面では、同一の符号が同じ要素を表す。ここで使用されているような用語、例えば“下側に”、“上側に”、“左”、“右”等の用法は、説明を容易にするだけのものであって、これらの用語は、相対的な向きで解釈されるべきである。

本発明は、ＩＭＡＴを説明し、また行から行への直列接続を形成してから、２つのＩＭＡＴ半体をシールして１つのＩＭＡＴモジュールを形成する方法を説明する。

特許文献１（米国特許第５，８７１，６２４号）の開示は、ここに完全に言及されているものとして組み入れられる。

知られているように、素子２０は、概ね平面的なチューブ支持部材１４から延びた一連のチューブ３０を持つように形成されている。一例として、典型的な実施形態では、チューブ３０は、各々９チューブの７列、別の言い方をすれば、各々７チューブの９行に形成されている。各チューブ３０の外端４８は、チューブ３０の頂部又は先端で閉鎖されている。チューブ支持部材１４はまた、複数のチューブ３０の開放端５０を受ける。チューブ３０の外面３８は、その閉鎖端４８と共に、概ね先ず触媒作用を持つ導電性材料又は電極によって被覆され、それから導電性材料又は電流コレクタによって被覆される。同様に、チューブ３０の内部２４は、概ね先ず触媒作用を持つ導電性材料又は電極によって被覆され、それから導電性材料又は電流コレクタによって被覆される。

図１に模式的に示されているように、これまでの方法は、銀ワイヤ１０を、ＩＭＡＴ支持部材又はベース１４に形成された開口部１２を通るバイアとして使用して、電気的接続を形成する。本発明は、銀製帯状部１６を使用して、電気的接続を形成し、これによりバイアワイヤ１０の必要性をなくす。

本アプローチでは、銀製帯状部１６は、ＩＭＡＴセグメント又は部品２０のチューブ支持部材１４の底面又は後側に形成される。銀製帯状部１６は、チューブ３０の内面２４上の電流コレクタ被覆２２と帯状部１６を電気的に接続する。銀製帯状部１６は、単一又は同じ行における全てのチューブの内部２４にある導電性被覆２２と帯状部１６を電気的に接続することが好ましい。帯状部１６は、ＩＭＡＴ支持部材又はベース１４のエッジ２６までずっと延長されている（図２ａ及び図２ｃ参照）。

ＩＭＡＴセグメント２０の頂面又は前側（チューブ３０側）には、銀製帯状部電気的接続３２がチューブ３０の脚部３４に形成されて、チューブ３０の外側又は外面上に被覆又は形成された電流コレクタ３６と、ベース１４上の行バス帯状部４０との間に、電気的接続を確立又は形成している。電気的接続３２は、帯状部４０の延長部であるか、あるいは帯状部４０が、電流コレクタ３６に重なるか合体して電気的結合又は接合を形成することがある。同じ行の全てのチューブ３０に対する導電性被覆３６は、１つの帯状部４０に電気的に接続されることが好ましく、またチューブの各行は、それに関連した対応する１つの帯状部４０を持つことが好ましい。

帯状部４０は、ＩＭＡＴベース１４のエッジ２６に至るまで延長されている（図２ｂ）。ＩＭＡＴセグメント２０のチューブ側２８の帯状部４０は、ＩＭＡＴセグメント２０の後側１８の帯状部１６と電気的に接続されて、１つの行を接続するＩＭＡＴセグメント２０の前側２８の各帯状部４０が、ＩＭＡＴセグメント２０の後側１８の隣り合う又は隣接する行を接続する帯状部１６と電気的に接続されるようにする（図２ｃ）。この頂部又は前側２８の帯状部４０とベース１４の後側１８の隣接する又は隣り合う帯状部１６との間に電気的接続を確立するシステムは、ＩＭＡＴセグメント２０の電流コレクタ用の直列パターンの接続を可能にする。

単一のチューブの内部２４にある電流コレクタ被覆２２は、帯状部１６を通って形成された電気的接続を経由する以外は、もう１つのチューブの内部２４にある電流コレクタ被覆２２から電気的に絶縁されていることが好ましい。同様に、単一のチューブ３０上の電流コレクタ３６は、導電性帯状部４０を通って確立された電気的接続を経由する以外は、もう１つのチューブ３０上の電流コレクタ３６から電気的に絶縁されていることが好ましい。

一例として、ＬＳＣＦ（ランタン・ストロンチウム・コバルト・フェライト）が電極材料として選ばれる。そして、銀は、電流コレクタ機能用に選択される。

導電性ワイヤ、例えば銀製ワイヤ５２及び５４は、セラミック素子２０の両端に前側２８で取り付けられて、セラミック素子にＤＣ電圧を印加することを可能にする。銀製ワイヤ５２は、チューブの下端行の電流コレクタ被覆に接続される（図２ｂ）。銀製ワイヤ５４は、第１の銀製帯状部に上端から接続される（図２ｂ）。

セラミック素子２０のモジュール構成の対称性は、第２の素子が反転されて第１の素子にシールされ、酸素発生器又は燃料電池アセンブリのいずれかを形成することを可能にする。第２の素子２０’は第１の素子２０と同一であることが好ましい。そして、同一の形状的特徴は、アポストロフィ（’）を付けて表される。双方共に銀製帯状部の接続を持つ２つのＩＭＡＴセグメント又は部品２０及び２０’は、それからガラステープ又はペースト４２を使用して一緒にシールされる。このことにより、帯状部のＶ字型又は“ゼブラ”型パターンが図３に示されるエッジ２６及び２６’の側に作られるか形成される。部品２０及び２０’は、温度を上昇させるために焼成されて、シール４２を形成する。

銀製帯状部の厚さ及び幅は、必要とされる電流を帯状部経由で電気抵抗に起因する最小損失で搬送する要件と、ＩＭＡＴ部品２０及び２０’を一緒にシールして高圧力に耐えると共に繰り返し温度サイクル及び圧力サイクル変化時に気密性を維持する要件とによって決定される。帯状部の厚さは、同じである必要はない。即ち、ＩＭＡＴベース１４とガラスシール４２の間に緊密に挟まれた部分だけが（無漏洩シールが必要とされる時に）所定の範囲内で厳密に制御されて、抵抗及び応力を最小化すべきである。帯状部の残りの領域は、オプションで更に厚くされ、電流搬送能力を改善するようにしてもよい。

銀製帯状部のＩＭＡＴ部品２０上への複合的適用がなされると、ＩＭＡＴ電流が最大化される最良の厚さを決定することができる。所望の銀製帯状部厚さを持つＩＭＡＴセグメント２０は、それから一緒にシールされて、３０サイクルにわたり、温度サイクルテストが（圧力サイクル変化と組み合わされて）行われる。この場合、（高い温度でＤＣ電圧を印加されて酸素を自己発生する）各サイクルのピーク圧力は、一例として、１５０ｐｓｉを超える。

銀製帯状部をガラスシール４２とＩＭＡＴベース１４の間に挟まれるようにしたことで導入された応力を更に低減するために、ガラスシール４２とＩＭＡＴベース１４の間に緊密に挟まれた各帯状部の領域は、図４ａに模式的に示されているように、より小さな帯状部４４ａ〜ｃの集団に更に分離される。応力を更に低減するために、相手側の部品２０’（第２のＩＭＡＴ部品２０’は第１の部品２０でシールして完全なＩＭＡＴモジュール４６を形成する）は、帯状部の同様の集団を持つことができ、そして対応する集団の場所は、ＩＭＡＴエッジ２６に沿って１小帯状部分だけ上又は下に移動又は変位される（図４ｂ）。その代わりに帯状部は、ＩＭＡＴエッジ２６に沿って両部品２０及び２０’上で１／２幅だけ逆方向にシフトされ得る。

その代わりに、ＩＭＡＴ２０の一方の側における帯状部の場所は、同じＩＭＡＴ部品の他方の側における帯状部の場所に対して、ＩＭＡＴ部品エッジに沿って上側又は下側にシフトされ得る。これは、部品２０と同一か対応するＩＭＡＴ部品２０’が反転され、部品２０でシールされるようにするためである。この場合、銀製帯状部は、ＩＭＡＴエッジ２６及び２６’に沿った如何なる場所でも重なることはない。

銀は、例えば帯状部１６用に使用され得るが、ＩＭＡＴモジュール４６へ適用するための適切に選択される任意の導電性材料、例えば金属、金属合金、セラミック類、及び複合材料もまた使用され得る。例えば、金、プラチナ、その他である。更に、２以上の導電性材料は、同じ帯状部の異なる部分で使用され得る。特に、銀よりも熱膨張係数がＩＭＡＴで使用されるセラミックに近い導電性材料、例えば金は、２つのＩＭＡＴセグメント又は部品２０及び２０’を結合するときにガラスシール４２とＩＭＡＴベース１４の間に挟まれる帯状部の部分を形成することに使用できる。

上記論議は、２種類の被覆、例えば電極被覆及び電流コレクタ被覆を持つＩＭＡＴ部品に取り組んでいるが、１種類の被覆だけが使用される場合、例えば単一の被覆が電極と電流コレクタの双方として機能する場合には、導電性帯状部のアプローチも適用され得る。この状況では、帯状部４０は、この被覆にチューブ側で接続され、そして帯状部１６は、この被覆に裏側で接続される。

［方法］
イオン伝導性セラミック素子を接続するための方法は、好ましくは、
ａ． 各々が内面及び外面を有すると共に各々が閉鎖端及び開放端を有する複数のチューブ３０を形成する工程と、
ｂ． 頂面及び底面を有して、前記複数のチューブ３０の開放端を受けるためのチューブ支持部材１４を形成する工程と、
ｃ． 複数のチューブ３０の外面上に第１の導電性被覆又は電流コレクタを形成する工程（電流コレクタ被覆の適用に先行して、伝導性被覆又は電極がチューブ３０の外面に適用される）と、
ｄ． 外面上の伝導性被覆を受けるチューブに概ね対応した複数のチューブ３０の内面上に第２の導電性被覆又は電流コレクタを形成する工程（同様に、電流コレクタ被覆の適用に先行して、第２の伝導性被覆又は電極がチューブ３０の内面に適用される）と、
ｅ． チューブ支持部材１４の底面１８上に少なくとも１つの底部導電性帯状部１６を形成して、チューブ３０の内面上の２以上の選択された第２の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
ｆ． チューブ支持部材１４の頂面２８上に少なくとも１つの頂部導電性帯状部４０を形成して、チューブ３０の外面上の２以上の選択された第１の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
ｇ． 頂部帯状部４０と底部帯状部１６を電気的に接続して、１つの行のチューブ３０を接続する頂部上の少なくとも１つの帯状部が、隣接する行のチューブ３０を接続する底部上の少なくとも１つの帯状部と電気的に接続されるようにする工程と、
ｈ． 第２のセラミック素子２０’を反転し、更にガラスボンドを使用してそれを第１のセラミック素子２０でシールして、１つのＩＭＡＴモジュール４６を形成する工程と
を備える。

この発明の前述した開示及び記述は、その図解及び説明であって、サイズ、形状及び材料に、並びに図解された構成の詳細について、発明の思想から逸脱することなく、種々の変化がなされ得る。

ＩＭＡＴベースを通るバイアワイヤを使用してＩＭＡＴチューブの隣接する行を直列に接続する従来技術を示す模式的断面図である。 銀製帯状部をＩＭＡＴエッジの回りに使用してＩＭＡＴチューブの行を直列に接続する本発明を示す模式図であり、図２ａはＩＭＡＴ部分の後側面図、図２ｂはＩＭＡＴの前側面図である。 ＩＭＡＴの側面図である。 双方がガラステープで一緒にシールされた帯状部銀接続を有する２つのＩＭＡＴセグメント又は部品の側面図である。 ガラスシールと機械的応力を低減するために複数の更に小さな帯状部に分割されたＩＭＡＴベースとの間に緊密に挟まれた帯状部の領域の模式的表現である。 第１のＩＭＡＴにシールされる第２のＩＭＡＴ部分の対応する領域にある銀製帯状部の模式的表現であり、図４ａに示す銀製帯状部も分割されているが、ＩＭＡＴエッジに沿って小帯状部の１幅分だけ下側に移動されている。 各々８チューブの２８列、別の言い方をすれば、各々２８チューブの８行を持つ既知のＩＭＡＴモジュールの側面斜視図である。

Claims (24)

1. 各々が内面及び外面を有すると共に各々が閉鎖端及び開放端を有する複数のチューブと、
   頂面及び底面を有して、前記複数のチューブの開放端を受けるチューブ支持部材と、
   前記複数のチューブの外面上に形成された第１の導電性被覆と、
   前記複数のチューブの内面上に形成された第２の導電性被覆と、
   前記チューブ支持部材の底面上に形成されて、前記チューブの内面上の２以上の選択された第２の導電性被覆間に電気的接続を形成する少なくとも１つの底部導電性帯状部と、
   前記チューブ支持部材の頂面上に形成されて、前記チューブの外面上の２以上の選択された第１の導電性被覆間に電気的接続を形成する少なくとも１つの頂部導電性帯状部と、を備え、
   前記頂部導電性帯状部は前記チューブ支持部材のエッジに至るまで延び、前記底部導電性帯状部は前記チューブ支持部材の前記エッジに至るまで延び、
   前記頂部導電性帯状部と前記底部導電性帯状部は前記チューブ支持部材の前記エッジの近傍で電気的に接続され、１つの行のチューブを接続する頂部上の少なくとも１つの導電性帯状部が、隣接する行のチューブを接続する底部上の少なくとも１つの導電性帯状部と電気的に接続されるようにする、ことを特徴とするイオン伝導性セラミック素子。
2. 前記頂部導電性帯状部及び前記底部導電性帯状部は、銀又は銀合金によって形成されている請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
3. 前記頂部導電性帯状部及び前記底部導電性帯状部は、銀、金及びプラチナからなる群から選択された導電性材料によって形成されている請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
4. 少なくとも１つの導電性帯状部の各々の１以上の部分が２以上の導電性材料によって形成されている請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
5. 少なくとも１つの導電性帯状部は、より小さな帯状部の集合からなる少なくとも１つの部分を持つ請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
6. セラミック素子のモジュール構成の対称性は、第２のセラミック素子が反転されて第１のセラミック素子にシールされ、酸素発生器又は燃料電池アセンブリに有用な部品デバイスを形成することを可能にする請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
7. ２つの相補的に形成されたイオン伝導性セラミック素子間に形成されたガラスボンドを更に備える請求項６に記載のイオン伝導性セラミック素子。
8. 前記第１のセラミック素子は、小帯状部の集合からなる少なくとも１つの部分を持つ少なくとも１つの帯状部を有し、前記第２のセラミック素子は、小帯状部の集合を持つ少なくとも１つの対応する帯状部を有し、そして、前記集合の場所は、１つの小帯状部分だけ上又は下にセラミック素子エッジに沿って変位されている請求項６に記載のイオン伝導性セラミック素子。
9. 前記第１のセラミック素子は、小帯状部の集合からなる少なくとも１つの部分を持つ少なくとも１つの帯状部を有し、前記第２のセラミック素子は、小帯状部の集合を持つ少なくとも１つの対応する帯状部を有し、そして、前記集合の場所は、両セラミック素子上で１／２幅だけ逆方向にセラミック素子エッジに沿って変位されている請求項６に記載のイオン伝導性セラミック素子。
10. セラミック素子の１つのエッジ上の帯状部の位置は、もう１つの対応するエッジ上の帯状部の位置に対しシフトされ、第２の同一セラミック素子は反転されて、２つの素子がシールされるエッジで銀製帯状部が重なることなく、前記第１のセラミック素子でシールされることを可能にする請求項６に記載のイオン伝導性セラミック素子。
11. 前記第１の導電性被覆の形成に先行して、前記複数のチューブの外面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
12. 前記第２の導電性被覆の形成に先行して、前記複数のチューブの内面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
13. イオン伝導性セラミック素子を形成するための方法であって、
    各々が内面及び外面を有すると共に各々が閉鎖端及び開放端を有する複数のチューブを形成する工程と、
    頂面及び底面を有して、前記複数のチューブの開放端を受けるためのチューブ支持部材を形成する工程と、
    前記複数のチューブの外面上に第１の導電性被覆を形成する工程と、
    前記複数のチューブの内面上に第２の導電性被覆を形成する工程と、
    前記チューブ支持部材の底面上に少なくとも１つの底部導電性帯状部を形成して、前記チューブの内面上の２以上の選択された第２の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
    前記チューブ支持部材の頂面上に少なくとも１つの頂部導電性帯状部を形成して、前記チューブの外面上の２以上の選択された第１の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
    前記頂部導電性帯状部と前記底部導電性帯状部を電気的に接続して、１つの行のチューブを接続する頂部上の少なくとも１つの導電性帯状部が、隣接する行のチューブを接続する底部上の少なくとも１つの導電性帯状部と電気的に接続されるようにする工程と、を備え、
    前記頂部導電性帯状部は前記チューブ支持部材のエッジに至るまで延び、前記底部導電性帯状部は前記チューブ支持部材の前記エッジに至るまで延び、
    前記頂部導電性帯状部と前記底部導電性帯状部は前記チューブ支持部材の前記エッジの近傍で電気的に接続される、ことを特徴とする方法。
14. 前記頂部導電性帯状部及び前記底部導電性帯状部は、銀又は銀合金によって形成される請求項１３に記載の方法。
15. 前記頂部導電性帯状部及び前記底部導電性帯状部は、銀、金及びプラチナからなる群から選択された導電性材料によって形成される請求項１３に記載の方法。
16. 少なくとも１つの導電性帯状部の各々の１以上の部分が２以上の導電性材料によって形成されている請求項１３に記載の方法。
17. 少なくとも１つの導電性帯状部は、より小さな帯状部の集合からなる少なくとも１つの部分を持つ請求項１３に記載の方法。
18. セラミック素子のモジュール構成の対称性は、第２のセラミック素子が反転されて第１のセラミック素子にシールされ、酸素発生器又は燃料電池アセンブリに有用な部品デバイスを形成することを可能にする請求項１３に記載の方法。
19. ２つの相補的に形成されたイオン伝導性セラミック素子間に形成されたガラスボンドを更に備える請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１のセラミック素子は、小帯状部の集合からなる少なくとも１つの部分を持つ少なくとも１つの帯状部を有し、前記第２のセラミック素子は、小帯状部の集合を持つ少なくとも１つの対応する帯状部を有し、そして、前記集合の場所は、１つの小帯状部分だけ上又は下にセラミック素子エッジに沿って変位される請求項１８に記載の方法。
21. 前記第１のセラミック素子は、小帯状部の集合からなる少なくとも１つの部分を持つ少なくとも１つの帯状部を有し、前記第２のセラミック素子は、小帯状部の集合を持つ少なくとも１つの対応する帯状部を有し、そして、前記集合の場所は、両セラミック素子上で約１／２幅だけ逆方向にセラミック素子エッジに沿って変位される請求項１８に記載の方法。
22. セラミック素子の１つのエッジ上の帯状部の位置は、もう１つの対応するエッジ上の帯状部の位置に対しシフトされ、第２の同一セラミック素子は反転されて、２つの素子がシールされるエッジで銀製帯状部が重なることなく、前記第１のセラミック素子でシールされることを可能にする請求項１８に記載の方法。
23. 前記第１の導電性被覆の形成に先行して、前記複数のチューブの外面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項１３に記載の方法。
24. 前記第２の導電性被覆の形成に先行して、前記複数のチューブの内面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項１３に記載の方法。

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