JP4917551B2 - 電気化学式酸素発生器モジュールアセンブリ - Google Patents

Description

［関連出願との相互参照］
この出願は、２００５年２月８日に「電気化学式酸素発生器モジュールアセンブリ」なる名称で出願された米国仮出願第６０／５９３，７１３号に基づく。

この発明は、酸素をそれよりも複雑な酸素含有ガスから分離して、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固体電気化学装置に関する。

酸素をそれよりも複雑なガス、例えば空気から、電気化学的プロセスによって除去できることは周知であり、且つ実証されている。このプロセスでは、酸素分子をイオン化し、固体電解質を通して酸素イオンを輸送し、そして酸素分子を対向する電解質表面上に再形成する。電解質の表面に適用された好適な触媒作用を持つ電極被覆に対して電位が印加される。この電極被覆は、酸素原子に対して多孔性であると共に、その電解質との界面で酸素原子を酸素イオンに解離するように作用する。酸素イオンは、電解質を通して対向面へ輸送される。この対向面もまた、触媒作用を持つ電極で被覆されると共に、過剰な電子を酸素イオンから除去する逆電位に充電されている。そして酸素原子は、再形成される。しかしながら、現在の酸素発生システムは、一般に１８００ｐｓｉを超える高圧力酸素を配送することができない。かくして、高圧力酸素を与えるシステム及び方法に対する必要性が当技術には存在する。生物学的剤や他の有毒物質で汚染されている汚染空気を使用することができる酸素発生システムに対するもう１つの必要性が当技術には存在する。

集積マニホルド及びチューブ（ＩＭＡＴ）モジュール設計は既知である。例えば、本譲受人によって所有されている米国特許第５，８７１，６２４号、５，９８５，１１３号、６，３５２，６２４号、６，６８５，２３５号及び６，７８３，６４６号は、酸素発生システムにおけるそのような既知のＩＭＡＴ設計を教示している。しかしながら、そのような従来のＩＭＡＴ設計及び取り付け方法は、１つのＩＭＡＴユニットとオーブンから延びる金属チューブとの間に球状ジョイントを必要とした。本発明よりも前に建造された全てのオーブンに対して使用された他の設計は、各ＩＭＡＴから酸素を取り出すことに球状ジョイントと出口又は配送チューブとを必要とした。そのようなジョイントは、全てが漏洩を受けやすく、しかも非常に高価である。
米国特許第５，８７１，６２４号明細書 米国特許第５，９８５，１１３号明細書 米国特許第６，３５２，６２４号明細書 米国特許第６，６８５，２３５号明細書 米国特許第６，７８３，６４６号明細書

上記で引用された参考の特許文献は、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、第１及び第２の端部を持つ中央ユニットを備える。この中央ユニットは、端部間が中心軸に沿って連結された複数の集積マニホルド及びチューブ（ＩＭＡＴ）モジュールからなる。各ＩＭＡＴモジュールは、第１及び第２の表面を持つ少なくとも１つのチューブ支持部分と、第１の表面から延びた複数のチューブ部分とを有する。チューブ部分は各々、閉鎖端と開放端とを有する。第２の表面は、少なくとも部分的に大気に開放されている。複数のチューブ部分の開放端は、第２の表面を通して大気に開放されている。ＩＭＡＴモジュールの内部には所望の生成ガスを収集するための内部空間が形成されている。生成物出力又は収集チューブは、中央ユニットの第１の端部に効果的に連結されて、接続されたＩＭＡＴモジュールの内部空間に収集された所望の生成ガスを輸送する。

セラミック素子は、電解質とバインダの射出成形によって設けられる。このセラミック素子は、チューブ支持部分と、このチューブ支持部分から延びた複数のチューブとを有する。複数のチューブは、行及び列に配置される。複数のバイアは、チューブ支持部分の一方の表面からチューブ支持部分の逆の表面まで延びている。このセラミック素子は、導電性被覆と電流コレクタ被覆で被覆されている。バイアは、導電性被覆で被覆されて塞がれる。セラミック素子の選択された領域の被覆が除去された後に、セラミック素子のチューブは、直並列アレイを形成する。これは、同じ列のチューブが電気的に並列に接続され、且つ隣接する行のチューブが電気的に直列に接続されるからである。２つのセラミック素子は一緒にシールされて、独立したモジュール式電気化学装置を作る１つの集積マニホルド及びチューブ（ＩＭＡＴ）を形成する。この電気化学装置は、酸素発生器か燃料電池のいずれかである。２以上の酸素発生器を一緒にマニホルド接続すると、酸素発生能力を増加させることができる。

本発明は、端部間が連結されてＴｒｉＭＡＴモジュールを形成する複数の独立したＩＭＡＴモジュールを備える。

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、この発明で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。

図１は、モジュール式セラミック酸素発生器の形態をとる電気化学酸素発生器を利用した既知の完全酸素発生システム１０の模式図を描いている。この模式図は、オーブンヒータ２４に電力を供給して、酸素発生モジュールアセンブリ２２の動作範囲内で温度を上昇させる電源及び制御器２０を描いている。酸素発生ＩＭＡＴモジュール２２アセンブリは、特許文献１（米国特許第５，８７１，６２４号）及び特許文献２（米国特許第５，９８５，１１３号）に開示されると共に以下で説明されるような１以上の酸素発生モジュールを含むことができる。

オーブン室２６内の温度範囲は、酸素発生モジュールアセンブリ２２を構成することに使用される材料に依存して、約５００〜８００℃である。酸素発生モジュール２２は、オーブン室２６内に位置決めされる。オーブン室２６が好ましい最低動作温度に達したことが、オーブン室２６内に取り付けられた少なくとも１つの熱電対２８によって検出されると、制御器２０は、ファンモータ３０への電力供給を開始して、酸素積載空気を、逆流熱交換器３２を通して、オーブン２６室内の、少なくとも１つのモジュール２２を有したモジュールアセンブリ２１へ配送する。制御器２０はまた、電力をモジュール２２へ配送し、そして特許文献１（米国特許第５，８７１，６２４号）及び特許文献２（米国特許第５，９８５，１１３号）に教示されているように、酸素は電気化学的に発生される。発生される酸素の量に依存して、電力の量は変更され得る。電力がモジュール２２へ配送され、そして酸素が発生されるときに、モジュール２２内の電気抵抗は、付加的な熱を発生する。この付加的な熱を補償するために、制御器２０は、オーブンヒータ２４への電力を低減し、オーブン室２６内の所望の公称動作温度を維持する。発生されている酸素は、一時的な酸素貯蔵容器として作用する生成物プレナム３４に配送される。酸素は、生成物プレナム３４から低圧力調節器３６、最終フィルタ３８、チェック弁４０、フローメータ４２へ、そして最後にユーザ調整可能弁４４へと配送され、例えば患者により即時使用される。生成酸素はまた、他の所望の用途にも適切である。

酸素はまた、取り外し可能な可搬型貯蔵シリンダ５２の接続５０を可能とする高圧力接続へ配送される。可搬型シリンダ５２は自動的に充填され、後に使用される。制御器２０は、適切な電力をモジュール２２に与えて、高圧力スイッチ５４が１８００ｐｓｉｇを超える高圧力を検出するまで、高い圧力の酸素を発生する。１８００ｐｓｉｇを超えると、制御器２０は、高圧力スイッチ５４の圧力が１８００ｐｓｉｇ未満に低下するまで、モジュール２２に対する電力を低減する。制御器２０はまた、低圧力スイッチ５８を電気的にモニタする。このスイッチ５４は、生成物プレナム３４及び高圧力コネクタ５０に配送される圧力を約１８００ｐｓｉｇの公称圧力へ調節することを可能にする。高圧力解放弁５６は、制御器２０の不具合の場合に、約２０００ｐｓｉｇを超える過剰圧力を排出して、公称圧力を２０００ｐｓｉｇ未満に制限すると共に、過剰温度に関連した圧力増加を軽減する。最大公称動作圧力は約１８００ｐｓｉｇであることが理解されるべきである。制御器２０はまた、高圧力スイッチ５４を電気的にモニタする。動作圧力が所定時間後に最低動作圧力よりも低い場合、制御器２０は、警告灯及び可聴警報（図示せず）を作動する。

図２は、既知のセラミック酸素発生システムの断面を描いたものであり、オーブン２６、絶縁体２００、酸素発生モジュールアセンブリ２２、ヒータ２４、平面逆流熱交換器３２、空気流ダンパー２０２、及びファン３０を描いている。逆流熱交換器は、非常に効果的で単純な低コストの設計アプローチである。図２に描かれているように、４つの酸素発生モジュール２２’，２２”，２２’”，２２”” が酸素発生アセンブリ２２を形成しているが、任意の数のモジュールが使用可能である。酸素発生モジュール２２’，２２”，２２’”，２２””は、チューブ２３’，２３”，２３’”によって一緒にマニホルド接続されている。出口または配送チューブ２５は、壁２１０を貫通して、高圧力酸素を生成物プレナム３４及び高圧力接続５０に与える。

冷たい新鮮な空気は、内部オーブンに入る前に加熱され、そして熱い空気は、オーブン２６を出る前に冷却され、これによりエネルギを保存する。図２に描かれた平面逆流構成では、ファン３０は、冷たい酸素積載空気を、オーブン絶縁体２００で作られた内壁２２０，２２２の外面と熱交換器壁の内面２５０，２５２との間にあるチャネル２８０，２８２内に導入する。この冷たい空気は、熱交換器壁に沿って内側に通過するときに加熱される。これは、熱い酸素劣化空気が熱交換器壁の他方の側にある内部オーブン２６から外側に出ているからである。到来する空気もまた、オーブン絶縁体２００の壁２２０，２２２の外面によって部分的に加熱され、それから内部オーブンへの途中で１８０°旋回した後に、オーブン絶縁体２００の壁２２０，２２２の内面によって部分的に加熱される。チャネル２８０，２８２は各々、ファン３０から左右に流れ、それから反転して左右に流れる。

電気抵抗は、化学ポテンシャルエネルギよりも電気ポテンシャルエネルギを駆動力として使用する電気化学酸素発生システムに固有である。電気化学酸素発生モジュール２２は、熱と酸素を発生する。多すぎるオーブン絶縁体２００と非常に効率的な熱交換器は、暴走オーブン温度を生じさせる。１つの温度制御法は、ある量のヒータ活性化が、初期始動期間後に、通常動作温度を維持することに常に使用されることを確実にすることである。もう１つの方法は、ファン３０のスピードを調整し、付加的な空気がオーブン２６を通して循環されて、過剰な熱を奪うようにすることである。制御器２０は、１以上の計略的に配置された熱電対２８（図２には示されていない）を使用して内部オーブン２６内の温度をモニタし、オーブン温度が正常であることを確実にする。制御器２０は、この情報を使用して、ヒータ２４の電圧か、ファン３０のスピードのいずれかを調整して、内部オーブン２６内の温度を制御する。

図２に描かれているように、６つの空気ダンパー２０２が図示の実施形態で使用されている。３つのダンパーは各々、壁２６０，２６２に取り付けられている。この場合、ダンパー２０２は、モジュール２２の間に、互いに対向して位置決めされる。図示の空気ダンパー２０２は、ある程度の酸素積載空気が、内部オーブンへの全熱交換器流路を満たす前に、モジュール室又は内部オーブン２６へ入ることを許容する。全ての酸素積載空気が、全熱交換器流路を横断することを強制された場合、より高い温度勾配がオーブン内の一連のモジュール２２を横切って生ずる。この空気は、各モジュール２２を通るときに累進的に加熱される。ある程度の空気が後者のモジュール２２’”，２２””付近に入ることを許容することにより、モジュール２２’，２２”を横切る更に均一な温度勾配が与えられ、そしてモジュール２２’”，２２””が加熱され得ることが防止される。これらのダンパー２０２は調整可能であり、そしてシステム１０の組立中に、またシステム１０の製造及び組立プロセスの完了後の初期始動試験プロセス中に、手動操作で調整され得る。これらのダンパー２０２は、好適な円筒形ロッド（図示せず）に取り付けられたダンパーフラップ２０４を有する。この円筒形ロッドは、内部オーブン絶縁体及び支持構造を通して内部オーブン２６の外側へ延びている。ダンパーロッドの端部は、組立プロセス中に好ましい方位に回転され固定され得る。その代わりに、ダンパーは、熱電対２８によって測定された内部オーブン２６の温度に基づいて、制御器２０によって自動的に調整され得る。いくつかのタイプの使用可能な電気化学ダンパーアクチュエータが利用できる。

図３は、既知の熱交換器実施形態のもう１つのタイプを描いている。これは、図２に関して上述された流れ制御ダンパー付き平面熱交換器に匹敵するもう１つのアプローチである。チューブ状熱交換器アプローチは、複数の円筒形チューブ３００，３０２を利用する。これらチューブは、オーブンの内側及び外側絶縁体の間に入り、オーブンの遠端まで横断し、内部オーブン２６へ入り、そして内部絶縁体の内部にあるオーブンの逆側へ戻る。冷たい酸素積載空気は、ファン３０によって強制的にチューブ３００，３０２へ押し込まれ、そしてオーブンの同じ端部で内部オーブン２６へ分配される。熱い酸素劣化空気は、チューブ３００，３０２の外側の回りを逆方向に流れて、酸素劣化空気を冷却すると共に冷たい酸素積載空気を温める。チューブのいくつかは、内部オーブン内の復路に沿った計略的ポイント（典型的にはモジュール２２’，２２” 間；２２” ，２２’” 間；２２’”，２２””間）に穴３２０を持つか、あるいはチューブのいくつかは、内部オーブン内の復路に沿った計略的ポイントで終わる。このことにより、ある程度の空気は、チューブ３００，３０２の全長を横断する前に、オーブン室に入ることが許容される。これにより、空気流れ制御ダンパー付き平面熱交換器について上述したような、より均一な温度勾配が可能になる。

図３に示すように、ダンパー３４０，３４２は、冷たい酸素積載空気がチューブ３００，３０２に入るファン３０付近に配置されている。穴を持たないか内部オーブン２６内の全経路を横断する前にファン端で終わらないチューブのいくつかもまた、ダンパーを有しない。穴を持つか内部オーブン２６内の全経路を横断する前にファン端で終わる残りのチューブは、ダンパーを有する。ダンパーは、チューブを定位置に固定するチューブ板の遠側にある適切なチューブの開放端に配置されている。内部オーブン内の各ゾーンの温度を調節することが必要とされる場合、ダンパーは、チューブの開放端を横切って配置され、それらを閉塞することができる。ダンパー３４０，３４２は、前述したように、手動操作で調整されるか、制御器２０によって自動的に調整され得る。

セラミック発生器の温度又は酸素生成の率を制御するためのもう１つの方法は、発生器に供給される供給空気の量を低減すること、あるいは供給空気内の酸素の量を低減することである。先に説明されたように、酸素生成の率とセラミック発生器を通る電流との間には等価性がある。電流は、発生器に印加された電圧からネルンスト・アインシュタイン電圧を引いた値に比例する。ネルンスト・アインシュタイン電圧は、セラミック発生器の入力及び出力における酸素分圧の差に比例する。それ故、入力酸素分圧が低下するとき又は出力酸素分圧が増加するとき、又は双方で、電流、かくして酸素流は、低減される。実際に、入力酸素分圧は、前述したダンパーを使用するか、他の手段、例えばファン３０のスピードを低減することによって低減され得る。セラミック発生器を通る酸素流及び電流が低減されると、発生器における電力消失は低減され、これによりモジュール内の自己加熱を低減して、より低い発生器温度となる。

説明された既知の実施形態の全てにおいて、個別モジュール２２の酸素配送チューブ２３’，２３” ，２３’”及び２５は、炉の加熱された区間の外へ延びるか内部的に連結され、そして結果として生じたチューブ２５は炉の外へ延びなければならない。個別チューブを炉又は内部オーブン２６の外へ延ばす１つの方法は、モジュール２２’の適合した穴又は凹部にシールされたセラミックチューブ２５を使用することである。セラミックチューブの使用は、熱膨張係数を異ならせることによって生ずるモジュール界面へのチューブ上の応力を最小化する。しかしながら、この方法は、チューブ、モジュール、及びシールの全てが、壊れずに有意な変位に耐えることができない脆い材料から形成されている点に問題がある。このアプローチを使用して、チューブ上に曲げモーメントがかからないようにすることは難しい。好ましい従来の方法は、より弾性的なシールを、チューブ２５の球形状の装置又は相手方端部４０２を、モジュール２２又はハウジング６０９内の通路６０７を中心として形成された適合性又は互換性のある凹面又は凹部４０４内に押し込むことによって、形成することである。凸状の球形状は、チューブ２５の外面上に形成され、また凹面はモジュール壁に形成され得るが、逆でもよい。また、凹部は、円錐形でも球形状でも良い。この従来の方法は、例えばバネや錘の作用によってチューブ２５が連続して凹面４０４内に押されている場合の有意な量の不整合に順応するシールを可能にする。図４は、この従来の方法を描いており、そして現実性のあるシールを依然として維持しながら順応された有意な不整合を示している。

図５〜８は、従来の電気化学酸素発生システムのもう１つの既知の実施形態を説明している。このシステムは、収集マニホルド７００又は収集チューブシステム中へ送り込む個別モジュール端２２ｅを持つ複数の独立したＩＭＡＴモジュールを有する。

［ＩＭＡＴモジュール］
セラミックＩＭＡＴモジュール素子８００の説明された実施形態は、一体のイオン伝導性セラミック電解質で射出成形されたものであることが好ましい。セラミックモジュール素子８００はまた、同じ又は同様のセラミック材料の固体ブロックから一体に機械削りされるか、あるいは、いくつかの部材から機械削りされ、それから一緒に結合されて、モジュールセラミック素子を形成することもできる。

射出成形でも機械削りでも、素子全体は単一の材料から製造され、異なる膨張係数を持つ異なる材料を使用することに関連した問題を排除できる利点がある。均一な熱膨張係数を持つ単一材料は、以下で詳細に説明されるように、漏洩のない動作を与える。

モジュールセラミック素子８００は、単位体積当たりの表面積を大きくする利点がある。以下で詳細に説明されるように、セラミックモジュール素子８００は、酸素発生アセンブリか燃料電池アセンブリのいずれかを形成するために、対で使用可能であることが好ましい。セラミック素子８００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の素子は、第１の素子８００と同一であることが好ましい。

モジュールセラミック素子８００は、概ね平坦なチューブ支持部材８０４から延びた長尺な離れて配置されたチューブ８０２のアレイを有する。

支持部材８０４は、概ね矩形の輪郭である。説明された実施形態では、内面及び外面を有する円形又は円筒形のチューブ８０２が図示されているが、他の構成が“チューブ”に対して使用可能であり、また“チューブ”という用語は、ここでは参照の便宜を計る目的でのみ使用されている。この点は理解されるべきことである。図９に図示されているようなアレイは、８行及び２８列の計２２４チューブを有するが、この発明は、描かれたチューブの数に限定されるものではない。チューブ８０２の数、サイズ及び長さは、酸素発生器にとっては、生成されるべき酸素の量に依存する。各チューブ８０２の遠外端は、端部８０５で閉鎖されている。

図９に図示されているように、第１の実施形態のモジュールセラミック素子８００は、その周縁の回りに、セラミックモジュール素子８００の下面８０８から下側に延びたフランジ部分８１０を有する。

酸素発生器として使用するために、セラミックモジュール素子８００の外面の主要部分は、図１０に図示されているように、被覆プロセス中に、触媒作用を持つ導電性材料で被覆される。加えて、そして好ましくは、セラミックモジュール素子８００は、それから電流収集被覆で被覆される。素子８００の外面は、上面８０６と、チューブ８０２の外面８０３と、その閉鎖端８０５とを含む。同様に、下面８０８と、チューブ８０２の各々の内面８７０は、同様の導電性材料で被覆され、それから好ましくは電流収集被覆で被覆される。チューブ８０２の閉鎖端８０５は、図１０に図示されているように、平坦な内面８０９と、平坦な外面８１３とを有するが、説明された実施形態のいずれにおいても、表面８０９及び８１３は、平坦でも湾曲していても、あるいはそれらの組合せでもよい。チューブ８０２の内面８７０は、図９に図示されているように、大気に開放されている。

燃料電池で使用するために、全ての説明された実施形態において、モジュールセラミック素子は、燃料に曝される面が、金属セラミック複合被覆だけで被覆される。空気又は酸素に曝される面は、ここで説明される酸素発生器で使用されるものと同じ被覆で被覆されることがある。金属セラミック複合材料は導電性であるが、動作中に燃料電池が曝される酸化性環境のために、酸素発生器用に使用される被覆とは組成が異なる。その被覆は、３０〜７０％体積のＮｉ及び３０〜７０体積の安定化ジルコニアであるが、４０％体積のＮｉ及び６０％体積の安定化ジルコニアが好ましい。ここで説明されている電気的相互接続は、セラミック素子８００が酸素発生器アセンブリで使用されても燃料電池アセンブリで使用されても同じである。燃料電池で使用される壁厚さは、電気的効率を改善するために、同様のサイズの酸素発生器に対する壁厚さ未満であることが好ましい。

一連のバイア８１４は、上面８０６から下面８０８まで貫通している。バイア８１４は、セラミック電解質を通って延びる穴である。各バイア８１４は、対応するチューブ８０２に隣接して配置されると共にそこから長さ及び幅の両方向にオフセットされている。バイア８１４の数は、チューブ８０２の数に対応しており、またバイア８１４は、列及び行に同様に位置決めされている。バイア８１４は、被覆プロセス中に導電性被覆でメッキされ（且つ充填又は埋められ）ている。

ＩＭＡＴモジュールアセンブリ２２が図１１に図示されている。図１１のモジュールアセンブリ２２を形成する素子２２ｔ及び２２ｄは、同一且つ対称的であって、完全なＩＭＡＴモジュールアセンブリ２２を形成するものであることが好ましい。フランジ部材８１０は、チューブ支持部剤８０４の下面８０８からその周縁の回りを外側に延びて、素子２２ｔ及び２２ｄが一緒に配置されたときに、フランジ部材８１０及び８１０’が連結されて、内部シールされた空間又はマニホルド８３０を、その内部で２つの素子２２ｔ及び２２ｄの下面８０８間に形成する。説明された実施形態のいずれでも、カバー板（図示せず）は、セラミック素子２２ｄの代わりに使用され得る。

［本発明のＴｒｉＭＡＴ］
特に図１２を図示されているとおり、本発明は、複数の独立したモジュール又はユニット（ＩＭＡＴ）２２を組み立てて、１つのＴｒｉＭＡＴ７０２を形成する方法を与える。一例として、３つのＩＭＡＴ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、端部間をシールされて、電気的及び機械的な接続を２／３低減する。そのようなＴｒｉＭＡＴ７０２アセンブリは、オーブンを出る酸素用の経路として機能する生成物配送チューブを有することが好ましい。ＴｒｉＭＡＴ７０２の逆端部には、機械的マウントとして機能すると共にＴｒｉＭＡＴ７０２をシステムの残部から電気的に絶縁することに使用されるパーキングブロックがあってもよい。本発明は、モジュールを組み立てる方法を見い出す問題を実用的且つ経済的手法で解決する。

ＩＭＡＴモジュール又はユニット７００は、中心軸Ａに沿って、一端部から相補的端部へ、即ち第２端部７０６からもう１つのＩＭＡＴモジュールの第１端部７０４へ一緒に結合されて、１つの中央ユニット７０３となり、これにより中間的部品及び関連した故障モードを排除する。中央部分７０３は、第１の端部７１４と、逆端部７１６とを有する。

材料の支持ブロック７０８は、オプションで、ＩＭＡＴ中央部分７０３の第２端部７１６の底側７０６にある出口穴上に結合されて、ＴｒｉＭＡＴ７０２を形成する。オプションの支持ブロック７０８は、中央部分７０３の端部７１６に位置しているＩＭＡＴモジュール２２ｃの一端部７０６を塞ぐと共に、ＴｒｉＭＡＴ７０２を取り付けるための“足部”を与える。

Ｔ字を形成するフランジ７１２を一端に持つ“Ｔ”字形のセラミック収集チューブ７１０は、支持ブロック７０８を取り付けるＴｒｉＭＡＴ端部７１６とは逆のＴｒｉＭＡＴユニット７０２の中央部分の端部７１４に取り付けられる。収集チューブ７１０は、独立したＩＭＡＴユニット２２が互いに取り付けられたものと同じ手段によって取り付けられる。これにより、高度に耐振動性をもち、非常に漏洩が少ない本発明の１つのモノリシック構造が作られる。本ＴｒｉＭＡＴユニット７０２は、単純に端部の定位置に保持され、これにより前述した取り付け構造の大半を排除することができる。

生成物出力又は配送チューブ７１８は、オーブン室２６の外へ延び、そこで図１４に示すように、アダプタ７０２が使用されて、金属収集チューブ７２２への接続を作る。

複数の既知のＩＭＡＴモジュール２２は、モジュール半体２２ｄ，２２ｔを組み立てて、図１２に示されているような個別モジュール２２を形成することに使用されたものと同じ焼成ガラス材料及びプロセスを使用して、一緒にシールされる。２つの対向する形態２２ｄ，２２ｔを一緒にすることによって、マニホルドを形成する。メンブレンを通して流れるガスは、このマニホルドから収集される。本ＴｒｉＭＡＴ装置７０２に対する動作上の要求は、１）ＩＭＡＴが互いに且つオーブンの外部に電気的に接続されていること、２）モジュールがある種の手法での取り付け／定着を必要とすること、並びに３）独立したＩＭＡＴモジュール又はユニットが各モジュール内で発生されるガスを収集するために空気力学的に接続されなければならないことである。

各ＩＭＡＴモジュールを作る２つの個別セラミック部品は、一般的に並列に配線され、そして本発明のＴＲＩＭＡＴを作るＩＭＡＴモジュールは、一般的に電気的に直列に接続される。例えば、ＴＲＩＭＡＴユニットの各対は、直列に配線されて、単純に電流及び電圧要求を最適化する。電気的接続は、工学技術的選択に依存して、他の例では異なることがある。かくして、電気的接続の一般的な方法は、先の既知の設計から模式的に変更されることはないが、本発明のＴｒｉＭＡＴモジュール７０２により、配線要求は低減され且つ単純化される。

この特別な実施形態では、特別な応用との両立性のために、選ばれたモジュールの数、利用可能なスペース、及び他の決定又は選択された条件に関して、３つの連結されたＩＭＡＴユニット２２ａ，２２ｂ，２２ｃが示されている。他の特定の応用又は実施形態は、同様又は匹敵する方法で取り付けられた異なる数のＩＭＡＴモジュール２２あるいはＴｒｉＭＡＴモジュール７０２を使用する。

内部オーブンアセンブリ用の主要設計要求は、以下の通りである。
１．取り付け機構及び支持アセンブリを設けて、モジュールをオーブン内に支持する。
２．個別モジュールを互いに、且つオーブン外の配線に電気的に接続する。
３．モジュールを空気力学的に接続して、このシステムから収集された酸素を輸送する。
４．不動産（real estate）を効率的に使用して、特定サイズのオーブン内に含まれるＩＭＡＴの数を最小化する。動作圧力以下であるとき、制御器20は警報灯および可聴なアラーム（図示せず）を稼働させる。

種々のオプションの好適性を決定する要因には、次のものがある。
１．購入又は製造された部品の数及びコストと、オーブンを組立及び試験するに必要な手間の双方に起因するコスト。
２．予測される振動又は衝撃による構造的完全性。
３．室温と約７００℃の間の温度変化中に、部品上に余分な応力を生じたり漏洩を生ずることなく、種々の部品の熱膨張に耐える能力。
４．オーブンアセンブリを気密封止して、危険な熱い空気のオーブン内部からの漏洩を防止する。

従来の既知の方法は、各個別ＩＭＡＴモジュール２２をオーブン内でラック又は支持構造上に物理的に搭載し、個別ワイヤ又は伝導性クリップを使用してモジュールを電気的に接続する一方で、単一ＩＭＡＴモジュール２２を金属支持アセンブリから、並びにガスを収集する管系及び備品システムから絶縁する。各単一ＩＭＡＴモジュール２２は、酸素出力穴の回りに機械削りされた球状のメス型ベアリング面を有する。適合する球状の先端を持つ金属又はセラミックチューブは、バネ圧力によって各モジュールに接して保持されて、動作中の熱膨張による移動を可能にする。このシステムは、先のアプローチによって経験された破損問題を解決するが、複合支持構造及び出力又は出口チューブを組み立てることに要する部品のコスト及び手間は、望ましいものではない。球状面相互間に高信頼性のシールを創生して維持することは難しい。

本ＴＲＩＭＡＴ７０２発明は、オーブン壁を通る接続の数をＩＭＡＴモジュール２２当たり１つからＴＲＩＭＡＴ７０２当たり１つに低減することによって、封止及び漏洩問題を解決する。そして、出口をオーブンの側部から頂部へ移動することによって、フレキシブルジョイントなしに、熱膨張に対する許容度が作られる。

モジュールの端部を高信頼性のガラスシールで一緒にシールすることによって、ガスは今、モジュールからモジュールへ流れ、それから本発明の各ＴＲＩＭＡＴモジュール用の単一ポートを通ってオーブンから出る。必要な強度を与えて、振動中の破損を防止するように設計されたセラミック出口又は出力チューブを追加することによって、金属／セラミックジョイントを、温度が管理し易いオーブン外へ移動した。

従来の方法で使用されたハードウエアを本発明によって排除することによって達成された効率的配置は、同じオーブンサイズで約２倍多いモジュールを許容する。モジュール相互間の電気的接続は、製作中に各モジュールに取り付けられているリードワイヤを単純に一緒に捻ることによって作られる。本発明のＴＲＩＭＡＴを組み入れた結果生じる総合的アセンブリは、従来の既知の方法で使用された部品の小部分しか含まないにもかかわらず、ガス経路の完全性を改良し、オーブンの内部と周囲空気との間の空気シールを改良し、そして組立及び試験プロセスを大幅に単純化する。

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。

モジュール式セラミック酸素発生器の形態をとる電気化学酸素発生器を利用した既知の完全酸素発生システム１０の模式図を描いている。 既知のセラミック酸素発生システムの断面を描いた模式図であり、オーブン、絶縁体、モジュール、ヒータ、平面逆流熱交換器、空気流ダンパー及びファンを描いている。 図２と同様のもう１つの模式図であり、第２の既知の熱交換器実施形態を描いている。 凹部を使用した従来技術の空気式インターフェースを描いている。 従来技術の酸素発生器の斜視図であり、動作可能に取り付けられた複数のＩＭＡＴモジュールを示している。 図５の既知の酸素発生器の上面図である。 図５の既知の酸素発生器の底部支持部材の上面図である。 図５の既知の酸素発生器の底面図である。 電気化学ＩＭＡＴモジュールで使用されるモジュール式セラミック素子の上部斜視図である。 図９のセラミック素子の図９の１０−１０線に沿った立側断面図である。 既知のＩＭＡＴモジュールの上部斜視図である。 本発明のＴｒｉＭＡＴモジュールの上面図である。 本発明のＴｒｉＭＡＴモジュールのもう１つの斜視図である。 複数のＴｒｉＭＡＴモジュールを取り付けるオーブンの上部斜視図である。

Claims (11)

1. イオン伝導性セラミック素子であって、中央ユニットと、Ｔ字形の生成物出力チューブとを備え、
   中央ユニットは、第１及び第２の端部を持ち、中央ユニットは、中心軸に沿って端部同士が連結された、複数の集積マニホルド及びチューブ（ＩＭＡＴ）モジュールからなり、
   各ＩＭＡＴモジュールは、第１及び第２の表面を持つ少なくとも１つのチューブ支持部分と、前記第１の表面から延びた複数のチューブ部分とを有し、前記チューブ部分は各々、閉鎖端と開放端とを有し、前記第２の表面は、少なくとも部分的に大気に開放され、前記複数のチューブ部分の前記開放端は、前記第２の表面を通して大気に開放され、
   ＩＭＡＴモジュールの内部には所望の生成ガスを収集するための内部空間が形成され、
   Ｔ字形の生成物出力チューブは、連結された複数のＩＭＡＴモジュールの内部空間に収集された所望の生成ガスを輸送し、さらに振動に耐えるために、モノリシック構造となるように中央ユニットの第１の端部に連結されることを特徴とするイオン伝導性セラミック素子。
2. 中央ユニットの第２の端部に取り付けられた支持ブロックを更に有する請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
3. セラミック素子は、金属セラミック複合表面被覆で被覆されている請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
4. セラミック素子は、導電性セラミック電解質で構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. 複数のＩＭＡＴモジュールの端部同士は、ガラスシールで一緒にシールされている請求項１に記載のイオン伝導性セラミック素子。
6. 生成物出力チューブは、セラミック材料で構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。
7. オーブンヒーターに電力を供給する電源及び制御器を有し、オーブンユニット及び少なくとも１つのイオン伝導性セラミック素子を有した酸素発生モジュールアセンブリの動作範囲内で温度を上昇させるタイプの改良された電気化学式酸素発生システムであって、
   イオン伝導性セラミック素子は、中央ユニットと、Ｔ字形の生成物出力チューブとを有し、中央ユニットは、第１及び第２の端部を持ち、中央ユニットは、端部間が中心軸に沿って端部同士が連結された複数の集積マニホルド及びチューブ（ＩＭＡＴ）モジュールからなり、
   各ＩＭＡＴモジュールは、第１及び第２の表面を持つ少なくとも１つのチューブ支持部分と、前記第１の表面から延びた複数のチューブ部分とを有し、前記チューブ部分は各々、閉鎖端と開放端とを有し、前記第２の表面は、少なくとも部分的に大気に開放され、前記複数のチューブ部分の前記開放端は、前記第２の表面を通して大気に開放され、
   ＩＭＡＴモジュールの内部には所望の生成ガスを収集するための内部空間が形成され、
   生成物出力チューブは、連結された複数のＩＭＡＴモジュールの内部空間に収集された所望の生成ガスを輸送し、さらに振動に耐えるために、モノシリック構造となるように中央ユニットの第１の端部に連結されることを特徴とする電気化学式酸素発生システム。
8. 中央ユニットの第２の端部に取り付けられた支持ブロックを更に有する請求項７に記載の電気化学式酸素発生システム。
9. セラミック素子は、金属セラミック複合表面被覆で被覆されている請求項７に記載の電気化学式酸素発生システム。
10. 複数のＩＭＡＴモジュールの端部同士は、ガラスシールで一緒にシールされている請求項７に記載の電気化学式酸素発生システム。
11. 生成物出力チューブは、セラミック材料で構成されている請求項７に記載の電気化学式酸素発生システム。

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