KR100721785B1 - 전기화학적 산소 발생 시스템 - Google Patents

전기화학적 산소 발생 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소를 포함하는 공기와 같이 복합적인 조성을 갖는 가스로부터 산소를 분리하고 분리된 산소를 고온에서 운반하여 즉시 사용하거나 보관하였다가 나중에 사용할 수 있는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 보다 복합적인 가스로부터 산소를 분리하여 소망하는 산소를 생성하고 산소를 2000psig 내외의 고온에서 운반하는 고체 상태의 전기화학적 장치에 관한 것이다.

Description

전기화학적 산소 발생 시스템{Electrochemical oxygen generating system}
첨부된 도면은 본 발명의 실시태양을 설명하기 위한 것으로서 본 발명은 이들 도면으로써 한정되지 않으며, 첨부된 도면에서 동일한 참조번호를 갖는 부재들은 명세서 전반에 걸쳐 유사한 부재를 나타낸다:
도 1은 모듈형 세라믹 산소 발생기의 형태인 전기화학적 산소 발생기를 이용하는 산소 발생 시스템(10) 전체를 도시한 개략도이다;
도 2는 오븐, 절연부재, 모듈, 히터, 평면형 역류 열교환기(planar counter-flow heat exchange), 공기 유동 댐퍼(air-flow damper) 및 팬 (fan)을 포함하는 세라믹 산소 발생 시스템의 횡단면도를 도시한 개략도이다;
도 3은 제2 태양에 따른 열교환기를 도시한, 도 2와 유사한 개략도이다;
도 4는 오목하게 함몰된 기압 경계면을 나타낸다;
도 5는 도 2에서 5-5선을 따라 제공된 장착 및 전력 공급 기구를 나타낸다;
도 5a는 도 5에서 5A-5A선을 따라 절단한 부분 횡단면도이다;
도 6은 "Z" 클립을 이용하는 장착 기구를 나타낸다;
도 7은 지지 막대가 잘라져서 전기으로 절연된 다른 "Z" 클립 기구를 나타낸다;
도 8은 일체화된 공기 분배 매니폴드와 장착 클립 어셈블리의 측면도이다;
도 8b는 도 8a에서 8B-8B선을 따라 절단하여 얻은 횡단면도이다;
도 8c는 일체화된 공기 분배 매니폴드의 정면도이다;
도 8d는 일체화된 공기 분배 매니폴드의 말단면도이다;
도 8e는 도 8c에서 8D-8D선을 따라 절개하여 얻은 횡단면도이다;
도 8f는 일체화된 공기 분배 매니폴드의 바닥면도이다;
도 9는 도 8a 내지 8f의 공기 분배 매니폴드의 용도를 설명하기 위한 사시도이다;
도 10은 본 발명에서 사용된 장착 클립의 사시도이다; 그리고
도 11은 본 발명에 따른 전기화학적 산소 발생 시스템에 있어서 온도에 따른 산소 발생량을 설명하기 위한 그래프이다.
관련출원
본 발명은 1999년 6월 1일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "전기화학적 산소 발생 시스템"인 미국 가출원 번호 제60/137,219호를 우선권으로 하는 것으로서, 상기 출원서에 개시된 내용 전체를 참고 자료로서 본 발명 명세서에 포함하고 있다.
발명의 기술분야
본 발명은 산소를 포함하는 공기와 같이 보다 복합적인 가스로부터 산소를 분리하고 분리된 산소를 즉시 사용하거나 보관하였다가 후에 사용할 수 있도록 승압 조건하에서 운반하는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 보다 복합적인 가스로부터 산소를 분리하여 소망하는 산소를 얻고 이 산소를 2000psig 내외의 고압하에 운반하는 고체 상태의 전기화학적 장치에 관한 것이다.
발명의 배경
산소 분자를 이온화시킨 다음 산소 이온을 고체 전해질을 통해 이동시킨후 반대편 전해질 표면상에서 산소 분자를 재생하는 전기화학적 방법에 따라서 공기와 같이 보다 복합적인 가스로부터 산소를 분리할 수 있다는 것은 이미 잘 알려져 있는 사실이다. 산소 분자에 대하여 다공질이면서 전해질을 이용하여 그 표면에서 산소 분자를 산소 이온으로 해리하는 역할을 하는 전해질의 표면에 도포된 적당한 촉매 전극 코팅에 전기적 포텐셜을 가한다. 산소 이온은 전해질을 통해 반대편 표면으로 이동하여 산소 분자를 재형성하는데, 반대편 표면 역시 촉매 전극으로 코팅되어 있으며 산소 이온으로부터 과량의 전자를 분리하는 반대의 전기적 포텐셜로 하전되어 있다. 그러나, 현재의 산소 발생 시스템으로는 약 1200psi 이상의 고압 산소를 운반할 수 없다. 따라서, 본 발명의 기술 분야에서는 고압의 산소를 제공하는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 본 발명의 분야에서 요구되는 다른 필요성은, 예를 들면 생물학적 제제 및/또는 기타의 다른 독성 물질로 오염된 공기를 사용할 수 있는 산소 발생 시스템이다.
본 발명의 목적은 고압의 산소를 제공할 수 있는 전기화학적 산소 발생 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 2000psi 이하의 압력에서 산소를 제공할 수 있는 전기화학적 산소 발생 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산소를 생성하는 동안 산소 발생 모듈의 온도를 제어할 수 있는 열교환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오븐 챔버 온도를 제어하는 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산소 발생 모듈을 지지하고 여기에 전력을 제공하는 독특한 장착 겸 전기 연결 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오염된 공기를 이용할 수 있고 이 오염된 공기를 여과하여 호흡가능한 정도의 고순도 산소 가스를 제공할 수 있는 산소 발생 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생물학적 제제 및/또는 기타의 다른 독성 물질로 오염된 공기를 사용하여 호흡가능한 정도의 고순도 산소 가스를 제공할 수 있는 산소 발생 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 세라믹 튜브를 세라믹 모듈에 봉인하여 이들 각각이 균열없이 열적으로 팽창하고 수축할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 전술한 목적 및 기타의 목적들은, 신선한 공기 유입구와 O2가 결핍된 공기 배출구를 포함하는 오븐 챔버, 상기 오븐 챔버 내부에 위치해 있으며 산소 배출구를 가지고 있는 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈, 상기 오븐 챔버 내에 장 착된 히터, 상기 신선한 공기 유입구와 오븐 챔버 사이에 위치해 있는 열교환기, 및 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈에 전력을 공급하고 히터를 제어하는 제어기를 포함하는 전기화학적 산소 발생 시스템에 의하여 이루어질 수 있다.
제안된 본 발명은 의료용, 반도체 및 산업용의 순수한 산소를 제공하고 도시환경 및 군사적 환경에서 화학적 제제 및 생물학적 제제를 여과하는데 적당한데 이로써 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 목적은 화학적 및/또는 생물학적 오염물을 포함하는 공기 공급물 (air supply)이 제공되는 공기 유입구와 O2가 결핍된 공기를 배출하는 공기 배출기를 포함하는 오븐 챔버, 상기 오븐 챔버 내에 위치해 있으며 산소 배출구를 갖는 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈, 상기 신선한 공기 유입구와 오븐 챔버 사이에 놓인 열교환기 및 상기 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈에 전력을 제공하며 히터를 제어하는 제어기를 포함하며, 산소 배출구로 제공된 산소 가스가 화학적 및/또는 생물학적 오염물을 포함하고 있지 않은 것을 특징으로 하는, 화학적 및/또는 생물학적 오염물을 포함하는 공기 공급물을 이용할 수 있는 전기화학적 산소 발생 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 본 발명의 실시를 위해 고안된 최상의 모드를 통해 본 발명의 바람직한 태양을 상술하는 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백하게 드러날 것이다. 본 발명은 다른 태양들도 실현 가능하며 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서는 세부적인 부분들에 대해서 여러 가지 수정이 가능하다. 따라서, 첨부된 도면 및 상세한 설명은 본 발명을 근본적으로 설명하기 위한 것이지 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 밝혀둔다.
본 발명을 실시하기 위한 최상의 모드
본 출원인에게 이미 양도되었으며 본 명세서에 그 내용의 전체가 포함되어 있는 미국 특허 제5,985,113호 (1999년 11월 16일), 미국 특허 제5,871,624호 (1999년 2월 16일) 및 현재 계류중인 미국 출원번호 제09/418,831호 (1999년 10월 15일 출원)는 산소를 발생시킬 뿐 아니라 발생된 산소를 2000psig를 초과하는 압력에서 운반하는데 사용할 수 있는 전기화학적 산소 발생 장치를 제조하는 방법에 대하여 설명하고 있다. 본 명세서에서 사용되는 "좌" 및"우"와 같은 용어는 상대적인 개념이며 본 발명은 어떠한 방향으로 사용되더라도 무방하다는 것을 이해하여야 한다.
도 1은 모듈형 세라믹 산소 발생기의 형태인 전기화학적 산소 발생기를 이용하는 산소 발생 시스템(10) 전체를 나타내는 개략도이다. 이 개략도에는 오븐 히터(24)에 전력을 제공하여 온도를 산소 발생 모듈 어셈블리(22)의 작동 범위 내로 상승시키는 전원 겸 제어기(20)가 도시되어 있다. 산소 발생 모듈 어셈블리(22)는 미국 특허 제5,871,624호 및 미국 출원번호 제09/010,828호에 개시된 것과 같은 하나 이상의 산소 발생 모듈을 포함할 수 있다.
오븐 챔버(26)에서의 온도 범위는 산소 발생 모듈 어셈블리(22)를 만드는데 사용되는 물질에 따라서 달라지겠지만 약 500 내지 800℃일 수 있다. 산소 발생 모듈(22)은 오븐 챔버(26) 내에 위치해 있다. 오븐 챔버(26)에 장착된 하나 이상의 열전쌍(28)으로 측정하여 오븐 챔버(26) 내의 온도가 바람직한 최소한의 작동 온도에 도달하게 되면 제어기(20)는 팬(30) 모터에 전력을 공급하여 역류 열교환기(32)를 통해 오븐 챔버(26) 내지는 하나 이상의 모듈(22)를 포함하는 모듈 어셈블리(21)로 산소가 충분히 포함된 공기를 전달한다. 또한, 미국 특허 제5,871,624호 및 미국출원번호 제09/010,828호에 개시된 바와 같이 제어기(20)는 모듈(22)에 전력을 전달하고 전기화학적으로 산소를 발생시킨다. 산소 발생량에 따라서 전력 공급량이 달라질 수 있다. 전력이 모듈(22)로 전달되고 산소가 발생함에 따라서 모듈(22) 내의 전기 저항에 의해 추가의 열이 발생한다. 이러한 추가의 열을 보상하기 위해서는 제어기(20)가 오븐 히터(24)로의 전력을 감소시켜서 오븐 챔버(26)내의 온도를 소망하는 정격 작동 온도 (nominal operating temperature)로 유지시킨다. 발생하는 산소는 임시 산소 보관소로서의 기능을 갖는 생성물 플리늄(34)으로 운반된다. 산소는 생성물 플리늄(34)으로부터 저압 조절기(36), 최종 필터(38), 체크 밸브(40), 유량계(42), 및 최종적으로 사용자, 예를 들면 환자가 즉시 사용할 수 있는 사용자-조절형 밸브(44)로 운반된다.
산소는 고압 연결부(50)으로 전달될 수 있는데, 상기 고압 연결부(50)에는 이동가능한 휴대용 산소 보관 실린더(52)가 연결될 수 있다. 휴대용 실린더(52)는 자동으로 충전되며 이를 나중에 사용할 수도 있다. 제어기(20)는 소정의 전력을 모듈(22)에 인가하여 고압 스위치(54)에 약 1800psig 이상의 압력이 검출될 때까지 고압에서 산소를 발생시킨다. 1800psig를 초과하면 제어기(20)는 고압 스위치(54)에서의 압력이 1800psig 아래로 떨어질 때까지 모듈(22)로 인가되는 전력을 감소시킨다. 제어기(20)는 저압 스위치(58)를 전기적으로 모니터하기도 한다. 고압 스위치(54)는 생성물 플리늄(34) 및 고압 연결부(50)로 전달된 압력을 약 1800psig 의 정격 압력으로 조절할 수 있다. 제어기(20)가 오작동하는 경우에는 고압 안전 밸브(56)가 약 2000psig를 넘는 과다한 압력을 분출시켜서 정격 압력을 2000psig 이하로 제한하고 과다한 온도에 의한 압력 상승을 완화시킨다. 최대 정상 작동 압력은 약 1800psig라는 것을 이해하여야 한다. 제어기(20)는 고압 스위치(54)를 전기적으로 모니터하기도 한다. 소정 시간후에 작동 압력이 최소 작동 압력 아래로 떨어지면 제어기(20)가 경보등과 경보용 알람 (미도시)를 작동시킨다.
도 2는 세라믹 산소 발생 시스템의 횡단면도로서 오븐(26), 절연부재(200), 산소 발생 모듈 어셈블리(22), 히터(24), 평면형 역류 열교환기(32), 공기 유동 댐퍼(202), 그리고 팬(30)이 도시되어 있다. 역류 열교환기는 매우 효율적이고 단순하면서 저렴하도록 고안되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 산소 발생 어셈블리(21)로부터 나오는 4개의 산소 발생 모듈(22',22", 22"', 22"")을 사용할 수 있는데, 사용할 수 있는 모듈의 갯수가 이로써 한정되는 것은 아니다. 산소 발생 모듈(22',22", 22"', 22"")은 튜브(23', 23", 23"')에 의해 함께 매니폴드된다. 배출관(25)은 벽(210)을 통과하여 생성물 플리늄(34) 및 고압 연결부(50)로 고압의 산소를 제공한다.
차갑고 신선한 공기가 내부 오븐으로 주입되기 전에 이 공기를 가열하고 뜨거워진 공기가 오븐(26)으로부터 빠져나오기 전에 이 공기를 냉각시킴으로써 에너지를 보존한다. 도 2에 도시한 평면형 역류 구조에서 팬(30)은 절연부재(200)로 만들어진 내벽(220,222)의 외면과 열교환기 벽의 내면(250,252) 사이에 있는 채널(280,282)로 산소가 풍부한 차가운 공기를 도입한다. 이러한 차가운 공기는 열교환기의 벽을 따 라 안쪽으로 이동하면서 가열되는데, 이는 열교환기 벽의 다른쪽에 있는 내부 오븐(26)으로부터 바깥쪽에 산소가 결핍된 뜨거운 공기가 존재하기 때문이다. 안쪽으로 유입되는 공기는 오븐 절연부재(200)의 벽(220, 222)의 외면에 의해, 이어서 내부 오븐 안으로 180。 회전해서 들어가서 오븐 절연부재(200)의 벽(220,222)의 내면에 의해 부분적으로 가열되기도 한다. 채널(280, 282)은 각각 팬(30)으로부터 왼쪽에서 오른쪽으로 연장된 다음, 반대로 오른쪽에서 왼쪽으로 연장된다.
전기화학적 산소 발생 시스템은 전류의 흐름에 의해 산소를 발생하기 때문에 모든 전기화학적 산소 발생 시스템에서는 전기 저항이 있을 수 밖에 없다. 전기화학적 산소 발생 모듈(22)에서는 산소뿐 아니라 열이 발생한다. 오븐 절연부재(200)와 매우 효율적인 열교환기가 너무 많으면 오븐 온도가 치솟을 수 있다. 온도 제어의 한가지 방법은, 항상 소정량의 히터 활성을 이용하여 초기의 작동 개시 시간 후에 정상적인 작동 온도를 유지하는 것이다. 다른 제어 방법은, 팬(30)의 속도를 조절함으로써 오븐(26)을 통해 추가의 공기를 순환시켜서 과량의 열을 제거하는 것이다. 제어기(20)는 전략적 위치에 장착된 하나 또는 그 이상의 열전쌍(28)(도 2에는 미도시)을 이용하여 내부 오븐(26) 내의 온도를 모니터해서 오븐 온도가 정상이 되도록 한다. 제어기(20)는 이러한 정보를 이용하여 히터(24)의 전압 또는 팬(30)의 속도를 조절해서 내부 오븐(26)의 온도를 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도 2에 개시된 태양에서는 여섯개의 에어 댐퍼(202)를 이용한다. 모듈들(22)과 그 반대편에 있는 모듈들 사이에 위치하도록 벽(260,262)에 세개씩의 댐퍼들(202)이 각각 장착되어 있다. 열교환기 전체의 유동 경로 (flow-path)가 내부 오븐으로 이행하기에 앞서 도시된 에어 댐퍼들(202)에 의해 산소가 풍부한 공기중 일부가 모듈 챔버 또는 내부 오븐(26)으로 유입된다. 산소가 풍부한 공기가 전부 열교환기 전체의 유동 경로를 통과하게 된다면, 오븐 내의 일련의 모듈(22)에 걸쳐서 보다 높은 온도 구배가 발생한다. 공기는 각각의 모듈(22)을 통과하면서 점진적으로 가열된다. 일부 공기를 뒷쪽의 모듈 (22"', 22"") 부근으로 유입시키면 모든 모듈(22',22"")에 걸쳐서 보다 균일한 온도가 제공되면서 모듈(22"', 22"")이 과열되는 것을 막을 수 있다. 댐퍼들(202)은 시스템(10) 조립 중에, 그리고 시스템(10)의 제조와 조립이 완료된후 초기 가동 테스트 과정 중에 조절가능하며, 특히 수동으로 조절가능하다. 댐퍼들(202)은 내부 오븐 절연부재와 지지 구조를 통하여 내부 오븐(26) 밖으로 연장된 소정의 원통형 막대 (미도시)에 장착된 댐퍼 플랩들(damper flaps: 204)을 포함한다. 댐퍼 막대의 외부 말단은 회전가능하며 조립 중에 바람직한 방향으로 고정될 수 있다. 한편, 열전쌍(28)으로 측정한 내부 오븐(26)의 온도를 기준으로 하여 댐퍼를 제어기(20)로 자동 조절할 수 있다. 여러 가지 형태의 전기화학적 댐퍼 엑츄에이터가 사용될 수 있다.
도 3에는 다른 형태의 열교환기가 도시되어 있다. 이 열교환기는 도 2를 들어 설명한 유량 제어 댐퍼가 구비된 평면형 열교환기와 비교될 수 있는 다른 예이다. 튜브형의 열교환기는 내부 절연부재와 외부 절연부재 사이에 있는 오븐으로 들어가서 오븐의 제일 끝까지 이동하고 내부 오븐(26)으로 들어가서 내부 절연부재의 내면 상에 있는 오븐의 반대편 말단으로 되돌아나오는 멀티플 실린더형 튜브(300, 302)를 이용하는 것이다. 팬(30)을 이용하여 산소가 풍부한 차가운 공기를 튜브(300, 302)로 강제로 주입하여 오븐의 동일 말단에 있는 내부 오븐(26)으로 운반한다. 산소가 결핍된 뜨거운 공기를 반대 방향으로 튜브(300,302)의 바깥쪽으로 흘러가도록 하여 산소가 결핍된 공기는 차갑게 하고 산소가 풍부한 차가운 공기는 따뜻하게 한다. 튜브중 일부는 내부 오븐 중의 귀환 경로를 따라서 소정의 위치 (통상은 모듈 22',22"; 22",22"'; 및 22'",22"" 사이)에 홀(320)들을 가지고 있거나, 튜브중 일부는 내부 오븐 중의 귀환 경로를 따라서 소정의 위치에 튜브 말단을 형성한다. 이로 인해 일부 공기는 튜브(300,302)의 길이 전체를 통과하기 전에 챔버로 들어갈 수 있고 공기 유량 제어 댐퍼를 구비한 평면형 열교환기에 대하여 전술한 바와 같은 보다 균일한 온도 구배를 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 댐퍼(340,342)의 위치는 산소가 풍부한 차가운 공기가 팬(30) 부근의 튜브(300,302)로 들어가는 곳이다. 홀을 가지고 있지 않거나 팬 말단에서 내부 오븐으로의 경로 전체를 지나기 전에는 말단이 형성되어 있지 않는 일부 튜브들은 댐퍼를 가지고 있지 않다. 홀을 가지고 있거나 팬 말단에서 내부 오븐으로의 경로 전체를 지나기 전에 말단이 형성되는 나머지 튜브들은 댐퍼를 갖는다. 댐퍼는 튜브를 제자리에 고정시키는 튜브판의 팬 면상에 있는 적당한 튜브의 개방된 말단에 위치한다. 내부 오븐 내의 각 영역의 온도를 조절하는데 필요하므로 댐퍼를 튜브의 개방된 말단 전체에 걸쳐 위치하도록 하여 상기 개방된 말단을 폐색시킬 수 있다. 댐퍼(340, 342)는 앞서 언급한대로 수동으로 조절하거나 제어기(20)를 이용하여 자동으로 조절할 수 있다.
세라믹 발생기의 온도나 산소 생성율을 제어하는 다른 방법은 발생기에 공급된 공급 공기 (feed air)의 양을 감소시키거나, 공급 공기중의 산소량을 감소시키는 것이다. 이미 설명한 바와 같이, 세라믹 발생기를 통한 산소 생성율과 전류 흐름은 평형 관계에 있다. 전류 흐름은 발생기에 인가된 전압에서 네른스트-아인쉬타인 (Nernst-Einstein) 전압을 뺀 값에 비례한다. 네른스트-아인쉬타인 전압은 세라믹 발생기의 입, 출력시의 산소 분압 차이에 비례한다. 따라서, 입력 산소 분압이 감소하거나, 출력 산소 분압이 상승하거나, 또는 입력 산소 분압이 감소하고 출력 산소 분압은 상승함에 따라서 전류 흐름과 산소 흐름이 감소한다. 실제로, 입력 산소 분압은 전술한 바와 같이 댐퍼의 사용에 의해서는 물론, 팬(30)의 속도를 감소시키는 것과 같은 다른 방법에 의해서도 감소될 수 있다. 세라믹 발생기를 통한 산소 흐름과 전류 흐름이 감소함에 따라서 발생기에서의 전력 낭비가 감소되고 이에 따라서 모듈 내에서의 자가 가열이 감소되어 발생기의 온도가 낮아진다.
전술한 모든 태양들에 있어서, 각 모듈(22)의 산소 운반 튜브(23', 23". 23"' 및 25)는 반응로의 가열부 외부로 연장되어 있거나 내부에서 연결되어 만들어진 튜브(25)가 반응로의 외부로 연장되어 있다. 각 튜브를 반응로나 내부 오븐(26)의 외부로 연장시키는 한가지 방법은 모듈(22')의 구멍 내로 봉인(seal)된 세라믹 튜브(25)를 사용하는 것이다. 세라믹 튜브를 사용하면 서로 다른 열팽창 계수로 튜브와 모듈의 경계면에서 야기되는 응력이 최소화된다. 그러나, 이 방법은 튜브, 모듈 및 봉인 모두가 상당한 변위가 발생하는 경우에는 부서져버리는 브리틀한 물질들로 만들어져 있다는 문제점이 있다. 이러한 방법을 이용하면 튜브 상에 휨모멘트 (bending moment)가 가해지는 것을 막기 어렵다. 보다 바람직한 방법은 구형의 기구(402)를 접촉하는 오목한 표면(404)에 집어넣어 보다 탄력적인 봉인을 형성하는 것이다. 볼록한 구형을 튜브(25)의 외면과 모듈 벽의 오목한 면상에 형성하거나 그 반대로 할 수 있다. 또한, 오목하게 함몰된 부분은 원뿔형이거나 원통형일 수 있다. 예를 들면 스피링이나 중량의 작용에 의해 튜브(25)가 오목한 면(404)으로 연속적으로 압력을 가하게 되는 경우에 이 방법에 의하면 상당량의 미스얼라인먼트 (misalignment)를 조절하는 봉인을 형성할 수 있다. 도 4는 이러한 방법을 설명하는 것이며 존립가능한 봉인을 유지하는 동안 조절된 미스얼라인먼트를 보여준다.
세라믹 모듈을 사용가능한 산소 발생 시스템에 조립해 넣는 것과 관련된 다른 태양은 모듈(22)이 반응로(26) 내에 어떻게 장착되고 이러한 모듈(22)에 전력이 어떻게 인가되는지에 관한 것이다. 본 발명에서는 각 모듈(22)에 전력을 공급하는 수단과 모듈(22)을 반응로에 장착하는 수단을 결합한다.
도 5는 장착 및 전력 공급을 일체화하는 방법을 설명하기 위한 것이다. 설명한 바와 같이, 모듈 위에 장착된 L-자형 지지 막대(502)는 모듈(22',22",22"', 22"")이 움직이지 못하도록 하는 물리적인 지지체 역할을 한다. 제2의 L-자형 지지 막대(504)는 모듈(22',22",22'",22"") 아래에 장착된다. 인코넬 (Inconel) 및/또는 모넬(Monel)과 같이 높은 작동 온도에서 강도를 유지하는 물질로 클립을 만든다. 클립은 도 5a에 도시된 바와 같이 적당한 크기의 "U"자형의 횡단면을 갖도록 형성되어 모듈의 말단을 기밀하게 클램핑한다. 전형적인 인쇄회로기판 말단의 전기 연결부와 유사하게 생긴 다지형(multi-fingered) U-클립이 바람직하다. 다지형 U-클립은 클립 의 세로축을 따라서 모듈(22) 두께 변이를 보다 용이하게 조절할 수 있다. 클립(510,512)은 용접(welding or brazing)과 같은 기술에 의해 지지 막대(502,504)에 영구적으로 결합된다. 이어서, 클립(510,512)과 지지체(502,504)를 모두 은과 같은 전도성 물질로 코팅하여 전기 저항 및 계면 저항을 최소화시킨다. 하나의 지지 막대(502,504)의 말단에 포지티브 전압을 인가하고 다른 지지 막대(502,504)의 말단에 네가티브 전압을 인가하여 시스템에 전력을 제공한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 모듈(22',22",22"',22"")에는 병렬식 배열에 의해 전력이 제공된다. 즉, 동일한 전압이 모듈(22',22",22"',22"") 모두에 인가되는 것이다.
코팅, 산화층 또는 벌크한 물질 특성으로 인하여 지지 막대(502,504)의 표면이 비전도성이라면, 직렬식 배열로 전력을 공급할 수 있다. 직렬식 배열을 원하다면 클립이 지지 바아에 전기적으로 연결되지 않는다. 이러한 배열이 도 6에 도시되어 있다. 이러한 배열에 있어서, 작동 온도에서 강도를 유지하는 물질로 "Z" 클립(610,612,614)을 각각 형성한 다음, 은과 같은 전도성 물질로 코팅한다. 지지 막대(520)에 결합된 각 클립 (610,612,614)을 스트링의 각 말단에서 사용하여 모듈(22)에 포지티브 전압 및 네가티브 전압을 공급할 수 있다. 다른 태양에 있어서, 클립을 지지 바아에 전기적으로 연결할 수 있다. 이 경우에는, 지지 막대(502,504) 중에서 빗금친 부분(502',502",502"' 및 504',504,504"')을 제외한 다른 영역을 전도성 물질로 코팅한다 (도 7 참조). 아니면, 지지 막대를 잘라서 빗금친 영역을 전기적으로 절연시킬 수도 있다. 또한, 모든 다른 모듈을 180° 회전시켜서 도 7에 도시된 바와 같은 "z-스트립"을 제거할 수 있다.
도 8a-8f에는 일체화된 공기 분배 매니폴드와 장착 클립 시스템이 도시되어 있다. 이러한 매니폴드는 도 2 및 3에 도시한 개략도에 있어서도 유용하다. 도 8a에 도시한 바와 같이, 매니폴드 어셈블리(700)는 오븐 챔버(26)에 위치한 넓은 부분(wide portion; 725)을 갖는 매니폴드 본체(720)를 포함한다. 오븐으로부터 바깥쪽으로 연장된 것은 외측 부분(outer portion; 730)이다. 바람직하기로는 인코넬로 만들어진 복수개의 매니폴드 장착 클립(732)으로 부분(725)의 윗면(734)을 조인다. 도시되어 있기로는 여섯개의 매니폴드 클립(732)이 있지만 사용될 수 있는 클립의 갯수에 한정이 있는 것은 아니다. 두개의 튜브(74.,742, 도 8c 참조)는 벽(75.,752) 내에 위치해 있다. 벽(750,752)은 부분(730)의 전체 길이에 걸쳐서, 그리고 길이 부분(length portion; 725)의 대부분에 걸쳐서 형성되어 있다. 튜브(740,742)와 벽(750,752) 사이에 형성된 갭은 통로를 제공한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 벽(750,764)와 벽(752,764) 사이에는 외부 통로(760,762)가 형성되어 있다. 도 8c에 도시된 바와 같이, 부분(730)에 있는 장착 클립(732)들 사이에는 복수개의 홀이 형성되어 있다. 홀을 부재번호 (770)로 표시한다. 도 8d에 도시된 바와 같이, 장착 클립(732)은 오븐 챔버(726) 안쪽으로 연장되어 있다.
두개의 매니폴드 어셈블리가 세라믹 모듈(22)의 양쪽 말단상에서 사용된다. 매니폴드(700)는 수평으로나 수직으로 장착될 수 있다. 세라믹 산소 발생 모듈(22)을 후술하는 바와 같이 한쌍의 클립(732)으로 클립한다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 귀환 통로(return passage; 780)는 벽(750,752) 사이, 튜브(740,742) 사이 및 매니폴드 본체(720)의 상단면(734) 사이에 형성되어 있다.
장착 클립(732)이 부착되어 있는 어셈블리(700)의 넓은 부분(730)은 오븐 챔버(26)의 안쪽에 있는 반면, 어셈블리(700)의 좁은 부분(730)은 오븐 챔버(26)의 바깥쪽에 있다. 매니폴드 어셈블리는 다음과 같이 작동한다: 차갑고 신선한 공기는 튜브형 부재(740,742)를 통하여 흘러가고 반대편 말단(782; 도 8 참조)으로 흘러가면서 가열된다. 신선한 공기는 말단(782)에서 선회하여 외부 분배 경로(outer distribution passage; 760,762)로 흘러간다. 이어서, 뜨겁고 신선한 공기는 홀(320)을 통하여 오븐 챔버(26)로 들어간다. 산소가 결핍된 뜨거운 공기는 홀(770)을 통해 오븐 챔버(26)를 빠져나와서 튜브형 부재(740,742)와 분배 경로(760,762) 사이에 형성된 볼륨(780)으로 들어간다. 뜨겁고 산소가 결핍된 공기는 튜브형 부재(740,742) 위를 통과하면서 뜨거운 열을 튜브형 부재(740,742) 내부에 있는 신선한 공기에 내어주고 부분(730) 밖으로 흘러간다. 유용하기로는, 매니폴드 어셈블리는 다음과 같은 작용과 특징을 갖는다: 세라믹 모듈(22)의 기계적 지지체, 세라믹 모듈(22)로의 전기적 연결, 신선한 공기의 분배와 오븐 챔버(26) 내로의 주입, 신선한 공기와 산소가 결핍된 공기 사이의 열교환, 내부의 열교환에 의한 장착 클립(732)과 매니폴드 어셈블리(700)의 냉각.
도 10에 도시된 장착 클립(732)은 편평한 장착면(1100)과 2열의 스프링 콘택트(1110,1120)를 갖는 시이트 메탈부이다. 콘택트(1130) 각각은 각각의 세라믹 모듈(22)을 장착하고 전기적으로 연결시키는 역할을 한다. 인코넬 또는 다른 고온 합금을 장착 클립용 재료로서 사용하는 것이 바람직하다.
어셈블리(700)는 내부에서 일어나는 열교환 결과 세라믹 모듈(22)과 오븐 챔버(26)보다는 다소 온도가 낮다. 온도가 낮으면 어셈블리의 수명이 길뿐 아니라 그 재료로 사용되는 금속 물질에 요구되는 조건도 덜 까다롭다. 또한, 어셈블리 온도가 낮으면 보다 완전한 전기적 연결을 제공할 수도 있는데, 이는 장착 클립(732)의 재질이 보다 단단하고 클립(732)에 도포되는 전도성 코팅의 분해가 덜 일어나며 금속 물질의 도전성이 더 좋아지기 때문이다.
본 명세서에 개시된 산소 발생 시스템을 화학적 및/또는 생물학적 오염물질을 포함하는 공기 공급물로부터 순수한 산소를 제공하는데도 사용할 수 있다. 산소를 발생시키는데 사용되는 방법의 특성과 시스템이 작동하는 온도 때문에 화학적 및/또는 생물학적 오염물질이 산소 발생 모듈(22)을 통해 생성물 플리늄(34)으로 이동하지 못한다. 또한, 모듈(22)의 높은 작동 온도는 대부분의 또는 모든 생물학적 제제를 사멸시키고 독성 화합물을 분해하기에 충분하다. 전술한 장치는 화학 공장과 의약품 생산 시설과 같이 오염된 환경에서 작동하는 공정에 순수한 공기를 제공할 뿐 아니라 화학적 제제 및/또는 생물학적 제제를 이용한 전쟁에 의해 고의적으로 오염된 환경에서 인간이 소모할 수 있는 산소를 제공할 수 있는 등의 여러 가지 용도로 사용될 수 있으나 이로써 한정되는 것은 아니다.
고체 세라믹 전해질의 특성상 압력차 흡수법 (pressure-swing adsorption: PSA)과 같이 다공질 여과법의 이용에 의해 가능한 것보다 근본적으로 높은 수준의 선택율로 분리 공정을 실시할 수 있다. 세라믹 모듈(22)를 형성하는데 사용되는 고체 전해질은 조밀한 세라믹 부재 (개방형 다공질을 포함하지 않는 것을 의미함)로형 성된다. 고체 전해질의 결정 구조는 금속 양이온 이외에도 산소 이온을 포함한다. 화학식의 예로는 ZrO2 및 CeO2이다. 소량 (통상 5-20%)의 금속 이온을 약간 다른 크기와 전기적 하전을 갖는 다른 금속 양이온으로 치환하면 염기 조성이 달라진다. 치환이 일어나면 세라믹 물질의 결정 구조 내에 산소 공간이 생긴다. 높은 온도 (일반적으로 알려진 세라믹 전해질의 경우에는 약 500℃)에서는 세라믹 물질 내에 존재하는 음하전 산소 이온이 인가된 전기장에 반응하여 이동할 수 있다. 산소 공간을 포함하는 결정 격자 내로의 확산에 의해 산소 이온은 양하전된 표면쪽으로 이동한다. 산소 이온은 양하전된 표면에 도달하여 다시 합해져서 산소 가스(O2)를 형성한다.
전기화학적 산소 발생 시스템에서 산소 이온과 이들 산소 이온이 확산하게 되는 공간은 약 1옹스트롬(10-10미터)의 반경을 갖는다. 이처럼 크기가 작기 때문에 어떠한 생물학적 제제나 그밖의 독성 화합물들은 들어갈 수 없다. 또한, 결정 구조는 산소 이온의 크기와 전기적 오비탈 구조를 일체화하기에 특히 적합하다. 산소 이외의 다른 이온이 이 자리를 차지하려면 결정 구조의 재배열이 필요한데, 결정구조의 재배열은 이 장치가 작동하는 동안 소모되는 것보다도 더 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 세라믹 전해질은 500 내지 1000℃에서 작동하는데, 이 온도는 대부분의 또는 모든 생물학적 제제 및 독성 화합물을 분해하기에 충분한 온도이다.
전기화학적 산소 발생 시스템에서 온도에 따른 산소 발생량을 도 11에 나타내었다. 산소 발생 시스템에서 산소 발생량은 세라믹 모듈 전체에 걸쳐서 측정된 전류에 직접적으로 비례한다. 오옴의 법칙 (Ohm's Law)으로 알려진 하기 식에서 보는 바 와 같이, 일정한 전압이 모듈 전체에 걸쳐서 인가되는 경우에 발생하는 전류량 (I)은 전압 (V) 및 세라믹 전해질의 전기 전항 (R)과 관련이 있다:
I=V/R
전해질의 전기저항은 온도가 상승하면 크게 감소하므로, 전압이 일정하게 유지되고 온도가 상승하게 되면 산소 발생량은 많아진다. 500 내지 800℃ 범위내에서의 온도 변화에 따른 산소 발생량이 도 11에 나타나있다.
본 발명이 전술한 모든 목적을 충족시킬 수 있다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서가 개략된 것임을 전제로 할 때, 당업자라면 전술한 명세서로부터 여러 가지 변형, 균등물, 다른 태양들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그의 균등물로서만 제한될 수 있는 것으로 간주되어야 한다.
본 발명의 장치를 이용하면 산소를 포함하는 공기와 같이 복합적인 조성을 갖는 가스로부터 산소를 분리하고 분리된 산소를 고온에서 운반하여 즉시 사용하거나 보관하거나 나중에 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 산소 발생 시스템은 화학적 및/또는 생물학적 오염물질을 포함하는 공기 공급물로부터 순수한 산소를 제공하는데도 사용될 수 있으므로 오염된 환경에서 작동하는 공정에 순수한 공기를 제공할 뿐 아니라 화학적 제제 및/또는 생물학적 제제를 이용한 전쟁에 의해 고의적으로 오염된 환경 등에서 인간이 소모할 수 있는 산소를 제공할 수 있는 등의 여러가지 용도로 이용 될 수 있다.

Claims (14)

  1. 신선한 공기 유입구와 산소가 결핍된 공기 배출구를 포함하는 오븐 챔버;
    상기 오븐 챔버 내에 있으며 산소 배출구가 구비된 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈;
    상기 오븐 챔버 내에 장착된 히터;
    상기 신선한 공기 유입구와 상기 오븐 챔버 사이에 위치한 열교환기; 및
    하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈에 전력을 제공하고 상기 히터를 제어하는 제어기를 포함하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오븐 챔버 내에 장착되어 있으며 상기 제어기에 신호를 보내서 상기 오븐 챔버 내의 온도를 나타내는 열전쌍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열교환기에 연결되어 있으며 상기 제어기에 의해 제어되어 신선한 공기중 일부를 상기 오븐 챔버내로 되돌아가도록 하는 하나 이상의 댐퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 신선한 공기 유입구와 상기 오븐 챔버 사이에 위치한 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 서로 매니폴드된 복수개의 세라믹 산소 발생 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 2000psi 이하의 압력에서 상기 산소 배출구를 통해 산소를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어기가 팬의 속도를 제어하여 오븐 챔버 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열교환기가 상기 오븐 챔버로 유입되는 신선한 공기를 위한 180。 경로를 제공하며 산소가 결핍된 공기를 상기 오븐 챔버에서 가열하여 상기 열교환기 내에 있는 신선한 공기를 예열하는데 사용하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 두개의 장착 브랫킷과 두개 이상의 세라믹 산소 발생 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열교환기가 역류 열교환기인 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 두개의 장착 브랫킷이 상기 두개 이상의 세라믹 산소 발생 모듈에 직렬 또는 병렬로 전력을 공급하여 가열하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 열교환기가 매니폴드 어셈블리와, 각각이 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈을 장착하고 여기에 전기적 연결을 제공하는 복수개의 장착 클립을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 매니폴드 어셈블리가 매니폴드 본체에 위치한 복수개의 튜브를 포함하는데, 상기 복수개의 튜브가 신선한 공기 유입구, 상기 복수개의 튜브의 외부에 형성된 하나 이상의 분배 채널, 및 산소가 결핍된 공기를 운송하기 위한 귀환 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
  14. 화학적 및/또는 생물학적 오염물을 포함하는 공기 공급원을 이용하며,
    상기 공기 공급원으로부터 공기를 유입하는 공기 유입구와 산소가 결핍된 공기를 배출하는 배출구를 포함하는 오븐 챔버;
    상기 오븐 챔버 내에 위치해 있으며 산소 배출구를 갖는 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈;
    상기 오븐 챔버 내에 장착된 히터;
    상기 신선한 공기 유입구와 상기 오븐 챔버 사이에 위치한 열교환기; 및
    상기 하나 이상의 세라믹 산소 발생 모듈에 전력을 공급하고 상기 히터를 제어하는 제어기를 포함하는 시스템에 있어서,
    상기 산소 배출구로 공급된 산소가 상기 화학적 및/또는 생물학적 오염물을 포함하고 있지 않는 것을 특징으로 하는 전기화학적 산소 발생 시스템.
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