KR101168784B1

KR101168784B1 - 전기 화학적 산소 발생 모듈 어셈블리

Info

Publication number: KR101168784B1
Application number: KR1020077020402A
Authority: KR
Inventors: 브래드 백비; 스콧 하베이
Original assignee: 칼튼 라이프 서포트 시스템즈, 인크.
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2012-07-25
Also published as: EP1851362A2; EP1851362B1; WO2006086191A2; CA2590383C; EP1851362A4; JP2008530355A; WO2006086191A3; JP4917551B2; US7396442B2; US20060175194A1; KR20070102603A; CA2590383A1

Abstract

본 발명에 따른 이온 전도성 세라믹제 요소는 중앙 유닛(703)을 포함한다. 중앙 유닛(703)은 중앙 축선(A)을 따라 단-대-단으로 결합된 복수 개의 IMAT 모듈(22)로 구성된다. IMAT 모듈(22)은 각각 튜브 지지 부분(804)과, 제1 면(803)으로부터 연장되는 복수 개의 튜브(802)를 각각 구비한다. 튜브(802)는 폐쇄 단부(805)와 개방 단부를 각각 구비한다. 제2 면(807)은 주변 분위기에 대해 적어도 부분적으로 개방되어 있다. 상기 튜브(802)의 개방 단부는 제2 면(807)을 통하여 주변 분위기에 대해 개방되어 있다. IMAT 모듈(22)의 내부에는 희망 생성물 가스를 수집하기 위한 내부 공간(830)이 형성된다. 연결된 IMAT 모듈(22)의 내부 공간(830)에 수집되는 희망 생성물 가스를 운반하도록, 중앙 유닛(703)의 제1 단부(714)에는 수집 튜브(710)가 작동 가능하게 연결된다.

Description

전기 화학적 산소 발생 모듈 어셈블리{ELECTROCHEMICAL OXYGEN GENERATOR MODULE ASSEMBLY}

본 발명은 보다 복합적인 산소 함유 가스로부터 산소를 분리하고 분리된 산소를 사용하기 위해 전달하는 장치의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 보다 복합적인 가스로부터 산소를 분리하기 위한 고체 소자를 이용한 전기 화학적 장치에 관한 것이다.

산소 분자를 이온화하고, 산소 이온을 고체 전해질을 통과하게 이송하며, 그리고 산소 분자를 반대편 전해질 표면에서 재형성하는 것에 의해, 보다 복합적인 가스, 예컨대 공기 등으로부터 산소를 제거할 수 있다는 것은, 잘 알려져 있고 증명되어 있다. 전해질의 표면에 도포되어 있는 적절한 촉매 전극 코팅에는 전위가 인가되는데, 이 코팅은 산소 분자가 침투할 수 있는 것이고, 전해질과 코팅 사이의 계면에서 산소 분자를 산소 이온으로 해리하는 역할을 한다. 산소 이온은 전해질을 통과하여 반대편 표면으로 이송되는데, 이 반대편 표면도 또한 촉매 전극으로 코팅되어 있고 과잉 전자를 산소 이온으로부터 제거하는 반대의 전위로 하전되어 있어, 산소 분자가 재형성된다. 그러나, 현재의 산소 발생 시스템은 대개 1,800 psi 이상의 고압 산소를 전달할 수 없다. 따라서, 당업계에서는 고압 산소를 제공 하는 시스템 및 방법을 필요로 하고 있다. 또한, 당업계에서는 예컨대 생물학적 약제나 그 밖의 독성 물질로 오염되어 있는 오염 공기를 사용할 수 있는 산소 발생 시스템을 필요로 하고 있다.

매니폴드 및 튜브 집적(IMAT ; integrated manifold and tube) 모듈의 디자인은 공지되어 있다. 산소 발생 시스템에 있어서의 공지의 IMAT 디자인은, 예컨대 본원의 출원인 명의의 미국 특허 제5,871,624호; 제5,985,113호; 제6,352,624호; 제6,685,235호; 제6,783,646호에 교시되어 있다. 그러나, 이러한 종래의 IMAT 디자인 및 장착 방법은, 하나의 IMAT와 오븐 밖으로 연장되는 금속 튜브와의 사이에 있어서 구형 조인트를 필요로 하였다. 또는, 본 발명 이전에 만들어진 모든 오븐에 대하여 사용되던 그 밖의 디자인은, 구형 조인트와, 각 IMAT 밖으로 산소를 내보내기 위한 출구 혹은 전달 튜브를 필요로 하였다. 이러한 조인트는 모두 누출 발생 가능성이 크고, 매우 고가이다.

전술한 참고 문헌은 괄목할 만한 발달과 기술적 향상을 당업계에 많이 도입하고 알렸지만, 본 발명에 의해 달성되는 특정 과제는 완전히 충족시키지 못한다.

본 발명에 따르면, 이온 전도성 세라믹제 요소는 제1 단부와 제2 단부를 갖는 중앙 유닛을 포함한다. 중앙 유닛은 중앙 축선을 따라 단-대-단으로 결합된 복수 개의 IMAT 모듈로 구성되어 있다. IMAT 모듈은 제1 및 제2 면을 갖는 하나 이상의 튜브 지지부와, 상기 제1 면으로부터 연장되는 복수 개의 튜브 부분을 각각 구비한다. 튜브 부분은 폐쇄 단부와 개방 단부를 각각 구비한다. 제2 면은 주변 분위기에 대해 적어도 부분적으로 개방되어 있다. 복수 개의 튜브 부분의 개방 단부는 제2 면을 통하여 주변 분위기에 대해 개방되어 있다. IMAT 모듈의 내부에는 희망 생성물 가스를 수집하기 위한 내부 공간이 형성되어 있다. 연결된 IMAT 모듈의 내부 공간에 수집되는 희망 생성물 가스를 운반하도록, 중앙 유닛의 제1 단부에는 생성물 송출 또는 수집 튜브가 작동 가능하게 연결된다.

전해질과 바인더를 사출 성형하여 만들 수 있는 세라믹제 요소가 마련된다. 이 세라믹제 요소는 튜브 지지 부분과 이 튜브 지지 부분으로부터 연장되는 복수 개의 튜브를 포함한다. 복수 개의 튜브는 행과 열로 배치된다. 복수 개의 비아가 튜브 지지 부분의 일면으로부터 튜브 지지 부분의 타면까지 연장된다. 세라믹 요소는 전기 전도성 코팅 및 집전 코팅으로 코팅된다. 비아는 전기 전도성 코팅으로 코팅되고 충전된다. 세라믹 요소 중 선택 영역에서 코팅을 제거한 이후에, 세라믹 요소의 튜브는 직병렬 어레이를 형성하는데, 이는 동일 행에 있어서 튜브가 전기적으로 병렬 접속되어 있고, 인접 열에 있어서 튜브가 전기적으로 직렬 접속되어 있기 때문이다. 2개의 세라믹 요소를 함께 밀봉하여 IMAT를 형성하고, 이 IMAT는 개개의 모듈식 전기 화학적 장치를 형성한다. 전기 화학적 장치는 산소 발생기 혹은 연료 셀일 수 있다. 2개 이상의 모듈식 산소 발생기를 집합하면, 산소 발생 용량을 늘릴 수 있다.

본 발명은 단-대-단으로 결합되어 TriMAT 모듈을 형성하는 개개의 IMAT 모듈을 복수 개 포함한다.

본 발명의 전술한 그리고 그 밖의 목적, 장점 및 특징은 본 발명의 바람직한 실시예를 보여주는 첨부 도면을 참조로 하여 이하의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.

앞서 간단히 요약 설명한 본 발명에 대해서는, 도면에 도시되어 있고 이하에서 보다 상세히 논하고 있는 예시적인 실시예를 참조로 하여 보다 구체적으로 설명한다. 실시예를 참조함으로써, 보다 명백해지는 전술한 특징 및 그 밖의 특징이 어떻게 확보되는가를 확인할 수 있고, 보다 상세히 이해할 수 있다. 그래도 도면은 단지 본 발명의 전형적인 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 고려되지 않으므로, 그 밖의 유효한 등가의 실시예도 본 발명으로서 인정될 수 있다.

도 1은 모듈식 세라믹제 산소 발생기 형태의 전기 화학적 산소 발생기를 이용하는 공지의 완전 산소 발생 시스템(10)의 개략도.

도 2는 공지의 세라믹제 산소 발생 시스템의 개략적인 단면도로서, 오븐, 절연체, 모듈, 히터, 평판형 향류 열교환기, 공기 흐름 댐퍼 및 팬을 보여주는 도면.

도 3은 도 2와 유사한 다른 개략도로서, 제2 공지의 열교환기 실시예를 보여주는 도면.

도 4a 및 도 4b는 오목부를 이용하는 종래의 공압 인터페이스를 보여주는 도면.

도 5는 종래의 산소 발생기의 사시도로서, 복수 개의 IMAT 모듈이 작동 가능하게 장착되어 있는 것을 보여주는 도면.

도 6은 도 5에 도시된 종래의 산소 발생기의 평면도.

도 7은 도 5에 도시된 공지의 산소 발생기 중 바닥 지지 부재의 평면도.

도 8은 도 5에 도시된 공지의 산소 발생기의 저면도.

도 9는 전기 화학적 IMAT 모듈에 사용되는 모듈식 세라믹제 요소의 상부 사시도.

도 10은 도 9의 선 10-10을 따라 취한 도 9의 세라믹제 요소의 측단면도.

도 11은 공지의 IMAT 모듈의 상부 사시도.

도 12는 본 발명에 따른 TriMAT 모듈의 평면도.

도 13은 본 발명에 따른 TriMAT 모듈의 다른 사시도.

도 14는 복수 개의 TriMAT 모듈을 장착한 모듈의 상부 사시도.

앞서 간단히 요약 설명한 상기 본 발명의 특징, 장점 및 목적을 달성하는 방식은, 첨부 도면에 예시된 본 발명의 실시예를 참조한 본 발명에 대한 보다 구체적인 상세한 설명에서 이해될 수 있다. 모든 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.

도 1은 모듈식 세라믹제 산소 발생기 형태의 전기 화학적 산소 발생기를 이용하는 공지의 완전 산소 발생 시스템(10)의 개략도이다. 이러한 개략도는 전력을 오븐 히터(24)에 공급하여 온도를 산소 발생 모듈(22) 어셈블리의 작동 범위로 상승시키는 전력 공급 및 제어부(20)를 보여준다. 후술하는 바와 같이, 산소 발생 IMAT 모듈(22) 어셈블리는 미국 특허 제5,871,624호 및 제5,985,113호에 개시된 바 와 같은 하나 이상의 산소 발생 모듈을 포함할 수 있다.

오븐 챔버(26) 내부의 온도 범위는 약 500 ℃ 내지 800 ℃ 이며, 이 온도 범위는 산소 발생 모듈(22) 어셈블리를 구성하는데 사용되는 재료에 따라 결정된다. 산소 발생 모듈(22)은 오븐 챔버(26) 내에 배치된다. 오븐 챔버(26)가 바람직한 최저 작동 온도에 도달되었다는 것을 오븐 챔버(26)에 장착된 하나 이상의 열전쌍(28)이 검출한 이후에, 전력 공급 및 제어부(20)는 전력을 팬 모터(30)에 인가하여, 산소 함유 공기를 향류 열교환기(32)를 통해 오븐 챔버(26) 안으로 그리고 하나 이상의 모듈(22)을 포함하는 모듈 어셈블리(21)로 전달하기 시작한다. 또한, 미국 특허 제5,871,624호 및 제5,985,113호에 교시된 바와 같이, 전력 공급 및 제어부(20)는 전력을 모듈(22)에 전달하고, 산소가 전기 화학적으로 발생된다. 발생할 산소의 양에 따라, 전력의 양을 다르게 할 수 있다. 전력이 모듈(22)에 전달되어 산소가 발생될 때, 모듈(22) 내의 전기 저항에 의해 열이 부가적으로 발생된다. 이러한 부가적인 열을 보상하기 위해, 전력 공급 및 제어부(20)는 오븐 히터(24)로의 전력을 줄여, 오븐 챔버(26)에 있어서의 바람직한 공칭 작동 온도를 유지한다. 발생되는 산소는 생성물 플레넘(34)으로 운반되는데, 이 생성물 플레넘은 임시 산소 저장 용기의 역할을 한다. 이 생성물 플레넘(34)에서 산소는 저압 조정기(36), 최종 필터(38), 체크 밸브(40), 유량계(42), 그리고 끝으로 예컨대 환자가 직접 사용하는 사용자 조정 밸브(44)로 전달된다. 또한, 생성물 산소는 그 밖의 바람직한 용도에도 적합하다.

또한, 산소는 분리 가능한 휴대형 산소 저장 실린더(52)를 연결할 수 있게 하는 고압 연결부(50)로 전달될 수 있다. 휴대형 산소 저장 실린더(52)는 자동으로 채워지고 나중에 사용될 수 있다. 전력 공급 및 제어부(20)는, 고압 스위치(54)가 약 1,800 psig를 넘는 압력을 검출할 때까지 높은 압력의 산소를 발생시키도록, 적절한 전력을 모듈(22)에 인가한다. 상기 검출 압력이 1,800 psig를 초과하면, 전력 공급 및 제어부(20)는 고압 스위치(54)에서의 검출 압력이 1,800 psig 밑으로 떨어질 때까지 모듈(22)로의 전력 인가를 줄인다. 또한, 전력 공급 및 제어부(20)는 저압 스위치(58)를 전기적으로 모니터한다. 고압 스위치(54)를 통해, 생성물 플레넘(34) 및 고압 연결부(50)로 전달되는 압력을 약 1,800 psig의 공칭 압력으로 조정할 수 있게 된다. 전력 공급 및 제어부(20)가 제대로 기능하지 않는 경우에, 고압 릴리프 밸브(56)가 약 2,000 psig 이상의 과잉 압력을 방출하여, 공칭 압력을 2,000 psig 미만으로 유지하고 과잉 온도와 관련한 압력의 증가를 경감한다. 최대 공칭 작동 압력은 약 1,800 psig인 것으로 이해될 수 있다. 또한, 전력 공급 및 제어부(20)는 고압 스위치(54)를 전기적으로 모니터한다. 소정의 시간 이후에 작동 압력이 최저 작동 압력보다 낮다면, 전력 공급 및 제어부(20)는 경고등과 가청 경보기(도시 생략)를 작동시킨다.

도 2는 공지의 세라믹제 산소 발생 시스템의 단면도로서, 오븐 챔버(26), 절연체(200), 산소 발생 모듈(22) 어셈블리, 히터(24), 평판형 향류 열교환기(32), 공기 흐름 댐퍼(202) 및 팬(30)을 보여주는 도면이다. 상기 향류 열교환기는 매우 효율적이고 간단하며 저렴한 디자인에 근사한 것이다. 도 2에는 산소 발생 모듈의 어셈블리(21)에 4개의 산소 발생 모듈(22', 22", 22'", 22"")이 도시되어 있지만, 임의의 수의 모듈을 사용할 수 있다. 산소 발생 모듈(22', 22", 22'", 22"")은 튜브(23', 23", 23'")에 의해 집합된다. 송출 튜브 또는 전달 튜브(25)는 생성물 플레넘(34) 및 고압 연결부(50)에 고압 산소를 제공하도록 벽(210)을 관통해 있다.

차갑고 신선한 공기는 내측 오븐에 들어가기 전에 가열되고, 뜨거운 공기는 오븐 챔버(26)를 떠나기 전에 냉각되며, 이에 의해 에너지가 보존된다. 도 2에 예시된 평판형 향류 열교환기의 구성에 있어서, 팬(30)은 오븐 절연체(200)로 구성된 내벽(220, 222)의 외부면과 열교환기 벽의 내부면(250, 252) 사이에 마련되어 있는 채널(280, 282) 안으로 차가운 산소 함유 공기를 도입한다. 이러한 차가운 산소 함유 공기는 안쪽을 향하여 열교환기 벽을 따라 지나갈 때 가열되는데, 이는 뜨거운 산소 고갈 공기가 열교환기 벽의 다른 쪽에서 오븐 챔버(26) 밖으로 나가기 때문이다. 또한, 들어오는 공기는 오븐 절연체(200)의 벽(220, 222)의 외부면에 의해 부분적으로 가열되고, 뒤이어 중도에 내측 오븐을 향하여 180°방향 전환한 이후에는 오븐 절연체(200)의 벽(220, 222)의 내부면에 의해 부분적으로 가열된다. 각 채널(280, 282)에서는 팬(30)으로부터 유래한 흐름이 좌에서 우로 유동한 이후에, 방향이 역전되어 우에서 좌로 유동한다.

화학 퍼텐셜 에너지보다는 전기 퍼텐셜 에너지를 원동력으로서 이용하는 전기 화학적 산소 발생 시스템에서 전기 저항은 내재된 것이다. 전기 화학적 산소 발생 모듈(22)은 열뿐만 아니라 산소를 발생시킨다. 오븐 절연체(200)가 지나치게 많고 열교환기의 효율이 높으면, 오븐 온도의 제어가 불가능해질 수 있다. 한 가지 온도 제어 방법으로는, 초기 기동 기간 이후에 정상적인 작동 온도를 유지하기 위해 항상 히터를 얼마간 확실하게 작동시키는 것이 있다. 다른 방법으로는, 부가적인 공기가 오븐 챔버(26)를 순환하여 과잉 열을 수반해 가도록 팬(30)의 속도를 조정하는 것이 있다. 전력 공급 및 제어부(20)는, 전략적으로 설치된 하나 이상의 열전쌍(28)(도 2에 도시되어 있지 않음)을 이용해 오븐 챔버(26) 내부의 온도를 모니터하여, 오븐 온도가 정상적이라는 것을 보장한다. 전력 공급 및 제어부(20)는 이 온도 정보를 이용해 히터(24)의 전압 혹은 팬(30)의 속도를 조정하여 오븐 챔버(26)의 온도를 제어한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 도시된 실시예에서는 6개의 공기 흐름 댐퍼(202)를 사용한다. 벽(260, 262)에 각각 3개의 공기 흐름 댐퍼가 장착되며, 이들 공기 흐름 댐퍼(202)는 모듈(22) 사이에 배치되고 서로 대향하게 배치된다. 도시된 공기 흐름 댐퍼(202)는, 일부 산소 함유 공기로 하여금 내측 오븐에 이르는 전체 열교환 흐름 경로를 완전히 통과하기 전에 모듈 챔버 또는 내측 오븐으로 들어갈 수 있게 한다. 모든 산소 함유 공기가 전체 열교환 흐름 경로를 통과하도록 강제된다면, 오븐 챔버 내의 일련의 모듈(22)을 가로질러 형성되는 온도 구배가 커질 것이다. 공기는 각 모듈(22)을 통과할 때 점진적으로 가열될 것이다. 일부 공기가 후방 모듈(22'", 22"") 부근에 들어가는 것을 허용하면, 모듈(22', 22")을 가로질러 형성되는 온도가 보다 균일해지고, 모듈(22'", 22"")의 과열 가능성이 방지된다. 상기 공기 흐름 댐퍼(202)는, 산소 발생 시스템(10)의 조립 동안에 그리고 산소 발생 시스템(10)의 제조 및 조립 공정의 완료 후 실시하는 초기 기동 시험 공정 동안에 조정할 수 있고 수동으로 조정될 수 있다. 상기 공기 흐름 댐퍼(202)는 댐퍼 플랩(204)을 포함하는데, 이 댐퍼 플랩은 오븐 절연체 및 지지 구조를 통과하여 오븐 챔버(26) 외부로 연장되는 적절한 원통형 로드(도시 생략)에 장착되는 것이다. 상기 로드의 외측 단부를 조립 공정 동안에 회전시켜 바람직한 방위로 고정시킬 수 있다. 별법으로서, 공기 흐름 댐퍼는 열전쌍(28)에서 검출한 오븐 챔버(26) 내부의 온도에 기초하여 전력 공급 및 제어부(20)에 의해 자동 조정될 수 있다. 사용 가능한 몇 가지 타입의 전기 기계식 댐퍼 액추에이터를 입수할 수 있다.

도 3은 다른 타입의 공지의 열교환기 실시예를 보여준다. 이 실시예는 도 2와 관련하여 전술한 공기 흐름 댐퍼를 구비하는 평판형 열교환기에 견줄만한 다른 근사(近似)한 것이다. 관형 열교환기에 근사한 것은 복수 개의 원통형 튜브(300, 302)를 이용하는데, 이들 원통형 튜브는 내측 절연체와 외측 절연체 사이에서 오븐 안으로 들어가고, 오븐의 일단부를 향해 가로질러 나아가며, 내측 오븐 안으로 들어가고, 내측 절연체의 안쪽에서 오븐의 타단부를 향해 나아간다. 차가운 산소 함유 공기는 팬(30)에 의해 튜브(300, 302) 안으로 강제되고, 이 팬과 동일 측에 있는 오븐의 단부에서 내측 챔버로 전달된다. 뜨거운 산소 고갈 공기는 튜브(300, 302)의 바깥쪽에서 반대 방향으로 유동하므로, 상기 산소 고갈 공기는 냉각되고 상기 차가운 산소 함유 공기는 데워진다. 일부 튜브는 내측 오븐에 있어서의 복귀 경로를 따라 위치하는 전략적 지점[대개 모듈(22', 22"; 22", 22'"; 22'", 22"")의 사이]에서 구멍(320)을 구비하고, 또는 일부 튜브는 내측 오븐에 있어서의 복귀 경로를 따라 위치하는 전략적 지점에서 종단된다. 이로써, 일부 공기는 튜브(300, 302)의 전체 길이를 통과하기 이전에 챔버에 들어갈 수 있게 되며, 그 결과 공기 흐름 댐퍼를 구비하는 평판형 열교환기에 대해 전술한 바와 같이 온도 구배가 더 균일해진다.

도 3에 도시된 바와 같이, 차가운 산소 함유 공기가 팬(30) 부근에 있는 튜브(300, 302) 안으로 들어가는 위치에 댐퍼(340, 342)가 배치되어 있다. 내측 오븐으로의 전체 통로를 통과하기 이전에는 구멍을 구비하지 않거나 혹은 종단되지 않는 일부 튜브는 팬 측의 단부에도 댐퍼가 마련되어 있지 않다. 내측 오븐으로의 전체 통로를 통과하기 이전에 구멍을 구비하거나 혹은 종단되는 그 밖의 튜브는, 팬 측의 단부에도 댐퍼가 마련되어 있다. 튜브를 적소에 고정하는 튜브 플레이트에 있어서 팬 측에 위치하는 적절한 튜브의 개방 단부에 댐퍼가 배치된다. 필요에 따라 오븐 챔버 내부의 각 영역의 온도를 조절하도록, 댐퍼가 튜브의 개방 단부를 가로질러 배치되어 개방 단부를 막을 수 있다. 댐퍼(340, 342)는 전술한 바와 같이 수동 조정될 수 있고, 또는 전력 공급 및 제어부(20)에 의해 자동 조정될 수 있다.

세라믹제 산소 발생기의 온도 혹은 산소 생성률을 제어하기 위한 다른 방법으로는, 산소 발생기에 공급되는 공급 공기의 양을 줄이거나, 혹은 공급 공기에 있어서 산소의 양을 줄이는 방법이 있다. 전술한 바와 같이, 세라믹제 산소 발생기를 통과하는 전류와 산소 생성률은 등가의 것이다. 상기 전류는 세라믹제 산소 발생기에 인가된 전압에서 네른스트 아인슈타인(Nernst Einstein) 전압을 뺀 값에 비례한다. 네른스트 아인슈타인 전압은 세라믹제 산소 발생기의 입력과 출력에 있어서의 산소 분압의 차에 비례한다. 따라서, 입력측 산소 분압이 감소하는 경우와 출력측 산소 분압이 증가하는 경우 중 어느 한 경우에 있어서, 혹은 두 경우 모두에 있어서, 전류와 그에 따른 산소 유량이 줄어든다. 실제로, 입력측 산소 분압은 전술한 댐퍼를 사용함으로써, 그리고 예컨대 팬(30)의 속도를 줄이는 그 밖의 수단을 사용함으로써 줄일 수 있다. 세라믹제 산소 발생기를 통과하는 전류와 산소 유량이 줄어들 때, 세라믹제 산소 발생기에 있어서 전력 소실이 줄어들어 모듈 내에서의 자체 가열이 줄고, 그 결과 세라믹제 산소 발생기의 온도가 낮아진다.

전술한 공지의 실시예 모두에 있어서, 개개의 모듈(22)의 산소 전달 튜브(23', 23", 23'" 및 25)는 어느 하나가 노의 가열 섹션 외부로 연장되거나, 혹은 일체로 결합되어 형성된 튜브(25)가 노의 외부로 연장되어야 한다. 개개의 튜브를 노 또는 오븐 챔버(26) 밖으로 연장하는 한 가지 방법은, 모듈(22')에 마련된 정합 구멍 또는 요부(凹部)에서 밀봉되는 세라믹제 튜브(25)를 사용하는 것이다. 세라믹제 튜브를 사용하면, 튜브와 모듈의 인터페이스 사이에서 열팽창계수의 차이로 인하여 발생되는 응력이 최소화된다. 그러나, 이 방법은 튜브, 모듈 및 밀봉부의 구성 재료가 부서지지 않고는 상당한 변위를 지탱할 수 없는 취성 재료라는 점에서 문제가 있다. 이 기법을 사용하면, 튜브에 굽힘 모멘트가 인가되는 것을 방지하기가 곤란하다. 바람직한 종래의 방법으로는, 구형 장치 또는 튜브(25)의 정합 단부(402)를 모듈(22) 또는 하우징(609)의 통로(607)를 중심으로 형성된 정합 혹은 대응 오목면 또는 요부(404) 안에 강제로 밀어 넣음으로써, 보다 탄력적인 밀봉부를 형성하는 방법이 있었다. 튜브(25)의 외부면에는 볼록한 구 형상부를 형성하고 모듈 벽에는 오목면을 형성할 수 있고, 또는 이와는 반대로 구성할 수도 있다. 또 한, 오목면의 형태는 원뿔형일 수 있고, 구형일 수도 있다. 이러한 종래의 방법에 의하면, 예컨대 스프링 또는 중량의 작용으로 튜브(25)가 오목면(404) 안으로 계속 압입되는 경우, 상당한 양의 오정렬을 용납하는 밀봉부의 형성이 가능해진다. 도 4는 종래의 방법을 예시하며, 밀봉부가 여전히 유효하게 유지되어 있는 상태로 상당한 오정렬이 용납되고 있음을 보여준다.

도 5 내지 도 8은 복수 개의 개개의 IMAT 모듈(22)을 구비하는 종래의 전기 화학적 산소 발생 시스템의 다른 공지의 실시예를 보여주는데, 이들 모듈의 각 모듈 단부(22e)에서는 수집 매니폴드(700) 또는 수집 튜브 시스템으로의 유입이 이루어진다.

IMAT 모듈

전술한 세라믹제 IMAT 모듈 요소(800)의 실시예는 바람직하게는 이온 전도성 세라믹 전해질을 일체형으로 사출 성형한 것이다. 또한, 세라믹제 모듈 요소(800)는, 동일하거나 유사한 세라믹 재료로 이루어진 고체 블록으로부터 일체형으로 기계 가공한 것일 수도 있고, 또는 복수 개의 부재를 함께 접합한 후 형성한 것일 수도 있다.

사출 성형되든지 혹은 기계 가공되든지 전체 세라믹제 모듈 요소는, 상이한 팽창 계수를 갖는 상이한 재료를 사용하는 것과 관련된 문제를 배제하도록, 단일 재료로 제조되는 것이 유익하다. 균일한 열팽창계수를 갖는 단일 재료는 이하에 상세히 기술된 바와 같이 무(無)누출 작동을 제공한다.

세라믹제 모듈 요소(800)는 단위 체적당 큰 표면 영역을 제공하는 것이 유익 하다. 이하에서 상세히 논하는 바와 같이, 세라믹제 모듈 요소(800)는 산소 발생기 어셈블리 혹은 연료 셀 어셈블리를 형성하도록 짝을 이루어 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 세라믹제 모듈 요소(800)의 모듈 구조를 대칭으로 하면, 제2 요소를 반대로 놓고 제1 요소에 대해 밀봉하여 산소 발생기 어셈블리 혹은 연료 셀 어셈블리를 형성할 수 있게 된다. 제2 요소는 제1 요소(800)와 동일한 것이 바람직하다.

세라믹제 모듈 요소(800)는, 거의 평판형인 튜브 지지 부재(804)로부터 연장되고 서로 간격을 두고 배치되어 있는 세장형 튜브(802)의 어레이를 포함한다.

튜브 지지 부재(804)는 거의 직사각형 구조로 이루어져 있다. 전술한 실시예에서는 외부면 및 내부면을 구비하는 원형 혹은 원통형 튜브(802)가 도시되어 있지만, "튜브"에 대해서는 다른 구조를 채용할 수 있으며, 본원에서 "튜브"란 용어는 단지 참조 편의를 목적으로 사용된 것으로 이해되어야 한다. 도 9에서 어레이는 8개의 행과 28개의 열을 구비하고 총 224개의 튜브를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 예시된 튜브의 개수에 국한되지 않는다. 산소 발생기의 경우에, 튜브(802)의 개수, 크기 및 길이는 산소의 희망 생성량에 따라 결정된다. 각 튜브(802)의 외측 말단은 단부(805)에서 폐쇄되어 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 세라믹제 모듈 요소(800)의 둘레에는 세라믹제 모듈 요소(800)의 하부면(808)으로부터 하향 연장되는 플랜지부(810)가 마련되어 있다.

산소 발생기로서 사용하는 경우에는, 도 10에 도시된 바와 같이, 세라믹제 모듈 요소(800)의 외부면의 주요 부분을 코팅 공정 동안에 전기 전도성 촉매 재료로 코팅한다. 또한, 이후에 세라믹제 모듈 요소(800)를 집전 코팅으로 코팅하는 것이 바람직하다. 세라믹제 모듈 요소(800)의 외부면은, 상부면(806) 및 튜브(802)의 외부면(803)과 더불어 이 튜브의 폐쇄 단부(805)를 포함한다. 마찬가지로, 각 튜브(802)의 하부면(808) 및 내부면(807)에 유사한 전기 전도성 재료를 코팅한 후, 바람직하게는 집전 코팅을 코팅한다. 튜브(802)의 폐쇄 단부(805)는 평면형 내면(809)과 평면형 외면(813)을 갖는 것으로 도 10에 도시되어 있지만, 전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서 내면(809)과 외면(813)은 평면형, 곡선형, 혹은 이들이 조합된 형태일 수 있다. 도 10에서 튜브(802)의 내면(807)은 주변 분위기에 대해 개방되어 있다.

연료 셀에 사용되는 경우, 전술한 모든 실시예에 있어서 세라믹제 모듈 요소는, 연료에 노출되는 표면 상에만 금속 세라믹 복합재 코팅이 코팅되어 있다. 공기 또는 산소에 노출되는 표면에는, 본원에 기술되어 있는 바와 같이 산소 발생기 상에 사용되는 것과 동일한 코팅이 코팅될 것이다. 상기 금속 세라믹 복합재는 전기 전도성을 갖지만, 산소 발생기에 사용되는 코팅과는 조성이 다른데, 그 이유는 작동 중에 연료 셀이 산화 환경에 노출되기 때문이다. 상기 코팅은 30～70 체적%의 Ni와 30～70 체적%의 안정화 지르코니아를 포함하고, 바람직하게는 40 체적%의 Ni와 60 체적%의 안정화 지르코니아를 포함한다. 본원에 기술된 전기 접속부는, 세라믹제 모듈 요소(800)가 산소 발생기 어셈블리에 사용되든지 혹은 연료 셀 어셈블리에 사용되든지 동일하다. 연료 셀에 사용되는 벽 두께는, 전기적 효율을 향상 시키기 위해, 유사한 크기의 산소 발생기에 있어서의 벽 두께보다 작은 것이 바람직하다.

일련의 비아(814)가 상부면(806)에서 하부면(808)까지 관통 연장된다. 비아(814)는 세라믹 전해질을 관통 연장하는 구멍이다. 비아(814)는 해당 튜브(802)에 인접하게 각각 배치되고, 해당 튜브로부터 길이 방향 및 폭 방향으로 오프셋되어 있다. 비아(814)의 개수는 튜브(802)의 개수에 상당하고, 비아(814)도 마찬가지로 행과 열로 배치된다. 코팅 공정 동안에 비아(814)는 끝까지 전기 전도성 코팅으로 도금(그리고 채워지거나 혹은 충전됨)된다.

IMAT 모듈(22)의 어셈블리가 도 11에 도시되어 있다. 도 11에 도시된 모듈(22)의 어셈블리를 형성하는 모듈 반체(22t 및 22d)는 완전한 IMAT 모듈(22) 어셈블리를 형성하도록 동일하고 대칭인 것이 바람직하다. 플랜지부(810)는 튜브 지지 부재(804)의 둘레에서 튜브 지지 부재의 하부면(808)으로부터 하향 연장되어 있으므로, 모듈 반체(22t 및 22d)를 함께 설치할 때 플랜지부(810 및 810')가 결합되어, 두 모듈 반체(22t 및 22d)의 하부면(808) 사이에 있는 튜브 지지 부재의 내부에 내측 밀봉 공간 혹은 매니폴드(830)가 형성된다. 전술한 실시예 중 어느 한 실시예에서는, 모듈 반체(22d) 대신에 덮개판(도시 생략)을 사용할 수 있다.

본 발명의 TriMAT

구체적으로 도 12를 참조하면, 본 발명은 복수 개의 개개의 모듈 또는 유닛(IMAT)(22)을 조립하여 TriMAT 모듈(702)을 형성하는 방식을 한정한다. 예로서, 3개의 IMAT(22a, 22b, 22c)을 단-대-단(end-to-end)으로 밀봉하여, 전기 및 기계식 연결부를 2/3만큼 줄일 수 있다. 이러한 TriMAT 모듈(702) 어셈블리 역시도, 산소가 오븐 밖으로 나가는 경로의 역할을 하는 생성물 전달 튜브를 포함하는 것이 바람직하다. TriMAT 모듈(702)의 양단부에는 기계식 장착부의 역할을 하는 파킹 블록이 마련될 수 있으며, 이 파킹 블록은 TriMAT 모듈(702)을 시스템의 나머지 부분으로부터 전기적으로 분리시키는데 사용된다. 본 발명은 모듈을 실용적이고 경제적인 방식으로 조립하는 방법을 찾는 것에 관한 과제를 해결한다.

IMAT 모듈 또는 유닛(22)은 중앙 축선(A)을 따라 중앙부(703)에, 단부 대 대응 단부, 혹은 제2 단부(706) 대 다른 IMAT 모듈의 제1 단부(704) 방식으로 결합되어 있고, 이를 통해 중간 구성 요소 및 이와 관련한 고장 모드가 배제된다. 중앙부(703)는 제1 단부(714)와 이에 대향하는 제2 단부(716)를 구비한다.

소정 재료로 이루어진 지지 블록(708)은, TriMAT 모듈(702)을 형성하는 IMAT 중앙부(703)의 제2 단부(716)의 바닥측(706)에 있어서 출구 구멍 상에 선택적으로 접합될 수 있다. 이러한 선택적인 지지 블록(708)은 중앙부(703)의 제2 단부(716)에 위치하는 IMAT 모듈(22c)의 일단부(706)를 막고, TriMAT 모듈(702)의 장착을 위한 "기부"를 제공한다.

T자를 형성하는 일단부에 플랜지(712)가 마련된 "T"자형의 세라믹제 수집 튜브(710)는, 지지 블록(708)을 장착하는 TriMAT 모듈의 단부(716)의 반대편에 위치하는 TriMAT 모듈(702)의 중앙부의 제1 단부(714)에 부착될 수 있다. 수집 튜브(710)는, 개개의 IMAT 유닛(22)이 서로에 대해 부착되는 방식과 동일한 방식으로 부착된다. 이를 통해, 진동에 대한 저항성이 크고 누출 발생 가능성이 훨씬 더 낮 은 본 발명에 따른 하나의 단일체로 이루어진 구조가 형성된다. 본 발명의 TriMAT 모듈(702)은 간단하게 양단부에서 적소에 유지될 수 있으므로, 이를 통해 종전에 사용되던 장착용 구조의 대부분이 배제될 수 있다.

생성물 송출 또는 전달 튜브(718)는 오븐 챔버(26)의 밖으로 연장되며, 오븐 챔버의 외부에서는 도 14에 도시된 바와 같이 어댑터(720)를 사용하여 금속제 수집 튜브(722)에 대한 연결부를 형성한다.

모듈 반체(22d, 22t)를 조립하는데 사용되는 것과 동일한 소성 유리 재료 및 공정을 사용하여, 복수 개의 공지의 IMAT 모듈(22)을 밀봉 결합함으로써, 도 12에 도시된 바와 같은 개개의 모듈(22)을 형성할 수 있다. 두 개의 상대적인 모듈 반체(22d, 22t)를 결합하여 매니폴드를 형성하였으며, 멤브레인을 통과한 가스가 이 매니폴드에서 수집될 수 있다. 본 발명에 따른 TriMAT 모듈(702)은 다음과 같은 작동 요건을 필요로 한다. 1) IMAT가 서로에 대해 그리고 오븐의 외부에 대해 전기적으로 연결되어 있을 것; 2) 모듈이 몇 가지 방식의 장착/고정을 필요로 할 것; 3) 각 모듈에서 발생된 가스를 수집하기 위해, 개개의 IMAT 모듈 또는 유닛이 반드시 공압적으로 연결되어 있을 것.

각 IMAT 모듈을 구성하는 2개의 개개의 세라믹제 부품은 대개 병렬로 배선되고, 본 발명에 따른 TriMAT 모듈을 구성하는 IMAT 모듈은 대개 전기적으로 직렬 접속된다. 예컨대, 각 TriMAT 유닛의 쌍은 전류 및 전압 요건을 간단히 최적화하기 위해 직렬로 배선된다. 다른 예에서 이러한 전기 접속은 공학적인 선택에 따라 달리할 수 있다. 따라서, 이러한 종합적인 전기 접속 방법은, 공지의 디자인으로부 터 그 개념이 변경된 것은 아니지만, 본 발명에 따른 TriMAT 모듈(702)의 경우에는 배선 요건이 줄어들고 간소화된다.

모듈 선택 개수, 이용 가능한 공간 및 그 밖의 결정 혹은 선택 조건의 견지에서 소정 용례와의 조화성을 고려한 상기 소정 실시예에서는, 3개의 IMAT 유닛(22a, 22b, 22c)이 결합되어 있는 것으로 나타나 있다. 그 밖의 소정 용례 또는 실시예는 유사하거나 공용 가능한 방법으로 부착되는 다른 개수의 IMAT 모듈(22) 또는 TriMAT 모듈(702)을 사용할 수 있다.

내측 오븐 어셈블리에 관한 기본적인 디자인 요건은 다음과 같다:

1. 모듈을 오븐 내에 지지하기 위해 장착 기구 및 지지부 어셈블리를 제공할 것.

2. 개개의 모듈을 서로에 대해, 그리고 오븐 외부의 배선에 대해 연결할 것.

3. 시스템으로부터 수집한 산소를 이송하도록 모듈을 공압적으로 연결할 것.

4. 소정 크기의 오븐 내에 수용되는 IMAT의 개수를 최대화하도록 공간을 효율적으로 사용할 것.

다양한 옵션의 타당성을 결정하는 인자는 다음과 같다:

1. 구입하거나 제조하는 구성 요소의 개수 및 값과, 오븐을 조립하고 시험하는데 필요한 노동에 기인한 비용.

2. 예상되는 진동 혹은 충격을 거친 이후의 구조적 완전성.

3. 실온과 약 700 ℃ 사이의 온도 행정 동안에, 구성 요소에 작용하는 과잉 응력 혹은 누출의 발생 없이, 다양한 구성 요소의 열팽창을 견딜 수 있는 능력.

4. 위험한 고온 공기가 오븐 내부로부터 새어나가는 것을 방지하기 위한 오븐 어셈블리의 기밀 밀봉성.

공지의 방법은, 개개의 IMAT 모듈(22)을 오븐 내의 랙(rack) 혹은 지지 구조 상에 각각 물리적으로 장착할 것과, 단일 IMAT 모듈(22)을 금속제 지지 어셈블리로부터, 그리고 가스를 수집하기 위한 배관 및 설비로 이루어진 시스템으로부터 절연하면서, 이들 모듈을 전기적으로 연결하기 위해 개개의 배선 혹은 전도성 클립을 사용할 것을 필요로 한다. 단일 IMAT 모듈(22)은 각각 산소 출구 구멍 주위에 기계 가공되어 있는 구 모양의 암형 지지면을 구비한다. 구형 정합 팁을 구비한 금속 혹은 세라믹제 튜브는 스프링 압력에 의해 각 모듈에 대하여 유지되어, 작동 동안에 열팽창에 기인한 움직임을 허용한다. 이러한 시스템은 보다 이전의 기법에서 겪었던 손상 문제를 해결하였지만, 구성 요소의 비용과 복잡한 지지 구조 및 출구 혹은 송출 튜브를 조립하는데 필요한 노동 비용은 바람직하지 못하다. 또한, 구형 표면 사이에 신뢰 가능하게 밀봉을 형성하고 유지하기가 어렵다.

본 발명의 TriMAT 모듈(702)은, 오븐 벽을 관통하는 연결부의 개수를 IMAT 모듈(22)당 하나에서 TriMAT 모듈(702)당 하나로 줄이고, 출구를 오븐의 측부에서 상부로 옮김으로써, 상기 밀봉 및 누출 문제를 해결하였으며, 가요성 조인트를 사용하지 않고도 열팽창에 관한 인정도 받을 수 있다.

매우 신뢰할 만한 유리 시일로 모듈의 단부를 함께 밀봉함으로써, 이제 가스는 모듈에서 모듈로 유동한 후, 본 발명의 각 TriMAT 모듈당 하나가 마련된 포트를 통하여 오븐 밖으로 유동한다. 진동 동안에 손상이 발생하는 것을 방지하는데 필 요한 강도를 제공하도록 되어 있는 세라믹제 출구 혹은 송출 튜브를 부가함으로써, 금속/세라믹 조인트는 온도의 관리가 보다 용이한 오븐 외부로 옮겨졌다.

종래의 방법에서 사용되던 하드웨어의 제거를 통해 본 발명에서 얻어지는 효율적인 배치는, 동일한 오븐 크기에 대략 두 배의 모듈을 수용하는 것을 허용한다. 제조 동안에 각 모듈에 부착되는 리드선을 간단히 함께 꼬아서, 모듈 사이를 전기적으로 연결할 수 있다. 본 발명에 따른 TriMAT을 설치하여 형성한 전체 어셈블리는, 종래의 방법에서 사용되던 부품 중 작은 부분만을 수용하면서도, 가스 경로의 완전성이 향상되고, 오븐의 내부와 주변 영역 사이의 공기 밀봉이 향상되며, 그리고 조립 및 시험 공정이 매우 간단해진다.

본 발명과 관련하여 앞서 개시하고 기술한 내용은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않고도, 예시한 구성의 크기, 형상 및 재료뿐만 아니라 세부 사항을 다양하게 변경할 수 있다.

Claims

제1 단부와 제2 단부를 갖고, 중앙 축선을 따라 단-대-단으로 결합되며, 내부에는 생성물 가스를 수집하기 위한 내부 공간이 형성되어 있는 복수 개의 IMAT(integrated manifold and tube) 모듈로 구성되는 중앙 유닛과,

연결된 IMAT 모듈의 내부 공간에 수집되는 생성물 가스를 운반하도록, 중앙 유닛의 제1 단부에 작동 가능하게 연결되는 생성물 송출 튜브

를 포함하며, 상기 IMAT 모듈은 제1 및 제2 면을 갖는 하나 이상의 튜브 지지부와, 상기 제1 면으로부터 연장되는 복수 개의 튜브 부분을 각각 구비하고, 상기 튜브 부분은 폐쇄 단부와 개방 단부를 각각 구비하며, 상기 제2 면은 주변 분위기에 대해 적어도 부분적으로 개방되어 있고, 상기 복수 개의 튜브 부분의 개방 단부는 상기 제2 면을 통하여 주변 분위기에 대해 개방되어 있는 것인 이온 전도성 세라믹제 요소.
제1항에 있어서, 상기 중앙 유닛의 제2 단부에 장착되는 지지 블록을 더 포함하는 것인 이온 전도성 세라믹제 요소.
제1항에 있어서, 금속 세라믹 복합재 표면 코팅으로 코팅되는 것인 이온 전도성 세라믹제 요소.
제1항에 있어서, 이온 전도성 세라믹 전해질로 구성되는 것인 이온 전도성 세라믹제 요소.
제1항에 있어서, 상기 IMAT 모듈의 단부는 유리 시일(glass seal)로 함께 밀봉되는 것인 이온 전도성 세라믹제 요소.
제1항에 있어서, 상기 생성물 송출 튜브는 세라믹 재료로 구성되는 것인 이온 전도성 세라믹제 요소.
오븐 히터에 전력을 공급하여 온도를 산소 발생 모듈 어셈블리의 작동 범위 내로 상승시키는 전력 공급 및 제어부를 포함하는 타입의 전기 화학적 산소 발생 장치로서, 상기 산소 발생 모듈 어셈블리는 오븐 유닛과 하나 이상의 이온 전도성 세라믹제 요소를 구비하며, 상기 이온 전도성 세라믹제 요소는,

제1 단부와 제2 단부를 갖고, 중앙 축선을 따라 단-대-단으로 결합되며, 내부에는 생성물 가스를 수집하기 위한 내부 공간이 형성되어 있는 복수 개의 IMAT 모듈로 구성되는 중앙 유닛과,

연결된 IMAT 모듈의 내부 공간에 수집되는 생성물 가스를 운반하도록, 중앙 유닛의 제1 단부에 작동 가능하게 연결되는 생성물 송출 튜브

를 포함하고, 상기 IMAT 모듈은 제1 및 제2 면을 갖는 하나 이상의 튜브 지지부와, 상기 제1 면으로부터 연장되는 복수 개의 튜브 부분을 각각 구비하며, 상기 튜브 부분은 폐쇄 단부와 개방 단부를 각각 구비하고, 상기 제2 면은 주변 분위기에 대해 적어도 부분적으로 개방되어 있으며, 상기 복수 개의 튜브 부분의 개방 단부는 상기 제2 면을 통하여 주변 분위기에 대해 개방되어 있는 것인 전기 화학적 산소 발생 장치.
제7항에 있어서, 상기 중앙 유닛의 제2 단부에 장착되는 지지 블록을 더 포함하는 것인 전기 화학적 산소 발생 장치.
제7항에 있어서, 상기 이온 전도성 세라믹제 요소는 금속 세라믹 복합재 표면 코팅으로 코팅되는 것인 전기 화학적 산소 발생 장치.
제7항에 있어서, 상기 IMAT 모듈의 단부는 유리 시일로 함께 밀봉되는 것인 전기 화학적 산소 발생 장치.
제7항에 있어서, 상기 생성물 송출 튜브는 세라믹 재료로 구성되는 것인 전기 화학적 산소 발생 장치.