Método y conjunto de separación de oxígeno.

Un conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente que comprende:

por lo menos un elemento de membrana tubular (14) que tiene una capa de ánodo (60), una capa de ánodo (58),una capa de electrolito (62) ubicada entre la capa de ánodo (60) y la capa de cátodo (58) y dos capas de colector decorriente (64, 66) ubicadas junto y en contacto con la capa de ánodo (60) y la capa de cátodo (58) y ubicadas en elinterior y exterior del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) para permitir que un potencial eléctricosea aplicado por una fuente de energía (70) para inducir el transporte de iones de oxígeno a través del capa deelectrolito (62) desde la capa de cátodo (58) hacia la capa de ánodo (60); y

un grupo de conductores (72, 74, 78, 80) conectados a una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66)en dos ubicaciones centrales espaciadas (76) del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) y a la otra(66) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) por lo menos en ubicaciones extremas opuestas del por lomenos un elemento de membrana tubular (14) espaciadas hacia fuera de las dos ubicaciones centrales espaciadas(76) de modo que la fuente de energía (70) sea capaz de aplicar potencial eléctrico a través del grupo deconductores (72, 74, 78, 80, 84, 86, 88, 90) entre las dos ubicaciones centrales espaciadas (76) y por lo menos lasdos ubicaciones extremas opuestas y una corriente eléctrica que fluye a través del por lo menos un elemento demembrana tubular (14) inducida por el potencial eléctrico se divide en dos partes que fluyen entre las dosubicaciones centrales espaciadas (76) y las ubicaciones extremas opuestas.

Método y conjunto de separación de oxígeno Campo de la invención La presente invención está relacionada con un método y un conjunto de separación de oxígeno impulsada eléctricamente en los que el oxígeno se separa con el uso de uno o más elementos de membrana tubular del conjunto. Más particularmente la presente invención está relacionada con un método y un conjunto de separación de oxígeno en los que el potencial eléctrico se aplica en electrodos opuestos del elemento o elementos de membrana tubular en dos ubicaciones centrales espaciadas y por lo menos en dos ubicaciones del elemento de membrana tubular espaciado hacia fuera desde las dos ubicaciones centrales espaciadas.

Antecedentes de la invención Se utilizan unos separadores de oxígeno impulsados eléctricamente para separar el oxígeno de la sustancia de entrada que contiene oxígeno, por ejemplo aire. Además, tales dispositivos también se utilizan en aplicaciones de purificación en las que se desea purificar una sustancia de entrada que contiene oxígeno mediante la separación del oxígeno de la sustancia de entrada. Los separadores de oxígeno impulsados eléctricamente pueden unos utilizar elementos de membrana tubular que tienen una estructura en capas que contienen una capa de electrolito capaz de transportar los iones de oxígeno cuando se la somete a una temperatura elevada, unas capas de cátodo y de ánodo ubicadas en superficies opuestas de la capa de electrolito y unas capas de colector de corriente para suministrar corriente eléctrica a las capas de electrodo de cátodo y de ánodo.

Cuando los elementos de membrana tubular son sometidos a una temperatura elevada, el oxígeno contenido en una sustancia de entrada se ioniza en una superficie de la capa de electrolito, junto a la capa de electrodo de cátodo al ganar electrones de un potencial eléctrico aplicado.

Bajo el estímulo del potencial eléctrico, los iones de oxígeno resultantes se transportarán a través del capa de electrolito al lado opuesto, junto a la capa de ánodo y se recombinan en oxígeno elemental.

Los elementos de membrana tubular están alojados en un confinamiento calentado eléctricamente para calentar los elementos de membrana tubular a una temperatura de funcionamiento a la que se transportarán los iones de oxígeno. Además, tales elementos de membrana tubular pueden agruparse juntos de tal manera que la sustancia de entrada que contiene oxígeno se pasa al confinamiento y el oxígeno separado es extraído de los elementos de membrana tubular a través de un tubo múltiple. En algunas aplicaciones de purificación, la sustancia de entrada que contiene oxígeno se puede pasar por el interior de los elementos de membrana tubular y el oxígeno separado se puede extraer del confinamiento.

Unos materiales típicos que se usan para formar la capa de electrolito son el itrio o el óxido de circonio estabilizado con escandio y óxido de cerio dopado con gadolinio. Las capas de electrodo se pueden hacer de mezclas del material de electrolito y un metal conductivo, un óxido o aleación metálica, tal como una perovskita conductora de electricidad. Los colectores de corriente de la técnica se han formado de metales y aleaciones de metales conductivos, tal como la plata, así como mezclas de esos metales y óxidos metálicos.

Con el fin de aplicar el potencial eléctrico a los elementos de membrana tubular, se pueden conectar unos conductores a las capas del colector de corriente. Dichos conductores se conectan en ubicaciones individuales para conectar los elementos de membrana tubular con una conexión eléctrica en serie o en paralelo. El problema de esto es que la corriente eléctrica se distribuye de manera irregular en toda la longitud de cada uno de los elementos tubulares, lo que tiene como resultado la creación de puntos calientes en el empalme de los conductores con los elementos de membrana tubular. Estos puntos calientes pueden llevar al fallo de los elementos tubulares. Idealmente la corriente se distribuye uniformemente a lo largo de la longitud del colector de corriente, lo que tiene como resultado una distribución uniforme de la temperatura y un flujo localizado de iones de oxígeno a lo largo de la membrana. Dado que la distribución de la corriente eléctrica es desigual, la conducción iónica de los iones de oxígeno a través de la capa de electrolito también es desigual ya que se produce, en gran medida, en la conexión de los conductores con las capas de recogida de corriente.

Incluso un problema adicional es que los elementos de membrana tubular se proyectan a través de los aislantes y/o el confinamiento calentado que también puede estar aislado. De este modo, en los extremos de proyección de los elementos de membrana tubular, se produce una temperatura que es aproximadamente 500 °C inferior a la temperatura de los elementos tubulares dentro del confinamiento calentado que puede ser aproximadamente 700 °C. En estas zonas de transición de temperatura se ha encontrado que la capa de electrolito puede sufrir una reducción química en la que el electrodo se reduce químicamente a un conductor electrónico que conduce a otro punto en el que los elementos de membrana tubular fallarán con el tiempo.

A partir del documento US 2005/258031 se conoce una celda electroquímica que recibe una corriente de aire de entrada y produce una corriente de salida de gas oxígeno. La célula comprende una capa de ánodo, una capa de cátodo, un capa de electrolito ubicada entre la capa de ánodo y la capa de cátodo y unas capas de colector de

corriente ubicadas junto y en contacto con la capa de ánodo y la capa de cátodo. El electrolito es una membrana cerámica a través de la que se aplica un potencial eléctrico para inducir el transporte de iones de oxígeno a través de la capa de electrolito desde la capa de cátodo hacia la capa de ánodo.

En el documento WO 0124300 se describe un conjunto de celda de combustible tubular que comprende un lado de ánodo que define un paso tubular para el gas combustible, el lado de ánodo comprende una capa de ánodo y un colector de corriente en el lado del ánodo en contacto eléctrico con la capa de ánodo, una capa de electrolito de óxido sólido en una superficie radialmente exterior de la capa de ánodo, una capa de cátodo en una superficie radialmente exterior de la capa de electrolito y un colector de corriente en el lado del cátodo en la capa de cátodo, en donde el colector de corriente del lado de ánodo comprende una estructura metálica tubular que está adaptada para permitir que el gas combustible en el paso de gas entre en contacto con la capa de ánodo, por lo menos la superficie de la estructura metálica tubular está formada de Ni o aleación de Ni, y en donde la estructura metálica tubular está por lo menos parcialmente incrustada en la capa de ánodo.

En el documento 2005147857 se describe una célula de combustible de óxido sólido que comprende una pluralidad de tubos, cada uno tiene un ánodo, un cátodo y un electrolito. Unos colectores de corriente de ánodo y de cátodo se montan en los tubos. El colector de corriente de ánodo se conecta eléctricamente al ánodo y puede tener un contacto con el ánodo. El colector de corriente de cátodo se conecta eléctricamente al cátodo y puede tener un contacto con el cátodo.

Como se mencionará, la presente invención proporciona un conjunto de separación de oxígeno que utiliza uno o más elementos de membrana tubular y un método relacionado en el que, entre otras ventajas, la corriente se distribuye de forma más uniforme a lo largo de la longitud de los elementos de membrana tubular en comparación con la técnica anterior. Además cada uno de los elementos tubulares se puede modificar para resistir el fallo en una zona de transición de temperatura, como se ha mencionado anteriormente. Por otra parte, los extremos de los elementos de membrana tubular se pueden sellar con un miembro tipo tapón de una manera rentable.

Compendio de la invención La presente invención proporciona, en un aspecto, un conjunto de separación de oxígeno impulsada eléctricamente. Según este aspecto de la presente invención, se proporciona por lo menos un elemento de membrana tubular que tiene una capa de ánodo, una capa de cátodo, una capa de electrolito ubicada entre la capa de ánodo y la capa de cátodo y dos capas de colector de corriente ubicadas junto y en contacto con la capa de ánodo y la capa de cátodo y ubicadas en el interior y el exterior del por lo menos un elemento de membrana tubular. Las dos capas de colector de corriente permiten que una corriente eléctrica sea aplicada por una fuente de energía a las capas de electrodo que a su vez inducen el transporte de iones de oxígeno a través de la capa de electrolito... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente que comprende:

por lo menos un elemento de membrana tubular (14) que tiene una capa de ánodo (60) , una capa de ánodo (58) , una capa de electrolito (62) ubicada entre la capa de ánodo (60) y la capa de cátodo (58) y dos capas de colector de corriente (64, 66) ubicadas junto y en contacto con la capa de ánodo (60) y la capa de cátodo (58) y ubicadas en el interior y exterior del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) para permitir que un potencial eléctrico sea aplicado por una fuente de energía (70) para inducir el transporte de iones de oxígeno a través del capa de electrolito (62) desde la capa de cátodo (58) hacia la capa de ánodo (60) ; y

un grupo de conductores (72, 74, 78, 80) conectados a una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) en dos ubicaciones centrales espaciadas (76) del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) y a la otra

(66) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) por lo menos en ubicaciones extremas opuestas del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) espaciadas hacia fuera de las dos ubicaciones centrales espaciadas

(76) de modo que la fuente de energía (70) sea capaz de aplicar potencial eléctrico a través del grupo de conductores (72, 74, 78, 80, 84, 86, 88, 90) entre las dos ubicaciones centrales espaciadas (76) y por lo menos las dos ubicaciones extremas opuestas y una corriente eléctrica que fluye a través del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) inducida por el potencial eléctrico se divide en dos partes que fluyen entre las dos ubicaciones centrales espaciadas (76) y las ubicaciones extremas opuestas.

2. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 1, en donde:

unas secciones extremas opuestas exteriores del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) se retienen dentro de unos miembros de aislamiento (16, 18) ;

la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) está situada en el exterior del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) ;

la capa de cátodo (53) está junto a la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) ; y

la capa de cátodo (58) y la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) se extiende parcialmente a lo largo de una dimensión longitudinal del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) de tal manera que las secciones extremas opuestas exteriores del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) están desprovistas de por lo menos la capa de cátodo (58) y la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) .

3. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 2, en donde:

un distribuidor de corriente (82) de configuración alargada está ubicado dentro del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) , se extiende entre los extremos del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) y está en contacto con la otra (66) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) en una pluralidad de puntos situados dentro de los elementos de membrana tubular (14) ; y

los conductores (78, 80, 84, 88) conectados en ubicaciones extremas opuestas de los elementos de membrana tubular (14) se conectan en extremos opuestos del distribuidor de corriente (82) .

4. El conjunto (10) de separación oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 3, en donde el distribuidor de corriente (82) tiene una configuración helicoidal.

5. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 4, en donde;

el por lo menos un elemento de membrana tubular (14) tiene unos sellos extremos opuestos (50, 110) , unas conexiones pasantes eléctricas selladas opuestas (52, 54) que penetran en los sellos extremos opuestos (50) y un tubo de salida (56) que penetra en uno de los sellos extremos opuestos (50, 110) para descargar el oxígeno; y

los conductores (78, 80, 84, 88) conectados al por lo menos un elemento de membrana tubular (14) en las dos ubicaciones extremas opuestas pasan a través de unas conexiones pasantes de alimentación eléctrica (52, 54) y están conectados al distribuidor de corriente (82) .

6. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 1, en donde;

el por lo menos un elemento de membrana tubular (14) es una pluralidad de elementos de membrana tubular (14) ; y

la pluralidad de elementos de membrana tubular (14) están conectados eléctricamente en serie mediante el grupo de los conductores, con un primer par de los conductores (72, 74) conectados a las dos ubicaciones centrales espaciadas (76) del primero de los elementos de membrana tubular, un segundo par de los conductores (78, 80) conectados a las ubicaciones extremas opuestas de un segundo de los elementos de membrana tubular y los pares restantes de los conductores (84, 86, 88, 90) unen los pares de los restantes elementos de membrana tubular en las dos ubicaciones centrales espaciadas (76) y, por lo menos en las ubicaciones extremas opuestas de los mismos de

modo que el primer par de conductores (72, 74) y el segundo par de conductores (78, 80) son capaces de conectarse a una fuente de energía eléctrica (70) .

7. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 6, en donde el uno (64) de los dos colectores de corriente (64, 66) está situado en el exterior de cada uno de los elementos de membrana tubular (14) junto a la capa de cátodo (58) y el otro (66) de los dos colectores de corriente (64, 66) está situado en el interior de los elementos de membrana tubular (14) junto a la capa de ánodo (60) .

8. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 7, en donde:

los elementos de membrana tubular (14) se disponen en una agrupación y se mantienen en una distribución radial mediante unos miembros opuestos de aislamiento (16, 18) situados en unas secciones extremas opuestas de los elementos de membrana tubular (14) ;

los elementos de membrana tubular (14) tienen unos sellos extremos opuestos (50) , unas conexiones pasantes eléctricas selladas opuestas (52, 54) que penetran en los sellos extremos opuestos (50) y unos tubos de salida (56) que penetran en los sellos extremos opuestos (50, 110) en un extremo de la agrupación para descargar el oxígeno;

los conductores (78, 80, 84, 88) conectados a los elementos de membrana tubular (14) en las dos ubicaciones extremas opuestas pasan a través de las conexiones pasantes eléctricas (52, 54) y están en contacto eléctrico con el otro (66) de los dos colectores de corriente (64, 66) ; y

un tubo múltiple (38) está conectado a la salida y tiene una salida común para descargar el oxígeno que se descarga desde los tubos de salida.

9. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 8, en donde los sellos extremos (110) comprenden unos miembros tipo tapón (112, 114) ubicados dentro de los elementos de membrana tubular (14) formados por un elastómero para producir un sello hermético y unos medios (116, 118) para retener los miembros tipo tapón dentro de los elementos de membrana tubular.

10. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 9, en donde los medios de retención (116, 118) son un depósito de adhesivo cerámico ubicado dentro del elemento de membrana tubular (14) junto al miembro tipo tapón (112, 114) y que está colocado para evitar el movimiento hacia fuera del miembro tipo tapón.

11. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 8, en donde la capa de cátodo (58) y la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) se extienden parcialmente a lo largo de una dimensión longitudinal de los elementos de membrana tubular (14) de tal manera que las secciones extremas opuestas exteriores de los elementos de membrana tubular (14) están desprovistas de por lo menos la capa de cátodo (58) y la una (66) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) .

12. El conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 7 o 9, en donde:

un distribuidor de corriente (82) de configuración alargada está ubicado dentro de cada uno de los elementos de membrana tubular (14) , se extiende entre los elementos de membrana tubular y está en contacto con el otro (66) de los dos colectores de corriente (64, 66) en una pluralidad de puntos situados dentro de los elementos de membrana tubular (14) ; y

los conductores (78, 80, 84, 88) conectados en ubicaciones extremas opuestas de los elementos de membrana tubular (14) se conectan en extremos opuestos del distribuidor de corriente (82) .

13. El conjunto (10) de separación oxígeno impulsada eléctricamente de la reivindicación 12, en donde el distribuidor de corriente (82) tiene una configuración helicoidal.

14. Un método para aplicar un potencial eléctrico en un conjunto (10) de separación de oxígeno impulsada eléctricamente, que comprende:

aplicar el potencial eléctrico a por lo menos un elemento de membrana tubular (14) que tiene una capa de ánodo (60) , una capa de cátodo (58) , una capa de electrolito (62) formada de material de electrolito y ubicada entre la capa de ánodo (60) y la capa de cátodo (58) y dos capas de colector de corriente (64, 66) ubicadas junto y en contacto con la capa de ánodo (60) y con la capa de cátodo (58) , y situadas en el interior y el exterior del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) y

el potencial eléctrico se aplica a una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) en dos ubicaciones centrales espaciadas (76) del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) y la otra (66) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) por lo menos en ubicaciones extremas opuestas del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) , espaciadas hacia fuera desde las dos ubicaciones centrales espaciadas (76) de modo que una corriente eléctrica que fluye a través del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) , inducida por el potencial eléctrico aplicado, se divide en dos partes que circulan entre las dos ubicaciones centrales espaciadas (76) y las ubicaciones extremas opuestas.

15. El método de la reivindicación 14, en donde:

la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) está ubicada en el exterior del elemento de membrana 5 tubular (14) ;

el cátodo (58) está ubicado junto a la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) ; y la otra (66) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) está ubicada en el interior del elemento de membrana tubular (14) , junto a la capa de ánodo (60) .

16. El método de la reivindicación 15, en donde:

unas secciones extremas opuestas exteriores del por lo menos un elemento de membrana tubular (14) se retienen dentro de unos miembros de aislamiento (16, 18) ;

la capa de cátodo (58) y la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) se extienden parcialmente a lo largo de una dimensión longitudinal del elemento de membrana tubular (14) de tal manera que las secciones extremas opuestas exteriores del elemento de membrana tubular (14) están desprovistas de por lo menos la capa de cátodo (58) y la una (64) de las dos capas de colector de corriente (64, 66) .

17. El método de la reivindicación 16, en donde la corriente se aplica a la otra (66) de las capas de colector de corriente (64, 66) en una pluralidad de puntos situados dentro del elemento de membrana tubular (14) entre las ubicaciones extremas del mismo.