Método y aparato para controlar la energía eléctrica aplicada a un dispositivo de separación de oxígeno accionado eléctricamente que tiene uno o más elementos de membrana compuesta para separar el oxígeno a partir de una corriente de alimentación que contiene oxígeno.

Un procedimiento para controlar la aplicación de energía eléctrica en un dispositivo (1) de separación de oxígeno,

accionado eléctricamente, en el que dicho procedimiento comprende:

aplicar parte de la energía eléctrica en al menos una zona de separación del dispositivo de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, que tiene al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta mediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico a unos electrodos (14) anódicos y (13) catódicos del por lo menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta mientras se calienta el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta a una temperatura de funcionamiento, para separar de esta manera el oxígeno de la corriente (20) de alimentación que contiene oxígeno mediante la inducción del transporte de iones de oxígeno en un electrolito (15) situado entre los electrodos anódicos (14) y catódicos mediante la aplicación de la diferencia de potencial eléctrico,

en el que el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta tiene una resistencia que aumenta con el tiempo y durante el funcionamiento del al menos un elemento de membrana compuesta, caracterizado por que el procedimiento comprende además:

controlar la diferencia de potencial eléctrico aplicada al por lo menos un elemento (10,12) de membrana compuesta de manera que una corriente eléctrica consumida por el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta permanece en un nivel de corriente eléctrica predeterminado, sustancialmente constante, mediante el aumento de la diferencia de potencial eléctrico conforme aumenta la resistencia hasta que la diferencia de potencial eléctrico alcanza un nivel de voltaje predeterminado y, posteriormente, manteniendo la diferencia de potencial eléctrico en un nivel de voltaje constante cuando la diferencia de potencial eléctrico alcanza el nivel de voltaje predeterminado, en el que el nivel de voltaje constante es inferior a un nivel de voltaje máximo al cual el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta fallará

Método y aparato para controlar la energía eléctrica aplicada a un dispositivo de separación de oxígeno accionado eléctricamente que tiene uno o más elementos de membrana compuesta para separar el oxígeno a partir de una corriente de alimentación que contiene oxígeno Campo de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento y un aparato para controlar la energía eléctrica aplicada a un dispositivo de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, que emplea uno o más elementos de membrana compuesta que tiene electrodos anódicos y catódicos y un electrolito situado entre los electrodos anódicos y catódicos para separar el oxígeno a partir de una corriente de alimentación que contiene oxígeno. Más particularmente, la presente invención se refiere a dichos un procedimiento y un aparato en los que una diferencia de potencial aplicada a los elementos de membrana es aumentada con el tiempo para mantener constante la corriente eléctrica consumida por el elemento de membrana compuesta durante el aumento y, posteriormente, se mantiene a un nivel constante.

Antecedentes de la invención Los dispositivos de separación de oxígeno accionados eléctricamente emplean uno o más elementos de membrana compuesta que tienen electrodos anódicos y catódicos situados en lados opuestos de un electrolito para aplicar una diferencia de potencial eléctrico al electrolito. El electrolito es un material cerámico que, a una temperatura elevada y durante la aplicación de la diferencia de potencial, es capaz de transportar iones de oxígeno cuando es calentado a una temperatura de funcionamiento elevada. Cuando la diferencia de potencial eléctrico es aplicada a los electrodos y el electrodo catódico está en contacto con una corriente de alimentación que contiene oxígeno, se inducirá un transporte de iones de oxígeno a través del electrolito para separar el oxígeno de la corriente de alimentación que contiene oxígeno para producir oxígeno molecular en el colector anódico. Dichos dispositivos de separación de oxígeno pueden ser usados para purificar la corriente de alimentación o para producir un producto de oxígeno cuando la corriente de alimentación contiene suficiente oxígeno en el caso del aire. Típicamente, el separador de oxígeno accionado eléctricamente tiene un recinto calentado eléctricamente que contiene los elementos de membrana compuesta para calentar dichos elementos de membrana hasta la temperatura de funcionamiento a la que es posible el transporte de iones de oxígeno a través del electrolito.

Aunque hay diversas formas de dichos dispositivos de separación de oxígeno accionados eléctricamente, todos los elementos de separación de oxígeno usados en dichos dispositivos de separación emplean un electrolito que es, al menos principalmente, un conductor de iones de oxígeno, tal como óxido de cerio (ceria) dopado con gadolinio o, más exclusivamente, un conductor de iones de oxígeno, tal como zirconia estabilizada con escandio y/o itrio y electrodos eléctricamente conductores que pueden ser una perovskita eléctricamente conductora revestida por un colector conductor de corriente realizado en plata. Los elementos de membrana compuesta pueden adoptar una diversidad de formas, tales como un único tubo, una serie de tubos, placas planas y estructuras similares a placas que tienen proyecciones tubulares moldeadas integralmente. Por ejemplo, tal como se ilustra en la solicitud de patente US Nº 2010/116133, se ilustra un dispositivo de separación de oxígeno accionado eléctricamente que utiliza conjuntos de elementos tubulares que están conectados mediante distribuidores que, a su vez, están incluidos en un recinto calentado eléctricamente. Cada elemento tubular está provisto de una capa catódica, una capa anódica y una capa electrolítica. Además, dos capas colectoras de corriente están localizadas contiguas a las capas anódicas y catódicas, donde la diferencia de potencial eléctrico es aplicada realmente al ánodo y al cátodo. Cada una de las capas catódicas y anódicas es formada en (La0, 8Sr0, 2) 0, 98MnO3-Î. La capa de electrolito es de 6% moles de zirconia dopada con escandio. Las capas colectoras de corriente se forman a partir de un polvo de partículas de plata que tienen depósitos superficiales de óxido de zirconio para inhibir el envejecimiento de las capas colectoras de corriente. Con el fin de proporcionar un contacto entre la corriente de alimentación que contiene oxígeno y el electrolito y para permitir la difusión del oxígeno hacia y desde el electrolito, la totalidad de dichos colectores de corriente y electrodos son porosos. En la solicitud de patente publicada anterior, los conjuntos de tubos están localizados dentro de un recinto calentado que tiene una entrada para recibir la corriente de alimentación que contiene oxígeno y una salida en comunicación de fluido con los distribuidores conectados a los elementos tubulares. Los elementos calentadores se proporcionan dentro del aislamiento del recinto con el fin de calentar el interior del recinto y los elementos de membrana compuesta a una temperatura de funcionamiento a la que puede producirse el transporte de iones de oxígeno a través del electrolito.

Tal como se conoce en la técnica, el oxígeno producido por los dispositivos de separación de oxígeno accionados eléctricamente será proporcional a la corriente consumida por los elementos de membrana compuesta. Sin embargo, los elementos de membrana compuesta y, específicamente, los elementos empleados en dichos elementos, se degradan o envejecen con el tiempo principalmente debido al cierre de los poros, la evaporación de los elementos metálicos, tales como la plata, la migración de la plata desde el cátodo al electrolito, las reacciones

que ocurren entre los electrodos y el electrolito y la deslaminación del colector de corriente. Conforme dichos elementos envejecen, aumentará la resistencia de los elementos y, por lo tanto, si se aplicara una diferencia de potencial o un voltaje constante, la corriente disminuiría con el tiempo y, por consiguiente, el oxígeno producido por el dispositivo de separación. Por lo tanto, se sabe que la fuente de alimentación que se usa para producir la diferencia de potencial a ser aplicada debería ser una fuente de alimentación de corriente constante. Sin embargo, si se aplica una corriente constante, el voltaje aumenta constantemente hasta que se produce un fallo de los elementos de membrana. Este fallo se produce durante un periodo de tiempo conocido y, por consiguiente, la renovación del dispositivo se planifica de manera conservadora para permitir que los elementos de membrana compuesta sean reemplazados antes de cualquier posible fallo. Dicho esto, es altamente deseable permitir que el dispositivo de separación de oxígeno accionado eléctricamente funcione tanto tiempo como sea posible entre los intervalos de renovación debido a la interrupción del servicio que se produce necesariamente durante la renovación. Todavía otra manera conocida para controlar la energía eléctrica aplicada a las zonas de separación es midiendo la corriente y ajustando el voltaje, de manera que la energía disipada (producto del voltaje y la corriente) en la zona de separación se mantenga constante. Esto ayuda a controlar la temperatura del dispositivo de separación, ya que la potencia disipada resulta en el calentamiento del dispositivo de separación y, si esto se mantiene constante, entonces la temperatura del dispositivo de separación se mantiene constante. Sin embargo, este procedimiento tiene la desventaja de que conforme la resistencia aumenta con el tiempo, el flujo de corriente y de oxígeno disminuirá naturalmente.

Surge otro problema durante el encendido del dispositivo de separación. La temperatura de funcionamiento típica para los elementos usados en los elementos de membrana compuesta es de entre 600º C y 800º C. Se sabe que debe tenerse cuidado al encender el dispositivo de separación de oxígeno en el sentido de que los elementos de membrana generan también calor y si se aplicara la potencia total tanto a los elementos de membrana compuesta corno al recinto calentado durante el encendido, podría producirse un sobrecalentamiento que conduciría a la degradación prematura, si no a un fallo, de los elementos de membrana compuesta.

Un procedimiento para controlar la aplicación de energía eléctrica a un dispositivo de separación de oxígeno accionado eléctricamente según el preámbulo de la reivindicación en la forma conocida a partir del documento U

6.290.757 B1. Tal como se describirá, entre otras características ventajosas, la presente invención proporciona un procedimiento y un aparato para controlar la aplicación de energía eléctrica dentro de un dispositivo de separación de... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para controlar la aplicación de energía eléctrica en un dispositivo (1) de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, en el que dicho procedimiento comprende:

aplicar parte de la energía eléctrica en al menos una zona de separación del dispositivo de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, que tiene al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta mediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico a unos electrodos (14) anódicos y (13) catódicos del por lo menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta mientras se calienta el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta a una temperatura de funcionamiento, para separar de esta manera el oxígeno de la corriente (20) de alimentación que contiene oxígeno mediante la inducción del transporte de iones de oxígeno en un electrolito (15) situado entre los electrodos anódicos (14) y catódicos mediante la aplicación de la diferencia de potencial eléctrico, en el que el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta tiene una resistencia que aumenta con el tiempo y durante el funcionamiento del al menos un elemento de membrana compuesta, caracterizado por que el procedimiento comprende además:

controlar la diferencia de potencial eléctrico aplicada al por lo menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta de manera que una corriente eléctrica consumida por el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta permanece en un nivel de corriente eléctrica predeterminado, sustancialmente constante, mediante el aumento de la diferencia de potencial eléctrico conforme aumenta la resistencia hasta que la diferencia de potencial eléctrico alcanza un nivel de voltaje predeterminado y, posteriormente, manteniendo la diferencia de potencial eléctrico en un nivel de voltaje constante cuando la diferencia de potencial eléctrico alcanza el nivel de voltaje predeterminado, en el que el nivel de voltaje constante es inferior a un nivel de voltaje máximo al cual el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta fallará.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la diferencia de potencial eléctrico es controlada midiendo la corriente eléctrica y aumentando la diferencia de potencial eléctrico de manera que la corriente eléctrica permanece en el nivel de corriente eléctrica predeterminado, sustancialmente constante.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que:

la corriente eléctrica decae con el tiempo cuando la diferencia de potencial eléctrico se mantiene en el nivel constante; y cuando la corriente eléctrica ha decaído a un nivel predeterminado bajo de corriente eléctrica, la aplicación de la diferencia de potencial eléctrico cesa y el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta es reemplazado.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que:

la al menos una zona de separación comprende una pluralidad de zonas de separación;

el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta de cada una de entre la pluralidad de zonas de separación está contenido en un recinto (18) calentado eléctricamente del dispositivo (1) de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, para calentar el electrolito (15) a la temperatura de funcionamiento a la que el electrolito (15) será capaz de transportar iones de oxígeno;

inicialmente, se suministra gradualmente una parte adicional de la energía eléctrica al recinto (18) calentado eléctricamente durante el encendido del dispositivo (1) de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, para obtener gradualmente la temperatura de funcionamiento en el interior del recinto (18) calentado eléctricamente antes de aplicar la diferencia de potencial eléctrico; y una vez obtenida la temperatura de funcionamiento, durante el encendido del dispositivo (1) de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, la diferencia de potencial eléctrico es aplicada, de manera separada y gradual, dentro de cada una de las zonas de separación hasta que la corriente eléctrica alcanza el nivel predeterminado de corriente eléctrica y según una planificación en la que la diferencia de potencial eléctrico es aplicada sucesivamente dentro de la pluralidad de zonas de separación de manera que el potencial eléctrico es aplicado dentro de una zona de separación sucesiva sólo después de que la corriente consumida por el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta localizado dentro de una zona de separación precedente ha alcanzado un porcentaje fijo del nivel de corriente eléctrica y en el que la parle adicional de la energía eléctrica suministrada al recinto (18) calentado eléctricamente es suministrada sólo según sea necesario para mantener la temperatura de funcionamiento.

5. Un aparato para aplicar energía eléctrica en un dispositivo (1) de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, en el que dicho aparato comprende:

al menos una zona de separación que tiene una fuente de alimentación (32, 34) de CC para generar parte de la energía eléctrica y al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta alojado dentro de un recinto (18) calentado eléctricamente del dispositivo (1) de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, y conectado a la fuente de alimentación de CC de manera que una diferencia de potencial eléctrico es aplicada a los electrodos anódicos (14) y catódicos (13) del al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta, para separar de esta manera el oxígeno de la corriente (20) de alimentación que contiene oxígeno mediante la inducción del transporte de iones de oxígeno en un electrolito (15) situado entre los electrodos anódicos (14) y catódicos (13) mediante la aplicación de la diferencia de potencial eléctrico;

una fuente de alimentación (60) de CA conectada al recinto (18) calentado eléctricamente para generar una parte adicional de la energía eléctrica y suministrar la parte adicional de la energía eléctrica al recinto (18) calentado eléctricamente para mantener el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta a una temperatura de funcionamiento a la cual el electrolito (15) es capaz de transportar iones de oxígeno;

en el que el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta tiene una resistencia que aumenta con el tiempo y durante el funcionamiento del al menos un elemento de membrana compuesta;

caracterizado por que el aparato comprende además:

medios para controlar la diferencia de potencial eléctrico aplicada al por lo menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta de manera que el voltaje del potencial eléctrico aumenta para mantener una corriente eléctrica consumida por el al menos un elemento de membrana compuesta a un nivel de corriente eléctrica predeterminado, sustancialmente constante, conforme aumenta la resistencia hasta que la diferencia de potencial eléctrico alcanza un nivel de voltaje predeterminado y, posteriormente, para mantener la diferencia de potencial eléctrico en un nivel de voltaje constante cuando la diferencia de potencial eléctrico alcanza el nivel de voltaje predeterminado, en el que el nivel de voltaje constante es inferior a un nivel de voltaje máximo al cual el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta fallará.

6. Aparato según la reivindicación 5, en el que los medios de control del potencial eléctrico comprenden:

la zona de separación que tiene un sensor (46, 48) de corriente conectado entre la al menos una fuente de alimentación (32, 34) y el al menos un elemento (10, 12) de membrana de oxígeno, accionado eléctricamente, y configurado para generar una señal de corriente atribuible a una magnitud de la corriente eléctrica consumida por el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta;

la fuente de alimentación (32, 34) de CC que es sensible a una señal de control de voltaje de entrada y está configurada de manera que la diferencia de potencial eléctrico aplicada tiene una amplitud que varía en respuesta a la señal de control de voltaje de entrada; y un controlador (44) programable que es sensible a la señal de corriente y está programado para generar la señal de control de voltaje de manera que la corriente eléctrica consumida por el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta es mantenida en el nivel de corriente eléctrica predeterminado, sustancialmente constante, conforme aumenta la resistencia y para mantener la diferencia de potencial eléctrico en el voltaje constante después que la diferencia de potencial eléctrico alcanza el nivel de voltaje predeterminado.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que:

la corriente eléctrica decae con el tiempo cuando la diferencia de potencial eléctrico se mantiene en el nivel constante; y unos medios (58) para registrar y acceder a los datos atribuibles a la corriente eléctrica consumida por el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta están conectados al controlador (44) de manera que cuando la corriente eléctrica ha decaído a un nivel predeterminado bajo de corriente eléctrica se suministra una indicación para reemplazar el al menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta.

8. Aparato según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que:

la al menos una zona de separación comprende una pluralidad de zonas de separación;

los medios para controlar el suministro de la parte adicional de la energía eléctrica generada por la fuente de alimentación (60) de CA están conectados entre la fuente de alimentación (60) de CA y el recinto (18) calentado eléctricamente y son sensibles a una señal de control de temperatura;

un sensor (66) de temperatura está contenido en el recinto (18) calentado eléctricamente y está configurado para generar una señal de temperatura atribuible a la temperatura dentro del recinto (18) calentado eléctricamente;

el controlador (44) programable está programado para generar la señal de control de voltaje para cada una de dichas fuentes de alimentación (32, 34) de CC en respuesta a la señal de corriente eléctrica de cada una de entre la pluralidad de zonas de separación y es sensible también a la señal de temperatura para generar la señal de control de temperatura de manera que la temperatura de funcionamiento se mantiene en el recinto (18) calentado; y el controlador (44) programable está programado con una rutina de encendido que se ejecuta durante el encendido del dispositivo (10) de separación de oxígeno, accionado eléctricamente, para generar la señal de control de temperatura y la señal de voltaje de manera que la parte adicional de la energía eléctrica generada por la fuente de alimentación (60) de CA es aplicada gradualmente hasta que se obtiene la temperatura de funcionamiento dentro de cada una de entre la pluralidad de zonas de separación, en el que la diferencia de potencial eléctrico es aplicada, de manera separada y gradual, al por lo menos un elemento (10, 12) de membrana compuesta en cada una de las zonas de separación, una vez obtenida la temperatura de funcionamiento, hasta que la corriente eléctrica consumida alcanza el nivel predeterminado de corriente eléctrica y según una planificación en la que la diferencia de potencial eléctrico es aplicada sucesivamente dentro de las zonas de separación de manera que el potencial eléctrico es aplicado dentro de una zona de separación sucesiva sólo después que la corriente consumida por el al menos un elemento (10, 12) de membrana localizado dentro de una zona de separación precedente ha alcanzado un porcentaje fijo del nivel de corriente eléctrica y en el que la parte adicional de la energía eléctrica suministrada al recinto (18) calentado eléctricamente es suministrada sólo según sea necesario para mantener la temperatura de funcionamiento.