[发明专利]氧分离元件和方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧分离元件和方法，该氧分离元件由电驱动，具有一通道，用于供含氧原料流流过以分离氧，和一细长部件，该细长部件与用来形成通道的集电器接触，用于扰乱流动和沿集电器分配电流。

背景技术

电驱动的氧分离元件被用于从含氧原料中分离氧。它们一般是管状，也可以是其它形状，例如在板与板之间具有通道的平板状。电驱动的氧分离元件中，电解质设置在阴极和阳极之间，电流施加于电极上。当含氧的原料流沿阴极通过时，氧被电离，在施加电流的推动作用下被驱动通过电解质到达阳极。氧在阳极复合，并可根据电驱动的氧分离元件的目的将氧收集起来或者使之散逸。关于这一点，当这样一个元件被用作除氧单元以提纯原料流时，仅仅将氧排出即可。

如前所述，这样的元件可以是具有供含氧原料流流动的通道的管状或其它形状。这样的元件通常具有设置在阴极上的集电器，并且该集电器因此限定出通道的外边界。集电器还可以设置在阳极上。集电器有助于沿着阴极和阳极分配电流。

对于这样的装置特别是管状的装置，面临的一个问题是含氧原料流通常以足够低的速度流动，导致沿着集电器所形成的通道的壁，形成一层边界层。应当注意的是，为了使氧电离并完全从原料流中去除(＜10ppm)，以及避免出现严重压降以致于需要付出能量来压缩原料流，低的流动速度是必需的。可以理解，在任何使含氧原料流流过通道的此类装置中，氧含量始终在降低；同样地，在通道更接近中央的位置处、或者至少在离集电器更远处的氧分子，将不可能被电离和通过该元件输送到阳极。将此类元件用于提纯具有较低的氧起始浓度的含氧原料流时，上述现象尤为明显。

为了从含氧原料中分离出氧，尤其在除氧应用中分离出氧，就需要使电驱动的氧分离元件足够长，导致仅在集电器的一个位置处施加电流都很困难。这个问题已经在US6,475,657中提出。该专利公开了一种电驱动的氧分离元件，形状为管状，中央电解质设置在外部的阴极和内部的阳极之间。阳极和阴极都被集电器包覆。操作中，空气接触管的外表面，氧离子在阳极处输送到内部的通道中。该专利提到可以在管内设置一个细长的、金属丝形状的集电器，还可以在管内填充氧化锆球粒以更好地将金属丝固定在集电器上。球粒还可以是金属性质，或覆盖有导体。在此情况下，球粒将帮助沿着管的内表面分配电流。应当注意在这一设置方案中，阴阳极反向是不利的，因为球粒的存在将在管内产生大的压降，导致该装置在使用时有较大的功率消耗。

美国2005/0147857A1号已公开专利申请披露了一种类似装置，即一种管状燃料电池元件。在该元件中，燃料在管里面流动，并在有渗透氧的情况下燃烧，以产生相对于管外表面的压力梯度，驱动氧气穿过管来支持燃烧。阳极和阴极之间形成电连接，以向载荷供电。该专利中，在管内设置长管或者细长的金属丝刷充当集电器，并沿着该管的内表面的长度从其内部的阳极收集电流。

对于膜过滤器，也存在与氧分离元件内部附近的边界层效应相类似的问题。膜过滤器采用圆柱形元件，在其中液体而不是气体被泵送通过管。管用多孔陶瓷制成，利用孔隙的尺寸来允许液体中某些组分向外流过管的孔隙。在这样装置中，管的横向上存在浓差极化。为了消除浓差极化，需增加流体速度直到变成湍流。可替代的方案是，在管内设置细长结构充当插入件，以在管内产生湍流。这样的例子记载在Costigan发表在《膜科学期刊(Journal of MembraneScience)》，卷206，179-188页(2002)的文章中。该文章公开了为这样的目的而提供的类似螺丝锥的插入件。Chiu发表在《分离和提纯技术(Separation andPurification Technology)》，卷51，233-239(2006)的文章中公开了用于这样目的的圆柱杆和螺旋挡板。对于电驱动的氧分离元件来说，采用这样的插入件的问题是当插入件放入通道中时，它们将导致很大的压降。

如下文所述，本发明提供了一种电驱动的氧分离元件和方法，其中在通道中设置了一个插入件，该插入件不仅扰乱与连接阴极的内部集电器相接触的含氧原料流的流动，还能沿着管的长度分配电流。

发明内容

一方面，本发明提供一种用于从含氧的原料流中分离出氧的电驱动的氧分离元件。该氧分离元件具有组合结构，该组合结构具有能够在施加电流时输送氧离子的电解质。阴极和阳极位于电解质的相对侧，以施加电流到电解质。集电器与阴极和阳极接触，以施加电流到阴极和阳极。

该组合结构的构造被设置为形成一个通道，该通道具有由与阴极接触的集电器之一限定的内表面，以允许含氧原料流在施加电流时穿过通道，并且从含氧原料流中分离出来的氧经由电解质从阴极到达阳极。