説明

直列伝導性細片付きIMATモジュール

イオン伝導性セラミック素子(20)は、各々が内面(24)及び外面(38)と閉鎖端(48)及び開放端(50)を有する複数のチューブ(30)を備える。チューブ支持体(14)は、チューブ開放端(50)を受ける。第1の導電性被覆(36)は、チューブ外面(38)上に形成されている。第2の被覆(22)は、チューブ内面(24)上に形成されている。底部導電性細片(16)は、チューブ内面(24)上の第2の被覆(22)間に電気的接続を形成する。頂部導電性細片(40)は、チューブ外面(38)上の第1の被覆(36)間に電気的接続を形成する。頂部細片と底部細片は接続され、頂部上の少なくとも1つの細片(40)は、底部上の少なくとも1つの細片(16)と電気的に接続される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[関連出願との相互参照]
この出願は、2005年2月9日に「直列伝導性細片付きIMATモジュール」なる名称で出願された米国仮出願第60/593,732号に基づく。
【0002】
この発明は、酸素をそれよりも複雑なガスから分離して、分離された酸素を使用するために配送するための装置の分野に関する。特に、この発明は、酸素をそれよりも複雑なガスから分離するための固体電気化学装置に関する。
【背景技術】
【0003】
特許文献1(米国特許第5,871,624号)に記載されているようなセラミック酸素発生システムである集積マニホルド及びチューブ(IMAT)は、高純度の酸素を高圧力で発生する能力を実証している。典型的なIMATでは、各行のチューブは電気的に並行に接続され、そして各行はバイアワイヤを介して電気的に直列に接続されている。このアプローチを使用すると、IMATは、合理的な電流及び電圧レベルで動作させられる。これは、全てのチューブが並行に接続されて、等しい量の酸素を発生することに、より大きな電流を必要とするアプローチと比較した場合である。更に、バイアワイヤは、IMATベース上のバイアホール中に挿入される。雰囲気圧力よりも高い酸素を発生するために、バイアワイヤは、セラミックで緊密にシールされる必要がある。
【特許文献1】米国特許第5,871,624号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来のアプローチが直面していた難題は、バイアワイヤをシールすること並びにバイア挿入に関与する作業時間及び設備/材料コストに関連した難しさである。動作温度(600〜750℃)及び伝導性要求故に、制限された数の金属、例えば銀(Ag)、金(Au)、プラチナ(Pt)、及びそれらの合金だけが実現性のある候補となり得る。コストの観点から、一般的に銀が最良の候補である。しかしながら、銀は、IMATセラミックよりも熱膨張係数が小さいので、製品の製造及び応用における不可避な温度サイクルに起因して、シールプロセスを非常に不確実なものにする。
【0005】
上記で引用された参考文献は、多数の注目すべき利点及び技術的改良を当技術に導入及び開示しているが、この発明によって達成される特定の目的を完全に遂行するものはない。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明によると、イオン伝導性セラミック素子は、各々が内面及び外面を有する複数のチューブを備える。各チューブは、閉鎖端及び開放端を有する。頂面及び底面を有するチューブ支持部材は、前記複数のチューブの開放端を受ける。第1の導電性被覆又は電流コレクタは、複数のチューブの少なくとも外面上に形成されている。第2の導電性被覆又は電流コレクタもまた、複数のチューブの少なくとも内面上に形成されている。
【0007】
少なくとも1つの底部導電性細片は、チューブ支持部材の底面上に形成されて、チューブの内面上の2以上の選択された第2の導電性被覆又は電流コレクタ間に電気的接続を形成する。少なくとも1つの頂部導電性細片も同様に、チューブ支持部材の頂面上に形成されて、チューブの外面上にある2以上の選択された第1の導電性被覆間に電気的接続を形成する。
【0008】
頂部上の導電性細片は、チューブ支持部材のエッジに至るまで延び、また底部上の導電性細片は、チューブ支持部材のエッジに至るまで延びている。このため、頂部細片と底部細片は接続され、一行のチューブを接続する頂部上の少なくとも1つの細片が、隣接する行のチューブを接続する底部上の少なくとも1つの細片と電気的に接続されるようにする。
【0009】
この発明のこれら及び他の目的、利点及び特徴は、この発明の好ましい実施形態が示された添付図面を参照してなされる以下の説明から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
上記で簡単に要約された発明の更に特別な説明は、図面に描かれると共に以下で更に詳細に論じられる例示的実施形態から分かるであろう。上記で引用された特徴が、これから明らかになる他のものと同様に、如何にして得られるか、また詳細に理解され得るかは、この参照を通して分かる。ただし、図面は、この発明の典型的な好ましい実施形態だけを描いており、その範囲を制限するものではない。これは、この発明には他の等しく効果的な実施形態が可能であるからである。
【0011】
本発明の上記で引用された特徴、利点、及び目的が達成される手法を詳細に理解できるようにするために、上記で簡単に要約された発明の更に特別な説明が、添付図面に描かれたその実施形態を参照することによってなされる。全ての図面では、同一の符号が同じ要素を表す。ここで使用されているような用語、例えば“下側に”、“上側に”、“左”、“右”等の用法は、説明を容易にするだけのものであって、これらの用語は、相対的な向きで解釈されるべきである。
【0012】
本発明は、IMATを説明し、また行から行への直列接続を形成してから、2つのIMAT半体をシールして1つのIMATモジュールを形成する方法を説明する。
【0013】
特許文献1(米国特許第5,871,624号)の開示は、ここに完全に言及されているものとして組み入れられる。
【0014】
知られているように、素子20は、概ね平面的なチューブ支持部材14から延びた一連のチューブ30を持つように形成されている。一例として、典型的な実施形態では、チューブ30は、各々9チューブの7列、別の言い方をすれば、各々7チューブの9行に形成されている。各チューブ30の外端48は、チューブ30の頂部又は先端で閉鎖されている。チューブ支持部材14はまた、複数のチューブ30の開放端50を受ける。チューブ30の外面38は、その閉鎖端48と共に、概ね先ず触媒作用を持つ導電性材料又は電極によって被覆され、それから導電性材料又は電流コレクタによって被覆される。同様に、チューブ30の内部24は、概ね先ず触媒作用を持つ導電性材料又は電極によって被覆され、それから導電性材料又は電流コレクタによって被覆される。
【0015】
図1に模式的に示されているように、これまでの方法は、銀ワイヤ10を、IMAT支持部材又はベース14に形成された開口部12を通るバイアとして使用して、電気的接続を形成する。本発明は、銀製細片16を使用して、電気的接続を形成し、これによりバイアワイヤ10の必要性をなくす。
【0016】
本アプローチでは、銀製細片16は、IMATセグメント又は部品20のチューブ支持部材14の底面又は後側に形成される。銀製細片16は、チューブ30の内面24上の電流コレクタ被覆22と細片16を電気的に接続する。銀製細片16は、単一又は同じ行における全てのチューブの内部24にある導電性被覆22と細片16を電気的に接続することが好ましい。細片16は、IMAT支持部材又はベース14のエッジ26までずっと延長されている(図2a及び図2c参照)。
【0017】
IMATセグメント20の頂面又は前側(チューブ30側)には、銀製細片電気的接続32がチューブ30の脚部34に形成されて、チューブ30の外側又は外面上に被覆又は形成された電流コレクタ36と、ベース14上の行バス細片40との間に、電気的接続を確立又は形成している。電気的接続32は、細片40の延長部であるか、あるいは細片40が、電流コレクタ36に重なるか合体して電気的結合又は接合を形成することがある。同じ行の全てのチューブ30に対する導電性被覆36は、1つの細片40に電気的に接続されることが好ましく、またチューブの各行は、それに関連した対応する1つの細片40を持つことが好ましい。
【0018】
細片40は、IMATベース14のエッジ26に至るまで延長されている(図2b)。IMATセグメント20のチューブ側28の細片40は、IMATセグメント20の後側18の細片16と電気的に接続されて、1つの行を接続するIMATセグメント20の前側28の各細片40が、IMATセグメント20の後側18の隣り合う又は隣接する行を接続する細片16と電気的に接続されるようにする(図2c)。この頂部又は前側28の細片40とベース14の後側18の隣接する又は隣り合う細片16との間に電気的接続を確立するシステムは、IMATセグメント20の電流コレクタ用の直列パターンの接続を可能にする。
【0019】
単一のチューブ24の内部にある電流コレクタ被覆22は、細片16を通って形成された電気的接続を経由する以外は、もう1つのチューブ24の内部にある電流コレクタ被覆22から電気的に絶縁されていることが好ましい。同様に、単一のチューブ30上の電流コレクタ36は、導電性細片40を通って確立された電気的接続を経由する以外は、もう1つのチューブ30上の電流コレクタ36から電気的に絶縁されていることが好ましい。
【0020】
一例として、LSCF(ランタン・ストロンチウム・コバルト・フェライト)が電極材料として選ばれる。そして、銀は、電流コレクタ機能用に選択される。
【0021】
導電性ワイヤ、例えば銀製ワイヤ52及び54は、セラミック素子20の両端に前側28で取り付けられて、セラミック素子にDC電圧を印加することを可能にする。銀製ワイヤ52は、チューブの底部行の電流コレクタ被覆に接続される(図2b)。銀製ワイヤ54は、第1の銀製細片に頂部から接続される(図2b)
【0022】
セラミック素子20のモジュール構成の対称性は、第2の素子が反転されて第1の素子にシールされ、酸素発生器又は燃料電池アセンブリのいずれかを形成することを可能にする。第2の素子20’は第1の素子20と同一であることが好ましい。そして、同一の形状的特徴は、アポストロフィ(’)を付けて表される。双方共に細片銀接続を持つ2つのIMATセグメント又は部品20及び20’は、それからガラステープ又はペースト42を使用して一緒にシールされる。このことにより、細片のV字型又は“ゼブラ”型パターンが図3に示されるエッジ26及び26’の側に作られるか形成される。部品20及び20’は、温度を上昇させるために焼成されて、シール42を形成する。
【0023】
銀製細片の厚さ及び幅は、必要とされる電流を細片経由で電気抵抗に起因する最小損失で搬送する要件と、IMAT部品20及び20’を一緒にシールして高圧力に耐えると共に繰り返し温度サイクル及び圧力サイクル変化時に気密性を維持する要件とによって決定される。細片の厚さは、同じである必要はない。即ち、IMATベース14とガラスシール42の間に緊密に挟まれた部分だけが(無漏洩シールが必要とされる時に)所定の範囲内で厳密に制御されて、抵抗及び応力を最小化すべきである。細片の残りの領域は、オプションで更に厚くされ、電流搬送能力を改善するようにしてもよい。
【0024】
銀製細片のIMAT部品20上への複合的適用がなされると、IMAT電流が最大化される最良の厚さを決定することができる。所望の銀製細片厚さを持つIMATセグメント20は、それから一緒にシールされて、30サイクルにわたり、温度サイクルテストが(圧力サイクル変化と組み合わされて)行われる。この場合、(高い温度でDC電圧を印加されて酸素を自己発生する)各サイクルのピーク圧力は、一例として、150psiを超える。
【0025】
銀ストリップをガラスシール42とIMATベース14の間に挟まれるようにしたことで導入された応力を更に低減するために、ガラスシール42とIMATベース14の間に緊密に挟まれた各細片の領域は、図4aに模式的に示されているように、より小さな細片44a〜cの集団に更に分離される。応力を更に低減するために、相手側の部品20’(第2のIMAT部品20’は第1の部品20でシールして完全なIMATモジュール46を形成する)は、細片の同様の集団を持つことができ、そして対応する集団の場所は、IMATエッジ26に沿って1小細片分だけ上又は下に移動又は変位される(図4b)。その代わりに細片は、IMATエッジ26に沿って両部品20及び20’上で1/2幅だけ逆方向にシフトされ得る。
【0026】
その代わりに、IMAT20の一方の側における細片の場所は、同じIMAT部品の他方の側における細片の場所に対して、IMAT部品エッジに沿って上側又は下側にシフトされ得る。これは、部品20と同一か対応するIMAT部品20’が反転され、部品20でシールされるようにするためである。この場合、銀製細片は、IMATエッジ26及び26’に沿った如何なる場所でも重なることはない。
【0027】
銀は、例えば細片16用に使用され得るが、IMATモジュール46へ適用するための適切に選択される任意の導電性材料、例えば金属、金属合金、セラミック類、及び複合材料もまた使用され得る。例えば、金、プラチナ、その他である。更に、2以上の導電性材料は、同じ細片の異なる区間で使用され得る。特に、銀よりも熱膨張係数がIMATで使用されるセラミックに近い導電性材料、例えば金は、2つのIMATセグメント又は部品20及び20’を結合するときにガラスシール42とIMATベース14の間に挟まれる細片区間を形成することに使用できる。
【0028】
上記論議は、2種類の被覆、例えば電極被覆及び電流コレクタ被覆を持つIMAT部品に取り組んでいるが、1種類の被覆だけが使用される場合、例えば単一の被覆が電極と電流コレクタの双方として機能する場合には、導電性細片のアプローチも適用され得る。この状況では、細片40は、この被覆にチューブ側で接続され、そして細片16は、この被覆に裏側で接続される。
【0029】
[方法]
イオン伝導性セラミック素子を接続するための方法は、好ましくは、
a. 各々が内面及び外面を有すると共に各々が閉鎖端及び開放端を有する複数のチューブ30を形成する工程と、
b. 頂面及び底面を有して、前記複数のチューブ30の開放端を受けるためのチューブ支持部材14を形成する工程と、
c. 複数のチューブ30の外面上に第1の導電性被覆又は電流コレクタを形成する工程(電流コレクタ被覆の適用に先行して、伝導性被覆又は電極がチューブ30の外面に適用される)と、
d. 外面上の伝導性被覆を受けるチューブに概ね対応した複数のチューブ30の内面上に第2の導電性被覆又は電流コレクタを形成する工程(同様に、電流コレクタ被覆の適用に先行して、第2の伝導性被覆又は電極がチューブ30の内面に適用される)と、
e. チューブ支持部材14の底面18上に少なくとも1つの底部導電性細片16を形成して、チューブ30の内面上の2以上の選択された第2の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
f. チューブ支持部材14の頂面28上に少なくとも1つの頂部導電性細片40を形成して、チューブ30の外面上の2以上の選択された第1の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
g. 頂部細片40と底部細片16を電気的に接続して、1つの行のチューブ30を接続する頂部上の少なくとも1つの細片が、隣接する行のチューブ30を接続する底部上の少なくとも1つの細片と電気的に接続されるようにする工程と、
h. 第2のセラミック素子20’を反転し、更にガラスボンドを使用してそれを第1のセラミック素子20でシールして、1つのIMATモジュール46を形成する工程と
を備える。
【0030】
この発明の前述した開示及び記述は、その図解及び説明であって、サイズ、形状及び材料に、並びに図解された構成の詳細について、発明の思想から逸脱することなく、種々の変化がなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】IMATベースを通るバイアワイヤを使用してIMATチューブの隣接する行を直列に接続する従来技術を示す模式的断面図である。
【図2】銀製細片をIMATエッジの回りに使用してIMATチューブの行を直列に接続する本発明を示す模式図であり、図2aはIMAT部分の後側面図、図2bはIMATの前側面図である。
【図2c】IMATの側面図である。
【図3】双方がガラステープで一緒にシールされた細片銀接続を有する2つのIMATセグメント又は部品の側面図である。
【図4a】ガラスシールと機械的応力を低減するために複数の更に小さな細片に分割されたIMATベースとの間に緊密に挟まれた細片の領域の模式的表現である。
【図4b】第1のIMATにシールされる第2のIMAT部分の対応する領域にある銀製細片の模式的表現であり、図4aに示す銀製細片も分割されているが、IMATエッジに沿って小細片の1幅分だけ下側に移動されている。
【図5】各々8チューブの28列、別の言い方をすれば、各々28チューブの8行を持つ既知のIMATモジュールの側面斜視図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
各々が内面及び外面を有すると共に各々が閉鎖端及び開放端を有する複数のチューブと、
頂面及び底面を有して、前記複数のチューブの開放端を受けるチューブ支持部材と、
複数のチューブの外面上に形成された第1の導電性被覆と、
複数のチューブの内面上に形成された第2の導電性被覆と、
チューブ支持部材の底面上に形成されて、チューブの内面上の2以上の選択された第2の導電性被覆間に電気的接続を形成する少なくとも1つの底部導電性細片と、
チューブ支持部材の頂面上に形成されて、チューブの外面上の2以上の選択された第1の導電性被覆間に電気的接続を形成する少なくとも1つの頂部導電性細片とを備え、
頂部細片と底部細片は接続され、1つの行のチューブを接続する頂部上の少なくとも1つの細片が、隣接する行のチューブを接続する底部上の少なくとも1つの細片と電気的に接続されるようにすることを特徴とするイオン伝導性セラミック素子。
【請求項2】
頂部導電性細片及び底部導電性細片は、銀又は銀合金によって形成されている請求項1に記載の発明。
【請求項3】
頂部導電性細片及び底部導電性細片は、銀、金及びプラチナからなる群から選択された導電性材料によって形成されている請求項1に記載の発明。
【請求項4】
少なくとも1つの導電性細片は、各々が細片の1以上の区間となる2以上の導電性材料によって形成されている請求項1に記載の発明。
【請求項5】
少なくとも1つの導電性細片は、より小さな細片の集合からなる少なくとも1つの区間を持つ請求項1に記載の発明。
【請求項6】
セラミック素子のモジュール構成の対称性は、第2の素子が反転されて第1の素子にシールされ、酸素発生器又は燃料電池アセンブリに有用な部品デバイスを形成することを可能にする請求項1に記載の発明。
【請求項7】
2つの相補的に形成されたイオン伝導性セラミック素子間に形成されたガラスボンドを更に備える請求項6に記載の発明。
【請求項8】
第1のセラミック素子は、小細片の集合からなる少なくとも1つの区間を持つ少なくとも1つの細片を有し、第2のセラミック素子は、小細片の集合を持つ少なくとも1つの対応する細片を有し、そして、集合の場所は、1つの小細片分だけ上又は下にセラミック素子エッジに沿って変位されている請求項6に記載の発明。
【請求項9】
第1のセラミック素子は、小細片の集合からなる少なくとも1つの区間を持つ少なくとも1つの細片を有し、第2のセラミック素子は、小細片の集合を持つ少なくとも1つの対応する細片を有し、そして、集合の場所は、両セラミック素子上で約1/2幅だけ逆方向にセラミック素子エッジに沿って変位されている請求項6に記載の発明。
【請求項10】
セラミック素子の1つのエッジ上の細片の位置は、もう1つの対応するエッジ上の細片の位置に対しシフトされ、第2の同一セラミック素子は反転されて、2つの素子がシールされるエッジで銀製細片が重なることなく、第1のセラミック素子でシールされることを可能にする請求項6に記載の発明。
【請求項11】
頂部上の導電性細片は、チューブ支持部材の少なくとも1つのエッジに至るまで延び、また底部上の導電性細片は、チューブ支持部材の少なくとも1つのエッジに至るまで延びている請求項1に記載の発明。
【請求項12】
第1の導電性被覆の形成に先行して、複数のチューブの外面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項1に記載の発明。
【請求項13】
第2の導電性被覆の形成に先行して、複数のチューブの内面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項1に記載の発明。
【請求項14】
イオン伝導性セラミック素子を形成するための方法であって、
各々が内面及び外面を有すると共に各々が閉鎖端及び開放端を有する複数のチューブを形成する工程と、
頂面及び底面を有して、前記複数のチューブの開放端を受けるためのチューブ支持部材を形成する工程と、
複数のチューブの外面上に第1の導電性被覆を形成する工程と、
複数のチューブの内面上に第2の導電性被覆を形成する工程と、
チューブ支持部材の底面上に少なくとも1つの底部導電性細片を形成して、チューブの内面上の2以上の選択された第2の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
チューブ支持部材の頂面上に少なくとも1つの頂部導電性細片を形成して、チューブの外面上の2以上の選択された第1の導電性被覆間に電気的接続を形成する工程と、
頂部細片と底部細片を電気的に接続して、1つの行のチューブを接続する頂部上の少なくとも1つの細片が、隣接する行のチューブを接続する底部上の少なくとも1つの細片と電気的に接続されるようにする工程とを備えることを特徴とする方法。
【請求項15】
頂部導電性細片及び底部導電性細片は、銀又は銀合金によって形成される請求項14に記載の方法。
【請求項16】
頂部導電性細片及び底部導電性細片は、銀、金及びプラチナからなる群から選択された導電性材料によって形成される請求項14に記載の方法。
【請求項17】
少なくとも1つの導電性細片は、各々が細片の1以上の区間となる2以上の導電性材料によって形成される請求項14に記載の方法。
【請求項18】
少なくとも1つの導電性細片は、より小さな細片の集合からなる少なくとも1つの区間を持つ請求項14に記載の方法。
【請求項19】
セラミック素子のモジュール構成の対称性は、第2の素子が反転されて第1の素子にシールされ、酸素発生器又は燃料電池アセンブリに有用な部品デバイスを形成することを可能にする請求項14に記載の方法。
【請求項20】
2つの相補的に形成されたイオン伝導性セラミック素子間に形成されたガラスボンドを更に備える請求項19に記載の方法。
【請求項21】
第1のセラミック素子は、小細片の集合からなる少なくとも1つの区間を持つ少なくとも1つの細片を有し、第2のセラミック素子は、小細片の集合を持つ少なくとも1つの対応する細片を有し、そして、集合の場所は、1つの小細片分だけ上又は下にセラミック素子エッジに沿って変位される請求項19に記載の方法。
【請求項22】
第1のセラミック素子は、小細片の集合からなる少なくとも1つの区間を持つ少なくとも1つの細片を有し、第2のセラミック素子は、小細片の集合を持つ少なくとも1つの対応する細片を有し、そして、集合の場所は、両セラミック素子上で約1/2幅だけ逆方向にセラミック素子エッジに沿って変位される請求項19に記載の方法。
【請求項23】
セラミック素子の1つのエッジ上の細片の位置は、もう1つの対応するエッジ上の細片の位置に対しシフトされ、第2の同一セラミック素子は反転されて、2つの素子がシールされるエッジで銀製細片が重なることなく、第1のセラミック素子でシールされることを可能にする請求項19に記載の方法。
【請求項24】
頂部上の導電性細片は、チューブ支持部材の少なくとも1つのエッジに至るまで延び、また底部上の導電性細片は、チューブ支持部材の少なくとも1つのエッジに至るまで延びる請求項14に記載の方法。
【請求項25】
第1の導電性被覆の形成に先行して、複数のチューブの外面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項14に記載の方法。
【請求項26】
第2の導電性被覆の形成に先行して、複数のチューブの内面上に触媒作用を持つ導電性被覆が形成される請求項14に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図2c】
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【図3】
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【図4a】
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【図4b】
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【図5】
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【公表番号】特表2008−537530(P2008−537530A)
【公表日】平成20年9月18日(2008.9.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−554127(P2007−554127)
【出願日】平成18年1月24日(2006.1.24)
【国際出願番号】PCT/US2006/002320
【国際公開番号】WO2006/086139
【国際公開日】平成18年8月17日(2006.8.17)
【出願人】(505073521)カールトン・ライフ・サポート・システムズ・インコーポレイテッド (8)
【氏名又は名称原語表記】CARLETON LIFE SUPPORT SYSTEMS INCORPORATED
【住所又は居所原語表記】10 Cobham Drive, Orchard Park, New York 14127−4195 U. S. A.
【Fターム(参考)】