[发明专利]氧气供应方法及设备

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于供应氧气的方法及设备，其中利用电驱动氧气分离装置从空气中分离出氧气，在所述电驱动氧气分离装置中，通过在离子电导体中的氧离子传递而从空气中分离出氧气。更具体地，本发明涉及其中将分离的氧气存储于吸附剂中以便可以从吸附剂和电驱动氧气分离装置供应氧气的方法及设备。

发明背景

可使用电驱动氧气分离装置而从空气中分离出氧气。此类装置采用膜元件，该膜元件具有夹在阴极电极与阳极电极中间的电解质(诸如氧化钇稳定的氧化锆)以及位于电极外表面的集电器，该集电器是用于在电极之间施加电势并因而对电解质施加电势。当把所述膜加热至能发生氧离子传递的温度并将电势施加到电极时，与阴极接触的空气将离子化成氧离子并且将被传输至阳极。在阳极电极处，氧离子将重新结合成氧气分子，可以将该氧气分子加以收集而产生氧气产品。此类装置特别用于要求超高纯度氧气的工业应用中。

尽管存在许多形式的此类装置，但通常膜元件具有使用电解质层、电极层、及采取平板或管的形式的集电器层的层状结构。

此外，通过歧管将各膜元件加以连接，以收集通过使用膜元件分离的氧气。可以将该组件封装于电加热的外壳内，以便将所述膜加热至其操作温度。将空气提供至所述外壳内以使空气接触膜元件。例如，如果使用管状形式的膜元件，那么可以将这些管连接到歧管并且通过鼓风机等将空气引入经加热的外壳内以使空气接触这些管的外表面。分离的氧气将集中于这些管内并且将经由连接到歧管的出口导管从加热的外壳中排出。

如上所示，电驱动氧气分离装置在要求供应超高纯度氧气方面具有特定应用。潜在的应用包括：用于执行元素分析的燃烧分析仪、用于微电子制造中的工艺气体、和用于激光切割中的吹扫气。在此类应用中，氧气需要将有变化，并且当将设备关闭时，对氧气无要求。然而，设计此类具有满足广泛客户应用的氧气需要的变化氧气流速的分离装置是非常昂贵的。实际上，在大多数情况下，用户将在短时间段内(例如5至8小时)要求较高的氧气流速。尽管可以将此类氧气分离装置设计成以变化的氧气流速供给氧气，但该氧气分离器将是非常昂贵的并且在大多数情况下并不使用。更加实用的是设计每周7天连续运行的氧气分离装置，其具有固定的氧气流速(例如0.5、1.0、1.5或2.0标准升/每分钟)的。此类设计将提高氧气分离装置的利用同时把制造成本维持在更实用的较低水平。

设计具有固定低输出的氧气分离装置（如上所述）的问题是：必须供给充分的氧气备用体积以便客户可以在装置的高峰使用时间内以高流速(大于产生流速)抽出氧气。然而，由于氧气分离装置的操作压力通常非常低，所以氧气存储是个挑战性的命题。为了提供充分的氧气备用体积，因此需要将氧气压缩以便存储于小容器中或者提供另一个大缓冲罐。这两种选择都具有其固有的缺点。例如，氧气压缩机的成本远高于氧气分离装置本身并且考虑从气瓶供给氧气的替代而在商业上被禁止。与压缩机相比，缓冲罐更为廉价但它占据有价值的空间，此空间在实验室中是首要的。而且，为了在缓冲罐内提供充分的备用体积，必须以非常高的压力(例如高于500 psig)存储氧气。然而，在高压力下操作管状膜元件会增加这种元件内的管环向应力，导致可能故障。而且，在这种非常高的压力下，电极氧化和集电器致密化会变得严重。

如下文中所述，本发明提供一种以比上面所概述的现有技术中考虑的更加实用且更高效的方式使用电驱动氧气分离装置的氧气供应方法及设备。

发明内容

本发明的一个方面提供一种供给氧气以满足用户需要的方法。根据本发明的此方面，在电驱动氧气分离装置中通过氧离子传递而从空气中分离氧气以产生分离的氧气流。通过将至少部分的分离的氧气流引入吸附床来存储分离的氧气流中所包含的至少部分的氧气。通过如下方式供给氧气：在电驱动氧气分离装置内从空气中分离出氧气而产生分离的氧气流，从含有之前存储于吸附床中的氧气的吸附床中排出吸附床氧气流，并且将至少剩余的部分的分离的氧气流与吸附床氧气流合并(combine)以形成合并氧气流，由该合并的氧气流供给氧气以满足用户对氧气的需要。