專利名稱：列管式固體氧化物電解質(zhì)高溫氣體電解裝置的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用固體氧化物電解質(zhì)制成的高溫電化學裝置，特別是涉及一種固體氧化物電解質(zhì)高溫氣體電解槽裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知固體氧化物電解質(zhì)是一種氧離子導體，如螢石型摻雜的全穩(wěn)定ZrO2，以CeO2為基的固溶體和摻雜的ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)如LaGaO3等，他們一般在700℃以上就具有氧離子導體的特點，在氧分壓的壓差或電場驅(qū)動下，氧離子可以穿過這種材料的膜片。在這種膜片的兩側(cè)各生成一個多孔電子導體或者電子-離子混合導體陶瓷膜或金屬陶瓷膜電極構(gòu)成被稱為PEN的結(jié)構(gòu)，即陽極-電解質(zhì)-陰極三合一的復合陶瓷膜片，它是各種固體氧化物高溫電化學裝置的基本結(jié)構(gòu)。1981年11月20日A.O.Isenberg在美國?？疷.S.Pat.No.4,490,444中推出一種由PEN結(jié)構(gòu)的管壁構(gòu)成的管式固體氧化物燃料電池(SOFC)單元電池以來，SOFC作為一種環(huán)境友好的高效發(fā)電裝置得到高速發(fā)展。美國西屋電氣公司經(jīng)過18年的努力，完善了這種管式燃料電池。1997年，第一臺熱電聯(lián)產(chǎn)的100kW管式SOFC發(fā)電裝置在荷蘭投入運行，預示著這種發(fā)電裝置的商業(yè)化已為期不遠(Raymond A.George at.al.Reducing themanufacturing cost of tubular SOFC technology，J.Power Sources，71(1998)，pp131-137)。這種發(fā)電裝置是由眾多的單元電池組成的。因而和其他基于單元電池組成的大功率化學電源一樣具有共同的固有的問題，即由于單元電池之間的差異造成了由眾多單元電池組成的電池堆工作上的許多不確定因素。減少這些不確定因素是這種新型電源商業(yè)化過程中的主要問題之一。加強單元電池制作中的質(zhì)量控制和組裝電池堆前的檢測無疑是有效的措施。但是最有效的措施應該是盡可能的加大單元電池的容量，最大限度地減少電池堆中的單元電池個數(shù)，以降低電池堆運行過程中不確定因素出現(xiàn)的機率，從而提高電池堆工作的可靠性。鑒于構(gòu)成陶瓷電極材料的電導率要比金屬導體的低1～2個數(shù)量級，所以在設(shè)計氧化物電解質(zhì)高溫氣體單元電解槽時，必須考慮電流行程的距離，根據(jù)電極厚度的不同，一般此距離為10～30mm，超過此限度時，電解槽內(nèi)部的歐姆損失會增大到令人無法忍受的程度，特別是在電解槽作為燃料電池工作時，由于其單元電池的開路電勢只有～1.1V，所以有可能造成電池的電勢都損耗在其自身的內(nèi)阻上，而沒有電流輸出。這是進行氧化物電解質(zhì)高溫氣體單元電解槽的概念設(shè)計時，特別是在進行放大時首先要考慮到的重要因素。根據(jù)Raymond A G.的報導西屋公司的管式燃料電池雖然歷經(jīng)長達18年的努力，其單元電池的最大輸出功率也只能由20W增大到210W，功率增長的～4/5是靠增大幾何尺寸得來的，其中又主要靠增加長度取得的?？梢哉f其放大主要是靠在一維方向(軸向)上的放大來實現(xiàn)的?？磥?，已經(jīng)接近這種結(jié)構(gòu)放大的極限。這樣一來，西屋電氣公司100KW發(fā)電裝置共使用了1152支這種管狀電池。進一步放大只有靠提高其功率密度來現(xiàn)。朱永平等1997.02.25申報的專利ZL 100771.3中描述了一種把截面為矩形的管式燃料電池沿其軸線在一個平面上把它壓縮成連續(xù)方波形的管子，并且被放到一個中空的六面體中，在后者的內(nèi)部形成連續(xù)方波形的空氣通道。燃料氣通道變成一組鑲?cè)胫锌樟骟w內(nèi)彼此平行的，兩頭貫通的矩形小管。它們的首尾分別被六面體的兩個寬面所并聯(lián)，這種矩形小管成了該電池的單元結(jié)構(gòu)，矩形小管的長度方向是電流流動方向，其長度是受限制的，但其高度和個數(shù)是可以增加的。也就是說可以進行兩維放大。這種結(jié)構(gòu)的缺點在于存在有在同一個矩形小管上的兩個寬面間的溫度梯度以及在六面體寬面上并聯(lián)的各矩形小管之間的溫度梯度。這兩個溫度梯度所造成的熱應力一方面限制了六面體內(nèi)首尾相連的連續(xù)方波形的空氣通道的總長度，在進行功率放大時，勢必增加空氣進出氣管的個數(shù)，增加安裝的難度。另一方面降低了該結(jié)構(gòu)的總體熱穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服或減輕了上述概念設(shè)計上的缺陷，排除在結(jié)構(gòu)單元寬面上同一高度相同位置上的溫度梯度，提高電池的熱穩(wěn)定性，同時保留了兩維放大的特性，以便于制造大功率的固體氧化物電解質(zhì)高溫氣體電解槽。
本發(fā)明的基本單元電解槽是由一種矩形管作為其最小結(jié)構(gòu)單元集成而成，此矩形管是由固體氧化物的內(nèi)、外電極和電解質(zhì)三層結(jié)構(gòu)復合管壁制成的，即此管具有電解質(zhì)以及和它們交聯(lián)的內(nèi)電極和外電極。其兩端支架在與矩形管的軸線成正交的框形支撐板內(nèi)，后者作為矩形管內(nèi)電極和外電極的的電流導出極。若干支這種矩形管按照同名電流導出極-支撐板在同一側(cè)平行排列，形成矩形管組，相鄰的支撐板連接成一體，形成兩個相向而立的支撐板-電流導出極，這兩塊電流導出極-支撐板和兩塊具有內(nèi)電極-電解質(zhì)-外電極結(jié)構(gòu)的側(cè)板構(gòu)成了一個無頂面和底面的矩形陶瓷簡體支撐著矩形管組，構(gòu)成列管式結(jié)構(gòu)的電解槽單元器件。
此列管式電解槽單元器件內(nèi)有兩股相互隔離的流向正交的氣體在流動，一股是原料氣，另一股是電化學反應的產(chǎn)物，在各氣體入口處設(shè)有帶節(jié)流裝置的氣體分布器，在其氣體出口端聯(lián)接一個氣體匯流器。此電解槽單元器件內(nèi)的電流是沿矩形管組的軸向流動的，在與此軸線正交的平面的兩維方向上，即矩形管的縱向高度和矩形管的個數(shù)可進行簡單的幾何學放大。
上述矩形管的管壁，是一個三層結(jié)構(gòu)的復合陶瓷構(gòu)件，中間是一層致密的氣密性的氧離子導體電解質(zhì)如Y2O3或Sc2O3穩(wěn)定ZrO2，或Ln2O3摻雜的CeO2(Ln＝Gd，La，Sm，Y)，或者由此二者結(jié)合而成的復合電解質(zhì)，其兩側(cè)各有一層多孔的電極，電極材料是摻雜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳酸鑭或摻雜的鈷酸鑭類型的導電陶瓷，或是金屬陶瓷，或是貴金屬。為控制電解槽單元結(jié)構(gòu)的內(nèi)歐姆損失，上述電解槽單元器件的單元結(jié)構(gòu)矩形管的長度在15～30mm之間，矩形管的內(nèi)孔寬度尺寸為1.5～3mm。，隨電解槽單元的用途而定。
上述矩形管兩的端的支撐板是與矩形管的軸線成正交的。它們是用矩形管的外電極材料制成并與矩形管的外電極連成一體，在一個支撐板的外側(cè)依次生成電解質(zhì)和另一電極，并與矩形管的電解質(zhì)和內(nèi)電極一一對應連接成為一體，作為矩形管內(nèi)電極的電流導出極，在另一個支撐面的外側(cè)生成致密的聯(lián)接極薄膜并與矩形管的電解質(zhì)膜連接成一體，作為矩形管的外電極的電流導出極。
在把電解槽的基本單元結(jié)構(gòu)集成為電解槽單元器件時，把若干支上述帶支撐板-電流導出極的矩形管按照同名電流導出極-支撐板都處于矩形管組的同一側(cè)，平行排列相鄰的支撐板的各層一一對應連接成一體，形成兩個相向而立的電流導出極-支撐板，這兩塊電流導出極-支撐板和兩塊具有內(nèi)電極-電解質(zhì)-外電極結(jié)構(gòu)的側(cè)板構(gòu)成了一個無頂面和底面的矩形陶瓷筒體支撐著矩形管組，此側(cè)板的一端的各層和具有三層結(jié)構(gòu)的電流導出極-支撐板的各層一一對應連接成一體，此側(cè)板的另一端的內(nèi)電極和另一電流導出極-支撐板的外電極連接，而其電解質(zhì)和電流導出極-支撐板的聯(lián)接極膜連接，形成一個整體。
上述電解槽單元器件的無頂、底面的中空陶瓷筒體的兩個相對的鑲有矩形管的支撐板是本電解槽單元器件的聯(lián)接極，即本電解槽單元器件的兩個電流導出極，其中一個是兩層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)由矩形管的外側(cè)電極相同的材料構(gòu)成，并與矩形管的外電極聯(lián)接，形成一個整體，其外側(cè)由一層致密的氣密性的陶瓷導電膜如摻雜的鉻酸鑭或錳酸鑭所覆蓋，此導電膜與無頂、底面的中空陶瓷筒體的固體氧化物電解質(zhì)膜，以及和各矩形管的固體氧化物電解質(zhì)膜緊密聯(lián)接形成一個整體，作為矩形管組的外電極的導出極。另一個電流導出極是外電極-電解質(zhì)-內(nèi)電極三層結(jié)構(gòu)與各矩形管組以及無頂?shù)酌嬷锌站匦瓮搀w的各層一一對應連接為一體，作為矩形管組的內(nèi)電極的導出極。
此電解槽單元器件有兩個獨立的氣體通道，其中一個氣體通道是垂直通道，它由無頂、底面的中空矩形筒體外殼的內(nèi)側(cè)面和各矩形管外壁所圈定的空間所組成的矩形截面的氣體分支通道組，在此分支氣體通道組的頂端有一組節(jié)流小孔組，氣體在此被壓縮后均勻地分配到此分支氣體通道組中的各個分支通道，即在電解槽內(nèi)工作面上均勻地分配。另一個通道是水平通道，它由矩形管組的孔道所構(gòu)成，氣體沿矩形管組的軸線流動形成矩形管組內(nèi)氣體分支通道組，在此氣體分支通道組的入口處，設(shè)有節(jié)流小孔組，氣體在此被壓縮后沿矩形管的軸線均勻地分配到各個矩形管，即電解槽的外工作面上均勻地分配。
在電解槽作為燃料電池運行，矩形管組的外電極采用摻雜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳酸鑭或摻雜的鈷酸鑭類型的導電陶瓷作為陰極，就是陰極作為支撐襯底，此時水平方向的氣流是原料氣，進氣端是燃料氣(H2，CO等)，水平方向的排汽端是乏燃料氣，由未耗盡的燃料氣和CO2及H2O組成。而作為電解槽運行時水平方向的進氣端為空氣、H2O，CO2等，排氣端分別是含氧少的乏空氣，H2+H2O或CO2+CO。垂直方向的氣流是氧化性氣體，在作為燃料電池運行時進氣端是空氣，排氣端是含氧少的乏空氣，而作為電解槽運行時進氣端封閉，排氣端是純氧。
在電解槽為陽極支撐，即支撐襯底為陽極時，垂直方向的氣流是原料氣。在作為燃料電池運行時是燃料氣(H2，CO等)，其排汽端是乏燃料氣，由未耗盡的燃料氣和CO2及H2O組成。水平方向的氣流是氧化性氣體，進氣端是空氣，排氣端是含氧少的乏空氣，而作為電解槽運行時則進氣端是空氣，H2O，CO2等含氧氣體，排氣端分別是含氧少的乏空氣，H2+H2O或CO2+CO。此時陽極材料為摻雜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳酸鑭或摻雜的鈷酸鑭類型的導電陶瓷，其進氣端被封閉，只有出氣端，后者排出的是純氧氣。
在上述兩個氣體通道的入口端各聯(lián)接一個氣體分布器，同時在其氣體出口端各聯(lián)接一個氣體匯流器。
垂直氣體通道的氣體分布器上部有一個氣體導入管，此管的下端與一個氣室相聯(lián)接，后者的軸線與矩形管組的軸線相垂直，其長度與電解槽單元器件的矩形管外氣體分支通道組的上端的長度相同，氣體在此通過一組節(jié)流小孔被壓縮后進入其下方的電解槽的頂部，小孔組的總面積應該是矩形管組外的氣體分支通道組的總橫截面積的0.5～2％。小孔的位置應與矩形管外氣體分支通道組內(nèi)各通道的軸線一一對應，此節(jié)流小孔組可由小孔或狹縫組成，也可以是一個微孔板，但它們的氣體通道的等效水力學直徑相等，本氣體分布器的四壁的內(nèi)層是由與矩形管的外電極相同的材料制成，其外層是致密的氣密性的固體氧化物電解質(zhì)，并分別與無頂、底面的中空四面體的內(nèi)電極及電解質(zhì)相聯(lián)結(jié)，構(gòu)成一個整體。
水平氣體通道的矩形管內(nèi)氣體分支通道組入口與一個氣體分布器相聯(lián)接，在此氣體分布器的氣體出口端面的尺寸與電解槽的聯(lián)接極相同，在與各矩形管軸線相對應的位置上設(shè)有節(jié)流小孔組，其總面積為矩形管組總橫向截面積的0.5～2.0％，氣體在此被壓縮后均勻的進入矩形管組。此分布器是由高溫導電材料如耐熱合金制成，同時具有電流匯流排的功能。
上述兩個氣體通道的出口處與氣體匯流器連接，其幾何尺寸和對應的體分布器相同只是節(jié)流小孔組的開口擴大到與對應的氣體分支通道的截面相同。
電解槽單元器件的聯(lián)結(jié)極與水平氣體分布器，以及水平匯流器的連接面，以及在由多個本電解槽單元器件串聯(lián)組成的電解槽組時相鄰電解槽單元器件的異性聯(lián)接極之間的聯(lián)接方法有二種，其一是由金屬纖維或?qū)щ娞沾衫w維制成的導電氈，構(gòu)成彈性導電聯(lián)接，其二是通過擴散焊使連接面結(jié)合成一體，構(gòu)成整體電解槽組。
上述電解槽單元器件作為陶瓷氧氣發(fā)生器時，兩個電極的材料都是鈣鈦礦型多孔導電陶瓷，如摻雜的錳酸鑭等，在作為燃料電池時，其陰電極是鈣鈦礦型多孔導電陶瓷，如摻雜的錳酸鑭等，作為空氣極，陽極是金屬陶瓷如Ni-YSZ作為燃料極，聯(lián)結(jié)極采用參雜的鉻酸鑭。在作為CO2和水蒸氣的電解槽時，陽極是貴金屬(Ag，Pt等)，其中陰極為貴金屬陶瓷如Ag(Pt)-YSZ，Ag-La1-xCaxCrO3-δ等。


圖1電解槽單元結(jié)構(gòu)2電解槽單元詳細結(jié)構(gòu)3由電解槽單元結(jié)構(gòu)集成為電解槽單元器件示意4電解槽單元器件及其結(jié)構(gòu)示意5氣體分布器剖面6電解槽單元器件氣體流向7燃料電池結(jié)構(gòu)及氣體流向8空氣體電解槽結(jié)構(gòu)及氣體流向圖具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，本發(fā)明有四種最佳實施方式。
實施方式一本發(fā)明的電解槽單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過圖3的方式集成為圖4所示的電解槽單元器件。圖6為該電解槽單元器件的氣體流向圖。
圖1是一種兩端帶有框形支撐板A和B的矩形管C。矩形管C是具有PEN結(jié)構(gòu)的管式電解槽，而支撐板A和B是其聯(lián)結(jié)極-電流導出極。它們的骨架是用矩形管的外電極材料制成并與矩形管的外電極連成一體，在支撐板A骨架的外側(cè)依次生成電解質(zhì)和另一電極，并與矩形管的電解質(zhì)和內(nèi)電極一一對應連接成一體，作為矩形管內(nèi)電極的電流導出極，在支撐板B的外側(cè)生成致密的聯(lián)接極薄膜并與矩形管的電解質(zhì)膜連接成一體，作為矩形管的外電極的電流導出極。
圖2是這種管式電解槽單元結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖2里I-I是圖1里的XZ方向的剖面，即其縱剖面，II-II是圖1里的XY方向的剖面，即其橫剖面。a和b是其局部放大剖面圖，1是矩形管單元電解槽的內(nèi)電極，3是其外電極，同時又是此單元電解槽的骨架，它們之間的2是電解質(zhì)。在B端支撐板骨架的外側(cè)有聯(lián)結(jié)極4與矩形管的外電極連接，作為矩形管的外電極的導出極。而其內(nèi)電極的導出極是A端支撐板的電極1。
如圖4，由一組這種電解槽單元結(jié)構(gòu)按照同名電極相連的原則平行聯(lián)接，即各單元電解槽的A支撐面并聯(lián)成A1平面，它和A支撐面的結(jié)構(gòu)相同。而各單元電解槽的B支撐面并聯(lián)成厚寬面B1，它和B支撐面的結(jié)構(gòu)相同，其截面見F5(圖4)。然后與兩塊具有內(nèi)電極-電解質(zhì)-外電極結(jié)構(gòu)的側(cè)板D1和D2共同構(gòu)成了一個無頂面和底面的矩形陶瓷筒體B1-D1-A1-D2(見圖3和圖4)。B1面的內(nèi)側(cè)是多孔電子導體陶瓷構(gòu)成的骨架(襯底)作為一個電極N(或者P)，在其外側(cè)生長一層致密導電陶瓷膜作為聯(lián)接極I，其截面見F5。A1面的結(jié)構(gòu)是由三層復合陶瓷膜片構(gòu)成，其截面見F2和F3。它們的內(nèi)側(cè)是由多孔電子導體陶瓷構(gòu)成的骨架(襯底)，作為一個電極N(或者P)，其外側(cè)生長一層致密的固體氧化物電解質(zhì)膜E，E的外側(cè)再生長一層多孔的陶瓷電子導體膜P(或者N)，作為另一個電極的聯(lián)接極。在矩形管C與中空的無頂面無底面的矩形陶瓷筒體寬面外殼B1-D1-A1-D2。在交連處同名膜片相連，形成NA1-NC，NB1-NC，PA1-PC，EA1-EC，NB1-I聯(lián)接，其截面示意圖見F1和F4，形成一個整體結(jié)構(gòu)。
在這個單元結(jié)構(gòu)中有兩個相互垂直的獨立的氣體通道，見圖6。在相鄰的矩形管之間，以及矩形管組的首列和尾列的矩形管與中空的無頂面和無底面的矩形陶瓷筒體殼體內(nèi)壁之間形成的分支氣體通道組中氣體流量的均勻分布是消除各矩形管間的溫度梯度的主要手段。
在上述列管式固體氧化物電解質(zhì)高溫氣體電解槽內(nèi)的垂直分支氣體通道組的進口端聯(lián)接一個氣體分布器，其結(jié)構(gòu)見圖5。4是進氣管，5是節(jié)流小孔，6是氣室，7是與前述的陶瓷筒體(即圖5中的筒體B1-D1-A1-D2)的連接段。連接段的的幾何尺寸與高溫氣體電解槽在Z軸方向進氣端面相同并與其聯(lián)接，為簡化制作工藝，此氣體分布器是由兩層復合陶瓷制成，其內(nèi)層為骨架，所用材料與中空的無頂面和無底面的矩形陶瓷筒體B1-D1-A1-D2內(nèi)側(cè)多孔導電體陶瓷電極相同，并與它連接成一整體。其外側(cè)是致密的電解質(zhì)膜，也與中空的無頂面和無底面的矩形陶瓷筒體B1-D1-A1-D2的電解質(zhì)膜聯(lián)成一體。進氣管4和一個氣室6聯(lián)接。氣室6的下端是一個與前述陶瓷筒體B1-D1-A1-D2相聯(lián)接的連接段7，氣體在此被壓縮后通過節(jié)流小孔組5進入其下方的陶瓷筒體，然后進入電解槽的頂部。為使氣體沿水平軸的方向分布均勻，小孔組的總面積應該是分支氣體通道組的總橫截面積的0.5～2％。小孔的位置應與電解槽內(nèi)的矩形管之間的，以及矩形管組的首列和尾列與前述陶瓷筒體B1-D1-A1-D2殼體內(nèi)壁之間形成的氣體通道相對應。連接段7可以是一個微孔板，其氣體通道的等效水力學直徑和節(jié)流小孔組5的總截面積相當?shù)乃W直徑相等，但是氣體分布的均勻性要比節(jié)流小孔組好得多。
矩形管組內(nèi)水平氣體分支通道組入口和出口端各自與一個氣體分布器相聯(lián)接，在此氣體分布器的氣體出口端面的尺寸與電解槽的聯(lián)接極相同，在與各矩形管軸線相對應的位置上設(shè)有節(jié)流小孔組，其總面積為矩形管組橫截面積的0.5～2.0％，氣體在此被壓縮后均勻的進入矩形管組，在矩形管組的出口處連接的氣體分布器的端面上與各矩形管相對的位置上開有和矩形管的截面相同的孔，此分布器是由高溫導電材料如耐熱合金制成，同時具有電流匯流排的功能。
在設(shè)計本發(fā)明的固體氧化物電解質(zhì)電解槽時，鑒于電流是沿X軸的方向流動的，確定圖1中矩形管的長度是至關(guān)重要的，通常是在15～30mm之間。當然，確定這個尺寸是要考慮到電極的厚度，主要是陶瓷電子導體制成的外電極的厚度，因為這種陶瓷電子導體的電導通常要比金屬導體小1～2個數(shù)量級。當其厚度≤1mm時宜采用下限，而其厚度≥2.2mm時可以采用上限。根據(jù)目前通常使用的電極材料的電導值，長度不得超過30mm。矩形管的內(nèi)孔寬度尺寸為1.5～3mm，而高度和矩形管的數(shù)目是根據(jù)電池的有效工作面積和電池堆的制作技術(shù)來確定，可以在30～500mm或更大的范圍內(nèi)變動，而不至于影響電解槽的總體性能。此外，聯(lián)接極的尺寸的確定，即確定高度、矩形管支撐板的長度和寬度，是根據(jù)聯(lián)接極的有效工作面積是矩形管的支撐板的總面積。對于純氧化物聯(lián)接極的電流密度為0.8～1.0A/cm2，而對于具有金屬化的接觸表面的氧化物聯(lián)接極來說可以采取1.0～1.8A/cm2的電流密度。這樣一來，本發(fā)明的固體氧化物電解質(zhì)電解槽可以在兩維空間進行放大，就是說可在Y和Z軸兩個方向進行放大。
實施方式二本發(fā)明可作為高溫固體氧化物燃料電池。當骨架為陰極時，即結(jié)構(gòu)為陰極支撐時的裝配總圖見圖7。陰極采用多孔的摻雜的錳酸鑭，或者是摻雜的鈷酸鑭。陽極是Ni-YSZ，電解質(zhì)是YSZ或者ScSZ，聯(lián)結(jié)極采用摻雜的鉻酸鑭。X方向的氣流是原料氣，進氣端為F，排氣端為C。F是燃料氣(H2，CO等)，C是乏燃料氣，由未耗盡的燃料氣和CO2及H2O組成。Z方向的氣流是氧化性氣體，進氣端A是空氣，排氣端B是含氧少的乏空氣。
圖7中的8是空氣進氣管，9是氣體分布器，10是單元電解槽，其下端接的氣體匯流器9′是不設(shè)節(jié)流孔的，只是作為匯集乏空氣之用，其下有排氣管8′聯(lián)接。乏空氣順著排氣管引出。
圖7中的10，以及和它對立的寬面是聯(lián)接極，相鄰的單元電池的異性聯(lián)結(jié)極之間，以及電池堆兩端的單元電池的聯(lián)接極與導流排之間的連接介質(zhì)采用金屬纖維氈。
實施方式三實施方式二中的高溫固體氧化物燃料電池，當其骨架為陽極時，即其結(jié)構(gòu)為陽極支撐時，Z方向的氣流是原料氣，進氣端為A，排氣端為B。A是燃料氣(H2，CO等)，B是乏燃料氣，由未耗盡的燃料氣和CO2及H2O組成。X方向的氣流是氧化性氣體，進氣端F是空氣，排氣端C是含氧少的乏空氣。
圖7中的8是燃料氣進氣管，9是氣體分布器，10是單元電解槽，其下端接的氣體匯流器9′是不設(shè)節(jié)流孔的，只是作為匯集乏燃料氣之用，其下有排氣管8′聯(lián)接。乏燃料氣順著排氣管引出。圖7中的10，以及和它對立的寬面是聯(lián)接極，相鄰的單元電池的異性聯(lián)結(jié)極之間，以及電池堆兩端的單元電池的聯(lián)接極與導流排之間的連接介質(zhì)采用導電的摻雜錳酸鑭纖維氈。
實施方式四當本發(fā)明的單元電解槽作為高溫空氣體電解槽，即作為氧泵時如圖8。它是簡化了的實施方式二。其骨架為陽極，陽極采用多孔的摻雜錳酸鑭或者摻雜的鈷酸鑭，聯(lián)結(jié)極采用致密的摻雜錳酸鑭或者摻雜的鈷酸鑭。實施方式二里的氣體分布器9為一塊PEN結(jié)構(gòu)的盲板8′所代替，就是說單元電解槽的頂端是封死的。從排氣管10排出的是純氧。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物電解質(zhì)的高溫氣體電解槽，其特征在于所述的電解槽是由一種矩形管作為其最小結(jié)構(gòu)單元集成而成，此矩形管是由固體氧化物的內(nèi)、外電極和電解質(zhì)三層結(jié)構(gòu)復合管壁制成的，即此管具有電解質(zhì)以及和它們交聯(lián)的內(nèi)電極和外電極，此矩形管的兩端支架在與矩形管的軸線正交的框形支撐板內(nèi)，作為矩形管內(nèi)電極和外電極的的電流導出極，若干支這種矩形管按照同名電流導出極-支撐板在同一側(cè)平行排列，形成矩形管組，相鄰的支撐板連接成一體，形成兩個相向而立的電流導出極-支撐板，這兩塊電流導出極-支撐板和兩塊具有內(nèi)電極-電解質(zhì)-外電極結(jié)構(gòu)的側(cè)板構(gòu)成了一個無頂面和底面的矩形陶瓷筒體支撐著矩形管組，構(gòu)成列管式結(jié)構(gòu)的電解槽單元器件，此列管式電解槽單元器件內(nèi)有兩股相互隔離的流向正交的氣體在流動，一股是原料氣，另一股是電化學反應的產(chǎn)物，在各氣體入口處設(shè)有帶節(jié)流裝置的氣體分布器，在其氣體出口端聯(lián)接一個氣體匯流器，此電解槽單元器件內(nèi)的電流是沿矩形管組的軸向流動的，在與此軸線正交的平面的兩維方向上，即矩形管的縱向高度和矩形管的個數(shù)可進行簡單的幾何學放大。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩形管其特征在于其復合管壁，是一個三層結(jié)構(gòu)的復合陶瓷構(gòu)件，中間是一層致密的、氣密性的氧離子導體電解質(zhì)如Y2O3或Sc2O3穩(wěn)定ZrO2，或Ln2O3摻雜的CeO2(Ln＝Gd，La，Sm，Y)，兩側(cè)各有一層多孔的電極，電極材料是摻雜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳酸鑭或摻雜鈷酸鑭類型的導電陶瓷，或是金屬陶瓷，或是貴金屬，隨電解槽單元的用途而定。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩形管其特征在于它的的兩端支撐在與矩形管的軸線正交的框形支撐板內(nèi)，后者是用矩形管的外電極材料制成并與矩形管的外電極連成一體，在一個支撐板的外側(cè)依次生成電解質(zhì)和內(nèi)電極，并與矩形管的電解質(zhì)和內(nèi)電極一一對應連接成一體，作為矩形管內(nèi)電極的電流導出極，在另一個支撐面的外側(cè)生成致密的聯(lián)接極薄膜并與矩形管的電解質(zhì)膜連接成一體，作為矩形管的外電極的電流導出極。
4，根據(jù)權(quán)利要求1所述的平行排列的矩形管組其特征在于同名電流導出極-支撐板都處于矩形管組的同一側(cè)，相鄰的支撐板的各層一一對應連接成一體，形成兩個相向而立的電流導出極-支撐板，這兩塊電流導出極-支撐板和兩塊具有內(nèi)電極-電解質(zhì)-外電極結(jié)構(gòu)的側(cè)板構(gòu)成了一個無頂面和底面的矩形陶瓷筒體支撐著矩形管組，此側(cè)板的一端的各層和具有三層結(jié)構(gòu)的電流導出極-支撐板的各層一一對應連接成一體，此側(cè)板的另一端的內(nèi)電極和另一電流導出極-支撐板的外電極連接，而其電解質(zhì)和電流導出極-支撐板的聯(lián)接極膜連接，形成一個整體。
5，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽單元器件其特征在于此電解槽單元器件的無頂、底面的中空矩形筒體外殼的兩個相對的鑲有矩形管的支撐板是本電解槽單元結(jié)構(gòu)的聯(lián)接極，即本電解槽單元器件的兩個電流導出極，其中一個是兩層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)由矩形管的外側(cè)電極相同的材料構(gòu)成，并與矩形管的外電極聯(lián)接，形成一個整體，其外側(cè)由一層致密的氣密性的陶瓷導電膜如摻雜的鉻酸鑭或錳酸鑭所覆蓋，此導電膜與無頂、底面的中空矩形筒體的固體氧化物電解質(zhì)膜，以及和各矩形管的固體氧化物電解質(zhì)膜緊密聯(lián)接形成一個整體，另一個電流導出極是外電極-電解質(zhì)-內(nèi)電極三層結(jié)構(gòu)與各矩形管組以及無頂?shù)酌嬷锌站匦瓮搀w的各層一一對應連接為一體。
6，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽單元器件其特征在于此電解槽單元器件有兩個獨立的氣體通道，其中一個氣體通道是由無頂、底面的中空矩形筒體外殼的內(nèi)側(cè)面和各矩形管外壁所圈定的空間所組成的矩形管外氣體分支通道組，在此分支氣體通道組的頂端有一組節(jié)流小孔組，氣體在此被壓縮后進入分支氣體通道組即電解槽的頂部，另一個通道是由矩形管組的孔道所構(gòu)成，氣體沿矩形管組的軸線流動形成矩形管內(nèi)氣體分支通道組，在此通道組的入口處，設(shè)有節(jié)流小孔組，氣體在此被壓縮后沿矩形管組的軸向流入電解槽。
7，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽單元器件其特征在于在矩形管外氣體分支通道組的氣體入口端聯(lián)接一個氣體分布器，同時在其氣體出口端聯(lián)接一個氣體匯流器。
8，根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體分布器其特征在于其上部有一個氣體導入管，此管的下端與一個氣室相聯(lián)接，后者的軸線與矩形管組的軸線相垂直，其長度與電解槽單元器件的矩形管外氣體分支通道組的上端的長度相同，氣體在此通過一組節(jié)流小孔被壓縮后進入其下方的電解槽的頂部，小孔組的總面積應該是矩形管組橫截面積的0.5～2％，小孔的位置應與矩形管外氣體分支通道組內(nèi)各通道的軸線一一對應，此節(jié)流小孔組可由小孔或狹縫組成，也可以是一個微孔板，但它們的氣體通道的等效水力學直徑相等，本氣體分布器的四壁的內(nèi)層是由與矩形管的外電極相同的材料制成，其外層是致密的氣密性的固體氧化物為電解質(zhì)，并分別與無頂、底面的中空四面體的內(nèi)壁電極及電解質(zhì)相聯(lián)結(jié)，構(gòu)成一個整體。
9，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽單元器件其特征在于其矩形管內(nèi)氣體分支通道組入口和出口端各自與一個氣體分布器相聯(lián)接，在此氣體分布器的氣體出口端面的尺寸與電解槽的聯(lián)接極相同，在與各矩形管軸線相對應的位置上設(shè)有節(jié)流小孔組，其總面積為矩形管組橫向截面積的0.5～2.0％，氣體在此被壓縮后進入矩形管組，在矩形管組的出口處連接的氣體分布器的端面上與各矩形管相對的位置上開有和矩形管的截面相同的孔，此分布器是由高溫導電材料如耐熱合金制成，同時具有電流匯流排的功能。
10，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽單元器件其特征在于其聯(lián)結(jié)極與氣體分布器連接面，以及在由多個本電解槽單元器件串聯(lián)組成的電解槽組內(nèi)相鄰電解槽單元器件的異性聯(lián)接極之間的聯(lián)接方法有二種，其一是由金屬纖維或?qū)щ娞沾衫w維制成的導電氈，構(gòu)成彈性導電聯(lián)接，其二是通過擴散焊使連接面結(jié)合成一體，構(gòu)成整體電解槽組。
11，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽單元器件其特征在于當作為陶瓷氧氣發(fā)生器時，兩個電極的材料都是鈣鈦礦型多孔導電陶瓷，如摻雜的錳酸鑭等，在作為燃料電池時，其陰電極是鈣鈦礦型多孔導電陶瓷，如摻雜的錳酸鑭等，作為空氣極，陽極是金屬陶瓷如Ni-YSZ作為燃料極，在作為CO2和水蒸氣的電解槽時，陽極是貴金屬(Ag，Pt等)，其中陰極為貴金屬陶瓷如Ag(Pt)-YSZ，Ag-La1-xCaxCrO3-δ等。
12，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽單元器件其特征在于矩形管的長度在15～30mm之間，矩形管的內(nèi)孔寬度尺寸為1.5～3mm。10002 2002.全文摘要
一種固體氧化物電解質(zhì)高溫氣體電解裝置。其單元電解槽為兩端加在框形支撐板－電流導出極上的具有PEN結(jié)構(gòu)管壁的矩形管。一組這種結(jié)構(gòu)的單元電解槽平行排列，相鄰的同極性支撐板－電流導出極連接構(gòu)成一個中空矩形陶瓷筒體外殼2，矩形管組被支架其中構(gòu)成單元電解槽，結(jié)構(gòu)見附圖。1是矩形管組，鑲?cè)胩沾赏搀w外殼2內(nèi)，都是由PEN結(jié)構(gòu)的復合陶瓷膜片構(gòu)成。2的后寬面是兩層結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)極，與其相對的是另一個聯(lián)結(jié)極。氣流方向見圖。在氣路的首端或尾有帶節(jié)流孔組的氣體分布裝置。組成電解槽組時異性聯(lián)結(jié)極通過金屬纖維氈，導電陶瓷纖維氈或焊接聯(lián)結(jié)成整體。增加矩形管數(shù)目及其高度進行放大，組成大功率氣體電解槽或燃料電池。
文檔編號H01M8/12GK1610164SQ200310101978
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月20日
發(fā)明者王曉嵐, 李竹川, 朱永平, 胡萬起, 陶昌源, 王永興, 李道昭 申請人:中國科學院過程工程研究所