列管式固体氧化物电解质高温气体电解装置的结构制造方法及图纸

一种固体氧化物电解质的高温气体电解槽，其特征在于所述的电解槽是由一种矩形管作为其最小结构单元集成而成，此矩形管是由固体氧化物的内、外电极和电解质三层结构复合管壁制成的，即此管具有电解质以及和它们交联的内电极和外电极，　　　　此矩形管的两端支架在与矩形管的轴线正交的框形支撑板内，作为矩形管内电极和外电极的的电流导出极，　　　　若干支这种矩形管按照同名电流导出极－支撑板在同一侧平行排列，形成矩形管组，相邻的支撑板连接成一体，形成两个相向而立的电流导出极－支撑板，这两块电流导出极－支撑板和两块具有内电极－电解质－外电极结构的侧板构成了一个无顶面和底面的矩形陶瓷筒体支撑着矩形管组，构成列管式结构的电解槽单元器件，　　　　此列管式电解槽单元器件内有两股相互隔离的流向正交的气体在流动，一股是原料气，另一股是电化学反应的产物，　　　　在各气体入口处设有带节流装置的气体分布器，在其气体出口端联接一个气体汇流器，　　　　此电解槽单元器件内的电流是沿矩形管组的轴向流动的，在与此轴线正交的平面的两维方向上，即矩形管的纵向高度和矩形管的个数可进行简单的几何学放大。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
列管式固体氧化物电解质高温气体电解装置的结构
  本专利技术是一种用固体氧化物电解质制成的高温电化学装置，特别是涉及一种固体氧化物电解质高温气体电解槽装置。
技术介绍
  众所周知固体氧化物电解质是一种氧离子导体，如萤石型掺杂的全稳定ZrO2，以CeO2为基的固溶体和掺杂的ABO3型钙钛矿结构的电解质如LaGaO3等，他们一般在700℃以上就具有氧离子导体的特点，在氧分压的压差或电场驱动下，氧离子可以穿过这种材料的膜片。在这种膜片的两侧各生成一个多孔电子导体或者电子-离子混合导体陶瓷膜或金属陶瓷膜电极构成被称为PEN的结构，即阳极-电解质-阴极三合一的复合陶瓷膜片，它是各种固体氧化物高温电化学装置的基本结构。1981年11月20日A.O.Isenberg在美国专刊U.S.Pat.No.4,490,444中推出一种由PEN结构的管壁构成的管式固体氧化物燃料电池(SOFC)单元电池以来，SOFC作为一种环境友好的高效发电装置得到高速发展。美国西屋电气公司经过18年的努力，完善了这种管式燃料电池。1997年，第一台热电联产的100kW管式SOFC发电装置在荷兰投入运行，预示着这种发电装置的商业化已为期不远(Raymond A.George at.al.Reducing themanufacturing cost of tubular SOFC technology，J.Power Sources，71(1998)，pp131-137)。这种发电装置是由众多的单元电池组成的。因而和其他基于单元电池组成的大功率化学电源一样具有共同的固有的问题，即由于单元电池之间的差异造成了由众多单元电池组成的电池堆工作上的许多不确定因素。减少这些不确定因素是这种新型电源商业化过程中的主要问题之一。加强单元电池制作中的质量控制和组装电池堆前的检测无疑是有效的措施。但是最有效的措施应该是尽可能的加大单元电池的容量，最大限度地减少电池堆中的单元电池个数，以降低电池堆运行过程中不确定因素出现的机率，从而提高电池堆工作的可靠性。鉴于构成陶瓷电极材料的电导率要比金属导体的低1～2个数量级，所以在设计氧化物电解质高温气体单元电解槽时，必须考虑电流行程的距离，根据电极厚度的不同，一般此距离为10～30mm，超过此限度时，电解槽内部的欧姆损失会增大到令人无法忍受的程度，特别是在电解槽作为燃料电池工作时，由于其单元电池的开路电势只有～1.1V，所以有可能造成电池的电势都损耗在其自身的内阻上，而没有电流输出。这是进行氧化物电解质高温气体单元电解槽的概念设计时，特别是在进行放大时首先要考虑到的重要因素。根据Raymond A G.的报导西屋公司的管式燃料电池虽然历经长达18年的努力，-->其单元电池的最大输出功率也只能由20W增大到210W，功率增长的～4/5是靠增大几何尺寸得来的，其中又主要靠增加长度取得的。可以说其放大主要是靠在一维方向(轴向)上的放大来实现的。看来，已经接近这种结构放大的极限。这样一来，西屋电气公司100KW发电装置共使用了1152支这种管状电池。进一步放大只有靠提高其功率密度来现。朱永平等1997.02.25申报的专利ZL 100771.3中描述了一种把截面为矩形的管式燃料电池沿其轴线在一个平面上把它压缩成连续方波形的管子，并且被放到一个中空的六面体中，在后者的内部形成连续方波形的空气通道。燃料气通道变成一组镶入中空六面体内彼此平行的，两头贯通的矩形小管。它们的首尾分别被六面体的两个宽面所并联，这种矩形小管成了该电池的单元结构，矩形小管的长度方向是电流流动方向，其长度是受限制的，但其高度和个数是可以增加的。也就是说可以进行两维放大。这种结构的缺点在于存在有在同一个矩形小管上的两个宽面间的温度梯度以及在六面体宽面上并联的各矩形小管之间的温度梯度。这两个温度梯度所造成的热应力一方面限制了六面体内首尾相连的连续方波形的空气通道的总长度，在进行功率放大时，势必增加空气进出气管的个数，增加安装的难度。另一方面降低了该结构的总体热稳定性。
技术实现思路
  本专利技术的目的在于克服或减轻了上述概念设计上的缺陷，排除在结构单元宽面上同一高度相同位置上的温度梯度，提高电池的热稳定性，同时保留了两维放大的特性，以便于制造大功率的固体氧化物电解质高温气体电解槽。本专利技术的基本单元电解槽是由一种矩形管作为其最小结构单元集成而成，此矩形管是由固体氧化物的内、外电极和电解质三层结构复合管壁制成的，即此管具有电解质以及和它们交联的内电极和外电极。其两端支架在与矩形管的轴线成正交的框形支撑板内，后者作为矩形管内电极和外电极的的电流导出极。若干支这种矩形管按照同名电流导出极-支撑板在同一侧平行排列，形成矩形管组，相邻的支撑板连接成一体，形成两个相向而立的支撑板-电流导出极，这两块电流导出极-支撑板和两块具有内电极-电解质-外电极结构的侧板构成了一个无顶面和底面的矩形陶瓷简体支撑着矩形管组，构成列管式结构的电解槽单元器件。此列管式电解槽单元器件内有两股相互隔离的流向正交的气体在流动，一股是原料气，另一股是电化学反应的产物，在各气体入口处设有带节流装置的气体分布器，在其气体出口端联接一个气体汇流器。此电解槽单元器件内的电-->流是沿矩形管组的轴向流动的，在与此轴线正交的平面的两维方向上，即矩形管的纵向高度和矩形管的个数可进行简单的几何学放大。上述矩形管的管壁，是一个三层结构的复合陶瓷构件，中间是一层致密的气密性的氧离子导体电解质如Y2O3或Sc2O3稳定ZrO2，或Ln2O3掺杂的CeO2(Ln＝Gd，La，Sm，Y)，或者由此二者结合而成的复合电解质，其两侧各有一层多孔的电极，电极材料是掺杂的钙钛矿结构的锰酸镧或掺杂的钴酸镧类型的导电陶瓷，或是金属陶瓷，或是贵金属。为控制电解槽单元结构的内欧姆损失，上述电解槽单元器件的单元结构矩形管的长度在15～30mm之间，矩形管的内孔宽度尺寸为1.5～3mm。，随电解槽单元的用途而定。上述矩形管两的端的支撑板是与矩形管的轴线成正交的。它们是用矩形管的外电极材料制成并与矩形管的外电极连成一体，在一个支撑板的外侧依次生成电解质和另一电极，并与矩形管的电解质和内电极一一对应连接成为一体，作为矩形管内电极的电流导出极，在另一个支撑面的外侧生成致密的联接极薄膜并与矩形管的电解质膜连接成一体，作为矩形管的外电极的电流导出极。在把电解槽的基本单元结构集成为电解槽单元器件时，把若干支上述带支撑板-电流导出极的矩形管按照同名电流导出极-支撑板都处于矩形管组的同一侧，平行排列相邻的支撑板的各层一一对应连接成一体，形成两个相向而立的电流导出极-支撑板，这两块电流导出极-支撑板和两块具有内电极-电解质-外电极结构的侧板构成了一个无顶面和底面的矩形陶瓷筒体支撑着矩形管组，此侧板的一端的各层和具有三层结构的电流导出极-支撑板的各层一一对应连接成一体，此侧板的另一端的内电极和另一电流导出极-支撑板的外电极连接，而其电解质和电流导出极-支撑板的联接极膜连接，形成一个整体。上述电解槽单元器件的无顶、底面的中空陶瓷筒体的两个相对的镶有矩形管的支撑板是本电解槽单元器件的联接极，即本电解槽单元器件的两个电流导出极，其中一个是两层结构，其内侧由矩形管的外侧电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物电解质的高温气体电解槽，其特征在于所述的电解槽是由一种矩形管作为其最小结构单元集成而成，此矩形管是由固体氧化物的内、外电极和电解质三层结构复合管壁制成的，即此管具有电解质以及和它们交联的内电极和外电极，此矩形管的两端支架在与矩形管的轴线正交的框形支撑板内，作为矩形管内电极和外电极的的电流导出极，若干支这种矩形管按照同名电流导出极-支撑板在同一侧平行排列，形成矩形管组，相邻的支撑板连接成一体，形成两个相向而立的电流导出极-支撑板，这两块电流导出极-支撑板和两块具有内电极-电解质-外电极结构的侧板构成了一个无顶面和底面的矩形陶瓷筒体支撑着矩形管组，构成列管式结构的电解槽单元器件，此列管式电解槽单元器件内有两股相互隔离的流向正交的气体在流动，一股是原料气，另一股是电化学反应的产物，在各气体入口处设有带节流装置的气体分布器，在其气体出口端联接一个气体汇流器，此电解槽单元器件内的电流是沿矩形管组的轴向流动的，在与此轴线正交的平面的两维方向上，即矩形管的纵向高度和矩形管的个数可进行简单的几何学放大。2，根据权利要求1所述的矩形管其特征在于其复合管壁，是一个三层结构的复合陶瓷构件，中间是一层致密的、气密性的氧离子导体电解质如Y2O3或Sc2O3稳定ZrO2，或Ln2O3掺杂的CeO2(Ln＝Gd，La，Sm，Y)，两侧各有一层多孔的电极，电极材料是掺杂的钙钛矿结构的锰酸镧或掺杂钴酸镧类型的导电陶瓷，或是金属陶瓷，或是贵金属，随电解槽单元的用途而定。3，根据权利要求1所述的矩形管其特征在于它的的两端支撑在与矩形管的轴线正交的框形支撑板内，后者是用矩形管的外电极材料制成并与矩形管的外电极连成一体，在一个支撑板的外侧依次生成电解质和内电极，并与矩形管的电解质和内电极一一对应连接成一体，作为矩形管内电极的电流导出极，在另一个支撑面的外侧生成致密的联接极薄膜并与矩形管的电解质膜-->连接成一体，作为矩形管的外电极的电流导出极。4，根据权利要求1所述的平行排列的矩形管组其特征在于同名电流导出极-支撑板都处于矩形管组的同一侧，相邻的支撑板的各层一一对应连接成一体，形成两个相向而立的电流导出极-支撑板，这两块电流导出极-支撑板和两块具有内电极-电解质-外电极结构的侧板构成了一个无顶面和底面的矩形陶瓷筒体支撑着矩形管组，此侧板的一端的各层和具有三层结构的电流导出极-支撑板的各层一一对应连接成一体，此侧板的另一端的内电极和另一电流导出极-支撑板的外电极连接，而其电解质和电流导出极-支撑板的联接极膜连接，形成一个整体。5，根据权利要求1所述的电解槽单元器件其特征在于此电解槽单元器件的无顶、底面的中空矩形筒体外壳的两个相对的镶有矩形管的支撑板是本电解槽单元结构的联接极，即本电解槽单元器件的两个电流导出极，其中一个是两层结构，其内侧由矩形管的外侧电极相同的材料构成，并与矩形管的外电极联接，形成一个整体，其外侧由一层致密的气密性的陶瓷导电膜如掺杂的铬酸镧或锰酸镧所覆盖，此导电膜与无顶、底面的中空矩形筒体的固体氧化物电解质膜，以及和各矩形管的固体氧化物电解质膜紧密联接形成一个整体，另一个电流导出极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓岚，李竹川，朱永平，胡万起，陶昌源，王永兴，李道昭，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：