电化学装置及其方法制造方法及图纸

一种设有置于氧电极与燃料电极之间的固体电解质、与对置于电解质的各电极中的一个电极的表面接触的至少一块隔板，以及至少一个置于电解质和至少一个电极之间的反应性微滑移区域的电化学装置，其中所述反应性微滑移区域具有互相连通的许多微孔，其平均孔径小于邻近电极微孔，其中所述电解质在贴近燃料电极的电解质表面上具有燃料电极材料界面层，而且所述界面层、所述燃料电极和所述反应性微滑移区域中的至少一者包括至少一种耐硫材料制成。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及诸如直接将化学能转换成电能的熔盐电解质燃料电池或者固体电解质燃料电池之类电化学装置及燃料电池组。更具体地说，本专利技术涉及能耐含硫燃料的燃料电池，并涉及使用含硫燃料的方法。现有技术总的说来，本专利技术涉及氧化或消耗燃料并产生电的电化学装置，例如熔盐电解质燃料电池或者固体电解质燃料电池。虽然具体实施方案可使用共烧制型(cofired)或结合型(bonded)固体电解质燃料电池装置，但当使用容有多个燃料电池组的非共烧制型(non-cofired)或非结合型(nonbonded)固体氧化物电解质燃料电池，优选为平面型时，本专利技术特别有用。各电池组包括置于阳极和阴极之间的固体电解质，并由同对着电解质的电极表面接触的隔板结合在一起。一根燃料歧管和一根空气歧管将各气体输经或者输过组装元件，通式用密封衬垫将邻近的空气歧管的阳极密封，并用密封衬垫将邻近的燃料歧管的阴极密封，以使会在一个区域中降低槽电压的燃料与空气的混合减少到最第程度。燃料电池通过将空气输入阴极并在阴极/电解质表面上使氧电离来工作。氧离子透过不渗透气体的电解质迁移到阳极界面，并在该界面上与流入阳极的燃料发生反应，释放出热量，并将其电子授予阳极。电子流过阳极和隔板抵达下一个临近的阴极。在本专利技术电化学装置中，可以使用含氢或含碳氢的燃料，例如氢、一氧化碳、甲烷、天然气(包括沼气)及重整碳氢燃料(包括柴油和喷气式飞机用航空煤油)。供入阴极的气体可为氧或含氧气体如空气、NOx或者SOx。用于共烧制型或者结合型固体氧化物燃料电池金属陶瓷电极，优选为管状，这种电极已于授予Isenberg等人(威斯汀豪斯电气公司Westinghause E1ectric Company)的第4,582,766号美国专利中予以公开。电子型导体(金属)构成电极，并以陶瓷层将其连接在电解质上，所述陶瓷层的材料优选与电解质相同。金属电极颗粒先予氧化，再还原成多孔金属层，该多孔金属层同时与陶瓷层和金属电极颗粒接触。陶瓷-金属热膨胀不匹配的问题未能得到解决，而且事实上因电解质/电极连接结构而增加。在连接的结构中，不构成电极和电解质的材料予以共烧制，或者予以互相扩散连接，形成整体结构。该共烧制型或者结合型固体氧化物燃料电池尤其不耐含硫燃料。当在一个过程中使用含硫燃料，甚而浓度低至百万分之1(ppm)时，共烧制型或者结合型固体氧化物燃料电池的性能显著下降。Isenberg等人在第4,582,766号美国专利中以及Isenberg在第4,597,170号美国专利中，建议使用镍、钴及其合金或混合物作为电极导电材料，因为它们较其他金属或金属氧化物更耐硫腐蚀。使用含硫燃料时，共烧制型或者结合型固体氧化物燃料电池所经历的性能下降问题，促使威斯汀豪斯公司通过对阳极镀覆渗气性氧离子-电子型导体材料镀层，来改进连在电解质上的阳极，该镀层经扩散或烧结附着在阳极上，授予Isenberg的第4,702,971号和第4,812,329号美国专利中对此已作公开。用含50ppm硫化氢的氢、一氧化碳、水蒸气燃料，对设有这样一种有镀层电极的电池经16小时试验，性能损失4.7％。长时间工作或者热循环引起阳极覆层开裂及剥离，而且还使镀层下面的阳极中毒。威斯汀豪斯公司对各种共烧制型或者结合型燃料电池另外进行的耐硫试验收列在呈交美国能源部的最终技术报告中，该报告的名称为“固体氧化物燃料电池阳极的研制”，报告编号为No.DOE/MC/22046--2371(1986年12月)。在各种共烧制型或者结合型燃料电池设计中，用含硫物质含量为2ppm、10ppm、25ppm及50ppm的氢、一氧化碳、水蒸气燃料，对不同阳极材料进行了试验。该报告的结论是，燃料中存在低如2ppmvH2S时，起初使用含硫燃料大约2小时内，电池性能急剧下降，然后以缓慢的线形速度下降。在结合型阳极中加入钴并不改善耐硫性能，而对阳极浸渍掺杂镍和钐的氧化铈则减少电池的性能下降(虽然，性能随时间的推移，因膜层开裂和烧结而渐渐下降)。现已发现，燃料电池性能的下降时可逆的，如从燃料中除去硫，则电池的电压和电阻均能恢复。氢气中由50ppm硫化氢所代表的硫含量，并不是使用燃料电池潜在燃料来源时所经历的最为严重的情况。源于液态燃料如柴油和喷气式飞机用航空煤油的燃料气体、由煤得到的各种气体及沼气所含硫化氢量可达大约300至1000ppm，甚或更高。因此，本专利技术的目的是，提供一种燃料电池，该燃料电池可使用含硫燃料而经长时间工作仍能保持稳定的工作性能。专利技术概述我们业已发现，非结合型固体氧化物电解质燃料电池可以使用含硫燃料，并且在长时间工作中具有意外的稳定性能。如果将耐硫材料界面层置于电解质和燃料电极或者阳极之间，优选与电解质紧密接触，则非结合型固体氧化物电解质燃料电池的性能甚至还在使用含硫燃料时很少受影响。因此，本专利技术提供了一种在电化学装置中使用含硫燃料的方法，该方法包括在反应温度下，将一种至少含有约2ppm含硫物质的燃料供入非结合型固体氧化物电解质燃料电池，并使所述燃料进行反应。本专利技术还提供一种电化学装置，该装置包括一种将电解质置于燃料电极与第二电极之间的燃料电池，其中还将一层燃料电极材料界面层置于电解质与燃料电极之间，而且界面层和燃料电极之中至少有一者包括至少一种耐硫材料。优选的是，使耐硫界面层紧密接触最接近燃料电极的电解质表面。本专利技术也还提供一种包括电解质置于燃料电极与第二电极之间的燃料电池的电化学装置，其中还将一层燃料电极材料界面层置于电解质与燃料电极之间，所述界面层包括至少一种耐硫材料，所述耐硫材料包括一种选自由电子型导体、离子型导体、电子离子混合型导体组成的这类导体中的至少一种导体或这类导体的组合。本专利技术还提供一种在电化学装置中使用含硫燃料的方法，该方法包括提供一种将电解质置于燃料电极与第二电极之间的燃料电池，其中还将燃料电极材料界面层置于电解质与燃料电极之间，而且界面层和燃料电极中的至少一者包括至少一种耐硫材料；在反应温度下，将至少约含2ppm含硫物质的燃料输入所述燃料电池中；并使所述燃料进行反应。优选的是，使耐硫界面层紧密与电解质最接近燃料电极的表面接触。在另一个具体实施方案中，本专利技术于(氧电极及/或燃料电极中的)至少一个电极与电解质之间增加一个元件，电化学装置如燃料电池的电学性能和燃料电池元件的耐久性均可大大提高和延长。这个增添的元件可包括一种耐硫材料。按照本专利技术的另一个具体实施方案，将至少一个电极设计成能改变其流动特征，以此可进一步提高性能。流动性能增强的阳极可包括一种耐硫材料。本专利技术也提供了一种另外还起着所述燃料电池中的至少一个电极作用的整体隔板元件，从而增加了制造简易和生产上的经济性。因此，本专利技术还涉及一种诸如固体电解质燃料电池之类的电化学装置，该装置中固体电解质置于氧电极与燃料电极之间，至少有一块隔板位于电解质相对位置的各电极中的一个电极的表面相接触，而且有一个反应性微滑移区域置于电解质与至少一个电极之间，其中反应性微滑移区域具有连通的微孔，其平均直径小于邻近电极的微孔，其中电解质在最接近燃料电极的表面上有一层电极材料界面层，而且其中界面层、燃料电极和反应性微滑移区域中的至少一者包括至少一种耐硫材料。所述反应性微滑移区域优选包括一种耐硫材料。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：T·L·卡布勒，M·A·佩特里克，
申请(专利权)人：技术管理公司，
类型：发明
国别省市：