[发明专利]电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及到诸如固态电解质燃料电池和燃料电池组合之类用来将化学能直接转换成电能的电化学方式的电能产生装置。更确切地说是涉及到含有已改变流动特性的部件从而致使电学性能出乎意料地得到提高的燃料电池。

发明的背景

本发明一般涉及到诸如电化学反应器和熔盐或固态电解质燃料电池之类的用来氧化或消耗燃料而产生电能的电化学装置。

本发明虽然可用于常规的筒形装置，但当用于含有多个部件组成的叠层的固态氧化燃料电池(最好是非筒形的平板形)时，本发明特别有用。每个部件含有排列在阴极和阳极之间的固体电解质，由同正对着电解质的各电极表面相接触的分隔器包围。燃料总管和空气管线使气体通过各部件或其上部，用垫圈对邻接空气管线的阳极和邻接燃料总管的阴极进行密封，以尽量减小燃料同空气的混合(这种混合会降低电池的电压)。

燃料电池的运行方式是将空气引入阴极，从而在阴极/电解质表面处发生氧的离化。氧离子穿越不透气的电解质到达阳极界面，同流入阳极的燃料发生反应，释放热量并将其电子给予阳极。此电子通过阳级和分隔器到达下一个相邻的阴极。

诸如氢、一氧化碳、甲烷、天然气和重整碳氢化合物燃料之类的任何一种含氢或含碳氢化合物的燃料，均可用于本发明的电化学装置。待要馈至阴极的气体可以是氧或诸如空气、NOX或SOX之类的含氧气体。

固态电解质表面可用印剂涂覆，即在邻接阴极的表面上含有阴极成份的一个薄层，并在邻接阳极的表面上涂覆有镍或氧化镍印剂(或其它阳极材料)。此涂覆印剂提供了导电环境，各组分可相互作用(分子/离子)或反应(分子/原子)。

Ruhl的美国专利NO.4770955中公开了一种固态电解质燃料电池和含有多个燃料电池的组合，如下所述，此处引为参考。Ruhl公开了一种使燃料氧化以产生电能的燃料电池，它包含下列元件：

一个板状的不透气分隔器，它包括一个用来接收气体燃料的穿过第一分隔器的第一内孔。

一个板状的氧化物粉末阴极，它同第一分隔器相接触，并包括一个用来接收气体燃料的穿过阴极的第二内孔。此第二孔同第一孔至少部分重合。

一个板状的不透气的固态电解质，它同阴极相接触；并包括一个穿过电解质的第三内孔，此第三孔同第一孔至少部分重合。

一个放在第二孔中且同电解质密封接触以防阴极遭遇第一孔中的燃料的基本上不透气的圆形垫圈。

一个板状的粉末阳极，它同固态电解质相接触，并包含一个穿过阳极的第四内孔，此第四孔同第一孔至少部分重合。

Ruhl燃料电池的一个实施例还公开其中的分隔器、阴极、电解质和阳极分别包含用来接收含氧气体的第五、第六、第七和第八孔，此第六、第七和第八孔同第五孔都至少部分重合，并且在第八孔中放置一个基本上不透气的圆形垫圈同电解质密封接触，以防阳极遭遇第五孔中的氧。

Ruhl燃料电池代表着本技术领域的一个重大进展，它涉及到非共烧结元件，由于此类元件可适应其不同的热膨胀性质而使制造更为容易且寿命得以延长。

Isenberg等人的美国专利NO.4582766公开了用于固态氧化物电化学燃料电池的最好是筒形的陶瓷合金电极。电子导体(金属)构成电极且通过陶瓷涂层(最好同电解质是相同的材料)从而使它被电解质包围。金属电极颗粒被氧化，然后被还原以形成一个同陶瓷涂层和金属电极颗粒二者相接触的多孔金属层。陶瓷同金属之间的热膨胀失配问题未能解决，且确实由于电解质/电极包围结构而更严重。而且，电极设计本身未作改变以提高其上的流动特性。

发明概要

我们发现，根据本发明，在电解质同至少一个电极(氧电极和/或燃料电极)之间增加一个元件，可显著地提高燃料电池之类电化学装置的电学性能，并且显著地延长燃料电池元件的寿命。我们还发现，根据本发明的另一实施例，设计至少一个电极以改变其流动特性，可以额外地提高性能。本发明还提供了一种还可起至少燃料电池一个电极作用的集成式分隔器元件，借此可使制造更为容易并提高生产的经济性。

本发明涉及到诸如固态电解质燃料电池之类的电化学装置，它带有排列在氧电极和燃料电极之间的固态电解质、至少一个同正对着电解质的各电极中的一个电极的表面相接触的分隔器、以及一个排列在电解质和至少一个电极之间的反应微滑移区(reactive microslipzone)，其中的反应微滑移区的互连孔的平均直径小于相邻电极的孔径。