专利名称：列管式固体氧化物电解质高温气体电解装置的结构的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。
本发明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、底面的中空陶瓷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，作为矩形管组的外电极的导出极。另一个电流导出极是外电极-电解质-内电极三层结构与各矩形管组以及无顶底面中空矩形筒体的各层一一对应连接为一体，作为矩形管组的内电极的导出极。
此电解槽单元器件有两个独立的气体通道，其中一个气体通道是垂直通道，它由无顶、底面的中空矩形筒体外壳的内侧面和各矩形管外壁所圈定的空间所组成的矩形截面的气体分支通道组，在此分支气体通道组的顶端有一组节流小孔组，气体在此被压缩后均匀地分配到此分支气体通道组中的各个分支通道，即在电解槽内工作面上均匀地分配。另一个通道是水平通道，它由矩形管组的孔道所构成，气体沿矩形管组的轴线流动形成矩形管组内气体分支通道组，在此气体分支通道组的入口处，设有节流小孔组，气体在此被压缩后沿矩形管的轴线均匀地分配到各个矩形管，即电解槽的外工作面上均匀地分配。
在电解槽作为燃料电池运行，矩形管组的外电极采用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作为阴极，就是阴极作为支撑衬底，此时水平方向的气流是原料气，进气端是燃料气(H2，CO等)，水平方向的排汽端是乏燃料气，由未耗尽的燃料气和CO2及H2O组成。而作为电解槽运行时水平方向的进气端为空气、H2O，CO2等，排气端分别是含氧少的乏空气，H2+H2O或CO2+CO。垂直方向的气流是氧化性气体，在作为燃料电池运行时进气端是空气，排气端是含氧少的乏空气，而作为电解槽运行时进气端封闭，排气端是纯氧。
在电解槽为阳极支撑，即支撑衬底为阳极时，垂直方向的气流是原料气。在作为燃料电池运行时是燃料气(H2，CO等)，其排汽端是乏燃料气，由未耗尽的燃料气和CO2及H2O组成。水平方向的气流是氧化性气体，进气端是空气，排气端是含氧少的乏空气，而作为电解槽运行时则进气端是空气，H2O，CO2等含氧气体，排气端分别是含氧少的乏空气，H2+H2O或CO2+CO。此时阳极材料为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，其进气端被封闭，只有出气端，后者排出的是纯氧气。
在上述两个气体通道的入口端各联接一个气体分布器，同时在其气体出口端各联接一个气体汇流器。
垂直气体通道的气体分布器上部有一个气体导入管，此管的下端与一个气室相联接，后者的轴线与矩形管组的轴线相垂直，其长度与电解槽单元器件的矩形管外气体分支通道组的上端的长度相同，气体在此通过一组节流小孔被压缩后进入其下方的电解槽的顶部，小孔组的总面积应该是矩形管组外的气体分支通道组的总横截面积的0.5～2％。小孔的位置应与矩形管外气体分支通道组内各通道的轴线一一对应，此节流小孔组可由小孔或狭缝组成，也可以是一个微孔板，但它们的气体通道的等效水力学直径相等，本气体分布器的四壁的内层是由与矩形管的外电极相同的材料制成，其外层是致密的气密性的固体氧化物电解质，并分别与无顶、底面的中空四面体的内电极及电解质相联结，构成一个整体。
水平气体通道的矩形管内气体分支通道组入口与一个气体分布器相联接，在此气体分布器的气体出口端面的尺寸与电解槽的联接极相同，在与各矩形管轴线相对应的位置上设有节流小孔组，其总面积为矩形管组总横向截面积的0.5～2.0％，气体在此被压缩后均匀的进入矩形管组。此分布器是由高温导电材料如耐热合金制成，同时具有电流汇流排的功能。
上述两个气体通道的出口处与气体汇流器连接，其几何尺寸和对应的体分布器相同只是节流小孔组的开口扩大到与对应的气体分支通道的截面相同。
电解槽单元器件的联结极与水平气体分布器，以及水平汇流器的连接面，以及在由多个本电解槽单元器件串联组成的电解槽组时相邻电解槽单元器件的异性联接极之间的联接方法有二种，其一是由金属纤维或导电陶瓷纤维制成的导电毡，构成弹性导电联接，其二是通过扩散焊使连接面结合成一体，构成整体电解槽组。
上述电解槽单元器件作为陶瓷氧气发生器时，两个电极的材料都是钙钛矿型多孔导电陶瓷，如掺杂的锰酸镧等，在作为燃料电池时，其阴电极是钙钛矿型多孔导电陶瓷，如掺杂的锰酸镧等，作为空气极，阳极是金属陶瓷如Ni-YSZ作为燃料极，联结极采用参杂的铬酸镧。在作为CO2和水蒸气的电解槽时，阳极是贵金属(Ag，Pt等)，其中阴极为贵金属陶瓷如Ag(Pt)-YSZ，Ag-La1-xCaxCrO3-δ等。
图1电解槽单元结构2电解槽单元详细结构3由电解槽单元结构集成为电解槽单元器件示意4电解槽单元器件及其结构示意5气体分布器剖面6电解槽单元器件气体流向7燃料电池结构及气体流向8空气体电解槽结构及气体流向图具体实施方式
根据本发明的内容，本发明有四种最佳实施方式。
实施方式一本发明的电解槽单元结构如图1所示，通过图3的方式集成为图4所示的电解槽单元器件。图6为该电解槽单元器件的气体流向图。
图1是一种两端带有框形支撑板A和B的矩形管C。矩形管C是具有PEN结构的管式电解槽，而支撑板A和B是其联结极-电流导出极。它们的骨架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，在支撑板A骨架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一体，作为矩形管内电极的电流导出极，在支撑板B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。
图2是这种管式电解槽单元结构的剖面图。图2里I-I是图1里的XZ方向的剖面，即其纵剖面，II-II是图1里的XY方向的剖面，即其横剖面。a和b是其局部放大剖面图，1是矩形管单元电解槽的内电极，3是其外电极，同时又是此单元电解槽的骨架，它们之间的2是电解质。在B端支撑板骨架的外侧有联结极4与矩形管的外电极连接，作为矩形管的外电极的导出极。而其内电极的导出极是A端支撑板的电极1。
如图4，由一组这种电解槽单元结构按照同名电极相连的原则平行联接，即各单元电解槽的A支撑面并联成A1平面，它和A支撑面的结构相同。而各单元电解槽的B支撑面并联成厚宽面B1，它和B支撑面的结构相同，其截面见F5(图4)。然后与两块具有内电极-电解质-外电极结构的侧板D1和D2共同构成了一个无顶面和底面的矩形陶瓷筒体B1-D1-A1-D2(见图3和图4)。B1面的内侧是多孔电子导体陶瓷构成的骨架(衬底)作为一个电极N(或者P)，在其外侧生长一层致密导电陶瓷膜作为联接极I，其截面见F5。A1面的结构是由三层复合陶瓷膜片构成，其截面见F2和F3。它们的内侧是由多孔电子导体陶瓷构成的骨架(衬底)，作为一个电极N(或者P)，其外侧生长一层致密的固体氧化物电解质膜E，E的外侧再生长一层多孔的陶瓷电子导体膜P(或者N)，作为另一个电极的联接极。在矩形管C与中空的无顶面无底面的矩形陶瓷筒体宽面外壳B1-D1-A1-D2。在交连处同名膜片相连，形成NA1-NC，NB1-NC，PA1-PC，EA1-EC，NB1-I联接，其截面示意图见F1和F4，形成一个整体结构。
在这个单元结构中有两个相互垂直的独立的气体通道，见图6。在相邻的矩形管之间，以及矩形管组的首列和尾列的矩形管与中空的无顶面和无底面的矩形陶瓷筒体壳体内壁之间形成的分支气体通道组中气体流量的均匀分布是消除各矩形管间的温度梯度的主要手段。
在上述列管式固体氧化物电解质高温气体电解槽内的垂直分支气体通道组的进口端联接一个气体分布器，其结构见图5。4是进气管，5是节流小孔，6是气室，7是与前述的陶瓷筒体(即图5中的筒体B1-D1-A1-D2)的连接段。连接段的的几何尺寸与高温气体电解槽在Z轴方向进气端面相同并与其联接，为简化制作工艺，此气体分布器是由两层复合陶瓷制成，其内层为骨架，所用材料与中空的无顶面和无底面的矩形陶瓷筒体B1-D1-A1-D2内侧多孔导电体陶瓷电极相同，并与它连接成一整体。其外侧是致密的电解质膜，也与中空的无顶面和无底面的矩形陶瓷筒体B1-D1-A1-D2的电解质膜联成一体。进气管4和一个气室6联接。气室6的下端是一个与前述陶瓷筒体B1-D1-A1-D2相联接的连接段7，气体在此被压缩后通过节流小孔组5进入其下方的陶瓷筒体，然后进入电解槽的顶部。为使气体沿水平轴的方向分布均匀，小孔组的总面积应该是分支气体通道组的总横截面积的0.5～2％。小孔的位置应与电解槽内的矩形管之间的，以及矩形管组的首列和尾列与前述陶瓷筒体B1-D1-A1-D2壳体内壁之间形成的气体通道相对应。连接段7可以是一个微孔板，其气体通道的等效水力学直径和节流小孔组5的总截面积相当的水力学直径相等，但是气体分布的均匀性要比节流小孔组好得多。
矩形管组内水平气体分支通道组入口和出口端各自与一个气体分布器相联接，在此气体分布器的气体出口端面的尺寸与电解槽的联接极相同，在与各矩形管轴线相对应的位置上设有节流小孔组，其总面积为矩形管组横截面积的0.5～2.0％，气体在此被压缩后均匀的进入矩形管组，在矩形管组的出口处连接的气体分布器的端面上与各矩形管相对的位置上开有和矩形管的截面相同的孔，此分布器是由高温导电材料如耐热合金制成，同时具有电流汇流排的功能。
在设计本发明的固体氧化物电解质电解槽时，鉴于电流是沿X轴的方向流动的，确定图1中矩形管的长度是至关重要的，通常是在15～30mm之间。当然，确定这个尺寸是要考虑到电极的厚度，主要是陶瓷电子导体制成的外电极的厚度，因为这种陶瓷电子导体的电导通常要比金属导体小1～2个数量级。当其厚度≤1mm时宜采用下限，而其厚度≥2.2mm时可以采用上限。根据目前通常使用的电极材料的电导值，长度不得超过30mm。矩形管的内孔宽度尺寸为1.5～3mm，而高度和矩形管的数目是根据电池的有效工作面积和电池堆的制作技术来确定，可以在30～500mm或更大的范围内变动，而不至于影响电解槽的总体性能。此外，联接极的尺寸的确定，即确定高度、矩形管支撑板的长度和宽度，是根据联接极的有效工作面积是矩形管的支撑板的总面积。对于纯氧化物联接极的电流密度为0.8～1.0A/cm2，而对于具有金属化的接触表面的氧化物联接极来说可以采取1.0～1.8A/cm2的电流密度。这样一来，本发明的固体氧化物电解质电解槽可以在两维空间进行放大，就是说可在Y和Z轴两个方向进行放大。
实施方式二本发明可作为高温固体氧化物燃料电池。当骨架为阴极时，即结构为阴极支撑时的装配总图见图7。阴极采用多孔的掺杂的锰酸镧，或者是掺杂的钴酸镧。阳极是Ni-YSZ，电解质是YSZ或者ScSZ，联结极采用掺杂的铬酸镧。X方向的气流是原料气，进气端为F，排气端为C。F是燃料气(H2，CO等)，C是乏燃料气，由未耗尽的燃料气和CO2及H2O组成。Z方向的气流是氧化性气体，进气端A是空气，排气端B是含氧少的乏空气。
图7中的8是空气进气管，9是气体分布器，10是单元电解槽，其下端接的气体汇流器9′是不设节流孔的，只是作为汇集乏空气之用，其下有排气管8′联接。乏空气顺着排气管引出。
图7中的10，以及和它对立的宽面是联接极，相邻的单元电池的异性联结极之间，以及电池堆两端的单元电池的联接极与导流排之间的连接介质采用金属纤维毡。
实施方式三实施方式二中的高温固体氧化物燃料电池，当其骨架为阳极时，即其结构为阳极支撑时，Z方向的气流是原料气，进气端为A，排气端为B。A是燃料气(H2，CO等)，B是乏燃料气，由未耗尽的燃料气和CO2及H2O组成。X方向的气流是氧化性气体，进气端F是空气，排气端C是含氧少的乏空气。
图7中的8是燃料气进气管，9是气体分布器，10是单元电解槽，其下端接的气体汇流器9′是不设节流孔的，只是作为汇集乏燃料气之用，其下有排气管8′联接。乏燃料气顺着排气管引出。图7中的10，以及和它对立的宽面是联接极，相邻的单元电池的异性联结极之间，以及电池堆两端的单元电池的联接极与导流排之间的连接介质采用导电的掺杂锰酸镧纤维毡。
实施方式四当本发明的单元电解槽作为高温空气体电解槽，即作为氧泵时如图8。它是简化了的实施方式二。其骨架为阳极，阳极采用多孔的掺杂锰酸镧或者掺杂的钴酸镧，联结极采用致密的掺杂锰酸镧或者掺杂的钴酸镧。实施方式二里的气体分布器9为一块PEN结构的盲板8′所代替，就是说单元电解槽的顶端是封死的。从排气管10排出的是纯氧。
权利要求
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，另一个电流导出极是外电极-电解质-内电极三层结构与各矩形管组以及无顶底面中空矩形筒体的各层一一对应连接为一体。
6，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有两个独立的气体通道，其中一个气体通道是由无顶、底面的中空矩形筒体外壳的内侧面和各矩形管外壁所圈定的空间所组成的矩形管外气体分支通道组，在此分支气体通道组的顶端有一组节流小孔组，气体在此被压缩后进入分支气体通道组即电解槽的顶部，另一个通道是由矩形管组的孔道所构成，气体沿矩形管组的轴线流动形成矩形管内气体分支通道组，在此通道组的入口处，设有节流小孔组，气体在此被压缩后沿矩形管组的轴向流入电解槽。
7，根据权利要求1所述的电解槽单元器件其特征在于在矩形管外气体分支通道组的气体入口端联接一个气体分布器，同时在其气体出口端联接一个气体汇流器。
8，根据权利要求7所述的气体分布器其特征在于其上部有一个气体导入管，此管的下端与一个气室相联接，后者的轴线与矩形管组的轴线相垂直，其长度与电解槽单元器件的矩形管外气体分支通道组的上端的长度相同，气体在此通过一组节流小孔被压缩后进入其下方的电解槽的顶部，小孔组的总面积应该是矩形管组横截面积的0.5～2％，小孔的位置应与矩形管外气体分支通道组内各通道的轴线一一对应，此节流小孔组可由小孔或狭缝组成，也可以是一个微孔板，但它们的气体通道的等效水力学直径相等，本气体分布器的四壁的内层是由与矩形管的外电极相同的材料制成，其外层是致密的气密性的固体氧化物为电解质，并分别与无顶、底面的中空四面体的内壁电极及电解质相联结，构成一个整体。
9，根据权利要求1所述的电解槽单元器件其特征在于其矩形管内气体分支通道组入口和出口端各自与一个气体分布器相联接，在此气体分布器的气体出口端面的尺寸与电解槽的联接极相同，在与各矩形管轴线相对应的位置上设有节流小孔组，其总面积为矩形管组横向截面积的0.5～2.0％，气体在此被压缩后进入矩形管组，在矩形管组的出口处连接的气体分布器的端面上与各矩形管相对的位置上开有和矩形管的截面相同的孔，此分布器是由高温导电材料如耐热合金制成，同时具有电流汇流排的功能。
10，根据权利要求1所述的电解槽单元器件其特征在于其联结极与气体分布器连接面，以及在由多个本电解槽单元器件串联组成的电解槽组内相邻电解槽单元器件的异性联接极之间的联接方法有二种，其一是由金属纤维或导电陶瓷纤维制成的导电毡，构成弹性导电联接，其二是通过扩散焊使连接面结合成一体，构成整体电解槽组。
11，根据权利要求1所述的电解槽单元器件其特征在于当作为陶瓷氧气发生器时，两个电极的材料都是钙钛矿型多孔导电陶瓷，如掺杂的锰酸镧等，在作为燃料电池时，其阴电极是钙钛矿型多孔导电陶瓷，如掺杂的锰酸镧等，作为空气极，阳极是金属陶瓷如Ni-YSZ作为燃料极，在作为CO2和水蒸气的电解槽时，阳极是贵金属(Ag，Pt等)，其中阴极为贵金属陶瓷如Ag(Pt)-YSZ，Ag-La1-xCaxCrO3-δ等。
12，根据权利要求1所述的电解槽单元器件其特征在于矩形管的长度在15～30mm之间，矩形管的内孔宽度尺寸为1.5～3mm。10002 2002.全文摘要
一种固体氧化物电解质高温气体电解装置。其单元电解槽为两端加在框形支撑板－电流导出极上的具有PEN结构管壁的矩形管。一组这种结构的单元电解槽平行排列，相邻的同极性支撑板－电流导出极连接构成一个中空矩形陶瓷筒体外壳2，矩形管组被支架其中构成单元电解槽，结构见附图。1是矩形管组，镶入陶瓷筒体外壳2内，都是由PEN结构的复合陶瓷膜片构成。2的后宽面是两层结构的联结极，与其相对的是另一个联结极。气流方向见图。在气路的首端或尾有带节流孔组的气体分布装置。组成电解槽组时异性联结极通过金属纤维毡，导电陶瓷纤维毡或焊接联结成整体。增加矩形管数目及其高度进行放大，组成大功率气体电解槽或燃料电池。
文档编号H01M8/12GK1610164SQ200310101978
公开日2005年4月27日 申请日期2003年10月20日 优先权日2003年10月20日
发明者王晓岚, 李竹川, 朱永平, 胡万起, 陶昌源, 王永兴, 李道昭 申请人:中国科学院过程工程研究所