專利名稱：固體氧化物電解質(zhì)氧泵的結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種固體氧化物電解質(zhì)氧泵，其主要技術領域是電解含氧氣體。
背景技術：
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(YSZ)，以CeO2為基的固熔體和摻雜的ABO3型鈣鈦礦結構的電解質(zhì)如LaGaO3等，它們一般在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動下，氧離子可以穿過這種材料的膜片。在這種膜片的兩側各自生成一個多孔的電子導體或者電子-離子混合導體陶瓷膜或金屬陶瓷膜電極構成被稱為PEN的結構，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構。1981年A.O.Isenberg在美國專利U.S.Pat.NO.4,490,444中推出一種由PEN結構的管壁構成的管式固體氧化物燃料電池(SOFC)以來，SOFC作為一種環(huán)境友好的高效發(fā)電裝置得到了高速發(fā)展。而伴隨著SOFC的發(fā)展過程衍生出的固體氧化物高溫氣體電解裝置--氧泵(OP)也得到了人們的重視。為了在僅有電力的環(huán)境下制得純凈的氧氣，氧泵應用而生。氧泵最大的特點是由陽極-電解質(zhì)-陰極三合一的復合陶瓷膜片制成，與傳統(tǒng)的空氣分離制氧不同的是氧泵沒有噪音，不排放任何有毒有害物質(zhì).而且制出的氧具有非常高的純度，可達99.9％以上，大大超出醫(yī)用氧的標準。更為難得的是由于采用氧泵制出的氧氣不含任何如CO，CO2，SO2，NOX等有害雜質(zhì)，可以直接供人體保健和醫(yī)療使用。相對于空氣分離式制氧機等機械法制氧，氧泵完全不產(chǎn)生任何環(huán)境噪聲；相對化學方法制氧，氧泵產(chǎn)生的為純凈的氧氣。
US Patent 5,985,113中描述了一種用來作為氧氣發(fā)生器的陶瓷元件，此電化學器件是由多個管子組成的管群和一個支撐體組成的，此管群排列成行和列，組成一個串并聯(lián)的陣列。同一列的管子并聯(lián)，相鄰行的管子按照串聯(lián)方式連接。電極的分割采用激光切割或者電火花切削的辦法。采用了硅酸鋁和硅酸鋰的混合材料作為密封材料。
本發(fā)明在前述背景下，采用了多個矩形管串聯(lián)的方式來達到放大工作面積的目地。由于一個矩形管的工作面積相當于多個小型圓管的工作面積，簡化了成型工藝，提高了成品率。在電極分割的問題上，本發(fā)明在設計上采取了凸起的棱來分割電極，避免了投資昂貴的設備，降低了生產(chǎn)難度。在密封材料上，本發(fā)明采用了主要成分為電解質(zhì)或者電極材料的密封材料，此密封材料由于其主要成分為電解質(zhì)，所以不存在由于膨脹系數(shù)不匹配而導致密封處漏氣的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的結構為多個一端封閉的矩形管的排列，通過增加管子的數(shù)目，增加管子的寬度和增大其高度可以使得其工作面積在3維方向上得到有效放大。又因為其具有非常良好的積木性，能夠方便的組成更為復雜的制氧裝置。本發(fā)明的設計思想來源于固體氧化物燃料電池，但與燃料電池不同的是它的陰極和陽極均為同一種材料構成，均工作在氧化性氣氛當中，且使用溫度亦較燃料電池有所降低，因此工藝難度得到了一定的降低。為了保證此固體氧化物高溫氣體電解裝置在高溫下的密封性，采用的密封材料保證其在1000℃的高溫下能保持其氣密性。且該密封材料由于其主要成分為電解質(zhì)或者為電極材料，不與本固體氧化物高溫氣體電解裝置的電解質(zhì)、電極等材料在1000℃下發(fā)生發(fā)應，并且具有非常良好的機械強度。
本發(fā)明所述的基本單元電解槽是一種以一端封閉的矩形管作為其基本的結構單元集成而成的。此矩形管是由固體氧化物的內(nèi)、外電極和電解質(zhì)三層結構復合管壁制成的，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。其一端封閉，另一端貫穿安裝在與矩形管的軸線成正交平面上的矩形支撐板上，后者做為矩形管內(nèi)電極和外電極的電流導出極。若干支這種矩形管按照同名電極-分割板在同一側平行排列，形成矩形管組，通過支撐板上的矩形狹縫聯(lián)結上一個矩形管的內(nèi)電極和下一個矩形管的外電極從而得到串聯(lián)的電解槽組合。串聯(lián)的電解槽組合再與底面的矩形陶瓷筒體構成一個整體的固體氧化物高溫氣體電解裝置。
此固體氧化物高溫氣體電解裝置的內(nèi)外表面分別有兩種氣體在流動，外表面流動的是空氣，內(nèi)表面流動的是純凈的氧氣，在底部的矩形陶瓷筒體上留有出氣孔以用來輸出制得的氧氣。此固體氧化物高溫氣體電解裝置內(nèi)的電流是沿著矩形管組的內(nèi)表面流向外表面的。
上述矩形管的管壁，是一個三層結構的復合陶瓷構件，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)定的ZrO2，或者Ln2O3摻雜的CeO2(Ln＝Gd，La，Sm，Y)，或者由此二者結合而成的復合電解質(zhì)，電極材料是摻雜的鈣鈦礦結構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構的內(nèi)電阻損失，上述電解槽單元器件的矩形管結構的高度在15-30mm之間，矩形管的內(nèi)孔的寬度尺寸為3-10mm，視制作的工藝方便而定。
上述矩形管的一端是封閉的，另一端與支撐板正交。支撐板上有貫穿的通孔和凸起的棱，棱用來分割內(nèi)、外電極，而貫通的狹縫用來連接內(nèi)，外電極，從而將該矩形管組連接成一個完整的串聯(lián)電路。此凸起的棱邊，，它具有三角形，矩形或頂端有凹槽矩形截面，在浸涂電極粉漿液之前，用掩膜掩蓋此凸起的棱邊的頂端，待電極生膜干燥后用機械手段除去棱邊的頂端附著的電極生膜，以分割各矩形管的電氣通道。通孔沿其軸線方向的截面為矩形，梯形或圓錐形，其橫截面為矩形或排列成行的圓，在浸涂電極時被填死，形成電流通道連接相鄰矩形管的內(nèi)外電極。


圖1電解槽單元結構2矩形管單元結構剖面3支撐板的剖面4陶瓷筒體剖面5矩形管電極連接6電解槽單元器件電路串聯(lián)7氣體流向圖本發(fā)明所述的電解槽單元結構如圖1所示，集成為圖7所示的電解槽單元器件。圖7為該電解槽單元器件的氣體流向圖。
圖1是一種一端封閉的矩形管A和相應的支撐板B以及矩形陶瓷筒體C。矩形管A是具有PEN結構的管式電解槽，而支撐板B作為矩形管組的聯(lián)結極和電流引出極，它們的骨架是用矩形管的固體氧化物電解質(zhì)做成。在矩形管的內(nèi)、外側涂覆電極，支撐板的兩側同時也涂覆上電極。同時用電極材料填充支撐板上的通孔，最后削去棱上的電極得到一個串聯(lián)的矩形管組。矩形陶瓷筒體C則作為氧氣的出氣通道載體。
如圖2是矩形管單元結構的剖面圖，顯示出了三層PEN結構的管壁。其中1為內(nèi)電極，2為電解質(zhì)，3為外電極。
圖3是支撐板的剖面圖，顯示出了三層PEN結構的管壁。其中4和4’為凸起的棱，5為通孔及填充在里面做連接用的電極，6和6’分別為涂覆在支撐板上的內(nèi)，外電極，7和7’分別為內(nèi)電極和外電極的電流引出極。
圖4是陶瓷筒體的剖面圖，其中8和8’為氧氣的出氣通道。
圖5是兩個相鄰矩形管的電極連接圖，其中一個矩形管的內(nèi)電極和下一個舉行的外電極通過通孔中填充的電極連接在一起。
圖6是整個電解槽單元器件的電極整體串聯(lián)后得到的電極連接圖。
圖7是該電解槽單元器件工作時的氣體流向圖。
具體實施例方式作為實施的一個實例，圖2所示的矩形管單元為具有橫截面為50×7mm2，高度為25～30mm，壁厚0.2～0.5mm的YSZ電解質(zhì)管，其頂端為同一材質(zhì)的拱形端帽所封死，另一端為開口端。八支這種矩形管單元彼此平行排列的被貫穿支撐于無底面的由圖1B和圖1C組成的中空的矩形支撐體的長面上。支撐板1B的兩個表面上有凸起的棱4和4’，在其間有通孔5。4，4’和5構成一組分隔串接器。一支矩形管和一組分個串接器組成一個單元電解槽的骨架，由8個單元電解槽骨架生坯構成一個電解槽骨架生坯。此生坯經(jīng)高溫燒結后，制成電解槽估價。用蠟或者緊拉的綿線將凸棱4和4’的頂端掩蔽。用電極材料粉和粘接劑加水制成電極料漿，把上述電極料漿用浸涂法在用蠟掩蔽后的電解槽骨架的內(nèi)、外表面上形成電極薄膜，同時把通孔5堵死。帶電極生膜干燥后，用機械法清除凸棱4和4’頂部殘留的電極膜。通過凸棱4和4’的分割和通孔5的連接使各單元電解槽的外電極薄膜和相鄰單元電解槽的內(nèi)電極薄膜串接起來。見圖6。經(jīng)燒結后制成電解槽。兩個電解槽按照底面向相對接，接口處用電解質(zhì)粉加硅酸鉀制成的粘接劑封接，使兩個矩形支撐體形成了一個空腔氧氣腔，而各自的1/4球窩拼接成1/2球窩作為氧氣的輸出口。
權利要求
1.一種固體氧化物電解質(zhì)氧泵的結構，其特征在于所述的固體氧化物電解質(zhì)氧泵是一種氣體電解槽，是由一種一端封閉的矩形管集成而成，此矩形管是由固體氧化物的內(nèi)、外電極和電解質(zhì)三層結構的復合管壁制成的，即此管由電解質(zhì)以及和它們交聯(lián)的內(nèi)電極和外電極組合而成，此矩形管的未封閉端安放在與矩形管的軸線成正交的矩形支撐板上，后者作為矩形管內(nèi)電極和外電極的電流導出極，若干支這種矩形管平行排列，形成矩形管組，支撐板與底下的矩形陶瓷筒體組合成一個無底面的矩形臺作為支撐體，該矩形臺支撐著矩形管組，此矩形臺的的內(nèi)腔與矩形管組的內(nèi)腔相通，其兩端各有一個氣體通道，分別作為氧氣的通道，在無底面的矩形臺作為支撐體的矩形支撐板內(nèi)表面，在各矩形管之間，有一個鄉(xiāng)向內(nèi)腔體凸起的棱邊，作為各矩形管的電氣分割體，由此構成電解槽單元器件，由兩個電解槽單元器件從底段相向粘合成電解槽組件，此電解槽單元器件內(nèi)腔為純凈的氧氣，外部與熱空氣接觸，此電解槽單元器件內(nèi)的電流是由內(nèi)電極向外電極流動的，矩形管的橫向寬度和矩形管的個數(shù)可以進行簡單的幾何學放大，由于此電解槽單元器件具有良好的積木性，所以能夠很容易的組合成更為復雜和功能強大的固體氧化物電解質(zhì)高溫氣體電解槽的裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的矩形管其特征在于其復合管壁，是一個三層結構的復合陶瓷構件，中間一層是致密的、氣密性的氧離子導體電解質(zhì)如Y2O3或Sc2O3穩(wěn)定的ZrO2，或Ln2O3摻雜的CeO2(Ln＝Gd，La，Sm，Y)，兩側各有一層多孔的電極，電極材料是摻雜的鈣鈦礦結構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。
3.根據(jù)權利要求1所述的矩形管其特征在其表面為平面或由多個弧面拼接成的曲面，它一端封閉，另一端支撐在與矩形管的軸線正交的無底面的矩形臺支撐體上。
4.根據(jù)權利要求1所述的支撐板是采用固體氧化物電解質(zhì)材料制成的，其上有凸起的棱、并有通孔，用來分割和連接電極在支撐板的外側兩端涂覆電極層作為引出電極。
5.根據(jù)權利要求1所述的平行排列的矩形管組其特征在于其內(nèi)電極為陽極，外電極為陰極，內(nèi)、外電極分別與支撐板上的內(nèi)、外電極相連接。
6.根據(jù)權利要求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支撐板與底下的矩形陶瓷筒體組合成一個無底面的矩形臺作為支撐體此矩形臺的的內(nèi)腔與矩形管組的內(nèi)腔相通，其兩端各有一個氣體通道，作為氧氣的通道。
7.根據(jù)權利要求1所述的無底面的矩形臺，在水平方向上有兩個氣路通道，分別用來作為進氣通道和出氣通道，該氣路通道由一個半管和一個四分之一球窩，或球扇窩組成，當兩個電解槽單元器件方式組合起來后，則該四分之一球窩或球扇窩組成一個半球窩或球扇窩以便連接兩個電化學制氧裝置。
8.根據(jù)權利要求1所述的無底面的矩形臺作為支撐體的矩形支撐板內(nèi)表面，在各矩形管之間，有一個向內(nèi)腔體凸起的棱邊，，它具有三角形，矩形或頂端有凹槽矩形截面，在浸涂電極粉漿液之前，用掩膜掩蓋此凸起的棱邊的頂端，待電極生膜干燥后用機械手段除去棱邊的頂端附著的電極生膜，以分割各矩形管的電氣通道。
9.根據(jù)權利要求1所述的與矩形管的長邊等長且相鄰的貫穿于支撐板的兩個表面之間的通孔，沿其軸線方向的截面為矩形，梯形或圓錐形，其橫截面為矩形或排列成行的圓，內(nèi)填電極材料以連接相鄰矩形管的內(nèi)外電極。
10.根據(jù)權利要求1所述當此電解槽單元結構組合成為更加復雜的電解裝置時，所采用的密封材料為以電解質(zhì)材料或電極材料為基，加入一定量的粘結劑組成。該粘結劑可以是硅酸鉀，硅酸鈉，硅酸鋰或磷酸鋁。
全文摘要
一種固體氧化物電解質(zhì)氧泵的結構。其單元電解槽為一個一端封閉，另一端支撐在平面矩形支撐板上的矩形管，該平面支撐板上有凸起的棱和通孔。單元電解槽和支撐板上的棱，通孔共同組成一個獨立的小型單元電解槽。其中的每一個小型單元電解裝置都是相對獨立的，一組這種小型單元電解裝置平行排列構成一個整體的串聯(lián)電解槽陣列，整個串聯(lián)電解槽陣列與底部的帶有進氣和出氣通道的陶瓷筒體構成一個完整的電解槽組合器件，兩個該電解槽組合器件構成一個完整的固體氧化物電解質(zhì)高溫氣體電解裝置。其電極連接和氣路連接分別見附圖。支撐板上的通孔將相鄰兩個矩形管的電路串聯(lián)起來，凸起的棱用作相鄰矩形管電極的分割，從而保證了電路連接過程中不存在短路的問題。
文檔編號C01B13/02GK1911490SQ200510090169
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權日2005年8月11日
發(fā)明者王曉嵐, 李竹川, 胡萬起, 李道昭, 于憲溥 申請人:中國科學院過程工程研究所