CN1048358C - 电化学装置 - Google Patents

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Abstract

在电解质6和至少一个电极(氧电极5和/或燃料电极4)之间加入元件16、17，可显著地提高燃料电池1之类的电化学装置的电学性能和延长燃料电池元件的寿命。设计至少一个电极4、5以改变其流通特性，可进一步提高性能。集成式分隔元件41、43还可起燃料电池1的至少一个电极4、5的作用。

Description

电化学装置
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。
本发明还涉及到一种诸如固态电解质燃料电池的电化学装置，它带有排列在电池中氧电极和燃料电极之间的固态电解质、以及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，其中至少一个电极具有足以基本上消除电池中倒流的互连多孔性，上述的至少一个电极连接于邻接电解质的电接触区。
本发明还涉及到诸如至少由二个固态电解质燃料电池构成的组装件之类的一种电化学装置，每个上述的燃料电池带有一个排列在氧电极和燃料电极之间的固态电解质，而且其中一个带有不连续多孔性区域(该不连续多孔性区域处在第一和第二连续多孔性区之间)的集成式分隔器排列在上述至少二个燃料电池之间且与它们电接触。
本发明还涉及到一种带有至少一个邻接于电解质的集成式分隔器的电化学装置，其中的集成式分隔器包含至少一个排列在电解质附近的有互连多孔性的高度多孔性气体管线区和一个不透气区。
图1是根据本发明一个实施例的带有连通一个电极的反应微滑移区的单个燃料电池的侧剖面图。
图2是根据本发明一个实施例的带有连通各个电极的反应微滑移区的单个燃料电池的侧剖面图。
图3是根据本发明一个实施例的燃料电池局部分解平面图，示出了一个多孔性增强了的电极、一个反应微滑移区元件和一个电解质。
图4是根据本发明一个实施例的带有集成式分隔器的二燃料电池组合的局部侧剖面图。
本发明虽然可用于其它类型的电化学装置，但下面只描述有关用于固态电解质(氧化物)燃料电池的情况。本发明一个实施例的燃料电池示于图1，这是燃料电池1的剖面图。燃料电池1包含二个相对的分隔器2和3，其中的一个在其正对着插入的电解质6的表面上同燃料电极即阳极4相接触，另一个在其正对着插入的电解质6的表面上同氧电极即阴极5相接触。筒形垫圈7在分隔器2和电解质6之间形成密封以防止阴极遭遇燃料。筒形垫圈8在分隔器3和电解质6之间形成密封以防止阳极遭遇氧。
在此实施例中，分隔器2和3都不透气而且是良好的电导体。分隔器2和3的结构最好完全相同，以便能够方便地将大量燃料电池1彼此堆叠，形成相邻堆叠电池之间的串联电连接。在含有二个或更多电池的组装件中，一个电池的分隔器2可用作其相邻电池的分隔器3，在一个表面上同阴极相接触而在其相反的表面上同阳极相接触。
分隔器2和3分别含有第一内窗口9和10，它们最好定位成彼此可以重合。燃料电池的阴极5和阳极4以及电解质6也含有同孔9和10可重合的内窗口，以便可以形成接受气态燃料的穿过燃料电池的第一内部管状通道11。
垫圈7也形成管状通道11的一部分内表面，由分隔器2和电解质6提供基本气密性的密封，以致通道11中的燃料无法直接接触到阴极5。垫圈7在电池1的相当高的工作温度下必须保持不透燃料而且在电池工作条件下必须能够保持良好的密封。用镍基合金之类的抗氧化金属合金、陶瓷或软化温度适当的玻璃，可制作合适的垫圈。
分隔器2和3还分别含有第二内部窗口12和13，它们排列成可彼此重合。阳极4、阴极5和插入的电解质6还含有同孔12和13可重合的第二内部窗口，以形成用来接收含氧气体的穿过燃料电池的第二内部管状通道14。在电池中各种位置(最好靠近电池的中线)含有多个燃料通道11和/或氧通道14的情况也在本发明的范围之内。
垫圈8排列在分隔器3和电解质6之间，以便形成基本上气密性的密封以防止阳极4遭遇通道14中的氧。垫圈8构成通道14内表面的一部分。垫圈8最好用同垫圈7相同的材料制成。
分隔器2、3可由不锈钢(330型)之类的高温金属合金或由掺杂的铬酸镧(LaCrO3)之类的氧化物制成，其厚度可约为0.2mm。
阴极5是一种多孔体，厚度范围约为0.5mm～2.0cm，最好是一种诸如掺锶的锰酸镧(LaMnO3)、掺杂的锰酸钙(CaMnO3)、铬酸镧(LaCrO3)、钴酸镧(LaCoO3)、镍酸镧(LaNiO3)、铁酸镧(LaFeO3)或它们的混合物之类的具有钙钛矿(perovskite)结晶形状的氧化物。阴极可含有诸如上列适当掺杂钙钛矿氧化物的混合离子/电子导体。在装置开始工作之前或开始工作时用常规的陶瓷加工工艺来制备阴极，包括压缩粉末、或挤压或铸成未烧结体以及烧结。
电解质6为一薄片，厚度小于约0.3mm，最好约为0.1mm或更薄。典型的电解质包括用8-10克分子百分数的氧化钇(Y2O3)稳定化处理过的氧化锆(ZrO2)、掺杂的氧化铈、掺杂的氧化铋以及掺杂的BaCeO3之类的氧化物离子导电钙钛矿。电解质6基本上是不透气的，但在外加的氧的影响下，离化的氧可迁移通过电解质。
借助于一开始就将一薄层构成阴极的主要材料(或至少同阴极电化学上可兼容的材料)以包括挥发性载色体的印剂的形式加于邻接阴极的电解质6的表面以形成一个电接触区，可改善阴极5和电解质6之间的电接触质量。同样，可将诸如镍或氧化镍之类的含有主要阳极材料的印剂加于邻接阳极的电解质的表面以形成这样一个电接触区。用诸如等离子沉积、旋铸、喷涂或网板印刷之类的其它常规技术可以进行这种电解质表面涂敷。
电解质表面涂覆的厚度一般约为1μm到小于约100μm，最好是小于50μm。已发现，此表面涂覆越厚，能接触到电解质的气体就越少，而且涂覆越倾向于剥离到电极孔洞中。除非特别指出相反的情况，本说明书中所指的电解质都是带有或不带有阴极和/或阳极材料表面涂覆的电解质。
阳极4是一种多孔体，可以包含一种仔细分离过的镍之类的压缩金属粉末或混合有氧化锆、二氧化铈、氧化钇或掺杂的二氧化铈之类的稳定氧化物粉末的钴。如上关于阴极所述，阳极可包含一种任选地同导电材料组合成的混合导体。其它例子包括可用镧、锆或钍的氧化物进行掺杂的氧化铈或氧化铀，它们可选地含有Co、Ru或Pt之类的导电相。阳极的厚度最好为约0.1mm～约0.5mm。同阴极5一样，在电池工作过程中或开始工作之前，可在过热的烧结步骤中烧结阳极4。
为了开始电化学装置的工作，用外部热源将燃料电池加热到接近其工作温度。反应一经开始，借助于产生足够的热来支持继续电池的工作，电池就自己维持。同时，借助于各电池中氧的离化和中和，电流就在分隔器2和3之间流动。由氧势差驱动的这一电流即是输出的电能。最佳工作温度接近约1000℃。为了产生具有有用电压的有用电量，示于图1的那种燃料电池通常安置成串联的叠层。由于各个燃料电池是如此的薄，故在物理尺寸合理的单个堆叠中可安置数百个电池。
我们发现，借助于在涂覆过的电解质6和本体氧电极(阴极5)之间插入一个反应微滑移区16，显著地改善了装置的物理寿命和电池产生的电流。在最佳方式中，此反应细微滑移区16由一个用粘合剂保持在一起的细粒阴极材料的高密度紧排体组成，而且其特征是有小孔，虽然比起电解质的印剂界面层涂覆来它更为多孔。
同样，我们发现，借助于在涂覆过的电解质6和本体燃料电极(阳极4)之间插入一个反应微滑移区，显著地改善了装置的物理寿命和电池产生的电流。在最佳方式中，此接触阳极的反应微滑移区由一个用粘合剂维系在一起的细粒阳极材料的高密度紧排体组成，而且其特征是有小孔，虽然比起电解质的印剂界面层涂覆来它更为多孔。
在图2所示的又一个最佳实施例中，在电解质6和本体阴极5之间排列有一个反应微滑移区16，并在电解质6和本体阳极4之间排列有一个反应微滑移区17。此反应微滑移区可以是一个如上所述的整体元件，也可以是一个续以本体电极的层。上述的反应微滑移区16、17也可以分别是续以本体电极5和4的层。在连续层或整体层之二种方式中，反应微滑移区的多孔性可用多孔度或用相对于较大孔的相邻本体电极的孔的尺寸来分级。
虽然反应微滑移区16和17最好是由同相邻电极5和4基本相同的材料构成，但只要反应微滑移区由电化学上同相邻电极兼容的材料构成，就有益于电池。
反应细微滑移区16和17是一个充许气体分子扩散到电解质表面的多孔的过渡层，它用作电池热膨胀和机械膨胀的机械“冲击吸收器”，且其密度高得足以提供优良的电接触区以便用作往返于该反应区的导电母线。本体电极4、5可成为由结构中带有大孔的粗大颗粒或小颗粒构成的气体分配器，额外地用作导电母线。如上所述，跨越电极和反应微滑移区可有利地建立多孔性梯度，这也可使本发明进一步应用于筒形电极。
熟知的燃料电池存在的一个问题是诸如工作周期开始和结束时升温和降温过程中发生的热循环，由于不同元件热膨胀失配造成的微分运动，因而出现燃料电池元件的物理性能变坏。例如，涂覆在电解质表面上的印剂界面层被擦破并掉入电极的孔中。反应微滑移区16、17可防止涂覆界面层或印剂剥落，同时提供了作为电极4、5和电解质6之间的中间电分布母线的增强导电。
反应微滑移区还提供“细微滑移”、即根据元件之间热膨胀之类的机械力，在相邻元件之间提供少许无害的偏移，用作像压缩运动冲击吸收器这样的机械应力减冲器和轴间运动的承载，同时保持电接触。而且，反应微滑移区可变形或挤压而沿水平或垂直方向运动(特别是当电池初始化时)，以便在电池中调节和分配应力并防止电解质破裂。
由于反应微滑移区16、17的多孔性直径比相邻电极的小，组成反应微滑移区和电解质的电极材料之间的接触面积有所增大，使界面处的电导增加，而且氧分子同电解质产生的电子得以相互作用以致在靠近阴极6的电解质表面处或其附近形成氧离子的有效位置数有所增加，且燃料分子在靠近阳极5的相反电解质表面处或其附近可同氧离子反应。
在最佳方式中，反应微滑移区包含一种混合的导体材料，以致例如氧离子可在整个区中由发生在该区中而不仅仅是发生在电解质界面处的离化反应而形成，大大增加了有效位置的数目。
带有反应微滑移区的电池产生的电流的改善约为350％～500％，在测试电池中从3安培增加到高达约15安培。在高的燃料利用下已获得高达约800mA/cm2的电流密度和高达430mW/cm2的功率密度。
可用标准的陶瓷技术预制或原位加工法制作反应微滑移区。此区可用热凝或热塑粘合剂之类的粘合剂进行带铸、共挤压或共排列、或用等离子喷射术进行网格印刷或沉积。在燃料电池中反应细微滑移区是包含分立的或整体的元件，抑或同其相邻的本体电极连续，这取决于制造技术。反应微滑移区的厚度最好是50μm～200μm。
反应微滑移区同电解质表面处涂覆的“印剂”界面的不同之处是每个区都含有一个可均匀地制造、弹性变形并可进行厚度变化尺寸控制以致能够释放电池中的机械应力的增强层或区。在反应微滑移区含有一个整体元件的实施例中，未烧结状态下整体反应微滑移区元件的可处置性和机械缓冲值改善了电池的装配工艺以及成品电池的工作。整体元件可根据电池中出现的机械力而自行铸成以适应相邻的电池元件。
反应微滑移区以及相邻的或连续的本体电极最好制作成有一多孔性梯度。为了提供最大量的与电解质中氧化锆相接触的颗粒和有效位置，最好的形貌是在诸如电解质表面附近之类的将要发生反应的表面处提供最小的颗粒尺寸和最小的孔。但是，采用带有导致多孔部分较小的较大颗粒尺寸和较大多孔性的梯度，可使更多的气体在开始时提供给反应区。重要的是电极和微滑移区中提供的多孔性是互连的多孔性以便使气体流过各层。
在本发明的一个实施例中，至少诸如氧电极(阴极5)之类的一个电极和/或燃料电极(阳极4)被提供为用来对有效反应位置分配气体的增强气体管线。利用成孔剂提供出足以消除电池中气体倒流的固定的互连多孔性，使电极制造成起气体管线的作用。
电极的多孔性最好在约大于50％-约90％的范围内(用水银孔率计测量)，大于70％更好。电极之间的压降一般保持在约5.43kPa/厘米(2psi/英寸)的范围内，最好是约2.715kPa/厘米(1psi/英寸)。采用细粒电极的现有技术燃料电池的典型压降为54.3kPa(20psi)或更大。为提供无阻碍的气流通道，固定的多孔性互连是重要的。
借助于制备一个预制电极材料的陶瓷未烧结体(在电极材料中未烧结体已加入热凝或热塑粘合剂和蜡或盐例如氯化钙之类的成孔剂)，可形成增强气流电极的互连多孔性。未烧结体形成之后，借助于加热或浸入成孔剂溶剂中，成孔剂就从未烧结体溶出，在材料中就留下由空洞组成的互连通道，然后可用常规工艺进行煅烧。美国专利NO.5028036公开了一种在陶瓷体中形成互连多孔性的方法，此处引为参考，如下面所述。
在电极中形成互连多孔性的其它方法包括采用编织烧结陶瓷纤维或压制陶瓷颗粒。在后一种方法中，须采用大尺寸的颗粒(尺寸范围为约40目-80目(0.177-0.42mm))，且其中没有明显数量的小尺寸颗粒，这可能阻挡大颗粒之间的孔。凡是采用细粒电极的地方，如果颗粒尺寸范围不致使小颗粒阻挡孔，互连孔就仍可认为是固定的，而且大颗粒偏移到孔中或孔之间的通道中会产生一个偏移了的空洞重新对同一个或另一个孔建立互连。
在有关孔形成的方法中，网状泡沫被用作沉积电极材料以形成预制件的衬底，然后将泡沫溶解以形成互连孔。
增强了多孔性的氧电极可由上面公开的诸如掺锶的锰酸镧之类的常规烧结陶瓷阴极材料制成。增强了多孔性的燃料电极可由上面公开的诸如镍或钴金属陶瓷例如锆酸镍之类的常规阳极材料或金属制成。增强了多孔性的电极组合到电池中以提供气体分配以及电导性。电极中的空孔量不应大到由于缺乏导电通路或对相邻电池元件的电接触而限制反应的进行。因此最好在气体压降和电极导电性之间进行权衡。
由于有可能降低同电解质表面的电接触，故增强了多孔性的电极最好不要直接接触电解质。诸如用电解质“印剂”层涂覆所得到的多孔性较差的电接触区，或反应微滑移区，有可能提供在所需电学性能范围内运行所必须的导电性。在一个实施例中，增强了多孔性的电极的多孔性分层次为电解质界面区中出现较小的孔尺寸。
参照图3，本发明一个最佳实施例示于分解平面图中，其中增强了多孔性的平面形氧电极(阴极5)邻接于在其反面与电解质6相接触的反应微滑移区16。在这些元件中含有燃料通路11管线和向电极(为清晰起见未示出阳极)提供气体的氧通路14管线。在反应微滑移区16中存在用来向电解质6通过气体组分的小孔22。
如所示，阴极5包含一个大体紧密的基体21，其中有大孔23，一般认为其形状是离去后留下孔洞23的成孔剂的形状。在球形成孔剂的情况下，留下的孔洞通常是圆形、椭圆的形状。孔23由水平通道24同阴极5中的剖面内其它孔互连。孔23由垂直通道25同阴极5中剖面之上及剖面之下的平面中的其它孔互连。基体21填充未被孔或通道占据的剖面之上及剖面之下的平面中的空间。
虽然在电化学装置中不用邻接的反应微滑移区也可采用增强了流通的电极，但借助于其对电解质表面的更大的导体接触面积，反应微滑移区可用来提供增强的电分布。此外，反应微滑移区防止了电解质表面和可能排列于其上的任何涂覆或印剂界面遭遇含孔洞的电极表面。借助于促进通过电极的气体分布和氧的渗透性，此增强了流通的阴极5增强了装置的性能。
在本发明的一个实施例中，一个集成元件可用作电流收集器、气体管线和电池分隔器。此集成式分隔器至少有一个高度多孔的气体管线区，此区构成一个邻接于不透气区的互连多孔性区，而此不透气区构成一个紧密部分或提供分隔功能的多孔性不连续的区域。集成式分隔器由铬酸钇之类的陶瓷电极材料或金属构成，而且必须是导电的。
集成式分隔器可代替燃料电池中的分隔器及一个相邻电极，或代替分隔器和二个相邻燃料电池组成的组合件中的二个相邻电极。集成式分隔器在二个燃料电池之间提供了电接触和物理分隔，并提供了至少一个相邻电极(燃料和/或氧)的气体分配功能。借助于相互接触地安排邻接于多孔表面和电解质的反应微滑移区，可提供增强的反应表面。
借助于共排列至少一个互连多孔性层和一个紧密的非互连多孔性层，可制造集成式分隔器。或者用回填技术由互连多孔体来构成集成式分隔器。
参照图4，终端集成式分隔器41包含一个由密集材料或非连续多孔性材料构成的不透气区42以及一个可能用作氧电极的气体管线区45。虽然集成式分隔器41示为电池堆叠系列的终端接触，但这种只有一个连续多孔性气体管线区结构的集成式分隔器也可用于带有反电极的堆叠中的其它电池。所述实施例中的气体管线区45含有孔48，同排列在集成式分隔器41和固态电解质36之间的由电化学上同氧气管线区45兼容的材料组成的整体反应细微滑移区46相接触。
带有不透气中心区42的集成式分隔器43排列在电解质36的相反侧上，以含有孔49的气体管线区44作为燃料电极，并同由电化学上同燃料气体管线区44兼容的材料组成的整体反应微滑移区47相接触。电解质36可用邻接于反应微滑移区46的兼容阴极型材料和用邻接于反应微滑移区47的兼容阳极型材料涂覆。
最好制成气体管线区44、45来提供上述的增强互连多孔性。气体管线区44、45的孔尺寸和多孔性对反应微滑移区46、47的孔尺寸和多孔性的关系可根据图3所述实施例如上所述地有利地构成。
举例
例A.阳极兼容整体反应微滑移区的制造
将含有37.3g的NiO(商品名为Aesar)、13.5g的镍金属(商品名为Inco 123)以及16.9g用8％克分子的钇稳定化处理过的氧化锆的混合物同粘合剂混合物一起进行球磨，以制备带铸用的胶。粘合剂由1.7g的Z3(商品名为Menhaden Fish Oil)在甲苯中的50％体积比溶液、4.5g的聚乙烯醇缩丁醛(商品名为Monsanto B79)、2.5g的丁基苯甲酰酞酸酯(商品名为Santicizer 1160)及2.2g的玉米油组成。上述体系的溶剂含有18.0g甲苯、8.0g乙醇和4.5g丁酮。
用圆柱形氧化锆磨料对混合物研磨16-24小时，然后从磨珠分出。然后在玻璃板支持的柔性载膜上铸成带。作10-25密尔的手术刀开口可得到2-5密尔的未烧结带。干燥约1小时后将柔性的未烧结带从载膜分离并切成所需的形状。
例B.阴极兼容整体反应微滑移区
将45.2g的La0.84Sr0.15MnO3粉末、1.68g的Z3(Menhaden Fish Oil的商品名)在甲苯中的50％体积比溶液、2.5g的丁基苯甲酰酞酸酯(商品名为Santicizer 160)、4.5g的聚乙烯醇缩丁醛(商品名为Monsanto B79)以及2.2g的玉米油一起进行球磨以制备带铸胶。此胶的溶剂载体为约18g的甲苯、8g的乙醇和4g的丁酮的混合物。
用圆柱形氧化锆磨料进行20小时的研磨而得到均匀的混合物。将胶从磨料分出并在塑料载膜上用20密尔的手术刀开口。干燥约1小时后，将铸带从塑料膜分离并切割成形。
                            表I
   轮号                      电池元件
    C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12     只有反应微滑移元件，无本体电极或电解质印剂层。只有反应微滑移元件，无本体电极或电解质印剂层。只有本体电极，无电解质印剂层或反应微滑移元件。只有本体电极，无电解质印剂层或反应微滑移元件。本体电极和电解质印剂层。本体电极和电解质印剂层。本体电极和电解质印剂层。本体电极和反应微滑移区元件。本体电极和反应微滑移区元件。本体电极电解质印剂层，反应微滑移区元件。本体电极电解质印剂层，反应微滑移区元件。本体电极电解质印剂层，反应微滑移区元件。
                                                    表II
   轮号  H2流量(cc/min)  H2反压kpa(psi) 空气流量(cc/min) 空气反压kpa(psi)   电压(V)   电流(A)   功率(W)
    C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12     60856010060100120601006085120     51.3(18.9)60.27(22.2)000003.26(1.2)4.62(1.7)000     200200300500300300300300500300420600   66.52(24.5)66.52(24.5)02.99(1.1)1.63(0.6)1.09(0.4)1.09(0.4)3.8(1.4)5.43(2.0)02.715(1.0)4.07(1.5)   0.4810.4720.4550.4800.5170.5020.5220.5230.5610.4990.4900.516   0.870.860.440.463.204.044.084.324.568.4011.9514.48   0.420.410.200.221.652.032.132.262.554.195.867.47
例A描述了用于邻接燃料电极的反应微滑移区元件的制备。例B描述了用于邻接氧电极的反应微滑移区元件的制备。这些都是在带有根据上述说明中所定工艺用带铸法制备的同相邻反应微滑移区元件组分相同的增强了多孔性(80％体积比)的本体电极的固态电解质燃料电池中测试的。
表工列出了以空气和H2的各种流量进行的测试燃料电池的结构。各轮测试的结果列于表II。
在电池中不采用本体电极的比较例C1和C2中，反应微滑移元件用作电极，在此元件和电解质之间没有界面印剂层。元件上的压降很大，而且由于压降的幅度而不能得到较大的流量。得到的功率很小。
在比较例C3和C4中，高度多孔性的本体电极只被用作气体管线/电极，没有电解质界面印剂层和反应微滑移元件。但电极上的压降实际为零，要不就很低，同电解质的电接触使产生的功率输出很小。
在例5-7中，采用了增强了多孔性的电极以及邻接电极的兼容电解质印剂涂覆。燃料电极上的压降实际为零，而氧电极上的压降为小于2.715kPa/厘米(1psi/英寸)。电池所产生的电池和实现的功率为比较电池的5-10倍。
在例8和9中，采用了增强了多孔性的电极以及电极同电解质(未涂覆)之间的反应微滑移区元件。电极上的压降小于5.43kPa/厘米(2psi/英寸)，且相对于比较例1-4和5-7，电流和功率都提高了。
在例10-12中，电池采用了增强了多孔性的电极反应细微滑移区元件以及邻近各增强了多孔性的电极的兼容电解质印剂涂覆，使燃料电极上的压降实际为零而氧电极上的压降小于4.0725kPa/厘米(1.5psi/英寸)。这些电池的电流和功率输出惊人地增大，是前述例子测得的最好电流和功率性能的近2-3倍。
上述例子表明本发明的各实施例提供了电化学装置的改进了的电学性能。本发明的各个实施例提供了较低的压降，从而为更好地利用空气而改善了气体分配，降低了系统平衡过程中对高压鼓风机的要求；并且为更好地利用燃料和得到更高的燃料效率而改善了燃料分配。
应当承认，本发明并不局限于上述的特定实施例，而是包括了权利要求所规定的各种变化、修正和等效的实施例。

Claims (20)

1.一种电化学装置，具有一种排列在电池中的氧电极和燃料电极之间的固态电解质，以及至少一个同正对着该电解质的各电极中的一个电极的表面相接触的分隔器，其特征在于至少一个电极带有增强的固定在50％-90％范围内的互连多孔性以基本消除电池中的气体倒流，上述的至少一个增强的多孔性电极邻接于靠近电解质的电接触区。
2.根据权利要求1的电化学装置，其特征在于，其中增强的固定的互连多孔性包含在带有小于约5.43kPa/厘米(2psi/英寸)压降的至少一个电极上提供气流的装置。
3.根据权利要求1的电化学装置，其特征在于，其中的氧电极和燃料电极二者都具有上述增强的固定的互连多孔性。
4.根据权利要求1的电化学装置，其特征在于，其中的电解质在靠近氧电极的电解质表面上有一个氧电极材料涂层，而且电解质在靠近燃料电极的电解质表面上有一个燃料电极材料涂层。
5.根据权利要求1的电化学装置，其特征在于，其中的电化学装置具有一个排列在电解质和上述至少一个增强了多孔性的电极之间的反应微滑移区，其中的反应微滑移区带有平均直径比增强多孔性电极中的孔径更小的互连孔。
6.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于，其中的反应微滑移区邻接于氧电极并含有同氧电极基本相同的材料。
7.根据权利要求6的电化学装置，其特征在于，其中的电解质在靠近氧电极的电解质表面上有一个氧电极材料涂层。
8.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于，其中的反应微滑移区邻接于燃料电极并含有同燃料电极基本相同的材料。
9.根据权利要求8的电化学装置，其特征在于，其中的电解质在靠近燃料电极的电解质表面上有一个燃料电极材料涂层。
10.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于，其中的反应微滑移区含有一个整体元件。
11.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于，带有一个排列在氧电极和电解质之间的第一上述反应微滑移区和一个排列在燃料电极和电解质之间的第二上述反应微滑移区。
12.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于，包含一个平面形的固态电解质燃料电池。
13.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于，在增强了多孔性的电极上有多孔性梯度，以使增强多孔性电极的孔径较小部分邻接于反应微滑动区。
14.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于，其中的氧电极和燃料电极二者都具有上述的增强的固定互连多孔性。
15.根据权利要求14的电化学装置，其特征在于，具有一个主要包含排列在氧电极和电解质之间的与氧电极相同的材料的第一反应微滑移区，以及一个主要包含排列在燃料电极和电解质之间的与燃料电极相同的材料的第二微滑移区，其中的第一微滑移区和第二微滑移区带有平均直径比相邻增强多孔性电极中的孔径更小的互连孔。
16.根据权利要求15的电化学装置，其特征在于，其中的电解质在靠近氧电极的电解质表面上有一个氧电极材料涂层，而且电解质在靠近燃料电极的电解质表面上有一个燃料电极材料涂层。
17.根据权利要求1的电化学装置，其特征在于电化学装置包括一种由至少二个固态电解质燃料电池组成的组合件，每一个上述的燃料电池具有一个排列在氧电极和燃料电极之间的固态电解质，而且其中分隔器是集成式分隔器，具有在连续多孔性的第一和第二区域之间的一个不连续多孔性的区域，该集成式分隔器排列于其间并同上述的至少二个燃料电池电接触。
18.根据权利要求17的电化学装置，其特征在于，组合件中连续多孔性的集成式分隔器第一区域构成二个燃料电池中的第一个电极，而连续多孔性的集成式分隔器第二区域构成二个燃料电池中的第二个反电极。
19.根据权利要求5的电化学装置，其特征在于电化学装置包括一种由至少二个固态电解质燃料电池组成的组合件，每一个上述的燃料电池具有一个排列在氧电极和燃料电极之间的固态电解质，其中分隔器是集成式分隔器，具有在连续多孔性的第一和第二区域之间的一个不连续多孔性的区域，该集成式分隔器排列于其间并同上述的至少二个燃料电池电接触，而且其中一个反应微滑移区排列在该电解质和集成式分隔器连续多孔性的至少一个区域之间。
20.根据权利要求1或5的电化学装置，其特征在于电化学装置具有至少一个邻接于电解质的集成式分隔器，其中的集成式分隔器包含至少一个靠近电解质排列的互连多孔性的高度多孔气体管线区以及一个不透气区。
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