CN108321408B - 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法 - Google Patents

含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108321408B
CN108321408B CN201711463989.XA CN201711463989A CN108321408B CN 108321408 B CN108321408 B CN 108321408B CN 201711463989 A CN201711463989 A CN 201711463989A CN 108321408 B CN108321408 B CN 108321408B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
heater
electrolyte
slurry
connecting wire
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711463989.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN108321408A (zh
Inventor
胡强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Zhen Tai Energy Technology Co.,Ltd.
Original Assignee
胡强
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 胡强 filed Critical 胡强
Priority to CN201711463989.XA priority Critical patent/CN108321408B/zh
Publication of CN108321408A publication Critical patent/CN108321408A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108321408B publication Critical patent/CN108321408B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及电化学领域，公开了一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法，包括第一外电极、第一外电极连接线、第一电解质、第一内电极、第一内电极连接线、第二外电极、第二外电极连接线、第二电解质、第二内电极、第二内电极连接线、隔离结构；隔离结构由第一电解质、第二电解质、两面气道壁和隔板构成；两面气道壁和隔板构成的整体的截面为H型，隔板将气道分隔为上下两部分；隔离结构的内侧面构成两条两端开口的气道，气体从气道的一端开口进，流经第一内电极，从另一端开口出，气道走向直通或呈弯曲形。本发明电化学器件的密封性好，可靠性高；成品率高，易于量产；组堆灵活，支持热替换操作。

Description

含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池、固体氧化物燃料电解电池，新能源，新材料以及电化学领域，尤其涉及一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件。
背景技术
SOC（solid oxide cells）是一种固体氧化物的电化学器件，由至少一层电解质和至少两个电极组成，电解质通常为掺杂稳定的氧化锆，如8 mol% Y2O3稳定的氧化锆（8YSZ）或Sc2O3掺杂稳定的氧化锆，如ScSZ，或氧化钙CaO稳定的氧化锆（CSZ）。电解质也可以是其他萤石结构的氧化物，如氧化钆或氧化钐掺杂稳定的氧化铈（GDC，SDC），也可以是钙钛矿结构的氧化物，如LaSrGaMgO等。电极的材料组成可以是钙钛矿结构的氧化物，如LaSrMnO3（LSM），也可以是复合物，如LSM和YSZ组成的复合物，也可以是贵金属如Pt或含贵金属的复合物，如Pt和YSZ组成的复合物。
SOC工作时至少2个电极附近的氧浓度存在差异（以下称氧浓度较高的气体称为富氧气体，工作于富氧气体中的电极称为富氧电极，氧浓度较低的气体称为贫氧气体，对应电极称为贫氧电极。典型的富氧气氛为空气，相应的电极称空气电极，典型的贫氧气氛如氢/水混合气，氢/一氧化碳/水混合气，一氧化碳/二氧化碳混合气，氮氧化合物（NOx）/氮气混合气，对应的电极称为燃料电极）。贫氧和富氧电极用电解质隔开。SOC电解质的电荷传导通常由氧离子作为载体，即氧离子电导，如果同时存在显著电子电导，则SOC内部存在短路电流，短路电流越大，SOC效率越低。
固体氧化物元件SOC工作在500到1000摄氏度的温度区间，可有两种工作模式：发电模式（Solid Oxide Fuel Cell模式，SOFC 模式）和电解模式（Solid OxideElectrolysis Cell，SOEC模式）。当SOC工作于发电模式时，富氧电极内的氧气分子发生还原反应变成氧离子，氧离子从富氧电极一侧通过电解质迁移到贫氧电极一侧，在贫氧电极内氧离子被氧化成氧气分子并随后逸出贫氧电极，整个过程的宏观表现为氧分子从富氧气体一侧透过电解质迁移到贫氧气体一侧，富氧气体和贫氧气体间的氧浓度差随之减小。
发电模式下，SOC将贫氧气体的化学能转化电能并对外输出。以氢和氧电极为例，SOFC模式可表示为：
阳极（贫氧电极）：H2 + O2- → H2O + 2e-
阴极（富氧电极）：1/2 O2+2e- → 2O2-
总反应：H2+1/2 O2 → H2O
SOC工作于电解模式时，在外加电场的作用下，氧分子在贫氧电极内发生还原反应变为氧离子，氧离子通过电解质迁移到富氧电极，在富氧电极内氧离子发生氧化反应成为氧分子并逸出富氧电极。整个过程的宏观表现为氧分子在外界电场的作用下从贫氧气体一侧透过电解质迁移到富氧气体一侧，富氧气体和贫氧气体间的氧浓度差随之增大。在电解模式下，SOC吸收外界输入的电能，并将其转化为贫氧气体的化学能。以氢和氧电极为例，SOEC模式可表示为：
阳极（富氧电极）：2O2- → 1/2 O2+2e-
阴极（贫氧电极）：H2O + 2e- → H2 + O2-
总反应：H2O → H2+1/2 O2
当SOC在两种模式间工作时，可实现电能和化学能间的转换，这个过程可能伴有热量的释放或吸收。无论SOC工作在电池或电解模式，均有可能接受外界的热能输入或本身释放热能到外界。因此利用SOC技术既可以实现电能、热能和化学能之间的相互转换。SOC工作于电解模式时，将电能转化为化学能存储下来，工作于电池模式时，将贫氧气体的化学能直接转化为电能，避免卡诺循环的限制，实现高效的化学能利用。
典型的贫氧气体如H2和H2O的混合物，在电池模式下，SOC的总反应为：H2+O2→H2O；在电解池模式下，SOC的总反应为：H2O→H2+O2。典型的贫氧气体也可以是如CO2，H2O，CO，H2构成的混合物，在电池模式下，SOC的总反应为:H2+O2→H2O, CO+O2→CO2，在电解模式下，SOC的总反应是H2O→H2+O2，CO2→CO+O2，含CO，H2的电解产物可继续被成熟的费托合成工艺转换为碳氢化合物如汽油柴油等液态燃料。当含氧元素的气体组分为氮氧化物（NOx），硫氧化物（SOx）等典型环境污染物时，利用SOC的电解技术可去除这些污染物，其化学过程可表示为：
NOx→N2+O2 （x=1或2）或 SOx→S+O2（x=1或2）；
贫氧气体可含有一氧化碳、甲烷、甲醇、氢气等多种具有燃料性质的成分，富氧气体的成分可含氧气、氮气、氩气、氦气，最常用的是空气。
现有SOC主要构型分片式和管式。片式SOC的堆结构由SOC元件、密封环(sealing)和连接板(interconnect)等依次连接实现，整个堆置于高温环境中。密封环一般由玻璃或金属（如金、银等）制备、连接板材料通常为耐高温合金。合金连接板通常还需要在表面喷涂导电抗氧化涂层以增强高温条件下的抗氧化能力，减小电堆电阻损失。在多数情况下，SOC元件的两侧电极和合金连接板间还有一层或数层较为柔软的金属或陶瓷垫，以实现SOC元件和连接板的良好电接触，相当大一部分片式SOC技术在电池片两侧采用Ag网以保证良好的电接触。在一个片式SOC堆中，气流（贫氧和富氧气）在连接板、SOC元件和密封环构成的隔离空间内流动，避免泄露到堆外。构成片式SOC电堆的各元件，包括SOC元件、密封环和连接板等均需要单独制作，最后组合成堆。片式SOC堆由于电极形状平直规整，电流路径短，功率密度相对较大，组堆容易。片式SOC堆实际应用困难，其原因在于：
1）密封环可靠性不高。密封环即需要保证气密、又必须耐热循环、具有一定的机械强度和柔韧性，还必须和合金连接板以及SOC电池片的热膨胀系数接近（即热膨胀匹配，即要求密封环在温度变化的情况下和密封件的尺寸变化保持一致），无论是玻璃或是金属密封环都很难同时实现这些性能要求。比如玻璃密封环通常很脆弱，在SOC的组堆和热循环操作中非常容易断裂失效。
2）由于各组堆元件均需单独制作，技术要求高（如各元件的平整度、强度、韧性、抗氧化性、热膨胀匹配性都有较高要求）， 片式SOC组堆成本通常较高，也限制其实际应用。
3）组堆灵活性低。片式SOC堆各单体电池的连接方式为串联，并且密封环为一次性元件，一个片式SOC堆一经热处理（即密封环和密封件在高温（如750度）下融合实现密封后），组堆各元件，包括各单体电池和连接板即不能再替换，因此整堆中任何一个元件失效都会导致整堆失效，这极大增大了实际使用一个片式SOC堆的风险，显著增加了使用成本。
管式SOC元件呈圆筒状，阴阳极分别在管的内外表面。相对片式结构，管式SOC的优点在于可冷端密封，即管式SOC单体电池可做长跨越高温区直到冷端。在冷端对SOC元件进行密封（比如密封处的温度比电极附近的温度低200度或更高），技术难度较低，密封可靠性大幅提高。管式SOC的缺点在于：
1）由于管式SOC呈圆筒状，实际制备中难于做到平直，电极连接材料和圆筒状电极的贴合，尤其在高温条件下，很难保证紧密，由此导致单条电池的接触电阻较大。
2）电池制备时，单体管式电池的各部件在曲面构型下时很难做到几何尺寸变化一致（通常为素胚收缩一致），由此导致管式SOC单体电池是几何尺寸一致性差，电池内残留应力较大，影响成品率和电池性能的稳定性。
3）单体电池组堆时，其内电极需要有中间通路连接到其他单体电池的内（并联时）或外电极（串联时）。该中间通路需要穿过电解质，有时也称连接板。在通常的管式电池中，连接通路沿整个（或大部分）内电极的轴向分布，覆盖一部分内电极。这种中间通路设计的管式电池结构复杂，电解质和中间通路间密封困难，容易漏气导致电池失效。
4）把各单体电池的内外电极互相连接组成电池堆的结构复杂，整个管式SOC电池堆的电流阻力大，电流密度/功率密度一般较低。
5）如同片式SOC堆，在一个管式SOC堆内，如果一个单体电池失效，因为无法保证新电池和其他电池的接触良好，也不能实现高温条件下的故障电池替换，故而单体电池的失效会导致整堆电池不可修复性的性能下降，甚至可能导致整堆失效。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法。本发明的扁管式电化学器件的密封性好，工作面积大，可靠性高；成品率高，易于量产；同时其组堆灵活，支持失效电池在实现高温条件下的热替换操作，可显著延长SOC电堆的使用寿命、增强操作弹性和降低运行成本。
本发明的具体技术方案为：
一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，含有至少两对电极；其中包括第一外电极、第一外电极连接线、第一电解质、第一内电极、第一内电极连接线、第二外电极、第二外电极连接线、第二电解质、第二内电极、第二内电极连接线和隔离结构；其中，所述第一、第二外电极和第一、第二内电极呈平面形式；且第一外电极和第一内电极分别为富氧电极、贫氧电极或分别为贫氧电极、富氧电极；且第二外电极和第二内电极分别为富氧电极、贫氧电极或分别为贫氧电极、富氧电极。
（所述第一、第二内外电极仅用于标记具有相似功能但在同一电化学器件中位置不同的功能部件，不用于指定或限制具体的功能部件数量）。
所述第一外电极和第一外电极连接线连接且设于所述第一电解质的外侧面上；所述第一内电极和第一内电极连接线连接，第一内电极和第一内电极连接线设于第一电解质的内侧面上。
所述第二外电极和第二外电极连接线连接且设于所述第二电解质的外侧面上；所述第二内电极和第二内电极连接线连接，第二内电极和第二内电极连接线设于第二电解质的内侧面上。
所述隔离结构由第一电解质、第二电解质、两面气道壁和隔板构成，且三者由同种材料或组成相近的材料组成；两面气道壁和隔板构成的整体的截面为H型，所述隔板将气道分隔为上下两部分；所述的隔离结构的内侧面构成两条两端开口的气道，气体从所述气道的一端开口进，流经第一内电极，从另一端开口出，气道走向直通或呈弯曲形。
作为优选，所述电化学器件的截面呈矩形，所述气道的截面呈矩形。
作为优选，本电化学器件的电解质、隔离结构等主要壳体部件均为一体加工成型。
作为优选，所述扁管固体氧化物电化学器件还包括加热器、加热器连接线和加热器引脚；所述加热器嵌在所述隔板中，并通过加热器连接线与加热器引脚连接；所述加热器引脚布置在所述电化学器件的外表面；所述电化学器件的外表面包括第一电解质面、第二电解质面和电化学器件的非两个电解质的两个侧面。
作为优选，所述隔板内嵌套有两层绝缘层，所述加热器被包裹在所述的第一绝缘层和第二绝缘层之间。
作为优选，所述加热器引脚分别布置在所述电化学器件的非电解质两个侧面上。
作为优选，所述加热器引脚布置在所述电化学器件的同一个电解质面或分别布置于第一和第二电解质面上。
作为优选，所述扁管固体氧化物电化学器件还包括第一外电极引脚、第一内电极引脚、第二外电极引脚、第二内电极引脚；所述第一外电极引脚位于第一电解质外侧面的一端边缘位置并与第一外电极连接线连接，第一内电极引脚设于第一电解质外侧面上远离第一外电极引脚的一端边缘，第一内电极连接线穿过设于第一电解质上的过孔与第一内电极引脚连接；所述第二外电极引脚位于第二电解质外侧面的一端边缘位置并与第二外电极连接线连接，第二内电极引脚设于第二电解质外侧面上远离第二外电极引脚的一端边缘，第二内电极连接线穿过设于第二电解质上的过孔与第二内电极引脚连接。
作为优选，至少一处所述过孔处的空隙填充有密封材料。
作为优选，所述第一、第二外电极引脚和第一、第二内电极引脚上分别连接有导线。
作为优选，所述第一外电极、第一外电极连接线、第一外电极引脚和第一内电极引脚处于同一平面。
作为优选，工作时，所述电化学器件上的第一、第二内/外电极连接线的末端或第一、第二内/外电极引脚处于冷端，冷端温度比电化学器件的中间区域内最高温度低50℃以上。
作为优选，工作时，所述冷端温度比电化学器件的中间区域内最高温度低200℃以上。
作为优选，所述第一/第二内、外电极引脚和/或第一/第二内、外电极连接线被所述密封材料覆盖。
作为优选，所述密封材料为耐高温密封材料。
作为优选，所述密封材料为玻璃或环氧树脂。
一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件的制备方法，包括以下步骤：
1）浆料制备：分别将隔离结构材料细粉、贫氧/富氧电极材料细粉、内/外电极连接线材料细粉、绝缘层细粉、加热器细粉、电极引脚细粉、加热器引脚细粉和石墨或淀粉细粉添加到有机助剂中，经球磨后，分别制得稳定的隔离结构材料浆料、贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料、绝缘层浆料、加热器浆料、电极引脚浆料、加热器引脚浆料和石墨或淀粉浆料；
2）流延：将隔离结构材料浆料用流延机制备成薄膜，然后将薄膜裁切为一定尺寸的流延片；
3）流延片增厚：将多层流延片贴合在一起叠层加厚，经抽真空后，热压，使流延片融合为一张较厚的基础片；
4）加热器印制：
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件非电解质面的侧面时，取1张基础片，记为基础片a，采用绝缘层浆料印制第一绝缘层，烘干后，在所述第一绝缘层上印制加热器和加热器连接线，并烘干；另取1张基础片，记为基础片b，采用绝缘层浆料印制第二绝缘层，并烘干；将印制线路后的基础片a，b相向热压叠层，形成加热器叠层片，使所述加热器嵌套在其中；
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件的电解质面时，取1张基础片，记为基础片a，采用绝缘层浆料印制第一绝缘层，烘干后，在所述第一绝缘层上印制加热器和加热器连接线，并烘干；另取1张基础片，记为基础片b，先用冲孔机在基础片b上冲出加热器过孔，然后采用绝缘层浆料印制第二绝缘层，并烘干；将印制线路后的基础片a，b相向热压叠层，形成加热器叠层片，使所述加热器嵌套在其中；
5）第一内外电极印制：取1张基础片，记为基础片c，在过孔位置用冲孔机冲出内电极过孔和加热器过孔。采用贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料，在基础片c两面分别用丝网印刷机印制第一内电极/外电极和第一内/外电极连接线，印制过程中，浆料在被涂覆至内电极过孔时，沿孔壁流淌涂布，经热处理后，实现电路的跨基础片导通；
6）第二内外电极印制：取1张基础片，记为基础片d，在过孔位置用冲孔机冲出内电极过孔和加热器过孔。采用贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料，在基础片d两面分别用丝网印刷机印制第二内电极/外电极和第二内/外电极连接线；印制过程中，浆料在被涂覆至过孔时，将沿孔壁流淌涂布，经热处理后，实现电路的跨基础片导通；
7）气道壁成型：取6）中的基础片c和d，在两张基础片的内电极一侧用隔离结构材料浆料印制气道壁浆料，并烘干，最后形成气道壁。
8）气道成型：将石墨或淀粉浆料印制填充到7）的基础片c和d中的气道位置，并烘干，确保烘干后的石墨或淀粉浆料和气道壁厚度一致；
9）气道加深：重复7）-8）的步骤3-5次以增加气道深度；
10）叠层：将步骤4）所得的加热器叠层片和步骤9）制得的2张基础片c和d，按次序贴合，经抽真空后，热压，使基础片c、基础片d、加热器叠层片融合为具有完整扁管结构的素胚；
11）加热器引脚印制：
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件非电解质面的侧面时，在步骤10）所得的素胚侧面上的步骤4）所印制加热器连接线的到达处，用加热器引脚浆料印制加热器引脚并烘干；
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件的电解质面时，在电解质面相应位置印制加热器引脚，引脚浆料沿加热器过孔涂布，穿过电解质层和基础片b，到达加热器连接线处与加热器导通；
12）烧结：将素胚置于箱式高温炉中进行烧结，在烧结过程中，素胚强度提高，同时，石墨或淀粉分解气化，在隔离结构中留下规整均匀的气道；
作为优选，步骤1）中，所述有机助剂为PVB、三乙醇胺、乙醇；步骤2）中，所述薄膜的厚度80-140μm；步骤4）和步骤10）中，热压叠层工艺为：在70-95℃下施加5-40MPa的压力保持8-12分钟；步骤12）中，烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为1-3小时；步骤5和步骤6）中，在印制的同时，在基础片的过孔位置实施负压抽吸以增强浆料涂布过孔的效果；在步骤12）后，还包括步骤13）电极强化：先将Sm(NO3)3或Gd（NO3），Ce(NO3)4溶解在水溶液或pH=4-6的稀硝酸中，然后将该溶液涂布在内外电极上，经过升温热处理，使Sm(NO3)3或Gd（NO3），Ce(NO3)4分解成稳定的化合物SDC或GDC；重复上述过程3-5次以增加SDC或GDC的担载量。
作为优选，形成所述隔离结构的所述第一/第二电解质、隔板和气道壁均由基于氧化锆的材料组成，尤其是由掺杂氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）组成；
所述贫氧电极的材料由含Pt、YSZ、SDC或CGO中的一种或几种构成的复合物直接构成；或由含NiO的前驱体材料构成，在电化学器件使用前，通过氢气将NiO还原为金属Ni，使电极的实际成分含Ni；
所述富氧电极的材料由含Pt、YSZ、LSCF、LNF、BSCF、SDC或CGO中的一种或几种构成的复合物直接构成；
所述第一、第二内/外电极连接线的材料为含抗高温氧化贵金属与基于氧化锆的复合材料、抗高温氧化贵金属或银组成。所述抗高温氧化贵金属包括铂、钯、钌等；
所述加热器的材料为含抗高温氧化贵金属与基于氧化锆的复合材料或纯抗高温氧化贵金属包括铂、钯、钌。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
1、本发明在使用时，电极区域处于热区，密封和各引脚处于冷区。贫氧气体和富氧气体在冷区的隔离通过密封过孔实现。由于过孔处温度较低，比如低于电极区域温度300℃，通常低200℃，密封材料的选择余地很大，同时电池片和密封材料的热膨胀匹配、化学相容在低温度范围内等比较容易满足，因此冷端密封的可靠性非常高。贫氧气体和富氧气体在高温的隔离通过气道的隔离结构和电解质来实现，由于气道的隔离结构和电解质的组成材料接近，甚至相同（如都采用5YSZ或8YSZ），它们之间不存在化学不兼容、热膨胀不匹配等问题（即使存在也非常轻微，不影响高温密封可靠性），高温区域的密封可靠性也非常高，因此扁管结构整体具有很高可靠性。同时，由于扁管结构电极平整，导电材料实现和电极的紧密贴合较容易，因此接触电阻小。整个电池的部件由于都成平面的层状结构，因此制备过程中各部件间的残留应力小，电池成品率高，易于量产。
2、本发明在组堆时，单体电池之间的连接在冷端实现，即各单体电池电极的导线可按组堆需求灵活的实现串联或并联连接。由于冷端电极连接的接通、断开和接触紧密均可容易的实现或保证，因此采用本发明的电化学器件可灵活地在冷端实现组堆方式调整，同时支持失效电池在实现高温条件下的替换（即“热替换”）操作。当电堆中的某一单体电池失效时，可在冷端断开其电、气连接，然后抽出失效电池，重新塞入替换电池，最后在冷端将替换电池的电极和气管按需求连接到原电堆上。按照此方式，单体电池的失效不会导致整堆电池的失效。本发明电池的灵活组堆和支持热替换特性可显著延长SOC电堆的使用寿命、增强操作弹性和降低运行成本。
3、本发明的电化学器件的主要壳体在生产加工时均为一体成型，不仅能够有效缩短生产周期，提高生产效率，还能够有效增强电化学器件的强度。
4. 由于单体电池有多个电极可用于工作，因此工作面积大，单体电池的功率更大。
5、本发明的电池还可以用于其它氧化物的氧化/还原操作，比如NOx（氮氧化物）和SOx（硫氧化物）。当对这些氧化物做电解处理时，可减轻或消除环境污染。比如，对氮氧化物（NOx）做电解：
贫氧电极（阴极、负极）：NOx +2x e- → 1/2 N2 + x O2-
富氧电极（阳极、正极）：x O2- → x/2 O2 + 2x e-
总反应：NOx → 1/2 N2 + x/2 O2
经过扁管电池的处理后，环境污染物NOx被全部或部分转化为非污染性的氮气和氧气。
同理，当处理硫氧化物时，对硫氧化物（SOx）做电解：
贫氧电极（阴极、负极）：SOx +2x e- → S + x O2-
富氧电极（阳极、正极）：x O2- → x/2 O2 + 2x e-
总反应：SOx → S + x/2 O2
经过扁管电池的处理后，环境污染物SOx中的S被全部或部分固定在电极上，易于集中处理，不再污染环境。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种爆炸结构示意图；
图2是本发明实施例1的一种侧视图；
图3是本发明实施例2的一种爆炸结构示意图；
图4是本发明实施例2的一种侧视图；
图5是本发明实施例3的一种侧视图；
图6是本发明实施例6的气道一种结构示意图（只示意上表面弯曲状气道，下表面未示出）。
附图标记为：第一外电极1、第一外电极连接线2、第一电解质3、第一内电极4、第一内电极连接线5、第二外电极6、第二外电极连接线7、第二电解质8、第二内电极9、第二内电极连接线10、隔离结构11、气道壁12、气道13、隔板14、第一外电极引脚15、第一内电极引脚16、第二外电极引脚17、第二内电极引脚18、过孔19、导线20、加热器21、加热器连接线22、加热器引脚23、第一绝缘层24、第二绝缘层25。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。
实施例1
如图1所示：一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，包括第一外电极1、第一外电极连接线2、第一电解质3、第一内电极4、第一内电极连接线5、第二外电极6、第二外电极连接线7、第二电解质8、第二内电极9、第二内电极连接线10和隔离结构11。其中，所述第一、第二外电极和第一、第二内电极呈平面形式；且第一外电极和第一内电极分别为富氧电极、贫氧电极；第二外电极和第二内电极分别为富氧电极、贫氧电极。
所述第一外电极和第一外电极连接线连接且设于所述第一电解质的外侧面上；所述第一内电极和第一内电极连接线连接，第一内电极和第一内电极连接线设于第一电解质的内侧面上。
所述第二外电极和第二外电极连接线连接且设于所述第二电解质的外侧面上；所述第二内电极和第二内电极连接线连接，第二内电极和第二内电极连接线设于第二电解质的内侧面上。
如图2所示，所述隔离结构由第一电解质、第二电解质、两面气道壁12和隔板14构成；两面气道壁和隔板构成的整体的截面为H型，所述隔板将气道分隔为上下两部分；所述的隔离结构的内侧面构成两条两端开口的气道13，气体从所述气道的一端开口进，流经第一内电极，从另一端开口出，气道走向直通。所述电化学器件的截面呈矩形，所述气道的截面呈矩形。
此外，如图2所示，本实施例的扁管固体氧化物电化学器件还包括加热器21、加热器连接线22和加热器引脚23；所述加热器嵌在所述隔板中，并通过加热器连接线与加热器引脚连接；所述加热器引脚分别布置在所述电化学器件的非电解质两个侧面上。所述隔板内嵌套有两层绝缘层，所述加热器被包裹在所述的第一绝缘层24和第二绝缘层25之间。
本发明的电化学器件工作时，所述电化学器件上的第一/第二内、外电极连接线的末端处于冷端，冷端温度比电化学器件的中间区域内最高温度低50℃以上。
其中，形成所述隔离结构的所述第一/第二电解质、隔板和气道壁均由基于氧化锆的材料组成。所述贫氧电极的材料由含Pt的复合物直接构成。所述富氧电极的材料由含Pt的复合物直接构成。所述第一/第二内电极连接线、第一/第二外电极连接线的材料为含Pt-YSZ的复合材料。所述加热器的材料为铂。
实施例2
如图3所示：一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，包括第一外电极1、第一外电极连接线2、第一电解质3、第一内电极4、第一内电极连接线5、第二外电极6、第二外电极连接线7、第二电解质8、第二内电极9、第二内电极连接线10、第一外电极引脚15、第一内电极引脚16、第二外电极引脚17、第二内电极引脚18和隔离结构11。其中，所述第一、第二外电极和第一、第二内电极呈平面形式；且第一外电极和第一内电极分别为贫氧电极、富氧电极；且第二外电极和第二内电极分别为贫氧电极、富氧电极。
所述第一外电极和第一外电极连接线连接且设于所述第一电解质的外侧面上；所述第一内电极和第一内电极连接线连接，第一内电极和第一内电极连接线设于第一电解质的内侧面上。所述第一外电极引脚位于第一电解质外侧面的一端边缘位置并与第一外电极连接线连接，第一内电极引脚设于第一电解质外侧面上远离第一外电极引脚的一端边缘，第一内电极连接线穿过设于第一电解质上的过孔19与第一内电极引脚连接；所述过孔处的空隙填充有密封材料。且第一/第二内、外电极引脚和/或第一/第二内、外电极连接线被所述密封材料覆盖。此外，第一外电极、第一外电极连接线、第一外电极引脚和第一内电极引脚处于同一平面。第一、第二外电极引脚和第一、第二内电极引脚上分别连接有导线20。
所述隔离结构包括第一电解质和两面气道壁12和隔板14构成；所述的隔离结构的内侧面构成两端开口的气道13，气体从所述气道的一端开口进，流经第一内电极，从另一端开口出。
所述第二外电极、第二外电极连接线、第二电解质、第二内电极、第二内电极连接线、第二外电极引脚和第二内电极引脚的连接方式以及位置关系与第一外电极、第一外电极连接线、第一电解质、第一内电极和第一内电极连接线以隔板为基准上下镜像设置。两面气道壁和隔板构成的整体的截面为H型，隔板将气道分隔为上下两部分。气道走向直通。所述电化学器件的截面呈矩形，所述气道的截面呈矩形。
此外，如图4所示，本实施例的扁管固体氧化物电化学器件还包括加热器21、加热器连接线22和加热器引脚23；所述加热器嵌在所述隔板中，并通过加热器连接线与加热器引脚连接；所述加热器引脚布置在所述电化学器件的同一个电解质面。所述隔板内嵌套有两层绝缘层，所述加热器被包裹在所述的第一绝缘层24和第二绝缘层25之间。
工作时，所述电化学器件上的第一/第二内、外电极引脚处于冷端，冷端温度比电化学器件的中间区域内最高温度低200℃以上。
其中，所述密封材料为环氧树脂耐高温密封材料。形成所述隔离结构的所述第一/第二电解质、隔板和气道壁均由掺杂氧化钇稳定的氧化锆组成。所述贫氧电极的材料由含YSZ的复合物直接构成；所述富氧电极的材料由含YSZ的复合物直接构成。所述第一/第二内电极连接线、第一/第二外电极连接线的材料为纯Pt。所述加热器的材料为钯。
实施例3
一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，包括第一外电极1、第一外电极连接线2、第一电解质3、第一内电极4、第一内电极连接线5、第二外电极6、第二外电极连接线7、第二电解质8、第二内电极9、第二内电极连接线10、第一外电极引脚15、第一内电极引脚16、第二外电极引脚17、第二内电极引脚18和隔离结构11。其中，所述第一、第二外电极和第一、第二内电极呈平面形式；且第一外电极和第一内电极分别为贫氧电极、富氧电极；且第二外电极和第二内电极分别为贫氧电极、富氧电极。
所述第一外电极和第一外电极连接线连接且设于所述第一电解质的外侧面上；所述第一内电极和第一内电极连接线连接，第一内电极和第一内电极连接线设于第一电解质的内侧面上。所述第一外电极引脚位于第一电解质外侧面的一端边缘位置并与第一外电极连接线连接，第一内电极引脚设于第一电解质外侧面上远离第一外电极引脚的一端边缘，第一内电极连接线穿过设于第一电解质上的过孔19与第一内电极引脚连接；所述过孔处的空隙填充有密封材料。且第一/第二内、外电极引脚和/或第一/第二内、外电极连接线被所述密封材料覆盖。此外，第一外电极、第一外电极连接线、第一外电极引脚和第一内电极引脚处于同一平面。第一、第二外电极引脚和第一、第二内电极引脚上分别连接有导线20。
所述隔离结构包括第一电解质和两面气道壁12构成；所述的隔离结构的内侧面构成两端开口的气道13，气体从所述气道的一端开口进，流经第一内电极，从另一端开口出。
所述第二外电极、第二外电极连接线、第二电解质、第二内电极、第二内电极连接线、第二外电极引脚和第二内电极引脚的连接方式以及位置关系与第一外电极、第一外电极连接线、第一电解质、第一内电极和第一内电极连接线以隔板为基准上下镜像设置。两面气道壁和隔板构成的整体的截面为H型，隔板将气道分隔为上下两部分。气道走向直通。所述电化学器件的截面呈矩形，所述气道的截面呈矩形。
此外，如图5所示，本实施例的扁管固体氧化物电化学器件还包括加热器21、加热器连接线22和加热器引脚23；所述加热器嵌在所述隔板中，并通过加热器连接线与加热器引脚连接；所述加热器引脚分别布置于第一和第二电解质面上。所述隔板内嵌套有两层绝缘层，所述加热器被包裹在所述的第一绝缘层24和第二绝缘层25之间。
工作时，所述电化学器件上或内、外电极引脚处于冷端，冷端温度比电化学器件的中间区域内最高温度低300℃以上。
所述密封材料为玻璃耐高温密封材料。
形成所述隔离结构的所述第一/第二电解质和气道壁均由基于氧化锆的材料组成。
所述贫氧电极的材料由含CGO的复合物直接构成；所述富氧电极的材料由含LSCF的复合物直接构成。
所述第一/第二内电极连接线、第一/第二外电极连接线的材料为Ag。所述加热器的材料为钌。
实施例4
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述贫氧电极的材料由含Pt、YSZ和CGO的复合物直接构成；所述富氧电极的材料由含LNF的复合物直接构成。
实施例5
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述贫氧电极的材料由含NiO的前驱体材料构成，在电化学器件使用前，通过氢气将NiO还原为金属Ni，使电极的实际成分含Ni；所述富氧电极的材料由含BSCF的复合物直接构成。
实施例6
如图6所示，本实施例与实施例2的不同之处在于：本实施例中的气道呈弯曲状，从而能够延长气体在气道中经过的时间，增加气体的利用率。
实施例7
一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件的制备方法，包括以下步骤：
1）浆料制备：分别将隔离结构材料细粉、贫氧/富氧电极材料细粉、内/外电极连接线材料细粉、绝缘层细粉、加热器细粉、电极引脚细粉、加热器引脚细粉和石墨或淀粉细粉添加到有机助剂中，经球磨后，分别制得稳定的隔离结构材料浆料、贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料、绝缘层浆料、加热器浆料、电极引脚浆料、加热器引脚浆料和淀粉浆料；所述有机助剂为PVB；
2）流延：将隔离结构材料浆料用流延机制备成薄膜，然后将薄膜裁切为一定尺寸的流延片；所述薄膜的厚度120μm；
3）流延片增厚：将多层流延片贴合在一起叠层加厚，经抽真空后，热压，使流延片融合为一张较厚的基础片；
4）加热器印制：
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件非电解质面的侧面时，取1张基础片，记为基础片a，采用绝缘层浆料印制第一绝缘层，烘干后，在所述第一绝缘层上印制加热器和加热器连接线，并烘干；另取1张基础片，记为基础片b，采用绝缘层浆料印制第二绝缘层，并烘干；将印制线路后的基础片a，b相向热压叠层，形成加热器叠层片，使所述加热器嵌套在其中；
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件的电解质面时，取1张基础片，记为基础片a，采用绝缘层浆料印制第一绝缘层，烘干后，在所述第一绝缘层上印制加热器和加热器连接线，并烘干；另取1张基础片，记为基础片b，先用冲孔机在基础片b上冲出加热器过孔，然后采用绝缘层浆料印制第二绝缘层，并烘干；将印制线路后的基础片a，b相向热压叠层，形成加热器叠层片，使所述加热器嵌套在其中；
5）第一内外电极印制：取1张基础片，记为基础片c，在过孔位置用冲孔机冲出内电极过孔和加热器过孔。采用贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料，在基础片c两面分别用丝网印刷机印制第一内电极/外电极和第一内/外电极连接线，印制过程中，浆料在被涂覆至内电极过孔时，沿孔壁流淌涂布，经热处理后，实现电路的跨基础片导通；
6）第二内外电极印制：取1张基础片，记为基础片d，在过孔位置用冲孔机冲出内电极过孔和加热器过孔。采用贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料，在基础片d两面分别用丝网印刷机印制第二内电极/外电极和第二内/外电极连接线；印制过程中，浆料在被涂覆至过孔时，将沿孔壁流淌涂布，经热处理后，实现电路的跨基础片导通；
7）气道壁成型：取6）中的基础片c和d，在两张基础片的内电极一侧用隔离结构材料浆料印制气道壁浆料，并烘干，最后形成气道壁。
8）气道成型：将石墨或淀粉浆料印制填充到7）的基础片c和d中的气道位置，并烘干，确保烘干后的石墨或淀粉浆料和气道壁厚度一致；
9）气道加深：重复7）-8）的步骤3-5次以增加气道深度；
10）叠层：将步骤4）所得的加热器叠层片和步骤9）制得的2张基础片c和d，按次序贴合，经抽真空后，热压，使基础片c、基础片d、加热器叠层片融合为具有完整扁管结构的素胚；
11）加热器引脚印制：
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件非电解质面的侧面时，在步骤10）所得的素胚侧面上的步骤4）所印制加热器连接线的到达处，用加热器引脚浆料印制加热器引脚并烘干；
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件的电解质面时，在电解质面相应位置印制加热器引脚，引脚浆料沿加热器过孔涂布，穿过电解质层和基础片b，到达加热器连接线处与加热器导通；
12）烧结：将素胚置于箱式高温炉中进行烧结（烧结温度为1400℃，烧结时间为2小时），在烧结过程中，素胚强度提高，同时，石墨或淀粉分解气化，在隔离结构中留下规整均匀的气道；
实施例8
本实施例与实施例8的不同之处在于：步骤1）中，所述有机助剂为三乙醇胺；步骤2）中，所述薄膜的厚度100μm；步骤4）和步骤10）中，热压叠层工艺为：在85℃下施加5MPa的压力保持12分钟；步骤12）中，烧结温度为1300℃，烧结时间为3小时；步骤5和步骤6）中，在印制的同时，在基础片的过孔位置实施负压抽吸以增强浆料涂布过孔的效果。
实施例9
本实施例与实施例8的不同之处在于：步骤1）中，所述有机助剂为乙醇；步骤2）中，所述薄膜的厚度140μm；步骤4）和步骤10）中，热压叠层工艺为：在95℃下施加40MPa的压力保持8分钟；步骤12）中，烧结温度为1500℃，烧结时间为1小时；步骤5和步骤6）中，在印制的同时，在基础片的过孔位置实施负压抽吸以增强浆料涂布过孔的效果；在步骤12）后，还包括步骤13）电极强化：先将Sm(NO3)3或Gd（NO3），Ce(NO3)4溶解在水溶液或pH=5的稀硝酸中，然后将该溶液涂布在内外电极上，经过升温热处理，使Sm(NO3)3或Gd（NO3），Ce(NO3)4分解成稳定的化合物SDC或GDC；重复上述过程4次以增加SDC或GDC的担载量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，其特征在于：含有至少两对电极；其中包括第一外电极（1）、第一外电极连接线（2）、第一电解质（3）、第一内电极（4）、第一内电极连接线（5）、第二外电极（6）、第二外电极连接线（7）、第二电解质（8）、第二内电极（9）、第二内电极连接线（10）、隔离结构（11）；其中，所述第一、第二外电极和第一、第二内电极呈平面形式；且第一外电极和第一内电极分别为富氧电极、贫氧电极或分别为贫氧电极、富氧电极；且第二外电极和第二内电极分别为富氧电极、贫氧电极或分别为贫氧电极、富氧电极；
所述第一外电极和第一外电极连接线连接且设于所述第一电解质的外侧面上；所述第一内电极和第一内电极连接线连接，第一内电极和第一内电极连接线设于第一电解质的内侧面上；
所述第二外电极和第二外电极连接线连接且设于所述第二电解质的外侧面上；所述第二内电极和第二内电极连接线连接，第二内电极和第二内电极连接线设于第二电解质的内侧面上；
所述隔离结构由第一电解质、第二电解质、两面气道壁（12）和隔板（14）构成，且三者由同种材料或组成相近的材料组成；两面气道壁和隔板构成的整体的截面为H型，所述隔板将气道分隔为上下两部分；所述的隔离结构的内侧面构成两条两端开口的气道（13），气体从所述气道的一端开口进，流经第一内电极，从另一端开口出，气道走向直通或呈弯曲形；
所述电化学器件还包括第一外电极引脚（15）、第一内电极引脚（16）、第二外电极引脚（17）、第二内电极引脚（18）；所述第一外电极引脚位于第一电解质外侧面的一端边缘位置并与第一外电极连接线连接，第一内电极引脚设于第一电解质外侧面上远离第一外电极引脚的一端边缘，第一内电极连接线穿过设于第一电解质上的过孔（19）与第一内电极引脚连接；所述第二外电极引脚位于第二电解质外侧面的一端边缘位置并与第二外电极连接线连接，第二内电极引脚设于第二电解质外侧面上远离第二外电极引脚的一端边缘，第二内电极连接线穿过设于第二电解质上的过孔（19）与第二内电极引脚连接；
至少一处所述过孔处的空隙填充有密封材料；
形成所述隔离结构的所述第一/第二电解质、隔板和气道壁均由基于氧化锆的材料组成；
工作时，所述电化学器件上的第一、第二内/外电极连接线的末端或第一、第二内/外电极引脚处于冷端，冷端温度比电化学器件的中间区域内最高温度低50℃以上。
2.如权利要求1所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，其特征在于，所述扁管固体氧化物电化学器件还包括加热器（21）、加热器连接线（22）和加热器引脚（23）；所述加热器嵌在所述隔板中，并通过加热器连接线与加热器引脚连接；所述加热器引脚布置在所述电化学器件的外表面；所述电化学器件的外表面包括第一电解质面、第二电解质面和电化学器件的非两个电解质的两个侧面。
3.如权利要求2所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，其特征在于，所述隔板内嵌套有两层绝缘层，所述加热器被包裹在第一绝缘层（24）和第二绝缘层（25）之间。
4.如权利要求2所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，其特征在于，所述加热器引脚分别布置在所述电化学器件的非电解质两个侧面上。
5.如权利要求2所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，其特征在于，所述加热器引脚布置在所述电化学器件的同一个电解质面或分别布置于第一和第二电解质面上。
6.如权利要求1所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件，其特征在于，工作时，所述冷端温度比电化学器件的中间区域内最高温度低200℃以上。
7.一种如权利要求2所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）浆料制备：分别将隔离结构材料细粉、贫氧/富氧电极材料细粉、内/外电极连接线材料细粉、绝缘层细粉、加热器细粉、电极引脚细粉、加热器引脚细粉和石墨或淀粉细粉添加到有机助剂中，经球磨后，分别制得稳定的隔离结构材料浆料、贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料、绝缘层浆料、加热器浆料、电极引脚浆料、加热器引脚浆料和石墨或淀粉浆料；
2）流延：将隔离结构材料浆料用流延机制备成薄膜，然后将薄膜裁切为一定尺寸的流延片；
3）流延片增厚：将多层流延片贴合在一起叠层加厚，经抽真空后，热压，使流延片融合为一张较厚的基础片；
4）加热器印制：
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件非电解质面的侧面时，取1张基础片，记为基础片a，采用绝缘层浆料印制第一绝缘层，烘干后，在所述第一绝缘层上印制加热器和加热器连接线，并烘干；另取1张基础片，记为基础片b，采用绝缘层浆料印制第二绝缘层，并烘干；将印制线路后的基础片a，b相向热压叠层，形成加热器叠层片，使所述加热器嵌套在其中；
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件的电解质面时，取1张基础片，记为基础片a，采用绝缘层浆料印制第一绝缘层，烘干后，在所述第一绝缘层上印制加热器和加热器连接线，并烘干；另取1张基础片，记为基础片b，先用冲孔机在基础片b上冲出加热器过孔，然后采用绝缘层浆料印制第二绝缘层，并烘干；将印制线路后的基础片a，b相向热压叠层，形成加热器叠层片，使所述加热器嵌套在其中；
5）第一内外电极印制：取1张基础片，记为基础片c，在过孔位置用冲孔机冲出内电极过孔和加热器过孔；采用贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料，在基础片c两面分别用丝网印刷机印制第一内电极/外电极和第一内/外电极连接线，印制过程中，浆料在被涂覆至内电极过孔时，沿孔壁流淌涂布，经热处理后，实现电路的跨基础片导通；
6）第二内外电极印制：取1张基础片，记为基础片d，在过孔位置用冲孔机冲出内电极过孔和加热器过孔；采用贫氧/富氧电极浆料、内/外电极连接线浆料，在基础片d两面分别用丝网印刷机印制第二内电极/外电极和第二内/外电极连接线；印制过程中，浆料在被涂覆至过孔时，将沿孔壁流淌涂布，经热处理后，实现电路的跨基础片导通；
7）气道壁成型：取6）中的基础片c和d，在两张基础片的内电极一侧用隔离结构材料浆料印制气道壁浆料，并烘干，最后形成气道壁；
8）气道成型：将石墨或淀粉浆料印制填充到7）的基础片c和d中的气道位置，并烘干，确保烘干后的石墨或淀粉浆料和气道壁厚度一致；
9）气道加深：重复7）-8）的步骤3-5次以增加气道深度；
10）叠层：将步骤4）所得的加热器叠层片和步骤9）制得的2张基础片c和d，按次序贴合，经抽真空后，热压，使基础片c、基础片d、加热器叠层片融合为具有完整扁管结构的素胚；
11）加热器引脚印制：
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件非电解质面的侧面时，在步骤10）所得的素胚侧面上的步骤4）所印制加热器连接线的到达处，用加热器引脚浆料印制加热器引脚并烘干；
当所述加热器引脚沉积在所述固体氧化物电化学器件的电解质面时，在电解质面相应位置印制加热器引脚，引脚浆料沿加热器过孔涂布，穿过电解质层和基础片b，到达加热器连接线处与加热器导通；
12）烧结：将素胚置于箱式高温炉中进行烧结，在烧结过程中，素胚强度提高，同时，石墨或淀粉分解气化，在隔离结构中留下规整均匀的气道。
8.如权利要求7所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述有机助剂为PVB、三乙醇胺、乙醇；步骤2）中，所述薄膜的厚度80-140μm；步骤4）和步骤10）中，热压叠层工艺为：在70-95℃下施加5-40MPa的压力保持8-12分钟；步骤12）中，烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为1-3小时；步骤5和步骤6）中，在印制的同时，在基础片的过孔位置实施负压抽吸以增强浆料涂布过孔的效果；在步骤12）后，还包括步骤13）电极强化：先将Sm(NO3)3或Gd（NO3），Ce(NO3)4溶解在水溶液或pH=4-6的稀硝酸中，然后将该溶液涂布在内外电极上，经过升温热处理，使Sm(NO3)3或Gd（NO3），Ce(NO3)4分解成稳定的化合物SDC或GDC；重复上述过程3-5次以增加SDC或GDC的担载量。
9.如权利要求7所述的含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件的制备方法，其特征在于，
所述贫氧电极的材料由含Pt、YSZ、SDC或CGO中的一种或几种构成的复合物直接构成；或由含NiO的前驱体材料构成，在电化学器件使用前，通过氢气将NiO还原为金属Ni，使电极的实际成分含Ni；
所述富氧电极的材料由含Pt、YSZ、LSCF、LNF、BSCF、SDC或CGO中的一种或几种构成的复合物直接构成；
所述第一、第二内/外电极连接线的材料为含抗高温氧化贵金属与基于氧化锆的复合材料、抗高温氧化贵金属或银组成；所述抗高温氧化贵金属包括铂、钯、钌；
所述加热器的材料为含抗高温氧化贵金属与基于氧化锆的复合材料或纯抗高温氧化贵金属包括铂、钯、钌。
CN201711463989.XA 2017-12-28 2017-12-28 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法 Active CN108321408B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711463989.XA CN108321408B (zh) 2017-12-28 2017-12-28 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711463989.XA CN108321408B (zh) 2017-12-28 2017-12-28 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108321408A CN108321408A (zh) 2018-07-24
CN108321408B true CN108321408B (zh) 2020-03-31

Family

ID=62892692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711463989.XA Active CN108321408B (zh) 2017-12-28 2017-12-28 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108321408B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109765280A (zh) * 2019-03-20 2019-05-17 深圳安培龙科技股份有限公司 一种两线非加热型片式氧传感器及其制备方法
CN112736256A (zh) * 2019-10-29 2021-04-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的阴极组装方法与组装器具
CN112467164B (zh) 2020-11-25 2021-09-24 浙江臻泰能源科技有限公司 一种具有双电解质结构的固体氧化物电池芯片及制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112015022536A2 (pt) * 2013-03-11 2017-07-18 Haldor Topsoe As pilha soec com aquecedor integrado
KR102038726B1 (ko) * 2015-08-27 2019-10-30 주식회사 엘지화학 평판형 고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 전지모듈
CN106374120B (zh) * 2016-11-02 2019-07-19 西安交通大学 一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN108321408A (zh) 2018-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Singhal Science and technology of solid-oxide fuel cells
US7740966B2 (en) Electrochemical cell stack assembly
JP5080951B2 (ja) 横縞型燃料電池セルスタックおよび燃料電池
CN108321408B (zh) 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法
KR20110022907A (ko) 평관형 고체 산화물 연료전지 모듈
KR101130126B1 (ko) 평관형 고체산화물 연료전지의 전기 연결재 제작 및 설치
Singhal Recent progress in zirconia-based fuel cells for power generation
CN108336386B (zh) 扁管结构固体氧化物电化学器件及其制备方法
CN213905412U (zh) 一种具有双电解质结构的固体氧化物电池芯片
US20090162723A1 (en) Integrated Single-Chamber Solid Oxide Fuel Cells
CN112467164B (zh) 一种具有双电解质结构的固体氧化物电池芯片及制备方法
JP6835768B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JPH09129252A (ja) 高耐久性固体電解質燃料電池およびその製造方法
CN112467165B (zh) 具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池及制备方法
CN108336376B (zh) 一种提高成品率和单电池功率的扁管固体氧化物电池结构及其制备方法
JP2004172062A (ja) 燃料電池及び多層燃料電池用セル
CN207967174U (zh) 一种扁管结构固体氧化物电化学器件
CN207651600U (zh) 提高成品率和单电池功率的单对电极扁管固体氧化物电池
CN213905411U (zh) 一种具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池
CN207852813U (zh) 一种含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件
JP2009146805A (ja) 電気化学装置
JP5203635B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック及びモノリス形固体酸化物形燃料電池
CN207651596U (zh) 一种提高成品率和单电池功率的扁管固体氧化物电池结构
WO2011052843A1 (ko) 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
TWI806315B (zh) 燃料電池單元、燃料電池匣、及燃料電池單元之製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20201216

Address after: 321400 Cangshan block, Zhejiang Lijin Hardware Technology Industrial Park, Jinyun County, Lishui City, Zhejiang Province

Patentee after: Zhejiang Zhen Tai Energy Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 201, unit 3, building 36, Dinglong community, Jinyun County, Lishui City, Zhejiang Province

Patentee before: Hu Qiang

TR01 Transfer of patent right