[其他]用于固體電解質裝置的復合電極

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 86107516
• 申請日: 1986-10-29
• 公開（公告）號: CN86107516A
• 公開（公告）日: 1987-07-15
• 發(fā)明（設計）人: 蘇克溫德·帕爾·辛格·巴德瓦爾
• 申請（專利權）人: 聯(lián)邦科學工業(yè)研究組織
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30;H01M4/86
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 段成思,徐汝巽

本發(fā)明涉及用于固體電解質裝置中的復合電極。這種裝置可能包括，如氧氣敏感器、氧氣泵、燃料電池、蒸汽電解池和電化學反應器。

有價值的固體電解質裝置通常由一固定在兩電極之間的導氧離子電解質膜構成。固體電解質物質的例子包括通過加入氧化鈣、氧化鎂、氧化釔、氧化鈧或一種稀土氧化物使部分或完全穩(wěn)定的氧化鋯和摻入氧化鈣或氧化釔或一種適當稀土氧化物的氧化釷或二氧化鈰。用于這種裝置的電極通常由金屬（如Pt、Ag、Au、Pd、Ni和Co）或具有高電導率的金屬氧化物的多孔涂層組成。這種電極參與氣體氧分子或燃料（如，氫氣、一氧化碳或甲烷）和固體電解質中的氧離子之間接受電子的電荷遷移反應。這種電極還可能有助于催化該反應。例如Pt，固體電解質氧氣敏感器和氧氣泵上最常用的電極材料，對電極/電解質界面處氧電荷遷移反應（O₂+4e ()/() 2O^2-）在600～700℃以上的溫度下表示出高催化活性。這種電極的物理和化學性質在決定響應速度和固體電解質裝置的效率中起著重量的作用。

電勢敏感器或能斯脫（Nernst）敏感器是由一層導氧離子的電解質薄膜（其電子電導率可以忽略，如完全或部分穩(wěn)定的氧化鋯）和兩個對O₂/O^2-氧化還原平衡可逆的電極組成。如果這個電池的兩個電極暴露于不同氧分壓下，該電池就建立了一個電動勢，就空氣作為參考氣氛，其值由能斯脫（nernst）公式給出：

E（mv）＝0.0496T·Log（0.21/PO₂）

其中PO₂為未知的氧分壓，T為絕對溫度。其電動勢是用導線接到兩個電極而測得的。

466，251號澳大利亞專利敘述了固體電解質氧敏感器的各種不同的幾何形狀。最普遍使用的形式為完全由固體電解質制的一端開口或閉口的管式。其他設計形式是把固體電解質作成園盤或園片，并把金屬或陶瓷支承管的一端封住。

在所有的設計情況，參考環(huán)境一般為空氣，保持在該管的一側（一般在內側），而試驗環(huán)境作用于管的另一側。

在電勢敏感器中，雖然要求電極具有高的電荷遷移速率，特別是對這種敏感器的低溫（600℃以下）應用，但是這種電極的載電流能力并不重要。使用貴金屬電極的固體電解質氧氣敏感器，一般在600～700℃以上的溫度下使用。低于這些溫度，它們將出現以下缺點：響應速率低，對電噪聲檢測的阻抗-敏感性高，誤差較大，對煙道氣中雜質的靈敏度特別高。

其他固態(tài)電化學裝置（如氧氣泵、燃料電池、蒸汽電解槽和電化學反應器）可以由一個內面和外面都涂有電極的完全或部分穩(wěn)定的氧化鋯電解質的管組成。若干個這種電池可以串聯(lián)和/或并聯(lián)起來以獲得所要求的性能。例如在一個氧氣泵中，許多電解池可以聯(lián)合工作以增加氧氣的產量。在燃料電池組中，可以使若干個單體電池以串聯(lián)和并聯(lián)的方式連結以提高總電流和輸出電壓，因為一個單體電池所能獲得的最大理論電壓只有1.0～1.5伏。在所有這些體系中，電池的載流能力和總效率決定于：（ⅰ）對電荷遷移反應的電極/電解質界面電阻和（ⅱ）電解質電阻，對電荷遷移的界面電阻主要決定于電極的電化學行為和物理化學性質。由于在低溫下，電極和電解質都具有高電阻，所以這種電池需要在900～1000℃左右的溫度下操作。為了達到最佳效率和提高電池壽命，必須將這些電池在較低溫度下工作。可以通過使用薄而機械強度高的電解質膜來降低電解質兩端的電壓損失。由于常用的金屬或金屬氧化物單獨用作電極在較低溫度下具有高的電極電阻，所以必須發(fā)明一種更好的電極材料，以減少電極/電解質界面的超電勢損失。

我們已經發(fā)現，用具有電子（n-型）傳導或空穴（p-型）傳導的半導體金屬氧化物與Pt之類的貴金屬結合而成的電極（以下稱復合電極），要比單獨用金屬或金屬氧化物作的電極好得多。當這種電極用于氧氣敏感器時，使它們的操作溫度降低到300℃，該溫度大大低于常規(guī)金屬或金屬氧化物電極所達到的600℃。另外，當這種復合電極用于其他固體電化學裝置時，提高了它們的效率并使它們能夠在低于單獨用常規(guī)金屬或金屬氧化物作的電極所達到的溫度下工作。再有當與金屬或金屬氧化物電極比較時，這種復合電極具有優(yōu)良的物理性能，例如能阻止粒度增大，與電解質表面有更好的粘附性。

電化學行為得到改進是由于這種復合電極的兩種組分參與電極/電解質界面處和界面附近的離解/擴散/電荷遷移反應的結果。