[发明专利]一种有序化固体氧化物膜电极

说明书

技术领域

本发明属于膜电极技术领域，特别涉及一种有序化固体氧化物膜电极。 

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）或固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cell，简称SOEC）具有工作温度高(600～1000℃)、无需使用贵金属催化剂、全固态结构等优点，是一种高效的能量转换装置。SOFC的基本组成与SOEC相似，核心部件固体氧化物膜电极由致密的固体氧化物电解质膜和两侧多孔电极构成，其结构可以分为电极支撑(包括阳极支撑或阴极支撑)、电解质支撑和连接体支撑三种类型。SOFC是将化学能直接转化为电能的发电装置，工作原理为：在阳极一侧持续通入燃料气（例如：氢气、甲烷、城市煤气等碳基燃料气），具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧分子，由于阴极本身的电催化还原作用，使得O₂得到电子变为O^2-，在化学势的作用下，O^2-进入固体氧化物电解质膜，由浓度梯度引起O^2-扩散，最终到达固体电解质膜与阳极的界面处与燃料气体分子发生反应，失去的电子通过外电路回流到阴极。由于单体电池只能产生1V左右的电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的输出功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电堆；SOEC是将电能直接转化为化学能的电解装置，与SOFC过程互逆。SOEC的工作原理为：CO₂或H₂O等原料气体通过多孔阴极扩散至与电解质的界面发生电化学还原反应，生成CO或H₂，阴极反应包括：1）2CO₂+4e^-→2CO+2O^2-或2）2H₂O+4e^- →2H₂+2O^2-；如果CO₂与H₂O共电解时，则生成合成气，电解H₂O生成的H₂会与体系中的CO₂发生逆向水气变换反应：3）CO₂+H₂→CO+H₂O，生成的H₂O会进一步参与到电解反应中。另一方面，O²-在电场的作用下通过固体氧化物电解质膜中的氧空位迁移到阳极催化剂与电解质界面处，释放电子氧化生成O₂，阳极反应为：4）2O^2-→O₂+4e^-。还原产物与O₂被致密的固体氧化物电解质膜分开，从而可以实现燃料和氧气的联产。