[发明专利]电解质支撑的固体氧化物电解池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域，具体地，涉及电解质支撑的固体氧化物电解池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物电解池(SOEC)是一种可在中高温条件下将热能和电能高效环保地直接转化为燃料中化学能的全固态化学电解装置。它可以看作是固体氧化物燃料电池(SOFC)的反方向运行装置。尽管SOFC的发明来源于电解反应，但是SOEC的发展步伐要慢于SOFC。近年来，随着能源环境问题日益严重，“氢经济”更加受到青睐，利用SOEC高温电解水制氢的能量转化研究才随之升温。但是正因SOEC的发展慢于SOFC，目前的SOEC依然绝大部分沿用了成熟的SOFC技术，一般采用氢电极(SOFC的阳极)支撑的电池结构。对于SOFC，氢电极支撑有利于降低电解质层带来的欧姆极化阻抗。对于SOEC，氢电极(SOEC的阴极)支撑虽然也可以降低电解质欧姆阻抗，但是高温高湿的特殊运行环境同时增大了氢电极的电荷转移阻抗以及浓差极化阻抗，电池的综合性能甚至会下降。因此，传统的氢电极支撑并不适用于SOEC的特殊运行环境需求。

另外，目前最常用的固体氧化物电解池阴极材料是金属Ni和Y稳定ZrO₂复合的多孔电极材料(Ni-YSZ)，其在应用中仍存在一些尚未解决的问题：如氧化还原稳定性差、低温下离子电导率低、高温下Ni颗粒团聚、Ni高温挥发、易受多种杂质元素影响导致电池性能下降等等。

因而，目前关于固体氧化物电解池的研究仍有待深入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种氢电极电荷转移电阻和浓差极化阻抗较低、综合电化学性能较高的电解质支撑的固体氧化物电解池。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种电解质支撑的固体氧化物电解池。根据本发明的实施例，该电解质支撑的固体氧化物电解池包括电解质层、氢电极和氧电极，其中，所述氢电极包含具有如下式所示组成的活性材料：Sr₂Fe_1-xMn_xNbO₆，其中，0≤x≤0.2。发明人发现，本发明的该电解质支撑的固体氧化物电解池的氢电极的电荷转移电阻及浓差极化阻抗较低，且该电解质支撑的固体氧化物电解池的氢电极具有结构稳定、氧化还原稳定、高混合电导、高催化活性的特点，从而该固体氧化物电解池(在本文中“电解质支撑的固体氧化物电解池”与“固体氧化物电解池”可以互换使用)具有较高的高温电解水蒸气的综合电化学性能。

根据本发明的实施例，所述电解质层的厚度为150-500微米，所述氢电极的厚度为25-35微米，所述氧电极的厚度为25-35微米。由此，电解质层较厚，不易击穿，降低了电解池由短路带来的损耗，进而有利于提高固体氧化物电解池高温电解水蒸气的综合电化学性能。

根据本发明的实施例，所述电解质层包含：YSZ(即钇稳定氧化锆)。由此，有利于提高电解质支撑的固体氧化物电解池高温电解水蒸气的综合电化学性能。

根据本发明的实施例，所述氢电极进一步包含：YSZ。由此，有利于提高电解质支撑的固体氧化物电解池高温电解水蒸气的综合电化学性能。

根据本发明的实施例，所述氧电极包含：La_0.8Sr_0.2MnO₃，以及YSZ。由此，电解质支撑的固体氧化物电解池高温电解水蒸气的综合电化学性能较高，电解水产氢速率较快。