[发明专利]一种固体氧化物电解池高温熔融碳酸盐空气电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解池阳极的制备方法。

背景技术

固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)是一个可将电能直接转化为化学能的电化学装置，其原理上是目前研究较多的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的逆过程。SOEC的构成为三明治结构：中间为致密的电解质层，两边是多孔的氢电极和氧电极。电解质主要作用是在电极之间传导氧离子，分隔氧化、还原气体和阻隔电子电导。因此，电解质需要具有高的离子电导率和可忽略的电子电导，并且在结构上要求完全致密。为了便于气体的扩散和传输，电极一般为多孔结构。

与燃料电池类似，固体氧化物电解池可根据其电解质传输的载荷不同可分为两类，即氧离子电解池和质子导体电解池。当在氧离子导体电解池的阴阳极施加一定的电压时，在电解池的阴极中二氧化碳或者水得到电子发生电化学解离反应，分别生成一氧化碳和氢气，同时生成氧离子。氧离子在电化学势的作用下穿过致密的电解池薄膜来到阳极，失去电子后转化为氧气。从以上的电化学过程可知，电解质需要致密不透气，以防止阴阳极的气体混合，避免发生爆炸，此外阴阳极除了需具备氧离子、电子导电能力外，需具有一定的孔隙率来保证气体在电极中的扩散。由于阴极处在还原气氛中，因此阴极材料需要满足在高温还原气氛中结构稳定的要求，而阳极则需要满足在高温氧化气氛中结构稳定的要求。同时阴阳极需要具备合适的电化学催化活性，因此，选择合适的阴阳极电极材料对电解池的性能至关重要。

电解过程中阴阳极的结构稳定将直接关系到电解池的长期运行稳定性。大量的研究表明，电解池中阳极的极化电阻直接影响电解池的性能，即电解池的极化电阻主要由阳极决定，除此之外阳极的结构稳定性也是制约电解池长期稳定性的最主要因素。阳极与阴极不同的是，阳极发生的是气体的析出，当阳极过电位增大时，氧会在阳极形成一定的过饱和度，较高的过饱和度会在阳极中形成一定的压力，计算表明阳极处形成的压力可以达到GPa级，这样高的压力会造成阳极材料结构的破坏，从而使电解池阳极的极化电阻大大增加，并且可破坏阳极材料的微观结构，造成电解池的彻底失效。为了解决以上问题，目前较为常用的方法是开发具有更高电化学活性的阳极材料或者优化阳极结构从而减少电极中压力的积累。然而，当高过电位大电流电解时，电极仍然会发生不可逆的性能衰减。目前电解池存在的以上问题并没有得到解决，大大制约了电解池的商业化应用。因此，存在这样的需求，即开发出具有结构稳定的电解池阳极材料实现电解池的长时间稳定运行。

发明内容

本发明目的是为了解决现有高温电解池电极存在的不可逆的性能衰减及无法长期稳定运行的问题，而提出一种固体氧化物电解池高温熔融碳酸盐空气电极的制备方法。

固体氧化物电解池高温熔融碳酸盐空气电极的制备方法，按以下步骤实现：

一、制备电解质：采用流延法制备电解质；

二、制备电解质薄膜：将步骤一的电解质采用高温烧结法制备电解质薄膜；

三、制备多孔阴极：在步骤二制备的电解质薄膜一侧制备多孔阴极，阴极的空隙率为25％-50％，孔的直径为0.2-8微米，厚度为20-80微米；

四、制备多孔阳极：采用溶胶凝胶法、固相反应法、甘氨酸燃烧法或柠檬酸燃烧法制备陶瓷粉体，然后加入造孔剂，混匀后得混合物；采用混合物在经步骤三制备后的电解质薄膜的另一侧制备多孔阳极，阳极的空隙率为20％-60％，孔的直径为0.1-8微米，厚度为10-100微米；

五、在多孔阳极中引入碳酸盐，然后通过丝网印刷法在多孔阴极和多孔阳极上制备汇流层，再置于500℃-900℃下烧结0.1-6h，即完成固体氧化物电解池高温熔融碳酸盐空气电极的制备。

本发明中添加的碳酸盐在高温熔融状态下将发生反应，其中碳酸盐分解为二氧化碳和氧气，同时放出电子；生成的二氧化碳在电解表面与氧离子反应生成碳酸盐，这样在阳极中可形成一个闭合的循环；形成的循环间接实现了氧的析出，这样可大大降低氧在电极表面压力的积累，使电解池在大电流电解下也不会发生电极脱落的现象，可显著地提高电解池的使用寿命，提高电极的稳定性，具有长期稳定运行的能力；适用于高温电解水、电解二氧化碳以及水二氧化碳共电解等能源环保工业领域。

附图说明

图1为本发明中固体氧化物电解池高温熔融碳酸盐空气电极过程的示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。