[发明专利]扁管结构固体氧化物电化学器件及其制备方法

说明书

本发明涉及电化学领域，公开了一种扁管结构固体氧化物电化学器件及其制备方法，电化学器件包括外电极、外电极连接线、电解质、内电极、内电极连接线、隔离结构；外电极和外电极连接线连接且设于电解质外侧面，内电极和内电极连接线连接且设于电解质内侧面；隔离结构由电解质、两面气道壁和隔板合围构成；隔离结构内部设有一个两端开口的气道。本发明的扁管式电化学器件的密封性好，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。

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，尤其涉及一种扁管结构固体氧化物电化学器件及其制备方法。

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 + O^2- → H₂O + 2e^-

阴极（富氧电极）：1/2 O₂+2e^- → 2O^2-

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：