[发明专利]一种CGO/ESB双电解质层的固体氧化物电解池

说明书

本发明采用CGO/ESB电解质基的金属支撑型固体氧化物电解池，具体结构包括依次堆叠的金属支撑层、阴极层、CGO电解质层、ESB电解质层和阳极层。该CGO/ESB电解质基的金属支撑型固体氧化物电解池可以实现固体氧化物电解池在中低温下运行的目的，相比于CGO/YSZ电解质基的金属支撑型固体氧化物电解池，降低了电解池的输入电压，节省了运行成本，有助于实现SOEC的产业化发展。

技术领域

本发明属于固体氧化物电解池技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于CGO/ESB双电解质层的金属支撑固体氧化物电解池。

背景技术

固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cell，简称SOEC）是一种高温环境下运行的完全固态结构的装置，是一种先进的电化学能量转化装置,可利用清洁一次能源产生的电能和热能,以H₂O和/或CO₂为原料,通过高效电解制备氢气或碳氢燃料,是一种非常有前景的技术，它具有能量转化效率高、环境友好和燃料多样性等优点。

实现SOEC产业化的关键是降低电解池的成本，而降低成本的有效方法是降低电解池的工作温度。专利GB2368450B中描述了一种金属支撑的 CGO（钆掺杂的氧化铈）电解质基固体氧化物燃料电池，可以在相对较低的温度以及较低的极化损失下运行。虽然氧化铈具有较高的离子电导率，可以在较低的温度下运行，但它的化学稳定性不佳，在高温下暴露于还原气氛中时可被还原，其中Ce⁴⁺可部分还原为Ce³⁺。这种还原导致CGO表现出一些混合离子、电子电导率，从而导致电池的内部短路，导致开路电压的损失和相应的电池效率的损失。

为了防止电解质材料在低氧分压下发生分解，相关学者提出了双电解质层结构，也就是在CGO电解质层上沉积YSZ（钇稳定的氧化锆）层，防止CGO层的电流泄漏。氧化锆电解质材料的化学稳定性较佳，但其离子电导率较低，大大增加了欧姆极化，因此不适用于SOEC的批量化生产。而在高温下具有萤石结构的Bi₂O₃具有很高的固有氧空位浓度，其自身就有25%的亚氧晶格，具有较高的离子电导率。人们通过各种手段对其进行掺杂改性，来增大Bi₂O₃相存在的温度区间，其中广泛使用的是对Bi₂O₃掺杂Er₂O₃合成(Bi₂O₃)_0.8(Er₂O₃)_0.2，即ESB。

由于ESB在还原气氛下不稳定，易被分解产生Bi，使电解质产生大量的电子电导，同时，使ESB电解质发生体积变化，导致电解质层不致密，影响电池性能，因此，ESB不能单独作为电解质使用。CGO电解质在中温范围内具有较高离子电导率，在低氧分压下，Ce⁴⁺会转化成Ce³⁺，产生部分电子电导，对含碳化合物具有一定的催化效果。但是如果CGO单独作为电解质，又会由于电子电导的产生而降低电池开路电压，影响电池性能。本发明综合CGO与ESB的特点，制备CGO/ESB双层电解质，其中CGO在阴极侧，ESB在阳极侧。专利CN111933980A详细介绍了有关固体氧化物燃料电池的制备方法，本发明参考该专利制作了CGO电解质粉体、ESB电解质粉体和MS-SOEC(Metal-Supported Solid Oxide Electrolysis Cell，金属支撑固体氧化物电解池)。利用CGO防止ESB处于还原气氛中，利用ESB阻隔CGO的电子电导，在略微增加电解池阻抗的情况下，显著降低电解池输入电压。

针对目前YSZ电解质基SOEC运行温度较高以及运行过程中较高的活化极化，本发明提出了采用CGO电解质基MS-SOEC装置；针对目前采用CGO/YSZ双层电解质基MS-SOEC阻挡CGO电解质基MS-SOEC在运行过程中的泄漏电子现象而导致SOEC输入电压较大，运行成本较大的问题，本发明提出了使用离子电导率较高的ESB作为阻隔层的CGO/ESB双层电解质基MS-SOEC。