[发明专利]复合氧电极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合氧电极及其制造方法。

背景技术

固体氧化物电池(SOC)在本领域是公知的并且具有各种各样的设计。典型的构造包括平板设计和管状设计，其中电解质层被夹在两个电极层之间。在操作过程中，通常在500℃至1100℃的温度，一个电极与氧气或空气接触，另外一个电极与燃料气体接触。固体氧化物电池包括固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)。

“可逆”固体氧化物燃料电池是能消耗燃料气体，例如氢气，以产生电的燃料电池，并且可以逆转从而消耗电以产生气体。典型地，氢燃料电池，例如，使用氢气(H₂)和氧气(O₂)产生电和水(H₂O)；可逆氢燃料电池也可以使用电和水产生氢气和氧气。由于电池相同的层状设计，因此同样的电池原则上可以被用于两种应用，并且因此称作“可逆”电池。

对于SOC几种特性是必须的，例如高传导率、在电极/电解质界面处大面积的电化学活性部位、在宽范围的燃料气氛下的化学和物理稳定性、以及随操作时间变化微结构变化最小，因为这些变化经常伴随电性能的退化。

为了以足够寿命(目前本行业所需要的)操作电池，SOFC阴极和SOEC阳极(氧电极)的宽范围的材料特性是需要的。最显著地，氧电极需要高离子传导率、高电子传导率、对氧还原的好催化活性、与电池的其它材料的TEC匹配的热膨胀系数(TEC)、热稳定性、以及化学稳定性。

到目前为止，现有技术集中在具有尽可能多的上述要求的材料上。例如，混合的离子和电子导体(MIEC)已被广泛研究。但是，尽管MIEC材料具有很有前途的电子和离子传导性性能，但是该材料不利地具有较高TEC和不足的热以及化学稳定性，其结果在整体上缩短了电池寿命。

WO2006/082057A涉及固体氧化物燃料电池的制备方法，包括步骤：

提供金属支撑层；

在金属支撑层上形成阴极前驱体层；

在阴极前驱体层上形成电解质层；

烧结得到的多层结构；

浸渍阴极前驱体层以形成阴极层；以及

在电解质层上形成阳极层。

金属支撑层优选包括FeCr合金和约0至50体积％的金属氧化物，例如掺杂氧化锆，掺杂氧化铈，Al₂O₃，TiO₂，MgO，CaO，和Cr₂O₃。进一步，阴极层优选包括选自由掺杂氧化锆、掺杂氧化铈、镧锶锰酸盐、镧系元素锶锰酸盐、镧系元素锶铁钴氧化物、(Y_1-xCa_x)Fe_1-yCo_yO₃、(Gd_1-xSr_x)Fe_1-yCo_yO₃、(Gd_1-xCa_x)Fe_1-yCo_yO₃和它们的混合物构成的组中的材料。

然而，虽然最后得到的阴极是包括电子传导性材料和氧离子传导性材料的混合复合材料，浸渍有催化剂材料，所述结构的缺点在于电子传导性材料和氧离子传导性材料仅仅宏观地混合在一起，但是由于闭孔以及相之间不充分的接触仍表现出巨大的传导率限制，从而导致电性能对于许多工业应用而言仍是不足的。另外，它依赖于金属支撑，所述金属支撑当电池在高温操作时可能引起腐蚀问题。

EP-A-1760817涉及可逆固体氧化物燃料电池整料堆，包括：

第一部件，其包括至少一个多孔含金属层(1)，结合的电解质和密封层(4)在该多孔含金属层(1)上；其中所述至少一个多孔含金属层支持着电极；

第二部件，其包括至少一个多孔含金属层(1)，互连和密封层(5)在该多孔含金属层(1)上；其中所述至少一个多孔含金属层(1)支持着电极；

得到的阴极层优选是FeCrMa合金层，其可以包含掺杂氧化铈或掺杂氧化锆。但是，由于孔关闭以及相之间不充分的接触，得到的电极的骨架结构仍表现出巨大的传导率限制，从而导致电性能对于许多工业应用而言仍然不足。另外，它依赖于当电池在高温操作时可能引起腐蚀问题的金属支撑。

US-A-6017647公开了用于固态电化学装置的复合氧电极/电解质结构，其中多孔复合电极与致密电解质膜接触，所述电极包括：