[发明专利]一种高温固体氧化物电解池阳极材料及复合阳极材料

说明书

技术领域

本发明涉及高温固体氧化物电解池的阳极材料，其特征是采用尖晶石型氧化物，或尖晶石与具有氧离子电导的氧化物组成的复合材料做阳极。

背景技术

高温固体氧化物电解池是一种运行在中高温（600～800℃）的电解设备，得益于其较高的工作温度，可以高效地将水蒸气电解制得氢气与氧气。目前固体氧化物电解池的设计基本上沿用已有的固体氧化物燃料电池体系，其典型配置采用金属镍与氧化钇稳定的氧化锆的复合金属陶瓷材料（Ni-YSZ cermet）作氢电极，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）作电解质，钙钛矿型氧化物（如La_0.8Sr_0.2MnO_3+δ、La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ等）作氧电极。其中决定整体电解效率的速控步骤是氧电极上的阳极析氧反应，因此提高阳极的催化活性是实现高效电解的必要条件。然而，当传统固体氧化物燃料电池所用的钙钛矿型氧电极直接用于电解时，呈现出了一定的缺陷。La_0.8Sr_0.2MnO_3+δ-YSZ复合电极最显著的问题是在电解模式下工作容易发生电极脱落，这是由于La_0.8Sr_0.2MnO_3+δ-YSZ的反应活性较低，在外加的极化电流作用下，氧气强行析出而破坏了电极-电解质的连接界面。La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ因为具有电子-离子混合电导，反应活性较高，基本不会发生电极脱落的现象，但是长期运行时表现出性能衰减较快，稳定性较差。其主要原因是Co元素的存在能提高电催化活性，但同时也使A位元素L_a和Sr更易于从电极向电解质扩散，形成锆酸镧、锆酸锶等高阻相。因此，使用不含La或Sr元素的电极材料是提高电解池稳定性和寿命的一种可行方法。

尖晶石型氧化物广泛用于高温固体氧化物燃料电池/电解池的不锈钢连接体表面涂层，其通式为(A,B)₃O₄，当A、B为过渡族金属元素时，该类尖晶石通常具有良好的电子电导和匹配其他电池组件的热膨胀系数（J.Am.Ceram.Soc.,90[5]1515-1520(2007)），也具有一定的电催化反应活性（Int.J.Hydrogen Energy,381052-1057(2013)）。由于此类尖晶石不含La或Sr等碱土或稀土元素，故与电解质有着良好的化学兼容性。因此，它作为高温电解池的阳极既能保证电催化活性，也能达到较高的稳定性。

发明内容

为克服现有高温固体氧化物电解池阳极催化活性或稳定性较差的不足，本发明提供了一种兼具高催化活性和高稳定性的新型高温固体氧化物电解池阳极。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：阳极材料采用尖晶石型氧化物，或尖晶石与具有氧离子电导的氧化物组成的复合材料。

本发明所述的尖晶石型氧化物的化学式为(A,B)₃O₄，其中A和B为Li、B、Mg、Al、Si、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、W、Ir、Pt、Au、Bi中的一种或几种。

本发明所述(A,B)₃O₄型尖晶石型氧化物中的A元素，优选自Li、Mg、K、Ca、Ti、Cr、Fe、Ni、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、W、Bi中的一种或几种。

本发明所述(A,B)₃O₄型尖晶石型氧化物中的B元素，优选自B、Al、Si、Sc、V、Mn、Ni、Cu、Ge、Tc、Rh、Pd、Ag、Sn、Ir中的一种或几种。

本发明所述的高温固体氧化物电解池阳极材料可适配于氧化锆系列电解质，或氧化铈系列电解质，或镓酸镧系列电解质。

本发明所述的复合阳极由(A,B)₃O₄型尖晶石氧化物与另一种具有氧离子电导的氧化物混合而成，其中氧离子导体的质量分数为10%～90%。