[发明专利]固体氧化物电化学能源器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学能源器件技术领域，尤其涉及一种固体氧化物电化学能源器件及其制备方法。

背景技术

燃料电池被认为是一种非常有前景的清洁能源技术，尤其是固体氧化物燃料电池。燃料电池是一种可以直接把化学能转化为电能的装置，由于不受限于热力学循环的极限效率，燃料电池换能效率通常比热机方式发电高出一倍多。在众多不同种类的燃料电池中，固体氧化物具有很多很有吸引力的优点，比如，跟只能使用氢气的质子交换膜燃料电池不同，固体氧化物燃料电池具有非常好的燃料适应性，因此被形象的称为“吃粗粮的大力士”，此外，固体氧化物燃料电池由于无需使用贵金属催化剂所以成本很低，高温运行特点可以方便的进行热电联供，进一步提高能源利用率。遗憾的是直到目前为止，固体氧化物燃料电池没有成功商业化的产品，主要的原因是成本太高。造成固体氧化物燃料电池成本过高的一个主要原因是，传统的电池构型对燃料电池的材料设计和器件设计带来很多限制。这种限制使得固体氧化物燃料电池只能使用几种比较稀有的材料而且只能够在非常苛刻的条件下操作。

固体氧化物燃料电池最经典的材料就是YSZ电解质材料。因为这种材料几乎是离子导体，所以一直以来被认为是最有希望的固体氧化物燃料电池电解质材料。但恰恰是这种看似近乎完美的材料限制了固体氧化物燃料电池的发展。YSZ的一大缺点是需要在非常高的温度下运行才能够获得令人满意的离子电导率，所以一般YSZ基的固体氧化物燃料电池需要在700摄氏度以上操作。这么高的操作温度对器件的稳定性、材料的匹配性以及支撑材料的选择带来很大挑战，所以很难制造出有实用意义的电池堆来。近年来，研究人员发现有一些材料在低温下就可以获得非常不错的离子电导率，但是这些材料往往都是混合离子电子导体，不能直接拿来作为燃料电池电解质。所以就陷入一个很尴尬的境地，因为根据传统的燃料电池设计思路，电解质材料是绝对不允许有电子导电性的，否则就会造成电池内部漏电甚至损坏电池。

比如，申请号为201610160492.X的专利公开了一种p-n结型燃料电池，这种电池干脆去掉了电解质层，却也同样巧妙的实现了燃料电池功能。不过，p-n结型燃料电池有一个缺点就是只能用来作为燃料电池，不能够反向操作（把它用作电解池）。除了电池结构上的改进有助于燃料电池的实用化外，制备工艺的改进同样可以降低燃料电池的成本。通常固体氧化物燃料电池制备过程都是采用高温陶瓷工艺。同时为了保证电解质层致密而电极层多孔，固体氧化物燃料电池的制备过程中往往涉及到多次高温（900℃-1400℃）退火程序。这种制备工艺不仅耗费大量的能源而且还存在制备周期长等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种固体氧化物电化学能源器件，所述器件具有制作简单、成本低、可有效的减少积碳以及性能稳定的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种固体氧化物电化学能源器件，其特征在于：所述器件包括电极和隔膜层，所述电极包括阴极和阳极，所述隔膜层位于阴极与阳极之间，所述电极的制作材料与隔膜层的制作材料具有相反的半导体特性。

进一步的技术方案在于：所述电极的制作材料为具有p型半导体特性的材料，所述隔膜层的制作材料为具有n型半导体特性的材料。

进一步的技术方案在于：所述电极的制作材料为具有n型半导体特性的材料，所述隔膜层的制作材料为具有p型半导体特性的材料。

进一步的技术方案在于：所述电极的制作材料为具有双催化活性的材料。

进一步的技术方案在于：所述电极的制作材料为同时具有氧化还原催化活性和氢气氧化催化活性的材料。

进一步的技术方案在于：所述隔膜层为致密的具有离子导电特性的材料层。

本发明还公开了一种固体氧化物电化学能源器件制备方法，其特征在于包括如下步骤：

在模具中按照阳极材料、隔膜材料与烧结助剂的混合物以及阴极材料的顺序依次均匀铺撒三层；

在200MPa-500MPa压强下压制成片后，在600-800摄氏度煅烧3-5小时得到一个单体能源器件。

进一步的技术方案在于：所述的隔膜材料与烧结助剂的混合物为均匀混合体，所述烧结助剂为氧化铜、氧化镍和/或氧化钴，所述烧结助剂占混合体的质量比为5%-50%之间。

进一步的技术方案在于：所述的阳极材料以及阴极材料中加有质量比不超过30%的反烧结助剂。

本发明还公开了一种固体氧化物电化学能源器件制备方法，其特征在于包括如下步骤：将阳极材料、阴极材料和隔膜材料与烧结助剂的混合物分别倒进过量水中，搅拌，形成三种均一的悬浮乳液；