[发明专利]梯度电极和固态氧化物电池

说明书

技术领域

本发明涉及新能源电池领域，具体而言，涉及一种梯度电极和固态氧化物电池。

背景技术

固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFC)被认为是清洁高效热电联产、分布式发电、能源互联网等的最理想电源之一，过去十几年来美日欧等发达国家已经投入巨资研发。

SOFC一般运行在600℃以上的高温，基于固态氧化物电解质传导氧离子并分隔阳极和阴极的反应气体，电极反应不依赖于贵金属催化剂，而采用相对廉价的过渡金属或稀土氧化物。SOFC另一突出优点是燃料适用性广，氢气、一氧化碳、氨气、甲烷等皆可作为燃料使用，而且功率密度高，发电效率可达60％，热电联产效率可达90％以上，还具有无噪音、无污染、模块化组装等优点。

另一方面，上述电池可以进行逆向操作，即作为固态氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cells，SOEC)利用电能生产具有较高价值的燃料气或合成气。比如采用SOEC电解水制备纯氢气(H₂O→H₂+1/2O₂)，或者电解二氧化碳生产一氧化碳(CO₂→CO+1/2O₂)，或者水与二氧化碳共电解制备具有广泛化工用途的CO-H₂合成气(H₂O+CO₂→H₂+CO+O₂)。SOEC可以对接冗余且波动性的风能、太阳能等新能源，用于当前亟需的大规模能量转化。SOEC的优点除了不使用贵金属催化剂、电池成本低、转化制气效率高、可有效利用工业高温蒸汽，关键还在电能消耗方面远低于其他类型的电解池技术，从而具有突出经济优势。

上述SOFC和SOEC合称为固态氧化物电池(Solid Oxide Cells，SOC)，当其用作燃料电池发电运行时，燃料电极为阳极，氧电极为阴极；当用作电解池进行电解制气时，恰好反过来，燃料电极为阴极，氧电极为阳极。为避免不同运行时的名称混淆，以下使用燃料电极和氧电极指代两侧电极。

固态氧化物电池一般分为管式和平板式两种结构类型。管式固态氧化物电池密封简单，热循环性能较好，但集流存在一定困难，同等条件功率密度要比平板式低很多。平板型固态氧化物电池由于功率密度很高，而且具备低成本批量化制造优势，近十年来成为相对主流的结构类型。

为保证较大的发电功率或电解制气产量，每片固态氧化物燃料电池/电解池的活性电极面积(或者有效面积)一般在几十到几百平方厘米。固态氧化物电池的性能取决于电池内部诸多参量，包括电极厚度、气孔率、孔径分布等结构因素，以及气体、成分、温度、电流负荷等状态因素。这些参量在电池平面内的分布不均，会导致电池平面内的性能差异，不仅影响整体的运行效率，且不利于电池的长期运行寿命。

现有的固态氧化物电池在性能上仍然存在改进的空间。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种新的梯度电极以及包含该梯度电极的固态氧化物燃料电池和固态氧化物电解池。

本发明的一个实施方式提供一种梯度电极，所述梯度电极用于固态氧化物电池，并且所述梯度电极的反应活性沿气流方向以梯度形式增加。

在上述的梯度电极中，所述梯度电极被划分为多个反应活性区域，相邻的所述反应活性区域之间的间隙宽度范围为0-5mm。

在上述的梯度电极中，所述梯度形式为平滑式梯度或台阶式梯度。

在上述的梯度电极中，所述梯度形式为台阶式梯度时，同一台阶区域中均匀包含相同粒径的催化剂，并且所述催化剂中至少一种催化剂的粒径沿所述气流方向在不同的所述台阶区域中阶梯式递降。

在上述的梯度电极中，所述梯度电极中包含由造孔剂形成的气体传输孔隙，同一台阶区域中均匀包含所述孔隙，并且所述孔隙的密度沿所述气流方向在不同的所述台阶区域中以梯度形式增加。

可选地，所述梯度电极用作燃料电极或氧电极。

在上述的梯度电极中，所述梯度电极的反应位点的密度沿气流方向以梯度形式增加。

在上述的梯度电极中，所述反应位点为催化剂与离子导体担载以及反应气体的三相界面。反应位点的数量由催化剂的担载量和粒径具体体现。一般地，电化学催化性能与反应位点数量为单调增加关系，反应位点数量与催化剂颗粒粒径为单调减小关系。

在上述的梯度电极中，所述催化剂包括多种催化剂，至少一种催化剂的担载量沿所述气流方向以梯度形式增加，其余催化剂沿所述气流方向均匀分布或者以梯度形式增加。