[发明专利]一种高性能固体氧化物电解池及其制备方法

说明书

本发明公开一种高性能固体氧化物电解池及其制备方法，该固体氧化物电解池采用燃料电极作为支撑体，采用掺杂的氧化锆基材料制备电解质薄膜，烧结致密后，在电解质薄膜上采用纳米级掺杂的氧化铈基电解质材料和/或采用氧化铈基电解质材料对应的盐溶液制备氧化铈基电解质隔层，在900‑1250℃之间将氧化铈基电解质隔层烧结致密；再采用丝网印刷或涂膜法制备高活性含钴类复合氧电极。本发明制备的固体氧化物电解池采用低温烧结制备氧化铈基电解质隔层，有效的改善了氧电极与电解质界面的接触性能，降低了氧电极与电解质界面接触电阻，提高了电解池的性能。

技术领域

本发明涉及固体氧化物电解池领域，具体地说是涉及一种高性能固体氧化物电解池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物电解池(SOEC)是一种在中高温下以高效环保的方式将电能和热能转化成燃料中的化学能的电化学装置。它可看作是固体氧化物燃料电池(SOFC)的逆向反应装置。固体氧化物电解池为全固体结构，气体产物容易分离，避免了使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失等问题，同时具有较快的电极反应速率，无需采用Pt等贵金属电极，进而大大降低成本，被认为是目前将水蒸气和/或二氧化碳转化为燃料的最可行、最具有前景的技术路径之一。

为了降低制造成本，满足商业化的应用要求，提高固体氧化物电解池的性能和稳定性成为国内外研发的重点。提高电解池性能和稳定性的一条有效途径便是采用高活性的电极材料，以及改善电解池材料间的相容性，如采用高活性的含钴类氧电极材料，减小电极的极化电阻。但是，目前最为成熟的氧化锆基电解质(如Y₂O₃稳定的ZrO₂、Sc₂O₃稳定的ZrO₂)与目前所使用的中低温高性能含钴类氧电极材料，如Ba_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃(BSCF)(0＜x＜1，0＜y＜1)、Ln_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃(LSCF)(Ln＝La、Sm、Nd、Gd、或Dy，0＜x＜1，0＜y＜1)、La_xSr_1-xCoO₃(LSC)(0＜x＜1)、Sm_xSr_1-xCoO₃(SSC)(0＜x＜1)等，化学相容性差，在氧电极的烧结与运行过程中容易发生有害化学反应，在氧电极与电解质界面上生成高阻抗相杂质，使电解池性能急剧衰减。

氧化铈基电解质薄膜(如Gd₂O₃掺杂的CeO₂、Sm₂O₃掺杂的CeO₂)具有较高的离子电导，但在固体氧化物电解池的运行过程中容易与燃料发生还原而产生电子电导，降低电解池的性能，而且更为致命的是氧化铈的还原能够导致电解质薄膜的破裂，使电解池彻底报废。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种高性能固体氧化物电解池及其制备方法。本发明通过在氧化锆基电解质薄膜上低温烧结制备氧化铈基电解质隔层，将高性能的含钴类氧电极材料与氧化锆基电解质结合，制备出高性能固体氧化物电解池，改善了电解池的长期稳定性和可靠性。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种高性能固体氧化物电解池，包括燃料电极支撑体、氧化锆基电解质薄膜和含钴类复合氧电极，在氧化锆基电解质薄膜上设置有氧化铈基电解质隔层；

所述氧化铈基电解质隔层是采用纳米级掺杂的氧化铈基电解质材料和/或采用氧化铈基电解质材料对应的盐溶液制成的。

优选的，所述燃料电极支撑体为氧化镍与氧化锆基电解质材料制得的复合电极，其中氧化镍占30-70％，氧化锆基电解质材料占30-70％，以质量百分数计；