[發明專利]對稱材料非對稱結構電解池及其制備方法

有效

• 申請號: 202110621301.6
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113337834B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 董德華;劉方升;李天培
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B1/23;C25B9/19;C25B11/032;C25B11/047
• 代理公司: 山東知圣律師事務所 37262
• 代理人: 陳曉輝

本發明屬于固體氧化物電解池技術領域，具體涉及稱材料非對稱結構電解池及其制備方法和其應用。所述對稱材料非對稱結構電解池由具有微通道結構的電極支撐體、薄電解質層及多孔電極層組成；所述的微通道結構一端貫穿支撐體，另一端與薄電解質層連；所述構成多孔電極層的對稱材料由NiO和氧離子導體材料混合組成，或者構成多孔電極層的對稱材料為純鈣鈦礦材料或鈣鈦礦與氧離子導體材料混合組成。本發明方法采用含Ni基電極或鈣鈦礦基電極與電解質三層共燒，極大增加電極/電解質界面結合力，同時保證電極有足夠的孔隙率用于氣體擴散。本發明所制備的電解池可根據應用場景選擇是否采用燃料輔助電解CO₂、H₂O。

技術領域

本發明屬于固體氧化物電解池技術領域，具體涉及稱材料非對稱結構電解池及其制備方法。

背景技術

固體氧化物電解池是一種全固態結構的能量轉換器件，利用電能在多孔電極進行電解H₂O、CO₂，生產H₂、CO，也可以進行 H₂O 和CO₂共電解制備合成氣（CO 和 H₂ 的混合氣）。與太陽能、風能等可再生能源結合，進行可再生能源存儲，解決可再生能源供給的間歇性、波動性等問題。電解池系統的效率直接影響其運行成本，是決定該技術商業化應用的關鍵。在設備、原料、能源動力（熱能、電能）等成本方面，能源動力成本約占高溫電解總運行成本的60%，其中電力成本占能源動力成本的主要部分。

對于傳統Ni基陰極，為避免Ni被H₂O或CO₂氧化而失去活性，H₂被通入陰極作為保護氣，此時將電解產生的氧離子從陰極拉到陽極需要克服H₂/空氣形成的電勢差，該過程大部分電能被消耗而造成了電能的極大浪費。目前通常采用兩種方式降低電解電耗：一種是利用燃料氣，如H₂、CO、CH₄、其他碳氫燃料輔助電解降低陽極的氧分壓，從而降低電解電耗，雖然碳氫燃料在自然界有很大的儲量，但是引入碳氫燃料后，會導致傳統Ni基電極積碳；另一種方法是使用鈣鈦礦電極作為陰極，避免使用H₂作為保護氣，鈣鈦礦陽極作為常用氧析出電極，所以這種電池的兩個電極都采用鈣鈦礦基材料。

發明內容

為解決現有技術的缺陷，本發明的目的是提供一種對稱材料非對稱結構電解池制備方法，該方法采用含Ni基電極或鈣鈦礦基電極與電解質三層共燒，極大增加電極/電解質界面結合力，同時保證電極有足夠的孔隙率用于氣體擴散。

本發明的又一發明目的為提供了上述制備方法制備的高電解效率電解池，所述電解池可根據應用場景選擇不同的輔助燃料進行輔助電解CO₂、H₂O。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

對稱材料非對稱結構電極固體氧化物電解池，所述對稱材料非對稱結構電解池由具有微通道結構的電極支撐體、薄電解質層及多孔電極層組成；所述的微通道結構一端貫穿支撐體，另一端與薄電解質層連；所述構成多孔電極層的對稱材料由NiO和氧離子導體材料混合組成，或者構成多孔電極層的對稱材料為純鈣鈦礦材料或鈣鈦礦與氧離子導體材料混合組成。

優選地，所述電極支撐體厚度為0.3mm~2mm，所述的薄電解質層厚度為0.4μm~30μm；所述多孔電極層/薄電解質界面微通道直徑為0.5μm~5μm，逐漸合并增大到10μm~100μm。