[發明專利]一種固體氧化物電解池

在審

• 申請號: 202111539074.9
• 申請日: 2021-12-15
• 公開（公告）號: CN114016072A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 趙哲;邵志剛;程謨杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B11/053
• 分類號: C25B11/053;C25B11/091;C25B11/075;C25B1/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 周媛媛;李馨

本發明公開了一種固體氧化物電解池，其特征在于所述電解池由陰極支撐層、陰極過渡層、陰極活性層、電解池層、隔層、陽極層組成，陰極支撐層孔隙率為50～70％，陰極過渡層孔隙率為50～60％，陰極活性層孔隙率為30～50％，陰極層的孔隙率梯度變化有助于氫氣/水蒸氣擴散，陰極活性層粉體混合均勻且顆粒尺度為100～500納米，具有更多的反應活性位。所述電解池具有非常優異的電解性能。

技術領域

本發明涉及燃料電池及電解池領域，具體涉及一種固體氧化物電解池。

背景技術

固體氧化物電解池(Solid Oxide electrolysis Cell，簡稱SOEC)可耦合工業余熱在高溫下將水蒸氣電解為氫氣和氧氣，其電效率可達到100％，被認為是最高效的電解水制氫技術。

膜電極是SOEC的核心部件，其具有“三明治”結構，中間是致密的電解質層，兩邊為多孔的陰極和陽極。水分子陰極上轉為氫分子涉及如下過程：(1)水分子、氫分子在陰極中的體相擴散和表面擴散；(2)水分子解離成氫分子和氧離子；(3)氧離子通過陰極體相擴散傳遞到電解質/陰極界面；(4)氧離子注入到電解池并傳遞到陽極。目前，常用的電解池結構有陰極支撐型和電解池支撐型，相比于電解質支撐型電解池，陰極支撐型單池具有更高的電化學性能。但是由于陰極支撐型單池的陰極層較厚，通常為1mm左右，導致水分子在陰極層中擴散電阻較大，在高電流密度時，傳質擴散已明顯限制了單池性能的進一步提升。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種固體氧化物電解池，其由陰極支撐層、陰極過渡層、陰極活性層、電解池層、隔層、陽極層組成；陰極支撐層為NiO與Y_0.15Zr_0.85O₂(YSZ)組成的混合物，NiO含量為50-70wt％，其余為YSZ，陰極支撐層孔隙率為50～70％，陰極支撐層厚度為0.5～2mm；陰極過渡層為NiO與YSZ組成的混合物，NiO含量為40～60wt％，其余為YSZ，陰極過渡層孔隙率為50～60％，陰極過渡層厚度為1～15微米；陰極活性層為NiO與YSZ組成的混合物，NiO含量為30～50wt％，其余為YSZ；陰極活性層孔隙率為30～50％，陰極活性層厚度為1～10微米；電解池層為YSZ，電解質層厚度為2～50微米；隔層為Gd_0.1Ce_0.9O₂，隔層厚度為0.2～5微米；陽極層為La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃或La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃與Gd_0.1Ce_0.9O₂組成的復合物。

進一步地，在上述技術方案中，陰極支撐層中NiO含量優選為55-65wt％，陰極支撐層孔隙率優選為60～70％，陰極支撐層厚度優選為0.8～1.5mm。

進一步地，在上述技術方案中，陰極過渡層中NiO含量優選為45-55wt％，陰極過渡層孔隙率優選為45～55％，陰極過渡層厚度優選為1～10微米。

進一步地，在上述技術方案中，陰極活性層中NiO含量優選為35-45wt％，陰極活性層孔隙率優選為35～45％，陰極活性層厚度優選為1～5微米。

進一步地，在上述技術方案中，陰極支撐層選用的NiO和YSZ顆粒尺度為1～20微米，優選為5～10微米，制備所述陰極過渡層選用的NiO和YSZ顆粒尺度為0.5～5微米，優選為1～5微米，制備所述陰極活性層選用的NiO和YSZ顆粒尺度為0.1～1微米，優選為0.1～0.5微米。

進一步地，在上述技術方案中，制備所述陰極活性層選用的NiO和YSZ粉體通過一次共合成方法制備，包括如下步驟，