电极支撑的管状固体氧化物电化学电池制造技术

提供了适合用于电化学化学合成的电极支撑的管状固体氧化物电化学电池和用于制造其的方法。

Tubular solid oxide electrochemical cell supported by electrodes

A tubular solid oxide electrochemical cell suitable for electrochemical electrochemical synthesis and a method for manufacturing it are provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极支撑的管状固体氧化物电化学电池本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的资料。版权所有人不反对任何人对专利文件或专利公开内容进行传真复制，因为其出现在专利和商标局专利文件或记录中，但是在其他方面保留任何所有版权。以下公告适用于软件和适用于下面以及形成本文件一部分的附图中所描述的数据：低排放资源公司(CopyrightLowEmissionResourcesCorporation)，2015，版权所有，保留所有权力。
本公开涉及固态电化学电池，更具体而言，涉及用于化学品(chemicals)的电化学合成的电极支撑的管状固体氧化物电化学电池，以及制造这类电极支撑的管状固体氧化物电化学电池的方法。
技术介绍
并入离子导电固体电解质的电化学电池已经显示出对于气态化学合成应用的巨大希望。使用这类离子导电固体电解质的电化学合成可以以更高的反应速率产生高纯度气体，成本更低，并且没有传统催化化学合成工艺的几种化学副产物和有害的环境影响。例如，氢气(H2)和氨(NH3)的传统催化生产以及其商业规模实施中涉及的步骤是非常耗能的过程，并且产生大量的二氧化碳(CO2)，二氧化碳是一种温室气体，全球科学界广泛承认其促进了地球大气和海洋的变暖。氢气(H2)是许多工业化学品的重要原材料，而且也是可再生能源生产中的重要的主要燃料来源。目前，大部分工业氢气生产涉及含碳进料，比如天然气、煤、液化石油气等的催化蒸汽重整(catalyticsteamreforming)，如下所示：该工艺通常需要高温(比如700-1000℃)，并且，在实践中，涉及各种另外的步骤，比如从含碳进料中除硫。氨(NH3)是世界上产量最高的无机化学品之一，这是因为它的许多商业用途，比如在肥料、炸药和聚合物中的用途。氨的现代商业生产通常使用Haber-Bosch工艺的一些变型。Haber-Bosch工艺涉及气态氮(N2)和氢(H2)在铁系催化剂上在高压(比如150-300bar)和高温(比如400-500℃)下的反应，如下所示：N2+3H2→2NH3在现代生产氨的工厂中，氮进料通常源自大气，但是氢进料通常源自上面讨论的含碳进料原料的催化蒸汽重整。在实践中，该工艺的实施需要各种其他步骤，比如在可以使用之前分离和纯化氢。相比通过传统的催化工艺(比如上面讨论的那些)，通过电化学合成，可更有效和成本有效地实现工业上重要的化学品(比如氢和氨)的商业规模生产。例如，可通过直接电解蒸汽(H2O)产生氢气，而不需要含碳进料源和产生相当的二氧化碳。可通过使氢与氮直接反应而电化学产生氨，消除了在合成反应中在使用之前对于分离和纯化氢的中间步骤的需要。电化学合成通常使用电化学电池进行，所述电化学电池并入两个电极(阳极和阴极)和将两个电极分开的电解质。如在电化学合成应用中所使用的，两个电极经电子电路与电源连接，并且电解质通常是这样的材料：其传导离子种类，但是不传导电子种类也不传导非电离种类，比如初始化学反应物和最终化学产物。当在两个电极之间施加电压时，反应物在一个电极处被离解和电离，并且电离的反应物种类通过电解质朝着相对电极(oppositeelectrode)迁移，其在那里反应(在一些情况下，与存在于相对电极处的第二反应物反应)，以形成期望的反应产物。根据期望的电化学合成反应，选择和优化电极和电解质的材料和构造。为了电化学合成被广泛应用并且是商业上可行的，对这样的电化学电池存在需要，所述电化学电池可以以成本有效的、可扩展的方式，根据期望的电化学合成反应利用各种材料和以各种构造制造。而且，期望电化学电池具有结构和化学稳定性以及耐久性，以承受它们在其中运行的潜在的严苛温度、压力和化学环境。
技术实现思路
在一个方面中，本公开提供了一种管状固体氧化物电化学电池，其包含以管状形状配置的第一多孔电极，作为薄层设置在第一多孔电极的至少部分表面上的电解质，和设置在电解质的至少部分表面上的第二多孔电极。第一多孔电极包含固体氧化物电解质物质和第一电化学活性金属物质的第一混合离子/电子导电复合材料。电解质包含固体氧化物电解质物质。第二多孔电极包含相同固体氧化物电解质物质和第二电化学活性金属物质的第二混合离子/电子导电复合材料。在另一方面中，本公开提供了一种固体管状固体氧化物电化学电池，其通过如下手段制造：以管状形状挤出电极料团(dough)，以形成第一电极，其中电极料团包含固体氧化物电解质物质、第一电化学活性金属物质、碳系成孔物质、粘合剂和溶剂；烧结挤出的第一电极，以使得碳系成孔物质烧掉并且在第一电极中形成孔；在烧结的第一电极的至少部分表面上形成电解质，其中电解质是固体氧化物电解质物质的薄层；和在电解质的至少部分表面上形成第二电极，其中第二电极包含固体氧化物电解质材料和第二电化学活性金属物质。在仍另一方面中，本公开提供了一种用于制造管状固体氧化物电化学电池的方法，其包括下述步骤：形成电极料团，该电极料团包含固体氧化物电解质物质、第一电化学活性金属物质、第一碳系成孔物质、第一粘合剂和第一溶剂；以管状形状挤出电极料团，以形成第一电极；和烧结挤出的第一电极。形成包含固体氧化物电解质物质和第二溶剂的电解质浆料并且将其涂布在烧结的第一电极的至少部分表面上，并烧结电解质涂层。形成包含固体氧化物电解质物质、第二电化学活性金属物质、第二碳系成孔物质和第三溶剂的电极浆料并且将其涂布在烧结的电解质的至少部分表面，并烧结电极涂层。附图说明为了更好地理解本公开所涉及的本质、目的和方法，应结合附图参考详细说明，在所述附图中：图1A、1B和1C描绘了根据本公开的一个实施方式的管状固体氧化物电化学电池；和图2显示了流程图，其图解了用于制造根据本公开的管状固体氧化物电化学电池的方法的一个实施方式。具体实施方式本公开提供了用于电化学合成的电化学电池的成本有效的生产，所述电化学电池可根据期望的电化学合成反应而被定制和优化。本公开的电化学电池具有管状构造并且由固体氧化物陶瓷材料制成。根据本公开的管状固体氧化物电化学电池可以以各种构造被堆叠和布置，并且具有机械和化学稳定性以及耐久性，以用于各种气体(比如氢气、氨气、一氧化氮、合成气等)的商业规模的电化学合成。图lA显示了根据本公开的管状固体氧化物电化学电池100的一个实施方式的等距视图。电化学电池100由以管状形状配置的第一电极110支撑，在该第一电极110上设置电解质120和第二电极130。如图1A中显示，电解质120作为薄层设置在第一电极110的至少一部分表面上，并且第二电极130设置在电解质120的至少一部分表面上。图1B显示了通过图1A中显示的管状固体氧化物电化学电池100的中部(midsection)的横截面等距视图，而图1C显示了通过图1A中显示的管状固体氧化物电化学电池100的部分中部的轴向横截面图。第一电极110的平均厚度(T1)大于电解质120的薄层的平均厚度(T2)和第二电极130的平均厚度(T3)之和。相对厚的第一电极为电化学电池提供了机械支撑并且允许电解质更薄，这有助于减少电阻损耗以及通过电解质运输离子所需要的能量的量。通常，第一(支撑)电极的平均厚度(T1)在约5mm至约50mm的范围内，电解质的平均厚度(T2)在约5微米至约100微米的范围内，并且第二电极的平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管状固体氧化物电化学电池，其包含：以管状形状配置的第一多孔电极，所述第一多孔电极包含固体氧化物电解质物质和第一电化学活性物质的第一混合离子/电子导电复合材料；作为薄层设置在所述第一多孔电极的至少部分表面上的电解质，所述电解质包含固体氧化物电解质物质；和设置在所述电解质的至少部分表面上的第二多孔电极，所述第二多孔电极包含所述固体氧化物电解质物质和第二电化学活性物质的第二混合离子/电子导电复合材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.08 US 14/878,5441.一种管状固体氧化物电化学电池，其包含：以管状形状配置的第一多孔电极，所述第一多孔电极包含固体氧化物电解质物质和第一电化学活性物质的第一混合离子/电子导电复合材料；作为薄层设置在所述第一多孔电极的至少部分表面上的电解质，所述电解质包含固体氧化物电解质物质；和设置在所述电解质的至少部分表面上的第二多孔电极，所述第二多孔电极包含所述固体氧化物电解质物质和第二电化学活性物质的第二混合离子/电子导电复合材料。2.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述固体氧化物电解质物质包括质子导电材料。3.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述固体氧化物电解质物质包括氧离子导电材料。4.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述固体氧化物电解质物质包括选自由以下组成的组的材料：钙钛矿、氟石、烧绿石和钙铁石。5.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述固体氧化物电解质物质包括具有通式ABO3的钙钛矿材料，其中A选自由以下组成的组：单价、二价和三价金属阳离子和其组合；并且B选自由以下组成的组：五价、四价和三价金属阳离子和其组合。6.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述固体氧化物电解质物质包括具有通式MO2的氟石材料，其中M选自由以下组成的组：二价和三价金属阳离子和其组合。7.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第一多孔电极包含按重量计至少约70％的所述固体氧化物电解质物质。8.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第一电化学活性物质选自由以下组成的组：Sc、Ti、Zn、Sr、Y、Zr、Au、Bi、Pb、Co、Pt、Ru、Pd、Ni、Cu、Ag、W、Os、Rh、Ir、Cr、Fe、Mo、V、Re、Mn、Nb、Ta、以及其氧化物、合金和混合物。9.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第二多孔电极包含按重量计至少约70％的所述固体氧化物电解质物质。10.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第二电化学活性物质选自由以下组成的组：Sc、Ti、Zn、Sr、Y、Zr、Au、Bi、Pb、Co、Pt、Ru、Pd、Ni、Cu、Ag、W、Os、Rh、Ir、Cr、Fe、Mo、V、Re、Mn、Nb、Ta、以及其氧化物、合金和混合物。11.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第一混合离子/电子导电复合材料和所述第二混合离子/电子导电复合材料是相同的。12.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第一多孔电极的平均厚度的范围是约5mm至约50mm。13.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述电解质的薄层的平均厚度的范围是约5微米至约100微米。14.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第二多孔电极的平均厚度的范围是约5微米至约100微米。15.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述管状形状具有选自由以下组成的组的截面形状：圆形、半圆形、椭圆形、正方形、矩形、梯形、三角形和星形。16.根据权利要求1所述的管状固体氧化物电化学电池，其中所述第一混合离子/电子导电复合材料和所述第二混合离子/电子导电复合材料各自的热膨胀系数在所述固体氧化物电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·阿尔瓦雷斯，L·B·萨麦斯，
申请(专利权)人：低排放资源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US