一种具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池制造技术

本发明专利技术涉及一种具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池，其特征在于：在电解池的阳极与电解质之间引入一种厚度为1～10微米的双层复合隔层，其靠近电解质的一层为稀土金属氧化物，靠近电极的一层为过渡金属氧化物，该复合隔层能捕捉阳极中易扩散反应的元素，并与其反应形成新的催化活性物质，从而减少易扩散反应的元素对电解质的侵蚀，改进了电解池阳极与电解质之间化学兼容性。具有双层复合隔层的电解池的阳极/电解质界面电阻非常小，电解池呈现出更高的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池，其特征是在阳极与电解质之间引入稀土与过渡金属氧化物构成的复合隔层，从而改进了高温固体氧化物电解池阳极/电解质界面的化学兼容性。
技术介绍
高温固体氧化物电解池是一种运行在中高温(600～800℃)的电解设备，得益于其较高的工作温度，可以高效地将水蒸气电解制得氢气与氧气。目前固体氧化物电解池的设计基本上沿用已有的固体氧化物燃料电池体系，其典型配置采用金属镍与氧化钇稳定的氧化锆的复合金属陶瓷材料(Ni-YSZ)作阴极，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作电解质，钙钛矿型氧化物作阳极。其中决定整体电解效率的速控步骤是阳极的析氧反应，因此为了实现高效电解，使用高催化活性的La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ或Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ是必要条件。然而，这类高活性钙钛矿型阳极材料直接与氧化锆电解质相接触时，其中的Sr元素很容易与Zr形成SrZrO3这类高电阻物质，影响电池性能与寿命。传统的解决方法是用钆掺杂的氧化铈(GDC)作中间层隔离含Sr电极与含Zr电解质，该方法能够延缓Sr的扩散，但对GDC中间层的致密性要求很高，需要使用物理气相沉积等技术，导致制备成本攀升。因此，在使用GDC作为被动防护的方式隔离Sr元素以外，还需要在其上引入一些新的元素进行功能改性，使其具备主动与Sr发生反应转化，并再度形成活性物质的作用，从而提高电极/电解质界面的稳定性。
技术实现思路
为克服现有高温固体氧化物电解池使用含Sr的La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ或Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ高性能阳极易与含Zr的YSZ反应生成高电阻物质SrZrO3的问题，本专利技术提供了一种具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池。本专利技术解决其技术问题所采用的方案是：一种具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池，所述电解池由阴极层、电解质层、双层复合隔层、阳极层构成，双层复合隔层位于阳极层与电解质层之间，双层复合隔层中靠近电解质的一层为稀土金属氧化物，靠近阳极的一层为过渡金属氧化物，双层复合隔层能捕捉阳极中易扩散的元素，并与易扩散的元素反应形成新的催化活性物质，从而减少易扩散元素对电解质的侵蚀。本专利技术中稀土金属氧化物为Ce、Sm、Gd的氧化物中的一种或二种以上组成；所述的过渡金属氧化物为Ti、Fe、Co、Cu中的一种或二种以上组成。本专利技术的双层复合隔层中，过渡金属氧化物所占比重为10％～80％。本专利技术中双层复合隔层的厚度为1～10微米，优选厚度为1～5微米。本专利技术中电解质层为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；阳极层为La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ或Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(0<x<1，0<y<1，-0.10≤δ≤0.5)类型的钙钛矿材料。本专利技术中双层复合隔层的具体制备方法如下：(1)将复合隔层中所需的稀土金属氧化物与过渡金属氧化物所对应的硝酸盐按比例配制成溶液，以碳酸钠溶液滴定沉淀后，老化、抽滤并干燥；(2)将所得沉淀研磨破碎后，于500～800℃热处理2～6小时；(3)将所得粉末分散于正丁醇与PVA体系中，并以超声震荡混合30～60小时；(4)将硬币状电解池基片安装在旋转涂覆装置上，控制转速为500～3000rpm；(5)取分散液，按照所需的复合隔层厚度，相应地滴1～10滴于电解质上；(6)将涂覆后的电解池基片于室温干燥后，在500～1200℃下焙烧1～10小时，焙烧后稀土金属氧化物与过渡金属氧化物自动分为上下两层；(7)将阳极浆料涂覆在焙烧后的修饰层上，在500～1500℃下焙烧1～10小时，即获得本专利技术所述的具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池。本专利技术的有益效果是，所述的复合隔层能捕捉阳极中易扩散反应的元素，并与其反应形成新的催化活性物质，从而减少其对电解质的侵蚀。经该方法改进后的阳极/电解质界面具有更小的电阻，电解池呈现出更高的稳定性。附图说明图1为改变过渡金属氧化物在复合隔层中的比例对电解池工作性能造成的改变。图2为具有双层复合隔层的电解池的截面结构示意图。具体实施方式实施例1选择Co3O4与GDC复合(1)将Co(NO3)2与Ce(NO3)3、Gd(NO3)3按金属离子摩尔比例10:8:2配制成溶液，以1M碳酸钠溶液滴定沉淀后，老化、抽滤并干燥；(2)将所得沉淀研磨破碎后，于500℃热处理2小时；(3)将所得粉末分散于正丁醇与PVA体系中(按照1:40比例)，并以超声震荡混合30小时；(4)将硬币状电解池基片安装在旋转涂覆装置上，控制转速为3000rpm；(5)取分散液，按照所需的厚度，相应地滴2滴于电解质上；(6)将涂覆后的电解池基片于室温干燥后，在500℃下焙烧2小时；(7)将La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阳极浆料涂覆在焙烧后的修饰层上，在1000℃下焙烧2小时，即获得本专利技术所述的具有功能性复合隔层的高温固体氧化物电解池。实施例2电化学性能测试：将上述含有Co3O4的GDC复合功能隔层固体氧化物电解池安装在电化学性能评价设备上进行测试。控制阴极气氛为50％H2-50％H2O，流量200ml/min，阳极气氛为100％O2，流量100ml/min。图1为双层复合隔层含有不同质量比的Co3O4的电解池在上述工况下的极化曲线。含Co3O4较高的电解池性能亦较高，当测试温度为800℃时，0.2V偏压下电流密度可达到550mA/cm2，相当于每制取1立方米氢气消耗约3kWh电能。实施例3选择Fe3O4与GDC复合(1)将Fe(NO3)3与Ce(NO3)3、Gd(NO3)3按金属离子摩尔比例10:8:2配制成溶液，以1M碳酸钠溶液滴定沉淀后，老化、抽滤并干燥；(2)将所得沉淀研磨破碎后，于500℃热处理2小时；(3)将所得粉末分散于正丁醇与PVA体系中(按照1:40比例)，并以超声震荡混合30小时；(4)将硬币状电解池基片安装在旋转涂覆装置上，控制转速为3000rpm；(5)取分散液，按照所需的厚度，相应地滴2滴于电解质上；(6)将涂覆后的电解池基片于室温干燥后，在500℃下焙烧2小时；(7)将Ba0.5Sr0.5Co0.2F本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池，其特征在于：所述电解池由阴极层、电解质层、双层复合隔层、阳极层依次叠合构成，双层复合隔层位于阳极层与电解质层之间，双层复合隔层中靠近电解质的一层为稀土金属氧化物层，靠近阳极的一层为过渡金属氧化物层。

【技术特征摘要】
1.一种具有双层复合隔层的高温固体氧化物电解池，其特征在
于：所述电解池由阴极层、电解质层、双层复合隔层、阳极层依次
叠合构成，双层复合隔层位于阳极层与电解质层之间，双层复合隔层
中靠近电解质的一层为稀土金属氧化物层，靠近阳极的一层为过渡金
属氧化物层。
2.根据权利要求1所述的具有双层复合隔层的高温固体氧化物
电解池，其特征在于：所述稀土金属氧化物为Ce、Sm或Gd的氧化
物中的一种或二种以上组成；所述的过渡金属氧化物为Ti、Fe、Co
或Cu中的一种或二种以上组成。
3.根据权利要求1所述的具有双层复合隔层的高温固体氧化物
电解池，其特征在于：所述稀土金属氧化物与过渡金属氧化物组成的
双层复合隔层中，过渡金属氧化物所占质量比为10％～80％。...

【专利技术属性】
技术研发人员：程谟杰，颜景波，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21