具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池及制备方法，属于电化学技术领域。它的电池主体包括一层电解质和一个提供电池整体机械强度的内电极，内电极内部布置有规律性排列的气道，且内电极的至少两个侧面覆盖有侧封构件，电解质的外表面布置有外表面部件，外表面部件至少包括中间层和外电极。嵌在內电极中的规整微通道使气体流经內电极时的气流阻力得到显著降低，并且这些分散在內电极内部的规整微通道有助于流经內电极的气体均匀的分布到所有的电解质和电极的界面区域，使电极反应更充分，电池的电效率更高。电池的电效率更高。电池的电效率更高。

【技术实现步骤摘要】
具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池及制备方法


[0001]本专利技术属于电化学
，涉及一种固体氧化物电池及制备方法，特别涉及一种具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池及制备方法。

技术介绍

[0002]1、固体氧化物电池(Solid Oxide Cell,SOC)的工作原理
[0003]固体氧化物电池(Solid Oxide Cell,SOC)是一种以固体氧化物作为电解质的陶瓷电化学器件，由至少一层电解质和至少两个电极组成，由电极提供电池整体强度的称为电极支撑的固体氧化物电池，由电解质提供电池整体强度的称为电解质支撑的固体氧化物电池。电解质材料通常为掺杂稳定的氧化锆，如氧化钇掺杂稳定的氧化锆(YSZ)，Sc2O3掺杂稳定的氧化锆(ScSZ)，氧化钪氧化钇掺杂稳定的氧化锆(ScYSZ)，氧化钪氧化铈掺杂稳定的氧化锆(ScCeSZ)或氧化钙CaO稳定的氧化锆(CSZ)等，其中应用最广泛的是8mol％氧化钇掺杂稳定的氧化锆(8YSZ)。电解质也可以是其他萤石结构的氧化物，如氧化钆或氧化钐掺杂稳定的氧化铈，即GDC(gadolinia doped ceria)或SDC(samaria doped ceria)，也可以是钙钛矿结构的氧化物，如LaSrGaMgO(LSGM)等，这些已被业内人士所共知【V.V.Kharton,et al.,Transport properties of solid oxide electrolyte ceramics:a brief review,Solid State Ionics,174:135-149(2004)】。电极的材料组成可以是钙钛矿结构的氧化物，如LaSrMnO(LSM)，LaSrCoFeO(LSCF)等，也可以是萤石结构的氧化物，如SDC，GDC等，也可以是复合物，如LSM和YSZ/CGO等组成的复合物，也可以是贵金属如Pt或含贵金属的复合物，如Pt和YSZ组成的复合物，这些已为业内人士所共知【E.V.Tsipis,et al.,Electrode materials and reaction mechanisms in solid oxide fuel cells:a brief review,J.Solid State Electrochem.,12:1367-1391(2008)】。
[0004]固体氧化物电池(SOC)工作时至少2个电极附近的氧浓度存在10倍或数个数量级的差异，以下称氧浓度较高的气体为富氧气体，工作于富氧气体中的电极称为富氧电极，氧浓度较低的气体称为贫氧气体，对应电极称为贫氧电极。富氧气体的成分可含氧气、氮气、氩气、氦气，但最常用的、最典型的富氧气体是空气，相应的电极称空气电极。贫氧气体可含有一氧化碳、甲烷、甲醇、氢气等多种具有燃料性质或还原性质的气体成分，典型的贫氧气氛如氢/水混合气，氢/一氧化碳/水汽混合气，一氧化碳/二氧化碳混合气，氮氧化合物(NOx)/氮气混合气，对应的电极称为燃料电极。贫氧和富氧电极用电解质隔开，电解质需要尽可能致密不漏气，并且其电导性应该尽可能通过离子而非电子迁移实现，如果电解质中存在电子电导，则电池内部就会存在短路电流，电池整体效率将显著下降。SOC电解质的电荷传输通常由氧离子作为载体，即氧离子电导。
[0005]固体氧化物电池(SOC)工作在500到1000摄氏度的温度区间，可有两种工作模式：发电模式Solid Oxide Fuel Cell(SOFC模式)和电解模式Solid Oxide Electrolysis Cell(SOEC模式)。当SOC工作于发电模式，即SOFC模式时，富氧电极内的氧气分子发生还原反应变成氧离子(O
2-)，氧离子从富氧电极一侧通过电解质扩散迁移到贫氧电极一侧，如果
贫氧电极内存在燃料性气体分子，则氧离子就继而与贫氧电极内的燃料气体分子发生化学反应。典型的，如果贫氧电极内的气体成分有氢(H2)和一氧化碳(CO)，则贫氧电极内发生的化学反应就包括：
[0006]H2+O
2-→
H2O+2e-[0007]CO+O
2--→
CO2+2e-[0008]整个过程的宏观表现为氧分子从富氧气体一侧透过电解质迁移到贫氧气体一侧，富氧气体和贫氧气体间的氧浓度差随之减小。发电模式下，SOC将贫氧气体的化学能转化电能并对外输出。以氢和氧电极为例，SOFC模式的电极反应和整体电化学反应可表示为：
[0009]阳极(贫氧电极)：H2+O
2-→
H2O+2e-[0010]阴极(富氧电极)：1/2O2+2e
-→
O
2-[0011]总反应：H2+1/2O2→
H2O
[0012]如果不能及时移除电极反应产物，富氧气体和贫氧气体间的氧浓度差就会随反应进行而减小。
[0013]固体氧化物电池(SOC)工作于电解模式，即SOEC模式时，贫氧电极内气体，如氧(O2)、水蒸汽(H2O)，二氧化碳(CO2)，氮氧化物(NO
x
)等分子中氧分子或氧离子在外加电场的作用下，以氧离子(O
2-)的形式扩散通过电解质迁移到富氧电极，并在富氧电极内发生氧化反应成为氧分子。整个过程的宏观表现为氧分子在外界电场的作用下从氧浓度较低的贫氧气体一侧透过电解质迁移到氧浓度较高的富氧气体一侧，富氧气体和贫氧气体间的氧浓度差随之增大。在电解模式下，SOC吸收外界输入的电能，并将其转化为贫氧气体的化学能。以氢和氧电极为例，SOEC模式的电极反应和整体电化学反应可表示为：
[0014]阳极(富氧电极)：O
2-→
1/2O2+2e-[0015]阴极(贫氧电极)：H2O+2e
-→
H2+O
2-[0016]总反应：H2O
→
H2+1/2O2[0017]当SOC在两种模式间进行切换工作时，可实现电能和化学能间的相互转换，这个过程可能伴有热量的释放或吸收。无论SOC工作在发电(SOFC)或电解(SOEC)模式，均有可能接受外界的热能输入或本身释放热能到外界，因此利用SOC技术就可以实现电能、热能和化学能之间的相互转换。SOC工作于电解模式(SOEC)时，将电能转化为化学能存储下来，工作于发电模式(SOFC)时，将贫氧气体的化学能直接转化为电能，避免了卡诺循环对热机过程发电效率的限制，实现高效的化学能利用。
[0018]典型的贫氧气体如H2和H2O的混合物，在发电模式(SOFC)下，SOC的总反应为：H2+1/2O2→
H2O，在电解池模式(SOEC)下，SOC的总反应为：H2O
→
H2+1/2O2。典型的贫氧气体也可以是如CO2，H2O，CO，H2构成的混合物，在发电模式下，SOC的总反应为：H2+1/2O2→
H2O,2CO+O2→
2CO2。在电解模式(SOEC)下，SOC的总反应是H2O
→
H2+1/2O2，2CO2→
2CO+O2，含CO，H2的电解产物也称合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，其特征在于，电池主体包括一层电解质和一个提供电池整体机械强度的内电极，所述内电极内部布置有规律性排列的气道，且内电极的至少两个侧面覆盖有侧封构件，所述电解质的外表面布置有外表面部件，所述外表面部件至少包括中间层和外电极。2.根据权利要求1所述的内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，所述內电极中布置的规律性排列的多条气道中的单条气道的横截面等效直径尺度在20-200微米之间。3.根据权利要求1所述的具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，其特征在于，所述外表面部件还包括内电极极板和外电极极板，所述内电极通过内汇流线与所述内电极极板相连，所述外电极通过外汇流线与所述外电极极板相连，并且所述内汇流线的电导率不低于所述内电极，所述外汇流线的电导率不低于所述外电极。4.根据权利要求1所述的具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，其特征在于，所述侧封构件包括若干个亚层，其中至少一层亚层是致密不透气的，且所述致密不透气的亚层和所述电池的侧面之间设置有至少一层粗糙透气的亚层。5.根据权利要求1所述的具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，其特征在于，所述外表面部件还包括覆盖在外电极表面上的若干条外集流线，且所述外集流线的电导率不低于外电极。6.根据权利要求5所述的具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，其特征在于，所述外表面部件还包括保护层，所述保护层覆盖所述外表面部件中的至少一个。7.根据权利要求3所述的具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，其特征在于，所述内汇流线位于侧封构件和所述电池的侧面之间。8.根据权利要求3所述的具有内嵌规律性布置气道的固体氧化物电池，其特征在于，所述内汇流线至少部分的布置于所述外电极所在的电解质一侧的表面，并通过在所述电解质上的开口与内电极相连，在所述电解质开口的表面处覆盖有一层...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡强，吴剑，
申请(专利权)人：浙江臻泰能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：