质子导体固体氧化物电池制造技术

本发明专利技术提供一种质子导体固体氧化物电池，包括从上到下依次层叠设置的正极骨架层、正极阻隔层、电解质隔膜层、负极阻隔层以及负极骨架层，其中：所述电解质隔膜层的材质为质子导电氧化物；所述正极骨架层和所述负极骨架层的材质均为多孔型的掺杂氧化铈；所述正极阻隔层和所述负极阻隔层的材质均为致密型的掺杂氧化铈。本发明专利技术以具有较高质子电导率的氧化物为电解质隔膜，以多孔掺杂氧化铈为电极骨架；同时，在电解质隔膜与正负极之间增加致密的掺杂氧化铈阻隔层，避免电解质隔膜与多孔电极中可能存在的CO2或H2O直接接触，增强电解质隔膜的化学与结构稳定性，从而增强电池性能稳定性。从而增强电池性能稳定性。从而增强电池性能稳定性。

【技术实现步骤摘要】
质子导体固体氧化物电池


[0001]本专利技术涉及电池
，特别涉及一种质子导体固体氧化物电池。

技术介绍

[0002]固体氧化物电池(SOC)是一类重要的“气
‑
电
‑
热”灵活转换器件，既可以将氢气、一氧化碳、天然气等燃料高效的转化为电和热，又可以通过电解H2O或CO2的方式将富余电能和热能以化学能的形式存储在氢气、一氧化碳等燃料中。固体氧化物电池主要由电解质隔膜、负极(或氢电极)和正极(或氧电极)组成，其中，电解质隔膜是SOC的核心部件，很大程度上决定着匹配的正、负极材料和电池工作温度。根据电解质隔膜传导离子的种类，固体氧化物电池分为氧离子导体固体氧化物电池(O
‑
SOC)和质子导体固体氧化物电池(H
‑
SOC)。质子导体固体氧化物电池利用可传导质子的电解质将氧化剂和还原剂分隔在两极，以其相对温和的工作温度、较低的成本和可观的应用前景成为一类重要的中低温固体氧化物电池：(1)质子在电解质晶格中毗邻的2个氧原子之间传导，具有相对较低的活化能，在相对较低的温度下就可以完成质子的产生和氧化反应，显著降低电池的反应温度，拓宽密封连接材料的选择范围，降低电池成本；(2)电解质隔膜的质子化程度随温度降低而升高，有利于质子电导和电池低温性能的提升。
[0003]在各类质子导体固体电解质中，掺杂BaCeO3–
δ
具有较高的质子导电率，但在含有CO2/H2O的气氛中不稳定。BaZrO3–
δ
在酸性气体中具有良好的化学稳定性，而且易与BaCeO3–
δ
生成固溶体，因此，将BaCeO3–
δ
的Ce部分取代为Zr，可以获得兼具高的质子导电率和化学稳定性的材料，如BaCe
0.7
Zr
0.1
Y
0.2
O3–
δ
。对于质子导体固体氧化物电池，负极普遍采用氧化镍与电解质材料构成的金属陶瓷(如NiO
‑
BaCe
0.7
Zr
0.1
Y
0.2
O3–
δ
等)，正极则一般采用氧离子/质子
‑
电子混合导电氧化物与电解质材料构成的双相复合陶瓷(如BaGd
0.8
La
0.2
Co2O6‑
δ
‑
BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.2
O3–
δ
等)。为了降低质子在电解质隔膜内的传导阻力和电解质隔膜内阻，电池一般采用负极或者正极支撑的薄膜电解质结构。尽管BaCeO3–
δ
‑
BaZrO3–
δ
固溶体的化学稳定性较BaCeO3–
δ
有较大的提升，但是在高浓度CO2/H2O的气氛中的稳定性仍然不够，还会与CO2和H2O反应，形成碳酸盐和氢氧化物，导致单电池欧姆电阻和负极极化电阻急剧增加。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是提出一种质子导体固体氧化物电池，旨在解决质子导体固体氧化物电池在高浓度CO2/H2O的气氛中的稳定性不足的缺陷。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出一种质子导体固体氧化物电池，所述质子导体固体氧化物电池包括从上到下依次层叠设置的正极骨架层、正极阻隔层、电解质隔膜层、负极阻隔层以及负极骨架层，其中：
[0006]所述电解质隔膜层的材质为质子导电氧化物；
[0007]所述正极骨架层和所述负极骨架层的材质均为多孔型的掺杂氧化铈；
[0008]所述正极阻隔层和所述负极阻隔层的材质均为致密型的掺杂氧化铈。
[0009]可选地，所述质子导电氧化物包括掺杂BaCeO3–
δ
、掺杂BaZrO3–
δ
、BaZr1‑
x
‑
y
Ce
x
Y
y
O3–
δ
、Sr2Sc
1+x
Nb1–
x
O6–
δ
、Ba3Ca
1+x
Nb2–
x
O9中的任意一种，其中，0<x<1,0<y<1,0<δ<1。
[0010]可选地，所述掺杂氧化铈包括Ce1‑
x
La
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Y
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Sm
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Gd
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Pr
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Nd
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Ca
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Mg
x
O2‑
δ
中的任意一种，其中，0<x<1,0<δ<1。
[0011]可选地，所述正极骨架层的孔隙率为10～70％；和/或，
[0012]所述负极骨架层的孔隙率为10～70％。
[0013]可选地，所述正极骨架层和所述负极骨架层的厚度相等，且所述正极骨架层和所述负极骨架层的厚度之和为0.1～2mm；和/或，
[0014]所述正极阻隔层的厚度为1
‑
30μm；和/或，
[0015]所述电解质隔膜的厚度为1
‑
30μm；和/或，
[0016]所述负极阻隔层的厚度为1
‑
30μm。
[0017]可选地，所述正极骨架层负载有纳米正极催化剂；和/或，
[0018]所述负极骨架层负载有纳米负极催化剂。
[0019]可选地，所述纳米正极催化剂包括氧离子/质子
‑
电子混合导电氧化物、或者电子导电氧化物；和/或，
[0020]所述纳米负极催化剂包括金属、合金、电子导电氧化物、氧离子/质子
‑
电子混合导电氧化物、以及复合物，所述复合物为由金属、合金、电子导电氧化物和氧离子/质子
‑
电子混合导电氧化物中的至少两种组成的复合物。
[0021]可选地，所述纳米正极催化剂包括(La1‑
x
Sr
x
)(Co1‑
y
Fe
y
)O3‑
δ
、(Ba1‑
x
Sr
x
)(Co1‑
y
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子导体固体氧化物电池，其特征在于，包括从上到下依次层叠设置的正极骨架层、正极阻隔层、电解质隔膜层、负极阻隔层以及负极骨架层，其中：所述电解质隔膜层的材质为质子导电氧化物；所述正极骨架层和所述负极骨架层的材质均为多孔型的掺杂氧化铈；所述正极阻隔层和所述负极阻隔层的材质均为致密型的掺杂氧化铈。2.如权利要求1所述的质子导体固体氧化物电池，其特征在于，所述质子导电氧化物包括掺杂BaCeO3–
δ
、掺杂BaZrO3–
δ
、BaZr1‑
x
‑
y
Ce
x
Y
y
O3–
δ
、Sr2Sc
1+x
Nb1–
x
O6–
δ
、Ba3Ca
1+x
Nb2–
x
O9中的任意一种，其中，0<x<1,0<y<1,0<δ<1。3.如权利要求1所述的质子导体固体氧化物电池，其特征在于，所述掺杂氧化铈包括Ce1‑
x
La
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Y
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Sm
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Gd
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Pr
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Nd
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Ca
x
O2‑
δ
、Ce1‑
x
Mg
x
O2‑
δ
中的任意一种，其中，0<x<1,0<δ<1。4.如权利要求1所述的质子导体固体氧化物电池，其特征在于，所述正极骨架层的孔隙率为10～70％；和/或，所述负极骨架层的孔隙率为10～70％。5.如权利要求1所述的质子导体固体氧化物电池，其特征在于，所述正极骨架层和所述负极骨架层的厚度相等，且所述正极骨架层和所述负极骨架层的厚度之和为0.1～2mm；和/或，所述正极阻隔层的厚度为1
‑
30μm；和/或，所述电解质隔膜的厚度为1
‑
30μm；和/或，所述负极阻隔层的厚度为1
‑
30μm。6.如权利要求1所述的质子导体固体氧化物电池，其特征在于，所述正极骨架层负载有纳米正极催化剂；和/或，所述负极骨架层负载有纳米负极催化剂。7.如权利要求6所述的质子导体固体氧化物电池，其特征在于，所述纳米正极催化剂包括氧离子/质子
‑
电子混合导电氧化物、或者电子导电氧化物；和/或，所述纳米负极催化剂包括金属、合金、电子导电氧化物、氧离子/质子
‑
电子混合导电氧化物、以及复合物，所述复合物为由金属、合金、电子导电氧化物和氧离子/质子
‑
电子混合导电氧化物中的至少两种组成的复合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：占忠亮，仝永成，陈初升，
申请(专利权)人：中国科学技术大学先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：