复合氧电极及其制造方法技术

本发明专利技术提供了复合氧电极，包括包括两个单独的但是为渗滤型的相的多孔骨架结构，其中第一相为电子传导相，第二相为氧离子传导相；以及在所述骨架结构的表面上的电催化层，其中所述电催化层包括第一和第二纳米颗粒，其中第一和第二颗粒随机地分布遍及所述层，其中第一纳米颗粒为电催化活性纳米颗粒，以及其中第二纳米颗粒由离子传导性材料形成。本发明专利技术进一步包括制备上述复合电极的方法，包括步骤：形成包括两个单独的但是为渗滤型的相的多孔骨架结构，其中第一相为电子传导相，第二相为氧离子传导相；以及在所述骨架结构的表面上施加电催化层，其中所述电催化层包括第一和第二纳米颗粒，其中第一纳米颗粒为电催化活性纳米颗粒，以及其中第二纳米颗粒由离子传导性材料形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及。技术背景 固体氧化物电池(SOC)在本领域是公知的并且具有各种各样的设计。典型的构造包括平板设计和管状设计，其中电解质层被夹在两个电极层之间。在操作过程中，通常在 500°C至1100°C的温度，一个电极与氧气或空气接触，另外一个电极与燃料气体接触。固体氧化物电池包括固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)。“可逆”固体氧化物燃料电池是能消耗燃料气体，例如氢气，以产生电的燃料电池， 并且可以逆转从而消耗电以产生气体。典型地，氢燃料电池，例如，使用氢气(H2)和氧气 (O2)产生电和水(H2O)；可逆氢燃料电池也可以使用电和水产生氢气和氧气。由于电池相同的层状设计，因此同样的电池原则上可以被用于两种应用，并且因此称作“可逆”电池。对于SOC几种特性是必须的，例如高传导率、在电极/电解质界面处大面积的电化学活性部位、在宽范围的燃料气氛下的化学和物理稳定性、以及随操作时间变化微结构变化最小，因为这些变化经常伴随电性能的退化。为了以足够寿命(目前本行业所需要的)操作电池，SOFC阴极和SOEC阳极(氧电极)的宽范围的材料特性是需要的。最显著地，氧电极需要高离子传导率、高电子传导率、 对氧还原的好催化活性、与电池的其它材料的TEC匹配的热膨胀系数(TEC)、热稳定性、以及化学稳定性。到目前为止，现有技术集中在具有尽可能多的上述要求的材料上。例如，混合的离子和电子导体(MIEC)已被广泛研究。但是，尽管MIEC材料具有很有前途的电子和离子传导性性能，但是该材料不利地具有较高TEC和不足的热以及化学稳定性，其结果在整体上缩短了电池寿命。W02006/082057A涉及固体氧化物燃料电池的制备方法，包括步骤提供金属支撑层；在金属支撑层上形成阴极前驱体层；在阴极前驱体层上形成电解质层；烧结得到的多层结构；浸渍阴极前驱体层以形成阴极层；以及在电解质层上形成阳极层。金属支撑层优选包括FeCr合金和约0至50体积％的金属氧化物，例如掺杂氧化锆，掺杂氧化铈，Al2O3，TiO2,MgO, CaO,和Cr203。进一步，阴极层优选包括选自由掺杂氧化锆、 掺杂氧化铈、镧锶锰酸盐、镧系元素锶锰酸盐、镧系元素锶铁钴氧化物、(YhCax)FehC0yC^ (GcUSrx)Fe1^yCoyO3> (Gd1^Cax)Fe1^yCoyO3和它们的混合物构成的组中的材料。然而，虽然最后得到的阴极是包括电子传导性材料和氧离子传导性材料的混合复合材料，浸渍有催化剂材料，所述结构的缺点在于电子传导性材料和氧离子传导性材料仅仅宏观地混合在一起，但是由于闭孔以及相之间不充分的接触仍表现出巨大的传导率限制，从而导致电性能对于许多工业应用而言仍是不足的。另外，它依赖于金属支撑，所述金属支撑当电池在高温操作时可能引起腐蚀问题。EP-A-1760817涉及可逆固体氧化物燃料电池整料堆，包括 第一部件，其包括至少一个多孔含金属层(1)，结合的电解质和密封层(4)在该多孔含金属层(1)上；其中所述至少一个多孔含金属层支持着电极；第二部件，其包括至少一个多孔含金属层(1)，互连和密封层(5)在该多孔含金属层(1)上；其中所述至少一个多孔含金属层(1)支持着电极；得到的阴极层优选是FeCrMa合金层，其可以包含掺杂氧化铈或掺杂氧化锆。但是，由于孔关闭以及相之间不充分的接触，得到的电极的骨架结构仍表现出巨大的传导率限制，从而导致电性能对于许多工业应用而言仍然不足。另外，它依赖于当电池在高温操作时可能引起腐蚀问题的金属支撑。US-A-6017647公开了用于固态电化学装置的复合氧电极/电解质结构，其中多孔复合电极与致密电解质膜接触，所述电极包括(a)多孔结构，包括与电子传导性材料连续相互相混合的离子传导性材料连续相； 以及(b)不同于电子传导性材料的电催化剂，分散在多孔结构的孔中。EP-A-2031679公开了电极材料，可由包括以下步骤的方法得到(a)提供第一组分的前驱体溶液或悬浮液，所述溶液或悬浮液包含溶剂，(b)通过混合以及随后加热、干燥或离心所述第一组分的溶液或悬浮液，形成第一组分的颗粒并且将所述颗粒圈闭在第二组分的孔结构中，其中所述第二组分具有平均孔径为2至IOOOnm的多孔结构。US-A-2004/166380涉及阴极，包括多孔陶瓷基质和至少部分地分散在所述多孔陶瓷基质的孔中的至少电子传导性材料，其中所述多孔陶瓷基质包括多个平均孔尺寸至少约 0.5微米的孔。US-A-2009/061284公开了陶瓷阳极结构，可由包括以下步骤的方法得到(a)通过分散电化学传导相的粉末并且在分散体中添加粘合剂来提供浆料，其中所述粉末选自由铌_掺杂钛酸锶、钒_掺杂钛酸锶、钽_掺杂钛酸锶以及它们的混合物组成的组；(b)烧结(a)中的浆料；(c)提供氧化铈的前驱体溶液，所述溶液包含溶剂和表面活性剂；(d)用步骤(C)的前驱体溶液浸渍步骤(b)的得到的烧结结构，(e)使步骤(d)的得到的结构煅烧，以及(f)执行步骤(d)-(e)至少一次。W0-A-03/105252 涉及阳极，包括由第一陶瓷材料构成的多孔陶瓷材料；以及电传导性材料，其至少部分地设置在陶瓷材料的孔中，所述电传导性材料由第二陶瓷材料构成。W0-A-2006/116153涉及在多孔结构的孔壁上形成颗粒层的方法，包括形成包括至少一种金属盐和表面活性剂的溶液；加热所述溶液以基本上蒸发溶剂并形成浓缩的盐和表面活性剂溶液；将所述浓缩的溶液渗滤到多孔结构中以形成复合物；以及加热所述复合物以基本上分解所述盐和表面活性剂成氧化物和/或金属颗粒；其中氧化物和/或金属颗粒的颗粒层形成在该多孔结构上。
技术实现思路
考虑到现有技术中提出的电极的困难之处，本专利技术的目的在于提供用于固体氧化物电池的改良的氧电极，以及生产所述电极的方法。所述目的通过复合氧电极达到，包括包括两个单独的但是为渗滤型的相的多孔骨架结构，第一相为电子传导相，第二相为氧离子(oxide ion)传导相；以及在所述骨架结构的表面上的电催化层，其中所述电催化层包括第一和第二纳米颗粒，其中第一和第二颗粒随机地分布遍及所述层，其中第一纳米颗粒为电催化活性纳米颗粒，以及其中第二纳米颗粒由离子传导性材料形成。所述目的进一步通过生产上述复合电极的方法达到，包括以下步骤形成包括两个单独的但是为渗滤型的相的多孔骨架结构，第一相为电子传导相， 第二相为氧离子传导相；以及在所述骨架结构的表面上施加电催化层，其中所述电催化层包括第一和第二纳米颗粒，其中第一纳米颗粒为电催化活性纳米颗粒，以及其中第二纳米颗粒由离子传导性材料形成。优选的实施方案在从属权利要求以及以下详细描述中给出。附图说明图1是显示根据本专利技术的电极的具体结构的三维图。图2是根据本专利技术的具体结构的扫描电子显微镜(SEM)图片。具体实施例方式本专利技术提供复合氧电极，包括包括两个单独的但是为渗滤型的相的多孔骨架结构，第一相为电子传导相，第二相为氧离子传导相；以及在所述骨架结构的表面上的电催化层，其中所述电催化层包括第一和第二纳米颗粒，其中第一和第二颗粒随机地分布遍及所述层， 其中第一纳米颗粒为电催化活性纳米颗粒，以及其中第二纳米颗粒由离子传导性材料形成。有利地，复合电极包括不同的材料，其中每种材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·莫根森，P·贾尔马森，M·万德尔，
申请(专利权)人：丹麦技术大学，
类型：发明
国别省市：