一种中高温固体氧化物陶瓷氧泵的制作方法

本发明涉及高温电化学器件，特别涉及一种中高温固体氧化物陶瓷氧泵。

背景技术：

1、氧气是人类生存的必需品，也是现代工农业生产以及国防军工的重要原料。空气分离制氧技术主要包括低温精馏法、变压吸附法和膜分离法等。低温精馏法根据空气各组分沸点的不同，经精馏塔精馏分离而得到纯氧，分离效率高、产量大，但结构复杂，装置庞大，操作复杂，设备投资和费用管理都比较大，一般都用于大规模制氧。分子筛变压吸附制氧法利用沸石分子筛对氮的吸附亲和力高于对氧的吸附亲和力的特性来分离氧气和氮气，设备体积小，能耗低，适于小规模、分布式制氧，但不能制取高纯氧气，在低气压条件下分离效率低，而且分子筛使用寿命短。膜分离法根据空气中各组分在压力推动下透过膜的传递速率不同以达到气体分离的目的，由于氮气和氧气一起渗透，用膜分离生产纯氧比较困难，所以主要用于生产富氧空气。

2、氧离子传导陶瓷材料高温下对氧离子具有选择透过性，理论上可获得100％高纯度氧气，且装置体积小、便于携带。其中，电化学陶瓷氧泵利用固体氧化物电池，利用外加电压从含氧气氛中提取高纯氧气，比如，空气中的氧气在电池阴极获得电子，离得到的氧离子在电场驱动下传输至阳极，氧离子相互结合而得到氧气，电子从外电路返回阴极，从而实现氧气从低氧分压侧向高氧分压侧的传输，具有产氧纯度高、产氧速率易于调控等优势。传统陶瓷氧泵大多采用氧化钇稳定氧化锆陶瓷作为电解质隔膜，氧泵运行温度一般在700℃以上，较高的运行温度不仅增加了密封难度，而且导致产氧能耗较高，同时还会影响氧泵的使用寿命，因此，迫切需要发展在450-550℃中高温条件下具有较高产氧速率的新型固体氧化物陶瓷氧泵。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提出一种可以在450-550℃中高温条件下运行的新型固体氧化物陶瓷氧泵，旨在降低泵氧能耗，降低氧泵的密封难度，延长氧泵的使用寿命。

2、为实现上述目的，本发明提出一种中高温固体氧化物陶瓷氧泵，所述固体氧化物陶瓷氧泵包括自上到下烧结而成的阴极、阴极阻隔层、固体电解质、阳极阻隔层、阳极，所述固体电解质为具有氧离子传导能力的锶、镁共掺杂镓酸镧钙钛矿氧化物la1-xsrxga1-ymgyo3-δ(0＜x≤0.3，0＜y≤0.3)。

3、所述固体电解质是致密的，厚度为1-50μm，优选地，5-15μm；

4、所述阴极阻隔层和阳极阻隔层均为具有氧离子传导能力的镧、镁共掺杂氧化铈laamgbce1-a-bo2-δ(0.1≤a≤0.6，0≤b≤0.3，0≤a+b≤0.7)。

5、可选的，所述阴极阻隔层和阳极阻隔层的厚度为1-50μm，优选地，5-15μm；

6、可选的，所述阴极阻隔层和阳极阻隔层均是致密的；

7、可选的，所述阴极阻隔层和阳极阻隔层均是多孔的，所述阴极阻隔层和阳极阻隔层的孔内壁覆盖有纳米催化剂，包括la0.6sr0.4coo3-δ、sm0.8sr0.2coo3-δ、prni0.5co0.5o3-δ、la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ、ba0.5sr0.5co0.2fe0.8o3-δ、smba0.5sr0.5co2o5+δ、laba0.5sr0.5co2o5+δ、smbaco2o5+δ、bagd0.8la0.2co2o6-δ、sr2fe1.5mo0.5o6-δ中的至少一种。

8、所述阴极和阳极的材质包括电子导电相、氧离子导电相和热膨胀系数调节相，所述热膨胀系数调节相的热膨胀系数小于所述电解质隔膜层的热膨胀系数，且所述阴极和阳极的热膨胀系数与所述电解质隔膜层的热膨胀系数的差值小于30％。通过减少阴极、阳极与电解质隔膜层的热膨胀系数差值，有助于提高陶瓷氧泵各层材料在升降温过程中尺寸变化的匹配度，提高氧泵在启停时耐热循环的稳定性，从而提高氧泵的使用寿命。

9、所述阴极和阳极中的电子导电相包括la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ、prni0.5co0.5o3-δ、sm0.8sr0.2coo3-δ、la0.6sr0.4coo3-δ、ba0.5sr0.5co0.2fe0.8o3-δ、smba0.5sr0.5co2o5+δ、laba0.5sr0.5co2o5+δ、smbaco2o5+δ、bagd0.8la0.2co2o6-δ、sr2fe1.5mo0.5o6-δ中的至少一种。

10、所述阴极和阳极中的氧离子导电相包括la1-xsrxga1-ymgyo3-δ、laamgbce1-a-bo2-δ、ce0.8sm0.2o2-δ、ce0.9gd0.1o2-δ中的至少一种。

11、所述热膨胀系数调节相包括mg2al4si5o18、al6si2o13、al2tio5、kzr2p3o12、zr2p2o9、cazr4(po4)6、ca0.5sr0.5zr4(po4)6、kzr2p3o12、y2w3o12、al2w3o12、zrmgmo3o12、zr2p2wo12、zrmo2o8、zrw2o8中的至少一种。

12、所述阴极和阳极的孔隙率为1-70％，优选范围为20-40％。

13、可选的，所述阴极和阳极的孔内壁覆盖有纳米催化剂，包括la0.6sr0.4coo3-δ、sm0.8sr0.2coo3-δ、prni0.5co0.5o3-δ、la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ、ba0.5sr0.5co0.2fe0.8o3-δ、smba0.5sr0.5co2o5+δ、laba0.5sr0.5co2o5+δ、smbaco2o5+δ、bagd0.8la0.2co2o6-δ、sr2fe1.5mo0.5o6-δ中的至少一种。

14、本发明在固体电解质与阴极、阳极之间分别引入阴极阻隔层、阳极阻隔层，从而抑制固体电解质与阴极、阳极在高温下的界面扩散和化学反应等现象，同时，在阴极、阳极、阴极阻隔层和阳极阻隔层的孔内壁覆盖纳米催化剂，增强阴极和阳极的电化学催化活性，降低阴极和阳极的界面极化电阻，提高固体氧化物陶瓷氧泵性能。

技术特征：

1.一种中高温固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述固体氧化物陶瓷氧泵包括自上到下烧结而成的阴极、阴极阻隔层、固体电解质、阳极阻隔层、阳极；所述固体电解质为具有氧离子传导能力的锶、镁共掺杂镓酸镧钙钛矿氧化物la1-xsrxga1-ymgyo3-δ(0＜x≤0.3，0＜y≤0.3)；所述固体电解质是致密的，厚度为5-15μm。

2.如权利要求1所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极阻隔层和所述阳极阻隔层均为具有氧离子传导能力的镧、镁共掺杂氧化铈laamgbce1-a-bo2-δ(0.1≤a≤0.6，0≤b≤0.3，0≤a+b≤0.7)。

3.如权利要求1所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极阻隔层和所述阳极阻隔层的厚度为5-15μm。

4.如权利要求1所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极阻隔层和所述阳极阻隔层均是致密的。

5.如权利要求1所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极阻隔层和所述阳极阻隔层均是多孔的，所述阴极阻隔层和所述阳极阻隔层的孔内壁覆盖有纳米催化剂，包括la0.6sr0.4coo3-δ、sm0.8sr0.2coo3-δ、prni0.5co0.5o3-δ、la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ、ba0.5sr0.5co0.2fe0.8o3-δ、smba0.5sr0.5co2o5+δ、laba0.5sr0.5co2o5+δ、smbaco2o5+δ、bagd0.8la0.2co2o6-δ、sr2fe1.5mo0.5o6-δ中的至少一种。

6.如权利要求1所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极和所述阳极的材质包括电子导电相、氧离子导电相和热膨胀系数调节相，所述热膨胀系数调节相的热膨胀系数小于所述电解质隔膜层的热膨胀系数，且所述阴极和阳极的热膨胀系数与所述电解质隔膜层的热膨胀系数的差值小于30％。

7.如权利要求6所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极和所述阳极中的电子导电相包括la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ、prni0.5co0.5o3-δ、sm0.8sr0.2coo3-δ、la0.6sr0.4coo3-δ、ba0.5sr0.5co0.2fe0.8o3-δ、smba0.5sr0.5co2o5+δ、laba0.5sr0.5co2o5+δ、smbaco2o5+δ、bagd0.8la0.2co2o6-δ、sr2fe1.5mo0.5o6-δ中的至少一种。

8.如权利要求6所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极和所述阳极中氧离子导电相包括la1-xsrxga1-ymgyo3-δ、laamgbce1-a-bo2-δ、ce0.8sm0.2o2-δ、ce0.9gd0.1o2-δ中的至少一种。

9.如权利要求6所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极和所述阳极中热膨胀系数调节相包括mg2al4si5o18、al6si2o13、al2tio5、kzr2p3o12、zr2p2o9、cazr4(po4)6、ca0.5sr0.5zr4(po4)6、kzr2p3o12、y2w3o12、al2w3o12、zrmgmo3o12、zr2p2wo12、zrmo2o8、zrw2o8中的至少一种。

10.如权利要求6所述的固体氧化物陶瓷氧泵，其特征在于，所述阴极和所述阳极的孔隙率为20-40％；所述阴极和所述阳极的孔内壁覆盖有纳米催化剂，包括la0.6sr0.4coo3-δ、sm0.8sr0.2coo3-δ、prni0.5co0.5o3-δ、la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ、ba0.5sr0.5co0.2fe0.8o3-δ、smba0.5sr0.5co2o5+δ、laba0.5sr0.5co2o5+δ、smbaco2o5+δ、bagd0.8la0.2co2o6-δ、sr2fe1.5mo0.5o6-δ中的至少一种。

技术总结
本发明公开一种中高温固体氧化物陶瓷氧泵，包括自上到下烧结而成的阴极、阴极阻隔层、固体电解质、阳极阻隔层和阳极。所述固体电解质为具有氧离子传导能力的锶、镁共掺杂镓酸镧钙钛矿氧化物La<subgt;1‑x</subgt;Sr<subgt;x</subgt;Ga<subgt;1‑y</subgt;Mg<subgt;y</subgt;O<subgt;3‑δ</subgt;(0＜x≤0.3，0＜y≤0.3)；所述阴极阻隔层和阳极阻隔层均为具有氧离子传导能力的镧、镁共掺杂氧化铈La<subgt;a</subgt;Mg<subgt;b</subgt;Ce<subgt;1‑a‑b</subgt;O<subgt;2‑δ</subgt;(0.1≤a≤0.6，0≤b≤0.3，0≤a+b≤0.7)；所述阴极和所述阳极的材质包括电子导电相、氧离子导电相和热膨胀系数调节相，所述热膨胀系数调节相的热膨胀系数小于所述电解质隔膜层的热膨胀系数，且所述阴极和阳极的热膨胀系数与所述电解质隔膜层的热膨胀系数的差值小于30％。

技术研发人员：滕越,励刚,谢恒,陈庆涛,陈国宏,王缔,孔明,缪春辉
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12