一种质子导体型固体氧化物电解池及其制备方法

本发明涉及电解池，尤其涉及一种质子导体型固体氧化物电解池及其制备方法。

背景技术：

1、电解水制氢是可再生能源产业的重要一环。低温碱性电解水和质子交换膜电解水制氢技术存在着能效低(～70％)、贵金属资源受限等问题，固体氧化物电解池(soec)是一种在中高温下以高效环保的方式将电能和热能转化成燃料中的化学能的电化学装置，被认为是最高效的电解水制氢技术。

2、固体氧化物电解池为全固体结构，气体产物容易分离，避免了使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失等问题，同时具有较快的电极反应速率，无需采用pt等贵金属电极，进而大大降低成本。传统氧离子传导固体氧化物电解池存在着工作温度高、可靠性差等问题。近年研究发现，某些钙钛矿型复合氧化物具有良好的质子电导率。另外，有研究表明与质子导体电解质复合的氧电极体系在600℃下具有较高的电催化性能。同时，p-soec可直接制备出高纯氢气，具有系统简化、能量转换效率和时空产率高等优点。

3、虽然质子导体型固体氧化物电解池与传统氧离子传导固体氧化物电解池相比较，具有工作温度低、系统简化等显著优点，但同时也存在机械强度低、关键材料间匹配性较差等问题，所以很难烧制成大尺寸电解池，这严重制约了质子导体型电解池模块的组装及其不同条件下的运行可靠性，因此，如何提高质子导体型电解池的机械强度和匹配性是改善质子导体型电解系统可靠性的重要因素。

技术实现思路

1、为解决以上技术问题，本发明公开了一种质子导体型固体氧化物电解池及其制备方法，该高性能、高强度的质子导体型固体氧化物电解池是采用多层流延和丝网印刷技术相结合制备而成的，具有机械强度高、催化活性高、易制备成大尺寸电解池、且易组装成电解池模块的特点，可大大改善质子导体型电解池系统可靠性。

2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种质子导体型固体氧化物电解池，包括阴极支撑体层、阴极催化活性层、质子导体电解质层和复合阳极层；

3、所述阴极支撑体层是由氧化镍与掺杂的氧化锆基电解质材料复合制成的；

4、所述阴极催化活性层是由氧化镍与钡锆铈基质子导体型电解质材料复合制成的；

5、所述质子导体电解质层是由钡锆铈基质子导体型电解质材料制成的；

6、所述复合阳极层是由钴类材料与钡锆铈基质子导体型电解质材料复合而成。

7、进一步地，所述阴极支撑体层的厚度为200微米～1000微米，其重量百分比组成为：氧化镍占30-70％，掺杂的氧化锆基电解质材料占30-70％。

8、进一步地，掺杂的氧化锆基电解质材料选自氧化钇掺杂的氧化锆(ysz)、氧化钪掺杂的氧化锆(scsz)、氧化铈和氧化钪掺杂的氧化锆(cescsz)中的一种或多种，其中掺杂的氧化钇、氧化钪和氧化铈摩尔百分含量为0.1-20％。

9、进一步地，所述阴极催化活性层的厚度为10微米～200微米，重量百分组成为：氧化镍占30-70％，钡锆铈基质子导体型电解质材料占30-70％。

10、进一步地，钡锆铈基质子导体型电解质材料选自bazr1-x-ycexmyo3-δ，其中m为y、yb、sc中一种或两种，0.3≤x≤0.7，0.05≤y≤0.25。

11、进一步地，所述复合阳极层的厚度为10微米～200微米，重量百分组成为：钴类阳极材料占30-70％，钡锆铈基质子导体型电解质材料占30-70％。

12、进一步地，钴类阳极材料选用baco0.4fe0.4zr0.2o3-δ和prba0.5sr0.5co1.5fe0.5o5+δ中的一种或两种复合而成。

13、本发明还公开了上述质子导体型固体氧化物电解池的制备方法，具体包括以下步骤：

14、(1)采用流延法制备由氧化镍与掺杂的氧化锆基电解质材料复合的阴极支撑体；

15、(2)采用流延热压或丝网印刷技术在阴极支撑体上制备阴极催化活性层；

16、(3)采用丝网印刷或涂膜法在阴极催化活性层的一侧制备钡锆铈基质子导体型电解质层，在1300-1600℃之间将钡锆铈基质子导体型电解质烧结致密；

17、(4)采用丝网印刷或涂膜法在钡锆铈基质子导体型电解质的外侧制备钴类复合阳极，得到该质子导体型固体氧化物电解池。

18、与现有技术相比，该高性能、高强度质子导体型固体氧化物电解池的优势在于：

19、(1)该高性能、高强度的质子导体型固体氧化物电解池机械强度远高于传统的质子导体型固体氧化物电解池，容易制备出大尺寸电解池。

20、(2)该高性能、高强度的质子导体型固体氧化物电解池机械强度远高于传统的质子导体型固体氧化物电解池，容易组装成大功率电解池模块，且具有较好的可靠性，既可以在固体氧化物电解池高温运行时可靠稳定运行，还容易实现电解池系统安全启停。实现固体氧化物燃料电池的高效、稳定运行及安全可靠重复启动。

21、(3)该高性能、高强度的质子导体型固体氧化物电解池性能远高于传统的氧离子导体型固体氧化物电解池，且高于传统的质子导体型固体氧化物电解池，可降低电解池系统的操作温度，提高系统效率。

技术特征：

1.一种质子导体型固体氧化物电解池，其特征在于，

2.如权利要求1所述的质子导体型固体氧化物电解池，其特征在于，

3.如权利要求2所述的质子导体型固体氧化物电解池，其特征在于，

4.如权利要求3所述的质子导体型固体氧化物电解池，其特征在于，

5.按照权利要求4所述的质子导体型固体氧化物电解池，其特征在于，

6.如权利要求5所述的质子导体型固体氧化物电解池，其特征在于，

7.如权利要求6所述的质子导体型固体氧化物电解池，其特征在于，

8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的质子导体型固体氧化物电解池的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种新型质子导体型固体氧化物电解池及其制备方法，该固体氧化物电解池，包括阴极支撑体层、阴极催化活性层、质子导体电解质层和复合阳极层；阴极支撑体层由氧化镍与掺杂的氧化锆基电解质材料复合制的，阴极催化活性层由氧化镍与钡锆铈基质子导体型电解质材料复合的，质子导体电解质层由钡锆铈基质子导体型电解质材料制成，复合阳极层由高活性钴类阳极材料与钡锆铈基质子导体型电解质材料复合而成。本发明的有益效果是，该高性能、高强度的质子导体型固体氧化物电解池是采用多层流延和丝网印刷技术相结合的方式制备而成，具有机械强度高、催化活性高、易制备成大尺寸电解池、且易组装成电解池模块的特点。

技术研发人员：涂宝峰,王晓靖,苏新,戚惠颖,邱鹏,张同环
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15