一种高性能中低温固体氧化物电池及其制备方法与应用

本发明属于能量转换，具体涉及一种高性能中低温固体氧化物电池及其制备方法与应用。

背景技术：

1、固体氧化物电池包括固体氧化物燃料电池与固体氧化物电解池，其中固体氧化物燃料电池可将甲醇、天然气、乙醇等多种燃料的化学能转化为电能，具备发电效率高、燃料适配范围广、污染物排放少等突出优势；降低电池工作温度能够缩短设备启停时长，使其应用场景由大型固定式电站延伸至便携式能源装备领域。与之可逆的固体氧化物电解池可依托风电、光伏等波动性可再生能源供给的电、热能量，分解水、二氧化碳制取氢气与合成气，产物经费托合成可制备液体燃料、化工原料，能够实现大规模跨时段储能，平抑风光能源时空波动，构建碳中性循环体系，助力绿色可持续能源体系建设。

2、现有常规固体氧化物电池运行温度普遍达到700~900℃，高温工况下设备热损耗大、配套耐高温构件成本高昂，且启停周期漫长，限制其推广应用；若单纯下调工作温度，电解质、电极内部欧姆电阻、界面极化电阻会同步大幅上升，直接造成电池输出功率密度严重衰减，中低温工况下电化学性能难以达标。同时现有电极、电解质体系常引入硅、铬等有害组分，高温服役过程中易发生元素互扩散、界面副反应，诱发电极催化活性衰减、电解质离子电导率持续下降，进一步恶化电池长期运行稳定性与循环使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高性能中低温固体氧化物电池及其制备方法与应用，从而克服现有技术的不足，制备的固体氧化物电池在低温下，具有开路电压高、性能高、稳定性好等特点，且电池制备过程均采用低成本湿化学法，制备的固体氧化物电池具有成本低、易放大、可靠性好等特点。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种高性能中低温固体氧化物电池，包括若干单电池，单电池包括自下而上依次设置的：燃料电极支撑体、燃料电极功能层、多层致密的复合电解质层和氧电极层；

4、燃料电极支撑体由燃料电极催化剂和氧化钇掺杂的氧化锆基材料组成；

5、燃料电极功能层由燃料电极催化剂及氧化铈和氧化钪共掺杂的氧化锆基电解质材料组成；

6、复合电解质层由氧化铈和氧化钪共掺杂的氧化锆基电解质层以及其表面负载的硼掺杂的氧化铈基电解质层组成；

7、氧电极层由镧锶钴铁粉体和掺杂的氧化铈基材料组成。

8、固体氧化物电池中底部燃料电极支撑体以镍基催化材料搭配氧化钇稳定氧化锆构筑多孔承载骨架，既提供充足燃料扩散通道、保障电子快速传导，又具备优良力学支撑性能；燃料电极功能层采用铈钪共掺杂氧化锆与催化材料复配，可缩小电极与电解质界面阻抗，缓冲热循环过程中层间热应力，同时加速燃料的裂解氧化反应；双层结构的复合电解质形成梯度致密阻隔体系，内层铈钪共掺杂氧化锆保障中低温下氧离子高传导速率，表层硼修饰氧化铈致密层可阻断阴极金属元素高温互扩散、抑制界面高阻相生成，同时完全隔绝阴阳两极气体，避免燃料直接燃烧；最上层镧锶钴铁复合氧电极依托掺杂氧化铈材料优化氧吸附解离动力学，大幅降低阴极的极化损耗，整套层状结构从燃料催化、离子传导、界面阻隔、氧还原全流程协同适配中低温工况，兼具高输出功率与长周期热循环稳定性能。

9、第二方面，本发明提供了高性能中低温固体氧化物电池的制备方法，包括以下步骤：

10、将镍基催化材料与氧化钇掺杂氧化锆基电解质材料复合，得到燃料电极支撑体；

11、将镍基催化材料、氧化铈与氧化钪共掺杂氧化锆基电解质材料负载于所述燃料电极支撑体表面，制得燃料电极功能层；

12、在燃料电极功能层表面涂覆氧化铈与氧化钪共掺杂氧化锆基电解质薄膜，经高温焙烧，制得氧化铈与氧化钪共掺杂氧化锆电解质层；

13、在氧化铈与氧化钪共掺杂氧化锆电解质层的表面负载硼修饰掺杂氧化铈材料，经高温焙烧处理，即得硼修饰掺杂氧化铈电解质层；

14、将镧锶钴铁粉体和掺杂的氧化铈基材料负载于硼修饰掺杂氧化铈电解质层表面，经高温焙烧处理，即得固体氧化物电池。

15、该制备过程均采用低成本湿化学法，制备的固体氧化物电池具有成本低、易放大、可靠性好等特点，对于推动固体氧化物电池技术向实用化发展具有重要的意义。

16、第三方面，本发明提供了高性能中低温固体氧化物电池在能量转化中的应用。本发明的固体氧化物电池在燃料电池模式下采用甲烷为燃料发电时，或者是在电解池模式下对水和/或二氧化碳进行电解时，均具有中低温下电池性能高、稳定性好等特点。

17、本发明的有益效果：

18、（1）本发明采用涂覆法制备复合电解质层，其中，在第二层采用了硼掺杂的氧化铈基材料。硼的加入使得掺杂的氧化铈基电解质易于烧结成膜，从而降低了掺杂的氧化铈基电解质的烧结温度，既降低了成本，又避免了氧化铈基材料与氧化锆基材料高温反应生成高阻抗相铈-锆氧化物固溶体，从而提高了制备固体氧化物电池的性能。

19、（2）本发明电池制备过程均采用低成本湿化学法，制备的固体氧化物电池具有成本低、易放大、可靠性好等特点，对于推动固体氧化物电池技术向实用化发展具有重要的意义。

20、（3）本发明的固体氧化物电池在燃料电池模式下采用甲烷为燃料发电时，或者是在电解池模式下对水和/或二氧化碳进行电解时，均具有中低温下电池性能高、稳定性好等特点。

1.一种高性能中低温固体氧化物电池，包括若干个单电池，其特征在于，所述单电池包括自下而上依次设置的：燃料电极支撑体、燃料电极功能层、复合电解质层和氧电极层；

2.如权利要求1所述的高性能中低温固体氧化物电池，其特征在于，

3.如权利要求1所述的高性能中低温固体氧化物电池，其特征在于，

4.如权利要求1所述的高性能中低温固体氧化物电池，其特征在于，

5.如权利要求1所述的高性能中低温固体氧化物电池，其特征在于，

6.如权利要求1所述的高性能中低温固体氧化物电池，其特征在于，

7.一种权利要求1-6任一项所述的高性能中低温固体氧化物电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的高性能中低温固体氧化物电池的制备方法，其特征在于，所述燃料电极支撑体、燃料电极功能层、氧化铈与氧化钪共掺杂氧化锆电解质层、硼修饰掺杂氧化铈电解质层和氧电极层的负载方式各自独立地选自流延热压法、丝网印刷法、滴涂法和浸涂法中的一种或多种；

9.一种权利要求1-6任一项所述的高性能中低温固体氧化物电池在能量转化中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，高性能中低温固体氧化物电池在燃料电池模式下以甲烷为燃料发电，或者在电解池模式下对水和/或二氧化碳进行电解的应用；高性能中低温固体氧化物中的中低温为500-800℃。