[发明专利]一种CGO电解质基MS-SOEC结构及其制备方法

说明书

本发明提供了一种CGO电解质基MS‑SOEC结构及其制备方法，涉及燃料电池技术领域。该CGO电解质基MS‑SOEC结构，包括金属基板、阴极层、电解质层和阳极层，所述阴极层沉积在所述金属基板的上表面，所述电解质层沉积在所述阴极层上，所述电解质层与所述阴极层重叠，所述阳极层沉积在所述电解质层上。本发明采用CGO电解质的金属支撑型固体氧化物燃料电解池，可以实现固体氧化物燃料电解池在中低温下运行的目的，从而降低SOEC的运行成本，实现SOEC产业化发展。2）在不同运行温度下，当达到一定电流密度时，CGO电解质基MS‑SOEC的输入电压等于三层电解质基MS‑SOEC的输入电压。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种CGO电解质基MS-SOEC结构及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）或固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cell，简称SOEC）是一种在高温环境下运行的完全固态结构的装置，是一种非常有前景的技术，它具有能量转化效率高、环境友好和燃料多样性等优点。实现SOEC产业化的关键是降低电解池的成本，而降低成本的有效方法是降低电解池的工作温度。SOEC的电解质的选择十分关键，一方面材料本身的电化学性质决定了电解池的性能，另一方面电解质和电极之间界面的微观结构及原子排列都强烈地影响着界面的电化学性质，进而影响电解池的性能。由于目前对于SOEC的相关研究较少，加之其是SOFC的可逆反应，因此参考SOFC的相关研究开展其相关研究工作。GB2368450B中描述了一种金属支撑的CGO电解质基固体氧化物燃料电池，可以在相对较低的温度以及较低的极化损失下运行。与zirconia等电解质材料相比，ceria更容易烧结致密，具有较高的离子电导率，可以在较低的温度下运行，如果电解质为厚薄膜形式（通常为10-15um厚），实际燃料电池可运行至500℃。此外，采用金属支撑的CGO电解质方法优点突出，首先采用铁素体不锈钢成本较低；其次，金属基体的使用有利于使用传统的金属连接技术，如焊接等，消除陶瓷到金属密封的密封问题。与zirconia不同，ceria的化学稳定性不佳，在高温下暴露于还原气氛中时可被还原，其中Ce⁴⁺离子可部分还原为Ce³⁺离子。这种还原导致CGO表现出一些混合离子/电子电导率，从而导致电池的内部短路，导致开路电压的损失和相应的电池效率的损失。US10897056B2针对CGO电解质基在高温下的泄漏电子现象，提出了三层电解质的MS-SOFC（Metal Support-Solid Oxide Fuel Cell，简称MS-SOFC）结构，在较厚的CGO电解质层的上方沉积一层很薄的稳定的YSZ层和一个更薄的CGO层。稳定的YSZ薄膜沉积在电解质中以防止由于CGO电解质的混合离子/电子电导率而引起的电池内部短路；由于YSZ层非常薄，因此其对氧离子传输的抵抗力足够低，以至于仍可以进行低温运行。另一方面，在YSZ层薄膜的上方的更薄的CGO层起到了阻止电解质和阳极之间的界面反应的作用。与之前Ceres的CGO电解质基MS-SOFC相比，在CGO电解质上进一步沉积了一层YSZ层和CGO薄膜后，可以有效避免MS-SOFC在运行过程中泄漏电子现象的发生，有效改善其输出性能。但三层电解质的结构，对电池的材料制备以及设计工艺等具有更高的要求，加大了投资成本。Ceres公司的研究表明，如果电池温度保持在600℃或以下时，在典型的工作电流密度下，电池内部电流泄漏几乎可以忽略不计，并且可以在开路的情况下进行管理。

因此，本发明的目的是寻找基于CGO电解质基的MS-SOEC（Metal Support-SolidOxide Electrolysis Cell，简称MS-SOEC）的最佳运行工况范围，从而在较低运行成本的基础上达到最优的输出性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CGO电解质基MS-SOEC结构及其制备方法，采用纯机械结构，成本低、功耗低、同时提高目前PEMFC发动机的可靠性，减少代码总量，降低发动机故障发生率。

为实现上述目的，提供以下技术方案：