[发明专利]用于固态氧化物电解电池的电解质材料

说明书

本发明涉及固态氧化物电解槽电解质组合物，所述组合物包含经过氧化钪和氧化铈稳定的氧化锆，所述组合物含有5到12摩尔％氧化钪、1到7摩尔％氧化铈和80到94摩尔％氧化锆，或经过氧化钇和氧化铈稳定的氧化锆，所述组合物含有3到10摩尔％氧化钇、1到6摩尔％氧化铈和84到96摩尔％氧化锆。

技术领域

本发明涉及用于减轻阴极分层的固态氧化物电解电池(SOEC)的电解质材料。

背景技术

固态氧化物燃料电池(SOFC)可作为电解电池操作以从水产生氢气和氧气。这些电池被称作固态氧化物电解电池(SOEC)。在SOFC模式中，氧离子从阴极侧(空气)运输到阳极侧(燃料)且驱动力为跨电解质的氧分压的化学梯度。在SOEC模式中，正电位被施加到电池的空气侧且氧离子从燃料侧运输到空气侧。因为阴极和阳极在SOFC与SOEC之间逆转(即，SOFC阴极为SOEC阳极，和SOFC阳极为SOEC阴极)，所以SOFC阴极(SOEC阳极)被称作空气电极，和SOFC阳极(SOEC阴极)被称作燃料电极。SOEC包含陶瓷(例如，固态氧化物)电解质、空气电极和燃料电极。在SOEC模式期间，燃料物流中的水被还原(H₂O+2e→O^-2+H₂)以形成H₂气和O^-2离子，O^-2离子通过固态电解质运输，然后在空气侧氧化(2O^-2→O₂)以产生分子氧。因为利用空气和湿燃料(氢气，转化的天然气)的SOFC操作的开路电压在.9到1V的等级(取决于含水量)，所以施加到SOEC模式中的空气侧电极的正电压将电池电压升高到1.1到1.3V的典型操作电压。在恒定电流模式中，如果存在电池降解，那么电池电压将随时间增加，所述电池降解可因电阻源和电极极化二者产生。

目前最先进水平SOEC遭遇的主要障碍中的一个为空气电极在高电流密度下的分层。分层程度随着电流密度和氧离子运输通量而增加。

发明内容

在一个实施例中，固态氧化物电解电池电解质组合物包含经过氧化钪和氧化铈稳定的氧化锆，包含5到12摩尔％氧化钪、1到7摩尔％氧化铈和80到94摩尔％氧化锆。在一个实施例中，所述电解质组合物包含5到10摩尔％氧化钪、1到5摩尔％氧化铈和84到94摩尔％氧化锆。在另一个实施例中，所述电解质组合物包含5到10摩尔％氧化钪、2到5摩尔％氧化铈和84到94摩尔％氧化锆。在一个实施例中，所述电解质组合物进一步包含0.5到3摩尔％氧化镱。

在另一个实施例中，固态氧化物电解电池电解质组合物包含经过氧化钇和氧化铈穩定的氧化锆，包含3到10摩尔％氧化钇、1到6摩尔％氧化铈和84到95摩尔％氧化锆。

固态氧化物电解电池包含以上电解质组合物、空气电极和燃料电极。

附图说明

图1A为固态氧化物电解电池(SOEC)堆栈的透视图，且图1B为图1A的堆栈的一部分的侧剖视图。

图2为不同电解电池在不同电流下的电压的图。所述图显示在各种电流下运行延长时间段的两种电解质组合物(A和B)的电池电压。

具体实施方式

图1A为固态氧化物电解电池(SOEC)堆栈20的透视图，且图1B为图1A的堆栈20的一部分的侧剖视图。参考图1A和1B，堆栈20包含通过互连件9分离的多个电解电池1，所述互连件也可称作气流分离板或双极板。各电解电池1包含空气电极3、固态氧化物电解质5和燃料电极7。堆栈20也包含內部燃料立管通道22。

各互连件9将堆栈20中的相邻电解电池1电连接。特别来说，互连件9可将一个电解电池1的燃料电极7电连接到相邻电解电池1的空气电极3。图1B显示下电解电池1位于两个互连件9之间。