CN207459069U - 电极、固态氧化物燃料电池及固态氧化物电解池 - Google Patents

电极、固态氧化物燃料电池及固态氧化物电解池 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种电极、固态氧化物燃料电池及固态氧化物电解池，该电极用于固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解池，并且所述电极的反应活性沿气流方向以梯度形式增加。本实用新型的电极以及包含该电极的固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解池在运行过程中可避免或有效减小沿气流方向的电极极化性能分布差异，从而保证电池运行效率并减缓电池衰减。

Description

电极、固态氧化物燃料电池及固态氧化物电解池
技术领域
本实用新型涉及新能源电池领域，具体而言，涉及一种电极、固态氧化物燃料电池及固态氧化物电解池。
背景技术
固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFC)被认为是清洁高效热电联产、分布式发电、能源互联网等的最理想电源之一，过去十几年来美日欧等发达国家已经投入巨资研发。
SOFC一般运行在600℃以上的高温，基于固态氧化物电解质传导氧离子并分隔阳极和阴极的反应气体，电极反应不依赖于贵金属催化剂，而采用相对廉价的过渡金属或稀土氧化物。SOFC另一突出优点是燃料适用性广，氢气、一氧化碳、氨气、甲烷等皆可作为燃料使用，而且功率密度高，发电效率可达60％，热电联产效率可达90％以上，还具有无噪音、无污染、模块化组装等优点。
另一方面，上述电池可以进行逆向操作，即作为固态氧化物电解池(Solid OxideElectrolysis Cells，SOEC)利用电能生产具有较高价值的燃料气或合成气。比如采用SOEC电解水制备纯氢气(H2O→H2+1/2O2)，或者电解二氧化碳生产一氧化碳(CO2→CO+1/2O2)，或者水与二氧化碳共电解制备具有广泛化工用途的CO-H2合成气(H2O+CO2→H2+CO+O2)。SOEC可以对接冗余且波动性的风能、太阳能等新能源，用于当前亟需的大规模能量转化。SOEC的优点除了不使用贵金属催化剂、电池成本低、转化制气效率高、可有效利用工业高温蒸汽，关键还在电能消耗方面远低于其他类型的电解池技术，从而具有突出经济优势。
上述SOFC和SOEC合称为固态氧化物电池(Solid Oxide Cells，SOC)，当其用作燃料电池发电运行时，燃料电极为阳极，氧电极为阴极；当用作电解池进行电解制气时，恰好反过来，燃料电极为阴极，氧电极为阳极。为避免不同运行时的名称混淆，以下使用燃料电极和氧电极指代两侧电极。
固态氧化物电池一般分为管式和平板式两种结构类型。管式固态氧化物电池密封简单，热循环性能较好，但集流存在一定困难，同等条件功率密度要比平板式低很多。平板型固态氧化物电池由于功率密度很高，而且具备低成本批量化制造优势，近十年来成为相对主流的结构类型。
为保证较大的发电功率或电解制气产量，每片固态氧化物燃料电池/电解池的活性电极面积(或者有效面积)一般在几十到几百平方厘米。固态氧化物电池的性能取决于电池内部诸多参量，包括电极厚度、气孔率、孔径分布等结构因素，以及气体、成分、温度、电流负荷等状态因素。这些参量在电池平面内的分布不均，会导致电池平面内的性能差异，不仅影响整体的运行效率，且不利于电池的长期运行寿命。
现有的固态氧化物电池在性能上仍然存在改进的空间。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型提供了一种新的电极以及包含该电极的固态氧化物燃料电池和固态氧化物电解池。
本实用新型的一个实施方式提供一种电极，所述电极用于固态氧化物电池，并且所述电极的反应活性沿气流方向以梯度形式增加。
在上述的电极中，所述电极被划分为多个反应活性区域，相邻的所述反应活性区域之间的间隙宽度范围为0-5mm。
在上述的电极中，所述梯度形式为平滑式梯度或台阶式梯度。
在上述的电极中，所述梯度形式为台阶式梯度时，同一台阶区域中均匀包含相同粒径的催化剂，并且所述催化剂中至少一种催化剂的粒径沿所述气流方向在不同的所述台阶区域中阶梯式递降。
在上述的电极中，所述电极中包含由造孔剂形成的气体传输孔隙，同一台阶区域中均匀包含所述孔隙，并且所述孔隙的密度沿所述气流方向在不同的所述台阶区域中以梯度形式增加。
可选地，所述电极用作燃料电极或氧电极。
在上述的电极中，所述电极的反应位点的密度沿气流方向以梯度形式增加。
在上述的电极中，所述反应位点为催化剂与离子导体担载以及反应气体的三相界面。反应位点的数量由催化剂的担载量和粒径具体体现。一般地，电化学催化性能与反应位点数量为单调增加关系，反应位点数量与催化剂颗粒粒径为单调减小关系。
在上述的电极中，所述催化剂包括多种催化剂，至少一种催化剂的担载量沿所述气流方向以梯度形式增加，其余催化剂沿所述气流方向均匀分布或者以梯度形式增加。
在上述的电极中，所述电极中包含由造孔剂形成的孔隙，并且所述孔隙的密度沿所述气流方向以梯度形式增加。
本实用新型的另一个实施方式提供一种固态氧化物燃料电池，所述固态氧化物燃料电池包括氧电极和燃料电极，所述氧电极和燃料电极中的至少一种为上述的电极。
本实用新型的又一个实施方式提供一种固态氧化物电解池，所述固态氧化物电解池包括氧电极和燃料电极，所述氧电极和燃料电极中的至少一种为上述的电极。
本实用新型的电极的反应活性沿气流方向以梯度形式增加，这种新型电极以及包含该电极的固态氧化物电池在运行过程中可避免或有效减小沿气流方向的电极极化性能分布差异，从而保证电池运行效率并减缓电池衰减。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对本实用新型保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
图1为现有技术的固态氧化物燃料电池的截面示意图。
图2为本实用新型一个实施方式的固态氧化物电池的截面示意图。
图3为图2所示的固态氧化物电池的变形例的截面示意图。
图4为本实用新型另一个实施方式的固态氧化物电池的截面示意图。
图5为图4所示的固态氧化物电池的变形例的截面示意图。
图6为本实用新型的固态氧化物电池的平滑式梯度电极的一个实例的平面示意图。
图7为本实用新型的固态氧化物电池的台阶式梯度电极的一个实例的平面示意图。
图8为对未梯度化的电极的一个实例的局部电流密度进行模拟计算和测量获得的沿气流方向的梯度分布图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1示出了现有技术的固态氧化物燃料电池的截面示意图。图1所示的固态氧化物燃料电池包括电解质层1、氧电极层2、燃料电极层3、氧电极集流层4和燃料电极支撑层5。然而，现有的图1所示的电池失效较快，不能很好地满足实际使用需求。
为此，本申请发明人针对影响电池性能结构因素(比如电极厚度、气孔率、孔径分布等)以及状态因素(比如气体、成分、温度、电流负荷等)等众多的因素进行了大量的研究。
最终研究发现，由于该固态氧化物燃料电池的燃料电极或氧电极在电极平面方向上的结构和成分，在整个电池活性面积内处处相同，即燃料电极一侧在整个活性面积平面方向(图1所示的气流方向)的结构和成分处处一致，氧电极一侧在整个活性面积平面方向的结构和成分也处处相同，因此，现有的固态氧化物燃料电池在运行过程中，随电极反应进行，燃料气体和氧气在沿气流方向上逐步消耗，气体成分或分压会发生很大变化。
由于电极局部的极化电阻对于气体成分的敏感性，沿流场不同位置的电极极化、电流密度、以及欧姆发热将产生很大差异。尤其是在总负荷电流较大的操作条件下，这一不均匀性将非常显著，并导致较大的局部衰减速度差异，最终加速了电池的失效。
更进一步讲，由于有效反应物沿气流方向被产物逐渐稀释、反应物分压逐渐降低。由于电池两侧集流体可近似为等势体，即集流体的电势在各自平面内处处相同。而从气流上游到下游局部电动势逐渐降低，这将导致电极极化沿气流方向逐渐变大、局部电流密度逐渐降低、电池面内欧姆发热不均且产生较大的面内横向电流。面内局部电流密度差异、分布不均，将引起某些区域的电流密度大大高于平均值，将加剧电池局部衰减，进而可引起一系列衰减动态推进，导致电池加速失效。
为此，本实用新型的一个实施方案提供了一种在电池面内、沿流场方向形成梯度成分和/或梯度结构的新型电极。燃料电极和氧电极均可以是具有该结构的电极。本实用新型的电极结构或成分使活性位点密度沿气流方向逐渐增加，以保证沿流场渐变气氛下的电极极化性能在各处基本一致、或差异较小，从而解决了上述的问题。
本实用新型的另一实施方案提供包括上述电极的固态氧化物燃料电池。由于上述电极的成分和/或微结构沿气流方向梯度分布，在运行过程中可避免或有效减小沿气流方向的电极极化性能分布差异，从而保证电池运行效率并减缓电池衰减。
本实用新型的再一实施方案提供包括上述电极的固态氧化物电解池。由于上述电极的成分和/或微结构沿气流方向梯度分布，在运行过程中可避免或有效减小沿气流方向的电极极化性能分布差异，从而保证电解池运行效率并减缓电解池衰减。
以下描述的固态氧化物电池可用作固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解池。图2为本实用新型一个实施方式的固态氧化物电池的截面示意图。固态氧化物电池包括电解质层210、氧电极层220、燃料电极层230、氧电极集流层240和燃料电极支撑层250。氧电极层220和氧电极集流层240位于电解质层210的一侧；燃料电极层230和燃料电极支撑层250位于电解质层210的另一侧。电解质层210可以为氧离子导体电解质，或者质子导体电解质。
燃料电极支撑层250具有机械支撑以及传输电荷的作用，也就是说，燃料电极支撑层250也起到燃料电极集流的作用。采用电极支撑时，两侧电极厚度可以为10-50微米，例如15、20、25、30、35、40或45微米，孔隙率可为20％-50％，例如可以为25％、30％、35％、40％或45％；氧电极集流层厚度可以为10-100微米，例如可以15、20、30、40、50、60、70、80或90微米，孔隙率可以为30％-80％，例如为35％、40％、50％、60％、70或75％。燃料电极支撑层厚度0.15-1mm，例如0.2、0.4、0.6、0.8或1.0mm，燃料电极支撑层孔隙率30％-70％，例如35％、45％、55％或65％。电解质层的厚度可以为2-20微米，例如为5、8、10、12、15或18微米。电解质层的致密度高于90％。
作为一个替代实施方案，图3示出了图2所示的固态氧化物电池的变形例的截面示意图。图3的固态氧化物电池包括电解质层310、氧电极层320、燃料电极层330、氧电极集流层340和燃料电极支撑层350。与图2所示的固态氧化物电池不同的是，在氧电极层320和电解质层310之间还包含电解质阻挡层(或电解质缓冲层)310’。电解质阻挡层的作用将在下文中说明。
图4为本实用新型另一个实施方式的固态氧化物电池的截面示意图。固态氧化物电池包括电解质支撑层410、氧电极层420、燃料电极层430、氧电极集流层440和燃料电极集流层450。氧电极层420和氧电极集流层440位于电解质支撑层410的一侧；燃料电极层430和燃料电极集流层450位于电解质支撑层410的另一侧。电解质层410可以为氧离子导体电解质，或者质子导体电解质。
与图2和3的实施方式不同，燃料电极集流层450不再作为支撑层，而是主要由电解质支撑层410起到机械支撑的作用。采用电解质支撑时，两侧电极厚度可以优选为10-50微米，例如15、20、25、30、35、40或45微米，孔隙率可优选为20％-50％，例如可以为25％、30％、35％、40％或45％；电极集流层厚度可以优选为10-100微米，例如可以15、20、30、40、50、60、70、80或90微米，孔隙率可以优选为30％-80％，例如为35％、40％、50％、60％、70或75％。电解质层的厚度可以优选为100-400微米，例如为120、150、200、250、300或350微米。电解质层的致密度高于90％。
作为一个替代实施方案，图5示出了图4所示的固态氧化物电池的变形例的截面示意图。图5的固态氧化物燃料电池包括电解质支撑层510、氧电极层520、燃料电极层530、氧电极集流层540和燃料电极集流层550。与图4的固态氧化物电池不同的是，在氧电极层520和电解质支撑层510之间还包含电解质阻挡层510’。
图2至图5中的燃料电极层和氧电极层在电极平面内呈现梯度分布，并且沿各自反应气体的气流方向上反应活性梯度增加。即，沿着电极反应气体传输方向从上游到下游，反应活性为逐渐增加，从而有效补偿或者抵消原本由于沿气流方向反应物被产物不断稀释、反应物分压逐渐降低而导致的电极极化阻抗逐渐变大、局部电流密度逐渐降低的问题。
需要说明的是，尽管在图2至图5中，两个电极层的气流方向一致，然而，两个电极的气流方向也可以是不同的，但是电极梯度变化方向需要与同侧的气流方向保持一致即可。此外，图中所示表示各层位置关系，并未刻意准确表示各层之间的厚度比例。
图2至图5中的燃料电极层和氧电极层在电极平面内的梯度形式为平滑式梯度。即，电极的反应活性沿气流方向平滑地递增。图6示出了本实用新型的固态氧化物电池的平滑式梯度电极的一个实例的平面示意图。
在平滑式梯度电极中，所有的催化剂粒径可以是基本相同的，并且沿所述气流方向催化剂颗粒的密度(或者说担载量、含量)梯度增大，即靠近气流入口区域的催化剂颗粒的密度最小，靠近气流出口区域的催化剂颗粒的密度最大。
作为另一实施方式，催化剂可以包括多种催化剂，至少一种催化剂沿气流方向以梯度形式增加，其余催化剂沿气流方向均匀分布或以梯度形式增加。例如，一种催化剂颗粒的密度(担载量、含量)在沿气流方向相同，其余催化剂颗粒的密度沿气流方向梯度增大。
此外，图2至图5中的燃料电极层和氧电极层中的至少一个在电极平面内的梯度形式也可以为台阶式梯度。
台阶式梯度电极是在每个划分区域内电极活性相同，在气流方向上，任一下游区域比紧邻上游区域的活性增强。各个区域可以连续衔接而构成完整的电极平面(未图示)，也可以是由间隙间隔成若干分立的区域(如图7所示)。因此，台阶式梯度的电极层可以包括由若干间隔或间隙划分的分立区域，其间隔或间隙宽度可选为0-5mm，比如0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm或5mm。间隔或间隙宽度为0时，即为一个连续不间断的电极平面。
在台阶式梯度电极中，在所有的台阶区域中催化剂的粒径可以是相同的，在不同的台阶区域中催化剂颗粒的密度(担载量、含量)不同，并且沿所述气流方向布置的不同台阶区域中催化剂颗粒的密度梯度增大，即靠近气流入口的台阶区域的催化剂颗粒的密度最小，靠近气流出口的台阶区域的催化剂颗粒的密度最大。
作为另一实施方式，同一台阶区域中可以包含相同粒径的催化剂，并且在不同的所述台阶区域中所述催化剂沿所述气流方向粒径变小。例如，复合电极组分中包括活性催化剂颗粒，由上游位置的微米级颗粒(比如1～5μm)过渡到中游的亚微米级(比如0.5～1μm)以及下游的纳米级颗粒(比如0.05～0.5μm)。优选复合电极组分中的催化剂的担载体(即离子导体担载)也采用与催化剂颗粒相同的上述粒径范围。此外，在电极结构微纳米精细化的同时，优选在电极浆料中添加造孔剂(与电极组分的质量比在0～15％之间)保证充分的孔隙率作为气体扩散通道。
在梯度电极的不同位置调节不同的造孔剂数量，可以进一步保证反应参与气体快速无阻地扩散供应到电极反应位点。比如，施加造孔剂于电极的数量(即与电极组分的质量比)从气流入口处到出口处增加，优选增加0～15％。优选与电极微结构纳米精细化结合同步使用，在增加催化活性位点数量即增强电化学催化活性的同时，降低反应物及产物的传输阻力即降低浓差极化损失。
作为另一实施方式，催化剂可以包括多种催化剂，至少一种催化剂沿所述气流方向以梯度形式增加，其余催化剂沿所述气流方向均匀分布或者以梯度形式增加。
尽管在图7中示出了台阶式梯度电极被划分为多个反应活性区域，但是平滑式梯度电极也可以划分为多个反应活性区域，其间隔或间隙宽度可选为0-5mm，比如0.5mm、1mm、2mm、3mm、4或5mm。间隔或间隙宽度为0时，即为一个连续不间断的电极平面，电极的反应活性沿气流方向平滑、连续地递增。
上述梯度电极的制备，可通过在电极面内不同位置调节电极催化剂不同的粒径或不同的质量分数、增加另一单相或复合相纳米电催化粒子等途径来实现。
通过粒径分布实现梯度电极，即沿着流场方向催化剂的粒径逐渐变小，使其催化表面积、催化反应三相界长度或者说三相界数量逐渐变大。
催化剂质量分数调控，可以通过活性催化剂的担载含量变化来实现梯度，即改变活性催化剂在复合电极(由活性催化剂+催化剂的担载体亦即离子导体复合而成)中的比例来实现。
增加另一单相或复合相纳米电催化粒子是指可以在原来的电极表面或内部结构中，在原有催化剂在电极面内均匀分布的基础上，施加沿流场方向数量梯度化分布的另一种催化剂或几种催化剂的复合物。当然，也可以使多种催化剂均在气流方向上梯度增加，或者使多种催化剂的粒径均在气流方向上梯度减小。
例如，可以将复合电极的各组成成分分别制备浆料，然后控制上述各组分浆料按数量比例连续变化或阶梯变化进行混合并施加在负载基体上，获得梯度成分电极。施加方式可包括丝网印刷、辊涂、喷涂、打印、溅射、浸渍、注入等方法，可以直接施加催化剂粒子组分，或者预施加催化剂前驱体，再经后处理产生催化剂粒子。
例如，可以将电极有效成分通过陶瓷喷墨打印或丝网印刷(比如预制一系列不同催化剂成分、含量的浆料)，以及物理沉积等方法直接在电解质上制备前述梯度电极层。也可以按照电极活性的梯度设计要求，采用浸渍、注入或沉积等方法，在事先预制的电极骨架网络不同位置添加不同数量的催化剂纳米粒子。
电解质可以是单层，或者是不同成分的双层或多层复合电解质。复合电解质是为了避免在电池高温烧结或长期运行过程中电极与电解质发生界面反应，避免生成高电阻、低活性的二次物相，并优化电极界面性能。
例如，电解质层310(或电解质支撑层510)和电解质阻挡层310’或510’组成的双层复合电解质，其中电解质层310(或电解质支撑层510)提供较好的离子电导性、机械强度及致密性，隔离两个电极的反应气体；电解质阻挡层310’或510’起到阻挡电解质层310(或电解质支撑层510)与氧电极层320或520之间的界面反应、优化界面离子传输和减小电化学反应极化阻抗的作用。
电解质层310(或电解质支撑层510)的成分可以为Y、Sc、Ce等一种或多种共同掺杂的氧化锆基电解质(比如YSZ、ScSZ、ScYSZ、ScCeSZ等)。电解质阻挡层310’或510’可以为Gd、Sm、La、Y等一种或多种共同掺杂的氧化铈基电解质(比如GDC、SDC、LDC、YDC等)。
氧电极层320或520可以为含La1-xSrxCoyFe1-yO3-δ(LSCF)、La1-xSrxCoO3-δ(LSC)、Sm1- xSrxCoO3-δ(LSC)等催化剂的活性电极，式中δ表示因掺杂产生的氧空位量，x和y小于1。
电解质阻挡层310’或510’可阻挡电解质层310(或电解质支撑层510)与氧电极层320或520发生界面反应形成SrZrO3或La2Zr2O7高电阻氧化物。
作为另一实施方式，电解质的另一种复合方案是，电解质阻挡层设置在电解质层310(或510)与燃料电极层330(或燃料电极支撑层530)之间，起到阻挡它们之间界面反应、优化界面离子传输和减小电化学反应极化阻抗的作用，而电解质层310(或510)直接与氧电极层320(或520)相邻。此时，电解质阻挡层的成分可以为Gd、Sm、La和Y等中的一种或多种共同掺杂的氧化铈基电解质(比如GDC、SDC、LDC、YDC等)，电解质层310(或510)可以为镧锶镓镁LSGM电解质，燃料电极层330(或燃料电极支撑层530)为含Ni催化剂的活性电极，电解质阻挡层可避免燃料电极层330(或燃料电极支撑层530)中的Ni与电解质层310(或510)La1- xSrxGa1-yMgyO3-δ(LSGM，x和y小于1)反应生成LaSrGa3O7、LaSrGaO4或LaNiO3高电阻相。
本实用新型的电极和固态氧化物电池的优点在于：电极极化性能在沿流场渐变气氛下的各处差异较小，电极局部电流密度在电池面内比较均匀，不随气流方向反应物浓度降低而急剧减小，有效避免面内横向电流，电池面内欧姆发热均匀，降低电化学衰减及热应力失效风险，有利于长期电池寿命。
本实用新型的电极可应用于基于氧离子导体电解质或质子导体电解质的固态氧化物电池，并可应用于不同支撑类型的SOFC/SOEC(阳极支撑、电解质支撑、阴极支撑)，不同成分的SOFC/SOEC(不同阳极、阴极、电解质成分)，以及不同结构外形的SOFC/SOEC(管式、微管式、平板式、扁平管式SOFC/SOEC)。优选应用于燃料电极支撑型平板电池、电解质支撑型平板电池。
例如，燃料电极可以为Ni催化剂与Y、Sc、Ce等一种或多种金属共掺杂的氧化锆(比如YSZ、ScSZ、ScYSZ或ScCeSZ)组成的金属-陶瓷多孔复合物、或者Ni催化剂与Gd、Sm、La、Y等一种或多种金属共掺杂的氧化铈(比如GDC、SDC、LDC或YDC)组成的金属-陶瓷多孔复合物。
氧电极可以为La1-xSrxMnO3-δ(LSM)、La1-xSrxCoyFe1-yO3-δ(LSCF)、La1-xSrxCoO3-δ(LSC)、Sm1-xSrxCoO3-δ(SSC)等催化剂的一种或多种与金属掺杂氧化锆或金属掺杂氧化铈组成的多孔陶瓷复合物，其中x和y小于1。
电解质可以为金属掺杂的氧化锆(比如YSZ、ScSZ、ScYSZ或ScCeSZ)，其与氧电极接触的一面可预先制备一层金属掺杂氧化铈的电解质层(比如GDC、SDC、LDC或YDC)以避免与含钴或含铁氧电极材料(比如LSCF、LSC、SSC)的界面反应。
上述固态氧化物电池的氧离子导体电解质除了可采用立方萤石结构的氧化锆、氧化铈基氧化物，还可以是钙钛矿氧化物电解质比如La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ(LSGM，x和y小于1)，在其与含Ni电极接触的一侧可预先设置一层电解质阻挡层，优选为氧化铈基电解质比如GDC、LDC，以避免LSGM与Ni的界面反应。
本实用新型电极还可以用于基于高温质子导体电解质的固态氧化物电池，比如电解质采用传导质子的BaCe1-x-yZrxYyO3-δ(BCZY，x+y小于1)钙钛矿氧化物或其金属掺杂复合氧化物。
本实用新型电极的可抵消或减缓原本沿流场气体成分变化导致的电极极化、电流密度的差异，而这一差异与固态氧化物电池的初始性能、气体转化率、总电流负荷等条件相关，所以本实用新型电极具体活性梯度可根据目标操作条件进行设置。
例如，对于如下未梯度化设计的电极支撑型固态氧化物电池：300μm厚度Ni-YSZ支撑|15μm厚度Ni-YSZ燃料电极|10μm厚度YSZ电解质|20μm厚度LSM-YSZ氧电极，运行温度870℃、平均电流密度1.5A/cm2、电解气体转化率45％，集流层近似为等势平面即电压各处相等V＝1.4伏，由模拟计算与实验测量可得局部电流密度i沿气流方向梯度分布如图8所示，而极化电阻分布可简单的从R＝V/i获得。根据这一分布状况以及反应活性与反应位点密度的正比例关系，反馈于梯度电极设计和制备，应使反应活性梯度恰好与图示i反向、以抵消原来由气氛差异导致的i梯度分布。具体地，针对图8所示的电流密度i的梯度分布，使从气流入口到出口处的燃料电极反应有效位点密度递增幅度14.3％，可获得差异较小的面内电流分布。
实施例1
未梯度化设计的电极支撑型固态氧化物电池：300μm厚度Ni-YSZ支撑|15μm厚度Ni-YSZ燃料电极|10μm厚度YSZ电解质|20μm厚度LSM-YSZ氧电极，运行温度870℃、平均电流密度1.5A/cm2、电解气体为45％CO2+45％H2O+10％H2混合气，转化率为45％，集流层近似为等势平面即电压各处相等V＝1.4伏。
通过调整Ni-YSZ燃料电极中的Ni催化剂以及离子导体8YSZ的粒径，并采用台阶式梯度由气流上游到下游使电极逐步精细化，即沿气流方向电池均分为4个矩形区域且相互衔接不存在间隙，其相邻边界与入口距离占流场总长度分别为25％、50％及75％，各区域采用Ni催化剂的粒径中值依次为～2.0μm、～1.5μm、～0.8μm和～0.4μm，各区域采用相同的8YSZ且粒径中值为～0.4μm。
电流分布差异状况可通过放置于燃料电极上下游集流体表面的5个探测触点之间测得的电势差简单反映，沿气流方向电势探测触点等间距(离气流入口占流场总长度的0％、25％、50％、75％及100％)依次排布，由所测电势的高低判别面内横向电流的方向，由所测电势差与已知集流体电阻率计算横向电流的大小。通过放置于电池集流体表面靠近气流入口、中间、出口的3个热电偶监测电池面内温度的差异性。固态氧化物电池Ni-YSZ燃料电极经梯度化制备，在上述同等操作条件下沿气流方向的性能均一性得到很大提高，电流差异削减到5％以内，最大温度差异降低到2℃以内。因此，保证了电池各处的运行效率并减缓电池衰减。
实施例2
与实施例1不同之处在于，固态氧化物电池基本结构为300μm厚度Ni-YSZ支撑|15μm厚度Ni-SSZ燃料电极|10μm厚度SSZ电解质|5μm厚度GDC阻挡层|20μm厚度LSCF-GDC氧电极，其中LSCF-GDC的孔隙率在35％～50％。通过在LSCF-GDC氧电极中新增催化剂并调控其含量获得平滑式梯度，使得从气流入口到出口处的电化学催化性能增强。具体地，采用液体微注射方法在电极表面和内部施加La0.6Sr0.4CoO3-δ及CeO2对应金属离子硝酸盐前驱体溶液，通过注射速度控制物质含量，使相对于入口处的增幅从0增至～15％(邻近出口)，缓慢干燥分解并加热至650-850℃处理，得到高活性纳米La0.6Sr0.4CoO3-δ及CeO2(重量比3:2)催化剂，由此获得具有梯度电极的固态氧化物电池。经原位测量分析，具有上述梯度电极的固态氧化物电池在运行过程中沿气流方向的电流分布均匀，总变化幅度在5％以内，最大温度差异降低到2℃以内，从而保证电池运行效率、减缓电池衰减。
以上给出了单一电极为梯度电极的实施例，当两电极均为梯度电极的情况下，也可以进一步减少运行性能差异性，改善电池运行效率并减缓电池衰减。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电极，其特征在于，所述电极用于固态氧化物燃料电池或固态氧化物电解池，并且所述电极的反应活性沿气流方向以梯度形式增加。
2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极被划分为多个反应活性区域，相邻的所述反应活性区域之间的间隙宽度范围为0-5mm。
3.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述梯度形式为平滑式梯度或台阶式梯度。
4.根据权利要求3所述的电极，其特征在于，所述梯度形式为台阶式梯度时，同一台阶区域中均匀包含相同粒径的催化剂，并且所述催化剂中至少一种催化剂的粒径沿所述气流方向在不同的所述台阶区域中阶梯式递降。
5.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极用作燃料电极或氧电极。
6.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极的反应位点的密度沿气流方向以梯度形式增加。
7.根据权利要求6所述的电极，其特征在于，所述反应位点为催化剂与离子导体担载及反应气体的三相界面。
8.根据权利要求7所述的电极，其特征在于，所述催化剂包括多种催化剂，至少一种催化剂的担载量沿所述气流方向以梯度形式增加，其余催化剂沿所述气流方向均匀分布或者亦以梯度形式增加。
9.一种固态氧化物燃料电池，其特征在于，所述固态氧化物燃料电池包括氧电极和燃料电极，所述氧电极和燃料电极中的至少一种为权利要求1-8中任一项所述的电极。
10.一种固态氧化物电解池，其特征在于，所述固态氧化物电解池包括氧电极和燃料电极，所述氧电极和燃料电极中的至少一种为权利要求1-8中任一项所述的电极。
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