CN104157894B - 双离子型燃料单体电池 - Google Patents

双离子型燃料单体电池 Download PDF

Info

Publication number
CN104157894B
CN104157894B CN201410436277.9A CN201410436277A CN104157894B CN 104157894 B CN104157894 B CN 104157894B CN 201410436277 A CN201410436277 A CN 201410436277A CN 104157894 B CN104157894 B CN 104157894B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
electrolyte
solid electrolyte
type fuel
ion type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410436277.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104157894A (zh
Inventor
欧腾蛟
石建珍
张洪涛
蒋庆来
王乔
王一乔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NATIONAL ENGINEERING RESEARCH CENTER OF ADVANCE ENERGY STORAGE MATERIALS
Original Assignee
NATIONAL ENGINEERING RESEARCH CENTER OF ADVANCE ENERGY STORAGE MATERIALS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NATIONAL ENGINEERING RESEARCH CENTER OF ADVANCE ENERGY STORAGE MATERIALS filed Critical NATIONAL ENGINEERING RESEARCH CENTER OF ADVANCE ENERGY STORAGE MATERIALS
Priority to CN201410436277.9A priority Critical patent/CN104157894B/zh
Publication of CN104157894A publication Critical patent/CN104157894A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104157894B publication Critical patent/CN104157894B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供了一种双离子型燃料单体电池，包括依次叠加的正极板、固体电解质和负极板，固体电解质为单组分电解质，且在固体电解质内开有若干条方向一致的且相互平行的通道，通道方向与固体电解质的长度或宽度方向平行。本发明的双离子型燃料单体电池，有利于燃料电池反应过程中产生的水蒸气从电解质中特意设置的单独的通道扩散出去，从而实现H2O与H2和O2的分离，不影响电极中H2和O2的浓度，可提高电池性能，增加电池寿命。

Description

双离子型燃料单体电池
技术领域
本发明涉及一种燃料单体电池，特别涉及一种双离子型燃料单体电池。
背景技术
根据水产生的场所不同，燃料电池可以分为以下三种类型：
a)氢离子型燃料电池：电池工作时，电解质只传递H+，水在阴极一侧生成，例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)就是这种类型。
b)氧离子型燃料电池：电池工作时，电解质只传递O2-，水在阳极一侧生成，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)就是这种类型。
c)双离子型燃料电池：电池工作时，电解质同时传递H+和O2-，但是水既不在阴极也不在阳极侧生成，而是在电解质中生成。电解质靠近电极的两侧致密，中间层带空隙，H+和O2-在中间层汇合生成水，然后通过电解质中的空隙排出。
而双离子型燃料电池是近年来提出的一种新型燃料电池模型，其在发展过程中经历了两种阶段：(a)采用双组分导电介质做电解质：电解质有三层组成，靠近阳极的一侧是一层致密的组分A(例如Yttrium doped Barium Cerate,BCY)，靠近阴极一侧是一层致密的组分B(例如Yttrium doped Ceria,YDC)，中间层为组分A+B的多孔混合结构。每一种组分在特定的工作温度条件下只传导一种离子，例如组分A只负责传导H+，组分B只负责传导O2-，而中间层是H+和O2-汇合生产H2O的地方。这种设计能够有效地防止离子穿透电解质层到达另一侧电极(例如H+到达阴极或者O2-到达阳极)，能够确保燃料电池在双离子型条件下工作。但是双组分固相增加了电解质制备的难度，两种不同的组分由于热膨胀性不一样，在烧结过程中容易出现电解质层裂开以及过高的接触电阻。(b)单组分的电解质：电解质依旧由三层组成，靠近电极的两侧是致密的电解质层，中间是带多孔的电解质层，用来排水。但是这三层是由同一种组分组成，这就要求这种电解质材料(例如钙钛矿型复合氧化物)既能传导H+又能传导O2-。这种设计的好处是减少了制备过程中的工艺步骤和难度，烧结过程中电解质层的结构较稳定，但水蒸气的排放通道并没有特意固定设置，只是通过电解质材料本身颗粒之间自然形成的孔道来进行排放，但是电解质颗粒之间自然形成的多孔的微观通道其孔径较小，且排水路径弯曲，会产生较大的排水阻力，影响了电池性能。
发明内容
本发明旨在提供一种有利于水蒸气扩散的双离子型燃料单体电池。本发明通过以下方案实现：
一种双离子型燃料单体电池，包括依次叠加的正极板、固体电解质和负极板，固体电解质为单组分电解质，且在固体电解质内开有若干条方向一致的且相互平行的通道，通道方向与固体电解质的长度或宽度方向平行。
一般情况下，所述通道的横截面呈圆形、矩形、椭圆形中的一种。
为使氢离子与氧离子在均相电解质中的反应表面积达到最大，所述通道的横截面优选直径为1～10μm。
上述固体电解质内的通道，采用固态烧结法制备得到，具体为将若干个微米级的条状聚酯材料作为生孔剂间隔一定的距离放置于电解质内，聚酯材料的放置方向与固体电解质的长度或宽度方向平行，然后在1200℃以上的高温下进行烧结，在烧结过程中，聚酯材料会分解挥发掉，从而在电解质内形成若干个通道。考虑到聚酯材料具有一定的收缩性，为了保证通道的横截面尺寸，聚酯材料的横截面尺寸一般采用通道横截面尺寸的1.1～1.2倍，聚酯材料的横截面呈圆形、矩形、椭圆形中的一种。
现有技术的双离子型燃料单体电池，水蒸气的排放通道并没有特意在电解质内固定设置，只是通过电解质颗粒之间自然形成的孔道来进行排放，但是电解质材料本身颗粒之间自然形成的多孔的微观通道其孔径较小，且排水路径弯曲，水蒸气排放不顺畅，阻力较大。与现有技术相比，本发明的双离子型燃料单体电池在固体电解质内采用固态烧结法特意设有若干条方向一致且相互平行、方向平行于固体电解质长度或宽度方向的通道，且设定了通道尺寸，有利于燃料电池反应过程中产生的水蒸气从电解质中特意设置的单独的通道扩散出去，不影响电极中H2和O2的浓度，能更好的实现氢气、氧气和水蒸气的独立管理，可提高电池性能，增加电池寿命。
附图说明
图1实施例1的双离子型燃料单体电池的侧面示意图
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种双离子型燃料单体电池，为平板式结构，如图1所示，包括依次叠加的正极板1、固体电解质3和负极板2，正极板1、负极板2的外接触面上各固定有一个集流器4，集流器4上设置有若干个导流槽6，用于氢气或氧气的通过，其中正极板1的尺寸为7cm×7cm×50μm、制作材料为NiO/BCZY，负极板2的尺寸为7cm×7cm×20μm、制作材料为BCZY/LSCF，固体电解质3的尺寸为7cm×7cm×10μm、制作材料为BCZY，为单组分电解质，且在固体电解质3内开有若干条方向一致的且相互平行的通道5，通道5方向与固体电解质3的长度方向平行，通道5整体位于固体电解质3的中间位置且呈直线排布，通道5的横截面为直径为5μm的圆形。
上述固体电解质内的通道，采用固态烧结法制备得到，具体为将若干个横截面呈圆形且直径为6μm的条状聚酯材料作为生孔剂，间隔一定的距离呈直线排布且整体居中放置于电解质内，聚酯材料的放置方向与固体电解质的长度方向平行，然后在1200℃的高温下进行烧结，在烧结过程中，聚酯材料会分解挥发掉，从而在电解质内形成若干个横截面呈圆形且直径为5μm的通道。
本发明的双离子型燃料单体电池，实现了氢气、氧气和水蒸气的独立管理，可提高电池性能，增加电池寿命。
实施例2
一种双离子型燃料单体电池，其结构与实施例1的双离子型燃料单体电池相类似，其不同之处在于：通道位于固体电解质内靠近负极的位置，通道的横截面为直径为2μm的圆形。
实施例3
一种双离子型燃料单体电池，其结构与实施例1的双离子型燃料单体电池相类似，其不同之处在于：通道的横截面为四条边的边长为5μm的矩形。
实施例4
一种双离子型燃料单体电池，其结构与实施例1的双离子型燃料单体电池相类似，其不同之处在于：通道的横截面为长边长度为10μm、短边长度为5μm的椭圆形。

Claims (3)

1.一种双离子型燃料单体电池，包括依次叠加的正极板、固体电解质和负极板，其特征在于：固体电解质为单组分电解质，且在固体电解质内开有若干条方向一致的且相互平行的通道，通道方向与固体电解质的长度或宽度方向平行。
2.如权利要求1所述双离子型燃料单体电池，其特征在于：所述通道的横截面呈圆形、矩形或椭圆形中的一种。
3.如权利要求2所述的双离子型燃料单体电池，其特征在于：所述通道的横截面优选直径为1～10μm的圆形。
CN201410436277.9A 2014-08-29 2014-08-29 双离子型燃料单体电池 Active CN104157894B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410436277.9A CN104157894B (zh) 2014-08-29 2014-08-29 双离子型燃料单体电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410436277.9A CN104157894B (zh) 2014-08-29 2014-08-29 双离子型燃料单体电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104157894A CN104157894A (zh) 2014-11-19
CN104157894B true CN104157894B (zh) 2016-12-07

Family

ID=51883346

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410436277.9A Active CN104157894B (zh) 2014-08-29 2014-08-29 双离子型燃料单体电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104157894B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105489915B (zh) * 2015-11-25 2018-04-17 先进储能材料国家工程研究中心有限责任公司 一种双离子型燃料单体电池的制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030081400A (ko) * 2001-01-26 2003-10-17 도레이 가부시끼가이샤 고분자 전해질막 및 그의 제조 방법 및 그것을 이용한고체 고분자형 연료 전지
JP2009164084A (ja) * 2008-01-10 2009-07-23 Canon Inc 固体高分子形燃料電池用カーボン層及び固体高分子形燃料電池
CN101447583A (zh) * 2008-10-31 2009-06-03 清华大学 一种燃料电池一体化单元模块及其电堆

Also Published As

Publication number Publication date
CN104157894A (zh) 2014-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106575776B (zh) 与电化学电池一起使用的流场
US8921000B2 (en) Fuel cell
JP6139344B2 (ja) 電気化学セル
CN101420043B (zh) 具有位于阳极和阴极上的不对称扩散介质的燃料电池堆
KR102084568B1 (ko) 그래핀폼을 포함하는 가스유로/가스확산층 복합 기능 연료전지용 부재
JP2018109221A (ja) 電気化学式水素ポンプ
CA2948828A1 (en) Flow fields for use with an electrochemical cell
US20100285386A1 (en) High power fuel stacks using metal separator plates
KR101120134B1 (ko) 평관형 고체산화물 셀 스택
CN105470542A (zh) 一种燃料电池
CN104157894B (zh) 双离子型燃料单体电池
KR101045207B1 (ko) 연료전지 스택
KR102075180B1 (ko) 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
US10971736B2 (en) Electrode separator structure and fuel cell applied with the same
JP2008071633A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2012074205A (ja) 膜電極複合体およびアルカリ形燃料電池
JP6773600B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
KR20130080717A (ko) 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법
JP7306361B2 (ja) 燃料電池
JP5322164B2 (ja) 燃料電池スタック
JP7349846B2 (ja) 電気化学セル、電気化学反応セルスタック
CN103460475A (zh) 燃料电池
JP7096642B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP7096643B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP7096644B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant