CN107863537A - 一种abo3型钙钛矿型复合氧化物燃料电池 - Google Patents

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郭浩然
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Abstract

本发明提供了一种钙钛矿型复合氧化物燃料电池，所述电池至少包括阴极气体扩散层、阴极催化剂层、电解质层、阳极催化剂层和阳极气体扩散层，阴极催化剂层是由多个彼此相邻的、自电解质层的第一外表面向阴极气体扩散层外延的横截面为等腰三角形的第一凸起构成；阳极催化剂层由多个彼此相邻的、自电解质层的第二外表面向阳极气体扩散层外延的横截面为等腰三角形的第二凸起构成。通过将催化剂层设置为凹凸结构一方面增大了气体与催化剂层的接触面积有效提高了空气或氧气的反应活性，另一方面能够使得空气或氧气自接触气体扩散层便能够立即接触到催化剂从而在催化作用下加快气体的反应速度，增加气体的扩散速率，从而进一步增大电池的利用率。

Description

一种ABO3型钙钛矿型复合氧化物燃料电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿型复合氧化物燃料电池。
背景技术
钙钛矿型复合氧化物燃料电池作为一种新型能源转换装置，由于其高效、洁净等优点正日益受到各国政府，科研工作者及普通民众的重视。其具有以下优点：(1)全固态结构，不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题；(2)无须使用贵金属电极，电池成本大大降低；(3)燃料适用范围广；(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性，优化碱锰电池的充放电性能，用含有锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料将获得较好的结果。
固体氧化物燃料电池单电池由两个多孔电极和两电极之间致密的电解质层所构成。氧分子在阴极得到电子被还原成氧离子，氧离子在电极两侧氧浓度差的驱动下，通过电解质中的氧空位定向跃迁，到达阳极与燃料气体进行氧化反应，放出电子，电子传到外回路形成电流带动负载工作。由于空气电池的正极活性物质是空气中的氧气，电池的电化学反应是发生在空气电池和电解液形成的固液气三相界面，所以它的电化学反应速度受到氧气从空气中扩散进来的速度以及截面的反应活性所控制。因此如何提高固液气三相界面的电化学反应活性是目前需要解决的问题之一。
中国专利CN101317289A公开了一种膜催化剂层组件、膜电极组件、燃料电池及燃料电池堆。公开了在具有阳极催化剂层、阴极催化剂层以及配置于阳极催化剂层与阴极催化剂层之间的具有氢离子传导性的高分子电解质膜的膜催化剂层组件中，但是上述专利的催化剂层采用的是在阳极催化剂层和阴极催化剂层中至少一方的周边部，设置有每单位面积的催化剂中的电极催化剂质量从内部向外侧减少的减少部分。也就是说上述专利的膜催化剂层在其周边具有倾斜的边缘。但是即便如此，燃料电池中的空气或氧气仍需要通过阳极电极层或阴极电极层后到达与催化剂接触的表面时才能有效提高氧的反应活性。
发明内容
因此，基于现有技术之不足，本发明提供了一种钙钛矿型复合氧化物燃料电池，所述电池至少包括阴极气体扩散层、阴极催化剂层、电解质层、阳极催化剂层和阳极气体扩散层，其中，所述阴极催化剂层是由多个彼此相邻的、自所述电解质层的第一外表面向所述阴极气体扩散层外延的横截面为等腰三角形的第一凸起构成；所述阳极催化剂层由多个彼此相邻的、自所述电解质层的第二外表面向所述阳极气体扩散层外延的横截面为等腰三角形的第二凸起构成。
根据一种优选实施方式，其中，所述第一凸起的最高点和所述第二凸起的最高点分别距离所述电解质层的第一外表面和第二外表面的距离均为5μm。
根据一种优选实施方式，所述阴极气体扩散层具有与所述阴极催化剂层的第一凸起形成的凹部相对应的横截面为三角形的第三凸起。
根据一种优选实施方式，所述阳极气体扩散层具有与所述阳极催化剂层的第二凸起系形成的凹部相对应的横截面为三角形的第四凸起。
根据一种优选实施方式，所述电解质层的厚度为9μm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
本发明将阳极催化剂和阴极催化剂层设置成横截面为等腰三角形的多个凸起结构，从而与气体扩散层的接触面相互配合结合构成矩形膜，一方面增大了气体与催化剂层的接触面积从而有效提高了空气或氧气的反应活性，另一方面将催化剂层设置成凹凸结构能够使得空气或氧气自接触气体扩散层便能够立即接触到催化剂从而在催化剂的催化作用下加快气体的反应速度，增加气体的扩散速率，从而进一步增大电池的利用率。
附图说明
图1是本发明的钙钛矿基复合氧化物燃料电池的结构图。
1：电解质层 2：阴极气体扩散层 3：阴极催化剂层
21：第三凸起 31：第一凸起 41：第四凸起
51：第二凸起 a：第一外表面 b：第二外表面
4：阳极气体扩散层 5：阳极催化剂层 h：高度
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
图1示出了本发明的一种钙钛矿型复合氧化物燃料电池的结构图。如图1所示，所述电池至少包括阴极气体扩散层2、阴极催化剂层3、电解质层1、阳极催化剂层5和阳极气体扩散层4。其中，所述阴极催化剂层3是由多个彼此相邻的、自所述电解质层1的第一外表面a向所述阴极气体扩散层2外延的横截面为等腰三角形的第一凸起31构成。所述阳极催化剂层5由多个彼此相邻的、自所述电解质层1的第二外表面b向所述阳极气体扩散层4外延的横截面为等腰三角形的第二凸起51构成。即，所述阴极催化剂层和阳极催化剂层为自距离电解质层的外表面高度为5μm的平面上一顶点分别向所述电解质层外表面延伸形成的横截面为等腰三角形的多个凸起。多个凸起彼此相邻。其中，所述第一凸起31的最高点和所述第二凸起51的最高点分别距离所述电解质层的第一外表面a和第二外表面b的高度h均为5μm。
所述阴极气体扩散层2具有与所述阴极催化剂层3的第一凸起31形成的凹部相对应的横截面为三角形的第三凸起21。所述阴极气体扩散层2与所述阴极催化剂层3紧密结合形成高度为5μm的矩形膜。优选地，所述阴极气体扩散层是沉积在所述阴极催化剂层形成三角形凹部内，同时在所述阴极催化剂层的两端以横截面为直角三角形的结构与所述阴极催化剂层以接触面紧密结合的方式形成矩形膜。
优选地，所述阳极气体扩散层4具有与所述阳极催化剂层5的第二凸起系形成的凹部相对应的横截面为三角形的第四凸起41。所述阳极气体扩散层4与所述阳极催化剂层5紧密结合形成高度为5μm的矩形膜。优选地，所述阳极气体扩散层是沉积在所述阳极催化剂层形成三角形凹部内，同时在所述阳极催化剂层的两端以横截面为直角三角形的形状与所述阳极催化剂层以接触面紧密结合的方式形成矩形膜。
优选地，所述电解质层的厚度为9μm。
优选地，所述电解质层可以为YSZ电解质或者全氟化碳磺酸构成的高分子电解质。
本发明采用La1-xSrxFe1-yCoyO3体系材料作为固体氧化物燃料电池的阴极材料。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种钙钛矿型复合氧化物燃料电池，其特征在于，所述电池至少包括阴极气体扩散层(2)、阴极催化剂层(3)、电解质层(1)、阳极催化剂层(5)和阳极气体扩散层(4)，其中，所述阴极催化剂层(3)是由多个彼此相邻的、自所述电解质层(1)的第一外表面(a)向所述阴极气体扩散层(2)外延的横截面为等腰三角形的第一凸起(31)构成；所述阳极催化剂层(5)由多个彼此相邻的、自所述电解质层(1)的第二外表面(b)向所述阳极气体扩散层(4)外延的横截面为等腰三角形的第二凸起(51)构成。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿型复合氧化物燃料电池，其特征在于，其中，所述第一凸起(31)的最高点和所述第二凸起(51)的最高点分别距离所述电解质层的第一外表面(a)和第二外表面(b)的高度(h)均为5μm。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿型复合氧化物燃料电池，其特征在于，所述阴极气体扩散层(2)具有与所述阴极催化剂层(3)的第一凸起(31)形成的凹部相对应的横截面为三角形的第三凸起(21)。
4.根据权利要求2所述的钙钛矿型复合氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极气体扩散层(4)具有与所述阳极催化剂层(5)的第二凸起系形成的凹部相对应的横截面为三角形的第四凸起(41)。
5.根据前述权利要求之一所述的钙钛矿复合氧化物燃料电池，其特征在于，所述电解质层(1)的厚度为9μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112467152A (zh) * 2020-11-25 2021-03-09 上海电气集团股份有限公司 气体扩散层、燃料电池、加工模具及加工工艺

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