CN114243069A - 一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池 - Google Patents

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万贺廷
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Abstract

本发明提供了一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，该柔性膜燃料电池包括阴极、阳极和电解质柔性膜，其特征在于：所述电解质柔性膜包含纳米纤维结构，所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料制成，能够在150~250℃的温度区间具有4.3×10‑3S/cm以上的电导率。进一步的，所述阴极、阳极是由电极材料与所述纳米纤维结构混合组成的复合电极。本发明使用了包含纳米纤维结构的电解质柔性膜，使得燃料电池在150~250℃的中等温度下呈现良好的适用性。

Description

一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池。
背景技术
燃料电池是将燃料化学能通过电化学过程直接转化为电能的能量转换装置，具有高效、清洁等特点，其核心部件由隔膜、阴极和阳极组成，隔膜层为致密的电解质，起着传导离子、隔离燃料与氧化气体的作用，要求具备较高的离子电导率。
根据电解质类型划分，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）等，车用领域现阶段主要以质子交换膜燃料电池为主。然而，质子交换膜的耐高温性较差，工作温度一般在100℃附近及以下，当工作温度增加时，质子交换膜容易发生降解，导致质子传导性降低，进而影响性能。该温度工作条件增加了燃料电池系统的散热压力，不利于长时间高功率运行，在部分工况下受到了一定限制。
由于质子交换膜燃料电池对散热的要求苛刻，固体氧化物燃料电池在车用领域正受到越来越多的关注。其中，氧离子传导型SOFC工作温度为700℃～1000℃，质子传导型SOFC工作温度为350℃～550℃。虽然固体氧化物燃料电池可以耐受更高的温度，但由于SOFC组件材料是脆性的，过高的工作温度导致启停过程中的温度变化跨度较大，热膨胀造成的热应力很容易引起材料开裂，导致漏气等安全问题，因此SOFC的有效面积受到了限制，一般只能做到10cm×10cm，而作为对比，PEMFC的有效面积可达400cm2～500cm2，这对SOFC性能提升及应用拓展造成了一定的影响。
为此，亟需提供一种适用于150~250℃的中等温度运行条件的燃料电池，克服PEMFC和SOFC存在的缺陷，从而使燃料电池能够更广泛的应用于车用领域。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于：所述柔性膜燃料电池包含阴极、阳极和电解质柔性膜；所述电解质柔性膜包含纳米纤维结构；所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料制成，在150~250℃的温度区间具有4.3×10-3S/cm以上的电导率。
具体的，所述电解质材料可以是无机电解质材料或有机电解质材料。其中，所述无机电解质材料包括钇稳定的二氧化锆、掺杂氧化铋或氧化铈、LaGaO3基钙钛矿型氧化物、掺杂BaCeO3、掺杂BaZrO3、掺杂SrZrO3和掺杂SrCeO3中的至少一种，例如La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85、Ce0.9Gd0.1O1.95、Bi2V0.9Cu0.1O5.35-δ等，其中掺杂元素可以为Gd、Sm、Y、Tm、Yb、Lu、In和Sc等。所述有机电解质材料包括全氟磺酸聚合物、烃类聚合物、聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、掺杂的聚苯并咪唑中的至少一种。
具体的，所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料通过电纺丝法、溶胶甩丝法或溶液高压喷射法制成。
进一步的，所述燃料电池的阴极可以是由阴极电极材料与所述纳米纤维结构组成的复合阴极，所述燃料电池的阳极也可以是由阳极电极材料与所述纳米纤维结构组成的复合阳极。
具体的，所述阴极电极材料选自钙钛矿或类钙钛矿材料，例如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ（BSCF）、La1-XSrXCoO3-δ（LSC）、Sm0.5Sr0.5CoO3-δ（SSC）和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）等，优选为LSCF；所述阳极电极材料选自金属阳极材料、导电陶瓷材料和混合导体氧化物材料，优选为氧化镍。
通过将电极材料与纳米纤维结构组成复合电极，可有效增大催化剂/电解质/反应气三相界面（TPB）的面积，起到提高阴极、阳极催化反应速率的作用，进而改善燃料电池输出性能。
更进一步的，所述电解质柔性膜的厚度应当为30~180μm，当柔性膜的厚度小于30μm时，在制备过程中容易发生性能降低，而当厚度大于180μm时，则容易限制电极组件的数量。
更进一步的，所述纳米纤维结构的平均直径为50~200nm，当直径过小时，纳米纤维之间的空隙将显著降低，使得柔性膜的孔隙率过低影响气体透过率；而直径过大时，气体中的异物容易通过空隙并积累在电极组件内，随着使用时间的推移性能将有明显的下降。
基于以上技术方案，本发明取得的有益效果是：提供了一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，该燃料电池的电解质柔性膜包含纳米纤维结构，在150~250℃的中等温度条件下的电池性能显著优于现有的燃料电池，具有4.3×10-3S/cm以上的电导率。如此，燃料电池可以在150~250℃的中等温度条件下运行，而不必局限在PEMFC适合的低温场景，或者SOFC的高温场景，并且由于纳米纤维结构的引入赋予了电解质膜足够的柔性，减轻了热膨胀对电解质膜有效面积的制约，从而使燃料电池能够更广泛的应用于车用领域。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明实施例所示的燃料电池示意图。
附图标记说明：1-阳极；2-电解质柔性膜；3-阴极。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的实施例。虽然下文具体描述了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明的一个具体实施例中，包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池具体包括阳极1、电解质柔性膜2及阴极3。
电解质柔性膜2包含纳米纤维结构。所述“纳米纤维结构”是一种纤维状的结构，纤维的直径为纳米量级。具体的，所述纳米纤维结构可以通过电纺丝法、溶胶甩丝法或溶液高压喷射法形成。
对于纳米纤维结构的具体材料，可以选择无机电解质材料或有机电解质材料。其中，无机电解质材料可以是钇稳定的二氧化锆、掺杂氧化铋或氧化铈、LaGaO3基钙钛矿型氧化物、掺杂BaCeO3、掺杂BaZrO3、掺杂SrZrO3和掺杂SrCeO3中的至少一种，例如La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85、Ce0.9Gd0.1O1.95、Bi2V0.9Cu0.1O5.35-δ等；有机电解质材料包括全氟磺酸聚合物、烃类聚合物、聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、掺杂的聚苯并咪唑、及他们的酸或碱中的至少一种。
通过使用前述电解质材料形成纳米纤维结构，电解质柔性膜在150~250℃的中等温度条件下的电池性能显著优于现有的燃料电池，通过调整工艺参数能够得到4.3×10-3S/cm以上的电导率。
在纳米纤维结构的制备过程中，通过调整工艺参数将纳米纤维的平均直径控制在50~200nm，可以使电解质柔性膜获得更优异的性能；并且，柔性膜的厚度控制在30~180μm的范围内是更加适当的。在最优的工艺组合下，电解质柔性膜在200℃下的电导率能够达到1.31×10-2S/cm。
阳极1包含金属阳极材料、导电陶瓷材料或混合导体氧化物材料。此外，阳极1还包括所述纳米纤维结构，从而构成为复合阳极。
阴极3包括钙钛矿或类钙钛矿材料，例如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ（BSCF）、La1- XSrXCoO3-δ（LSC）、Sm0.5Sr0.5CoO3-δ（SSC）和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）等。此外，阴极3还包括所述纳米纤维结构，从而构成为复合阴极。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于：所述柔性膜燃料电池包含阴极、阳极和电解质柔性膜；所述电解质柔性膜包含纳米纤维结构，所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述电解质材料为无机电解质材料或有机电解质材料。
3.根据权利要求2所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述无机电解质材料包括钇稳定的二氧化锆、掺杂氧化铋或氧化铈、LaGaO3基钙钛矿型氧化物、掺杂BaCeO3、掺杂BaZrO3、掺杂SrZrO3和掺杂SrCeO3中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述有机电解质材料包括全氟磺酸聚合物、烃类聚合物、聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、掺杂的聚苯并咪唑中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料通过电纺丝法、溶胶甩丝法或溶液高压喷射法制成。
6.根据权利要求1所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述阴极是由阴极电极材料与所述纳米纤维结构组成的复合阴极。
7.根据权利要求6所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述阴极电极材料选自钙钛矿或类钙钛矿材料。
8.根据权利要求1所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述阳极是由阳极电极材料与所述纳米纤维结构组成的复合阳极。
9.根据权利要求8所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述阳极电极材料选自金属阳极材料、导电陶瓷材料和混合导体氧化物材料。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于，所述电解质柔性膜的厚度为30~180μm，所述纳米纤维结构的平均直径为50~200nm。
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