CN205231183U - 一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池 Download PDF

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潘铁政
范景波
赵程
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Abstract

本实用新型涉及一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池，所述电解质膜包括交替设置的第一电解质单元和第二电解质单元，所述第一电解质单元由氧离子导体相构成，所述第二电解质单元由质子导体相构成。在传统氧离子导体电解质膜中引入质子传导通道可有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，有利于实现固体氧化物燃料电池的中低温化和实用化，从而有效降低固体氧化物燃料电池在中低温工作条件下的离子电阻。

Description

一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池
技术领域
本实用新型属于燃料电池领域，涉及一种燃料电池的部件，具体涉及一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池。
背景技术
固体氧化物燃料电池作为一种能够直接将化学能转化为电能的能量转化装置由于兼具能量转化效率高、燃料适用广泛等优点受到人们广泛关注。如日本TOTO株式会社在申请号为201280016340.2的发明专利中通过在电解质中掺杂一部分氧化铝开发出了一种能够稳定工作90000小时固体氧化物燃料电池；美国LG燃料电池系统公司在申请号为201280045198.4和201280045187.6的发明专利中对燃料电池的系统进行了优化。
然而，到目前为止固体氧化物燃料电池发电的成本仍然较高，这主要与现有固体氧化物燃料电池生产和运行成本较高有关。现有固体氧化物燃料电池大多仍然采用传统的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为电解质，工作温度在750℃-1000℃。在如此高的温度下长时间工作会导致电池各组件材料之间的副反应，电极微结构由于烧结而受到破坏等问题。除此之外，较高的工作温度使得固体氧化物燃料电池各组件可选的材料非常有限，不能采用成本相对低廉的密封和电极材料。
降低固体氧化物燃料电池的工作温度到300-750℃温度范围有望显著缓解上述问题，被普遍认为是实现其实用化的有效途径。然而，固体氧化物燃料电池工作温度的降低也会导致其输出功率显著衰减的问题。其中传统的YSZ电解质氧离子电导活化能较高，随着温度的下降电解质离子传导电阻显著增加，已成为制约固体氧化物燃料电池中低温化的关键因素之一。
实用新型内容
本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供了一种结构改进的固体氧化物燃料电池电解质膜。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种固体氧化物燃料电池电解质膜，所述电解质膜包括交替设置的第一电解质单元和第二电解质单元，所述第一电解质单元由氧离子导体相构成，所述第二电解质单元由质子导体相构成。
优选地，所述第一电解质单元和所述第二电解质单元分别有多个。
根据本发明的一个具体且优选方面，所述第一电解质单元与所述第二电解质单元均为长条状，且其长度延伸方向与所述电解质膜的厚度方向垂直。进一步地，所述第一电解质单元的长度等于电解质膜的一条边的宽度，所述第一电解质单元的厚度和所述第二电解质单元的厚度均等于电解质膜的厚度。
根据本发明的又一具体且优选方面，所述多个第一电解质单元和所述多个第二电解质单元沿着所述的电解质膜所在平面的长度方向和宽度方向交替排列。所述第一电解质单元和所述第二电解质单元的厚度等于所述电解质膜的厚度，所述第一电解质单元和所述第二电解质单元的长和宽分别为1～30微米。优选地，所述第一电解质单元和所述第二电解质单元的长和宽分别为2～20微米，更优选为2～10微米。
根据本发明，所述多个第一电解质单元的大小、形状可以相同或不同；所述多个第二电解质单元的大小可以相同或不同，所述第一电解质单元与所述第二电解质单元的大小、形状可以相同或不同。作为优选，所述多个第一电解质单元、第二电解质单元的大小、形状均相同。
优选地，所述电解质膜通过3D打印机打印而成。
根据本实用新型，所述氧离子导体相和质子导体相是已知的，可以采用本领域常用的那些，没有特别限制。例如，质子导体相可以为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)，氧离子导体相可以为Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC10)、Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC20)、Sm0.1Ce0.9O1.95(SDC10)和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC20)中的一种或几种组成的混合物。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型固体氧化物燃料电池电解质膜，包括交替设置的第一电解质单元和第二电解质单元，第一电解质单元由氧离子导体相构成，第二电解质单元由质子导体相构成，在传统氧离子导体电解质膜中引入质子传导通道可有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，有利于实现固体氧化物燃料电池的中低温化和实用化，从而有效降低固体氧化物燃料电池在中低温工作条件下的离子电阻。
附图说明
图1为实施例1中固体氧化物燃料电池电解质膜的平面图；
图2为图1中固体氧化物燃料电池电解质膜A处的局部放大图；
图3为图1中固体氧化物燃料电池电解质膜的剖视图；
图4为图3中固体氧化物燃料电池电解质膜B处的局部放大图；
图5为实施例2中固体氧化物燃料电池电解质膜的平面图；
其中，1、电解质本体；11、第一电解质单元；12、第二电解质单元；2、基片。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型优选实施方案进行详细说明：
实施例1
本实施例提供一种固体氧化物燃料电池电解质膜，如图3和图4所示，它形成在基片2的任一表面上，包括多个交替设置的第一电解质单元11和第二电解质单元12，第一电解质单元11由氧离子导体相构成，第二电解质单元12由质子导体相构成。这样在传统氧离子导体电解质膜中引入质子传导通道可有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，有利于实现固体氧化物燃料电池的中低温(300～800℃)化和实用化。
在本实施例中，第一电解质单元11与第二电解质单元12为尺寸和形状相同的长条状，它们的长度延伸方向与电解质膜的厚度方向垂直，且长度等于电解质膜的一条边的宽度，它们的厚度等于电解质膜的厚度。即如图1和图2所示。固体氧化物燃料电池电解质膜由多个第一电解质单元11和多个第二电解质单元12交替排列构成。该结构可通过在基片上先将第一电解质单元11通过3D打印机打印出来，然后再将第二电解质单元12打印出来。
第一电解质单元11和第二电解质单元12的宽度可以根据需要进行确定(第一电解质单元11的宽度和第二电解质单元12的宽度可以相同也可以不同；每个第一电解质单元11的宽度可以相同也可以不同，同样每个第二电解质单元12的宽度可以相同也可以不同)。
本例中，质子导体相为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)，而氧离子导体相为选自Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC10)、Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC20)、Sm0.1Ce0.9O1.95(SDC10)和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC20)中的一种或几种组成的混合物。
实施例2
本实施例提供一种固体氧化物燃料电池电解质膜，它形成在基片2的任一表面上，也包括多个交替设置的第一电解质单元11和第二电解质单元12，其材质与实施例1中的一致，不同的是：多个第一电解质单元11和多个第二电解质单元12沿着电解质膜的长度和宽度方向交替排列，如图5所示，使得每一行中或者每一列中的相邻两个电解质单元为不同的电解质单元。在本实施例中，第一电解质单元11和第二电解质单元12的厚度为它们所构成电解质膜的厚度，第一电解质单元11和第二电解质单元12的长度和宽度均为3微米。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述电解质膜包括交替设置的第一电解质单元和第二电解质单元，所述第一电解质单元由氧离子导体相构成，所述第二电解质单元由质子导体相构成。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述第一电解质单元和所述第二电解质单元分别有多个。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述第一电解质单元与所述第二电解质单元均为长条状，且其长度延伸方向与所述电解质膜的厚度方向垂直。
4.权利要求3所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述第一电解质单元的长度等于电解质膜的一条边的宽度，所述第一电解质单元的厚度和所述第二电解质单元的厚度均等于电解质膜的厚度。
5.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述多个第一电解质单元和所述多个第二电解质单元沿着所述的电解质膜所在平面的长度方向和宽度方向交替排列。
6.根据权利要求1或5所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述第一电解质单元和所述第二电解质单元的厚度等于所述电解质膜的厚度，所述第一电解质单元和所述第二电解质单元的长和宽分别为1~30微米。
7.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述多个第一电解质单元的大小、形状相同或不同；所述多个第二电解质单元的大小相同或不同，所述第一电解质单元与所述第二电解质单元的大小、形状相同或不同。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述电解质膜通过3D打印机打印而成。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：所述质子导体相为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ，所述氧离子导体相为Gd0.1Ce0.9O1.95（GDC10）、Gd0.2Ce0.8O1.9（GDC20）、Sm0.1Ce0.9O1.95（SDC10）和Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC20）中的一种。
10.一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：含有如权利要求1至9中任一项权利要求所述的固体氧化物燃料电池电解质膜。
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CN105428679B (zh) * 2015-12-03 2018-07-06 苏州攀特电陶科技股份有限公司 一种固体氧化物燃料电池电解质膜及其制备方法和固体氧化物燃料电池

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