[发明专利]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

说明书

本发明涉及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，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。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，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其制备方法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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足提供一种结构改进的固体氧化物燃料电池电解质膜并同时提供该固体氧化物燃料电池电解质膜的制备新方法。

为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：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。

优化地，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。进一步地，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，多个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。

优化地，所述电解质膜通过3D打印机打印而成。