雙離子型燃料單體電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙離子型燃料單體電池，包括依次疊加的正極板、固體電解質(zhì)和負(fù)極板，固體電解質(zhì)為單組分電解質(zhì)，且在固體電解質(zhì)內(nèi)開有若干條方向一致的且相互平行的通道，通道方向與固體電解質(zhì)的長度或?qū)挾确较蚱叫?。本發(fā)明的雙離子型燃料單體電池，有利于燃料電池反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水蒸氣從電解質(zhì)中特意設(shè)置的單獨的通道擴(kuò)散出去，從而實現(xiàn)H2O與H2和O2的分離，不影響電極中H2和O2的濃度，可提高電池性能，增加電池壽命。
【專利說明】雙離子型燃料單體電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種燃料單體電池，特別涉及一種雙離子型燃料單體電池。

【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)水產(chǎn)生的場所不同，燃料電池可以分為以下三種類型：
[0003] a)氫離子型燃料電池：電池工作時，電解質(zhì)只傳遞礦，水在陰極一側(cè)生成，例如質(zhì) 子交換膜燃料電池（PEMFC)和直接甲醇燃料電池（DMFC)就是這種類型。
[0004] b)氧離子型燃料電池：電池工作時，電解質(zhì)只傳遞02、水在陽極一側(cè)生成，例如固 體氧化物燃料電池（S0FC)就是這種類型。
[0005] c)雙離子型燃料電池：電池工作時，電解質(zhì)同時傳遞H+和02、但是水既不在陰極 也不在陽極側(cè)生成，而是在電解質(zhì)中生成。電解質(zhì)靠近電極的兩側(cè)致密，中間層帶空隙，H+ 和在中間層匯合生成水，然后通過電解質(zhì)中的空隙排出。
[0006] 而雙離子型燃料電池是近年來提出的一種新型燃料電池模型，其在發(fā)展過程中經(jīng) 歷了兩種階段：(a)采用雙組分導(dǎo)電介質(zhì)做電解質(zhì)：電解質(zhì)有三層組成，靠近陽極的一側(cè)是 一層致密的組分A (例如Yttrium doped Barium Cerate, BCY)，靠近陰極一側(cè)是一層致密 的組分B (例如Yttrium doped Ceria, YDC)，中間層為組分A+B的多孔混合結(jié)構(gòu)。每一種 組分在特定的工作溫度條件下只傳導(dǎo)一種離子，例如組分A只負(fù)責(zé)傳導(dǎo)H+，組分B只負(fù)責(zé) 傳導(dǎo)〇 2_，而中間層是H+和匯合生產(chǎn)H20的地方。這種設(shè)計能夠有效地防止離子穿透電 解質(zhì)層到達(dá)另一側(cè)電極（例如H+到達(dá)陰極或者到達(dá)陽極），能夠確保燃料電池在雙離子 型條件下工作。但是雙組分固相增加了電解質(zhì)制備的難度，兩種不同的組分由于熱膨脹性 不一樣，在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)電解質(zhì)層裂開以及過高的接觸電阻。（b)單組分的電解質(zhì)： 電解質(zhì)依舊由三層組成，靠近電極的兩側(cè)是致密的電解質(zhì)層，中間是帶多孔的電解質(zhì)層，用 來排水。但是這三層是由同一種組分組成，這就要求這種電解質(zhì)材料（例如鈣鈦礦型復(fù)合 氧化物）既能傳導(dǎo)礦又能傳導(dǎo)0 2'這種設(shè)計的好處是減少了制備過程中的工藝步驟和難 度，燒結(jié)過程中電解質(zhì)層的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，但水蒸氣的排放通道并沒有特意固定設(shè)置，只是通 過電解質(zhì)材料本身顆粒之間自然形成的孔道來進(jìn)行排放，但是電解質(zhì)顆粒之間自然形成的 多孔的微觀通道其孔徑較小，且排水路徑彎曲，會產(chǎn)生較大的排水阻力，影響了電池性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在提供一種有利于水蒸氣擴(kuò)散的雙離子型燃料單體電池。本發(fā)明通過以 下方案實現(xiàn)：
[0008] -種雙離子型燃料單體電池，包括依次疊加的正極板、固體電解質(zhì)和負(fù)極板，固體 電解質(zhì)為單組分電解質(zhì)，且在固體電解質(zhì)內(nèi)開有若干條方向一致的且相互平行的通道，通 道方向與固體電解質(zhì)的長度或?qū)挾确较蚱叫小?br> [0009] -般情況下，所述通道的橫截面呈圓形、矩形、橢圓形中的一種。
[0010] 為使氫離子與氧離子在均相電解質(zhì)中的反應(yīng)表面積達(dá)到最大，所述通道的橫截面 優(yōu)選直徑為1?10 μ m。 toon] 上述固體電解質(zhì)內(nèi)的通道，采用固態(tài)燒結(jié)法制備得到，具體為將若干個微米級的 條狀聚酯材料作為生孔劑間隔一定的距離放置于電解質(zhì)內(nèi)，聚酯材料的放置方向與固體電 解質(zhì)的長度或?qū)挾确较蚱叫?，然后?200°C以上的高溫下進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)過程中，聚酯材 料會分解揮發(fā)掉，從而在電解質(zhì)內(nèi)形成若干個通道?？紤]到聚酯材料具有一定的收縮性，為 了保證通道的橫截面尺寸，聚酯材料的橫截面尺寸一般采用通道橫截面尺寸的1. 1?1. 2 倍，聚酯材料的橫截面呈圓形、矩形、橢圓形中的一種。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)的雙離子型燃料單體電池，水蒸氣的排放通道并沒有特意在電解質(zhì)內(nèi)固 定設(shè)置，只是通過電解質(zhì)顆粒之間自然形成的孔道來進(jìn)行排放，但是電解質(zhì)材料本身顆粒 之間自然形成的多孔的微觀通道其孔徑較小，且排水路徑彎曲，水蒸氣排放不順暢，阻力較 大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的雙離子型燃料單體電池在固體電解質(zhì)內(nèi)采用固態(tài)燒結(jié)法特 意設(shè)有若干條方向一致且相互平行、方向平行于固體電解質(zhì)長度或?qū)挾确较虻耐ǖ?，且設(shè) 定了通道尺寸，有利于燃料電池反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水蒸氣從電解質(zhì)中特意設(shè)置的單獨的通 道擴(kuò)散出去，不影響電極中H 2和02的濃度，能更好的實現(xiàn)氫氣、氧氣和水蒸氣的獨立管理， 可提高電池性能，增加電池壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1實施例1的雙離子型燃料單體電池的側(cè)面示意圖

【具體實施方式】
[0014] 以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于實施例之表述。
[0015] 實施例1
[0016] 一種雙離子型燃料單體電池，為平板式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括依次疊加的正極 板1、固體電解質(zhì)3和負(fù)極板2,正極板1、負(fù)極板2的外接觸面上各固定有一個集流器 4,集流器4上設(shè)置有若干個導(dǎo)流槽6,用于氫氣或氧氣的通過，其中正極板1的尺寸為 7cmX 7cmX 50 μ m、制作材料為NiO/BCZY，負(fù)極板2的尺寸為7cmX 7cmX 20 μ m、制作材料為 BCZY/LSCF，固體電解質(zhì)3的尺寸為7cmX7cmX 10 μ m、制作材料為BCZY，為單組分電解質(zhì)， 且在固體電解質(zhì)3內(nèi)開有若干條方向一致的且相互平行的通道5，通道5方向與固體電解質(zhì) 3的長度方向平行，通道5整體位于固體電解質(zhì)3的中間位置且呈直線排布，通道5的橫截 面為直徑為5 μ m的圓形。
[0017] 上述固體電解質(zhì)內(nèi)的通道，采用固態(tài)燒結(jié)法制備得到，具體為將若干個橫截面呈 圓形且直徑為6 μ m的條狀聚酯材料作為生孔劑，間隔一定的距離呈直線排布且整體居中 放置于電解質(zhì)內(nèi)，聚酯材料的放置方向與固體電解質(zhì)的長度方向平行，然后在1200°C的高 溫下進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)過程中，聚酯材料會分解揮發(fā)掉，從而在電解質(zhì)內(nèi)形成若干個橫截面 呈圓形且直徑為5μπι的通道。
[0018] 本發(fā)明的雙離子型燃料單體電池，實現(xiàn)了氫氣、氧氣和水蒸氣的獨立管理，可提高 電池性能，增加電池壽命。
[0019] 實施例2
[0020] -種雙離子型燃料單體電池，其結(jié)構(gòu)與實施例1的雙離子型燃料單體電池相類 似，其不同之處在于：通道位于固體電解質(zhì)內(nèi)靠近負(fù)極的位置，通道的橫截面為直徑為 2 μ m的圓形。
[0021] 實施例3
[0022] -種雙離子型燃料單體電池，其結(jié)構(gòu)與實施例1的雙離子型燃料單體電池相類 似，其不同之處在于：通道的橫截面為四條邊的邊長為5μπι的矩形。
[0023] 實施例4
[0024] -種雙離子型燃料單體電池，其結(jié)構(gòu)與實施例1的雙離子型燃料單體電池相類 似，其不同之處在于：通道的橫截面為長邊長度為10 μ m、短邊長度為5 μ m的橢圓形。
【權(quán)利要求】
1. 一種雙離子型燃料單體電池，包括依次疊加的正極板、固體電解質(zhì)和負(fù)極板,其特征 在于：固體電解質(zhì)為單組分電解質(zhì)，且在固體電解質(zhì)內(nèi)開有若干條方向一致的且相互平行 的通道，通道方向與固體電解質(zhì)的長度或?qū)挾确较蚱叫小?br> 2. 如權(quán)利要求1所述雙離子型燃料單體電池，其特征在于：所述通道的橫截面呈圓形、 矩形或橢圓形中的一種。
3. 如權(quán)利要求2所述的雙離子型燃料單體電池，其特征在于：所述通道的橫截面優(yōu)選 直徑為1?10 μ m的圓形。
【文檔編號】H01M8/10GK104157894SQ201410436277
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】歐騰蛟, 石建珍, 張洪濤, 蔣慶來, 王一喬 申請人:先進(jìn)儲能材料國家工程研究中心有限責(zé)任公司