[发明专利]一种电解质隔膜、电化学装置和固体氧化物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种电解质隔膜以及包括所述电解质隔膜的电化学装置。

背景技术

电解质隔膜是固体氧化物燃料电池(SOFC)、氧传感器、氧泵和温度传感器等电化学装置的核心部件，在电解质隔膜中发生主要的电化学反应。在上述电化学装置中，固体氧化物燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转化装置，具有高效率、无污染、全固态等显著优点，在诸多领域有着广阔的应用前景。

固体氧化物燃料电池发电系统一般由多个电池堆组成，每个电池堆由数十片单电池组装而成。通常，固体氧化物燃料单电池至少包括阴极/电解质隔膜/阳极三大功能层，其中的阳极或阴极为多孔层，电解质隔膜为致密层。电解质隔膜一般为氧离子导体或质子导体，厚度一般为10μm～200μm，其电导率具有随温度升高而迅速升高的特性。目前，电解质隔膜的常用材质是掺杂一种或多种稀土氧化物的氧化锆、氧化铈等材料，如掺杂氧化钇的氧化锆(YSZ)、掺杂氧化钪的氧化锆(ScSZ)、掺杂氧化铈的氧化锆(CeSZ)，或同时掺杂氧化钪和氧化铈的氧化锆ScCeSZ等。掺杂的稀土氧化物越多，越有助于提高电解质隔膜的电性能，但是会降低电解质隔膜的强度，而且还会增加成本，例如10Sc1CeSZ的成本远高于8YSZ的成本。

按照结构的不同，固体氧化物燃料电池可以分为电解质支撑型和阳极支撑型两种类型。在电解质支撑型固体氧化物燃料电池中，通常使用厚度为200μm左右的电解质隔膜作为支撑体。由于电解质支撑型固体氧化物燃料电池的欧姆性内阻较大，因此普通的8YSZ的电解性能不能满足要求，需要使用价格极为昂贵的10Sc1CeSZ，这不但造成电池成本较高，而且由于整体强度较低，也影响了电池整体的使用性能。

为了改善固体氧化物燃料电池的使用性能，现有技术中已经公开了多种针对固体氧化物燃料电池的改进方案。如最近公布的美国专利申请US20090136821中，在电池的阳极侧使用一种不连续的陶瓷层作为电池的骨架支撑体，电极功能层通过支撑体的不连续部位与电解质接触，该专利通过将支撑体与功能层区域相分离的方式提高了电池的性能。在美国专利US7767358中，通过将阴阳极层的多孔骨架与电介质层一体成型的方式来制作电池，其实质是电解质与电极共同作为支撑体。

上述专利所共同的特点是都通过对电极的改进来提高单电池的使用性能，所使用的电解质均为单一材质。单一材质的电解质隔膜的主要缺点是要么只能满足强度使用要求，要么只能满足电性能使用要求，而无法使电解质隔膜兼顾到强度和电性能的双重要求。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种电解质隔膜，与现有技术相比，本发明提供的电解质隔膜在具有良好的电性能的同时，还具有很好的强度。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种电解质隔膜，包括至少一个强度增强电解质隔膜层和一个高离子电导电解质隔膜层，所述强度增强电解质隔膜层的弯曲强度高于300MPa，所述高离子电导电解质隔膜层800℃的离子电导率高于0.03S/cm。

优选的，所述强度增强电解质隔膜层和高离子电导电解质隔膜层交替排列。

优选的，所述强度增强电解质隔膜层是掺杂了2～6％mol选自Y₂O₃、CaO或Sc₂O₃中的一种或多种的ZrO₂。

优选的，所述高离子电导电解质隔膜层是掺杂了选自Y₂O₃、Sc₂O₃、CeO₂、Yb₂O₃、Nd₂O₃、Na₂O中的一种或多种的ZrO₂或是掺杂了La₂O₃和/或Gd₂O₃的CeO₂；所述高离子电导电解质隔膜层中的稀土氧化物的掺杂量为7-21％mol。

优选的，所述高离子电导电解质隔膜层中的稀土氧化物的掺杂量为7.5～11.5％mol。

优选的，所述强度增强电解质隔膜层和所述高离子电导电解质隔膜层的厚度比为1∶1～1∶4。

优选的，所述电解质隔膜的厚度为5μm～500μm。

本发明还提供一种电化学装置，包括以上任一技术方案所述的电解质隔膜。