[发明专利]一种用于制氧的复合电解质膜

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种具有多层结构的用于制氧的复合电解质膜。

背景技术

电解质膜是一种重要的固体材料，在电化学领域有着广泛的应用。其中，氧离子导体电解质膜的一个重要应用领域是固体氧化物燃料电池(SOFC)。作为核心部件，电解质膜对SOFC的性能具有关键影响，因为电解质膜的电阻造成能量转化时的欧姆极化损失，电解质膜结构需要超薄化处理才能达到理想的转化效率。而且SOFC的工作温度较高，理论运行温度为500～1000℃，因此，实际应用对电解质膜的成分和结构提出了很高的要求。当前普遍的做法是以高温稳定性优良的10mol％Sc₂O₃稳定的ZrO₂(ScSZ)作为电解质膜支撑起自身及电极层，但是这种结构中ScSZ厚度需要达到150μm以上才能达到所需的支撑强度，这会对作为昂贵稀土原料的Sc₂O₃造成极大浪费，生产成本极高。为此，有人采用加大单一电极的厚度而作为支撑以大大降低电解质层的厚度以降低内阻、提高转化效率。然而，电极的加厚又会阻碍原料气体的扩散，从而造成浓差极化；另一方面，单一电极支撑的电解质膜片制备难度大，往往不能完全平整，成品率低。在组堆时，电极支撑型电解质膜的密封也是一个难题，要求密封材料完全熔融，进入电极多孔结构，这样才能避免侧漏实现完整的密封。

利用氧离子/电子混合导体膜材料进行空气分离制氧或进行甲烷燃料部分氧化重整的研究也非常引人注目。其中，用于部分氧化重整的透氧膜要求其在氧化性气氛和强还原性气氛中同时稳定，这对材料的稳定性提出了极高的要求；而用于空气分离的混合导体透氧膜要求承受5倍以上的压强差，这对膜材料的强度和厚度提出了极高的要求。鉴于这样的苛刻要求，混合导体透氧膜难以实现薄膜化，致使氧透析路径长、氧通量低，因而难以得到实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于制氧的复合电解质膜，通过优化电解质膜结构组成，使产品具有高强度、低电阻和高反应活性，从而突破高温透氧膜领域的技术瓶颈，获得高的氧通量，扩大电解质膜的应用领域。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种用于制氧的复合电解质膜，在电解质层的一侧由内向外依次为活性阴极层、阴极支撑层；在电解质层的另一侧由内向外依次为活性阳极层、阳极支撑层；所述电解质层的厚度为5～50μm，活性阴极层/活性阳极层的厚度为20～50μm，阴极支撑层/阳极支撑层的厚度为40～120μm。

本发明电解质膜大大降低了其电解质层和电极层的厚度，有助于减小电解质层内阻、提高电极层活性，并在外侧采用阴极支撑层和阳极支撑层的复合结构，保证了电解质膜的整体强度。

进一步地，本发明所述电解质层在边缘处分叉，分别包覆外侧阴极支撑层/阳极支撑层的两端平面而形成密封边。这样，密封材料只需具有一定的变形能力、无需完全熔融，处于密封边上即可，使得密封更容易进行。

上述方案中，本发明所述活性阴极层/活性阳极层为多孔结构而具有多孔骨架，开口气孔率为20～50％，平均孔径为5～10μm。所述阴极支撑层/阳极支撑层为多孔结构而具有多孔骨架，开口气孔率为40～50％，平均孔径为10～20μm。所述活性阴极层/活性阳极层的多孔骨架气孔内壁、以及阴极支撑层/阳极支撑层的多孔骨架气孔内壁附着有1～10wt％的导电材料。为保证膜两边的气体不相互扩散，本发明所述电解质层的相对密度为99.5～99.9％。

进一步地，本发明所述电解质层的成分，以及活性阴极层/活性阳极层其多孔骨架的成分为以下物质的一种或其组合：

钇稳定氧化锆(YSZ)(Y₂O₃)_x(ZrO₂)_1-x，x＝0.03～0.08、

钪稳定氧化锆(ScSZ)(Sc₂O₃)_x(ZrO₂)_1-x，x＝0.08～0.11、

Gd掺杂氧化铈(GDC)Gd_xCe_1-xO_2-0.5x，x＝0.1～0.4、