[发明专利]一种燃料电池电解质及PIN构型固体氧化物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域。

背景技术

过去的两个多世纪以来基于热力学的化石能源体系大大提高了我们的生产力，使得社会得到飞速的发展。但是，这种基于燃烧热力学的能源方式，在漫长的演化过程中，也逐渐给人类社会带来一些尖锐的矛盾。在为我们提供了足够的能源供给的同时，基于燃烧热力学的能源体系也造成了目前非常严重的全球性问题，比如温室效应、环境污染以及能源危机等。为了实现可持续发展目标，使人与自然和谐相处，这种为我们服务了两个多世纪的能源方式，必须被改变。现在各国都在加紧清洁能源技术的研发，希望用一种干净的可持续的能源方式来替代传统的燃烧热力学化石能源方式。在众多可选的能源方式中，电化学能源解决方案脱颖而出。比如，近年来势头很好的锂电池技术已经发展的越来越成熟，在一些场合已经扮演起了非常重要的角色。但是锂电池本身只是一个储能元件，所需要的能源还是需要从燃料中来获取，所以如果没有办法改变我们从燃料中获取能源的方式，即使锂电池技术得到大规模推广也无法缓解目前的能源和环境危机。其实在庞大的电化学家族中有一个专门用来实现能源转换的分支：燃料电池。燃料电池是一类可以直接把燃料中的化学能转化为电能的器件。由于不是基于热力学循环方式进行换能的，燃料电池的理论极限转换效率高达80%以上，实际应用中可以轻易的高出内燃机效率一倍以上。事实上，燃料电池并不是一个新生事物，但是却迟迟不能步入社会为我们服务。其中一个主要的原因是成本太高。造成燃料电池成本过高的原因主要是制造燃料电池的原材料昂贵和制备工艺无法廉价化。在五种类型的燃料电池（质子膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池和固体氧化物燃料电池）中，质子膜燃料电池和固体氧化物燃料电池备受青睐。已经有一些把质子膜燃料电池用在交通工具的示范工程，但是质子膜燃料电池需要使用贵金属催化剂而且对燃料选择有很大限制，在下一代能源中难以独挡一面。固体氧化物燃料电池是燃料电池家族内比较年轻的新成员，其本身很多独特的优势使得其可以在多种燃料电池中脱颖而出。首先，固体氧化物燃料电池是全固态器件，长期稳定性方面有一个结构保证，其次，固体氧化物燃料电池可以使用多种燃料，是一个“不挑食”的能源器件。此外，高温运行环境使得其具备热电联供能力，在向我们提供清洁的电能之外，还可以为我们提供高品质的热能，进一步提高能源利用效率。最后，很重要的一点是，固体氧化物燃料电池是最有可能廉价化的电化学能源器件。但是，传统的电化学研究人员为了获得较好的电化学性能往往使用高纯的原材料、复杂的掺杂工艺和繁琐高能耗的高温陶瓷路线来制备固体氧化物燃料电池。这就使得固体氧化物燃料电池的廉价优势完全丧失了。一直以来人们普遍认为只有高纯的原材料和严格的制备工艺过程是固体氧化物燃料电池电化学性能的保证，只有这样才能获得优异的燃料电池器件。正是这种对于燃料电池的工作机理理解的偏差，使得燃料电池的造价不降反增。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种燃料电池电解质及PIN构型固体氧化物燃料电池，电池内部不漏电，电池运行温度降低，电池寿命长，制备工艺简单，材料制备成本降低。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：包括非掺杂材料，非掺杂材料为稀土氧化物，稀土氧化物的混合物，过渡金属氧化物，过渡金属氧化物的混合物，或者稀土氧化物和过渡金属氧化物混合制成的；稀土氧化物为钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆或铽的氧化物等；过渡金属氧化物为锰、铁、钴、镍、铜或锌的氧化物等。

作为优选，非掺杂材料是由过渡金属氧化物与稀土氧化物是以任意比混合构成的。

作为优选，非掺杂材料为氧化铈材料。

作为优选，非掺杂材料为氧化钐材料。

作为优选，非掺杂材料为氧化钐和氧化铈两者以任意比混合构成的。

一种PIN构型固体氧化物燃料电池，包括阴极、阳极和隔膜层；其特征在于：所述阴极的材料为具有p型或n型半导体特性的材料；阳极为具有n型或p型半导体特性的材料；隔膜层为权利要求1-5中任一项所述的燃料电池电解质。

作为优选，阴极和阳极为多孔结构。

作为优选，p型半导体特性的材料为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O ₂。

作为优选，n型半导体特性的材料为掺杂氧化铈材料。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明给出一种全新燃料电池构型和构建燃料电池的思路；