[发明专利]一种低温H-SOFC类燃料电池电解质膜及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种低温H‑SOFC类燃料电池电解质膜及制备方法。包括如下制备过程：（1）将A类原料和B类原料混合，加入掺杂氧化物制得A₂B₂O₇类固溶体萤石结构的掺杂化合物；（2）将掺杂化合物加入浓硝酸、二乙醇、柠檬酸制得掺杂纳米凝胶；（3）将掺杂纳米凝胶烘干压制、烧结退火、经冷处理，制得掺杂纳米陶瓷薄膜材料。本发明制备的燃料电池电解质膜与普通电解质相比，在阴极发生反应，结构稳定性和耐久好，机械强度高，电池输出功率长久稳定，电池工作温度低，电效率高，并且制备过程简单，生产成本低，具有较好的经济优势和应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种低温H-SOFC类燃料电池电解质膜及制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。它除了具有一般的燃料电池的高效率，低污染的优点外，还具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料，应用范围极为广泛。

在固体氧化物燃料电池体系中，电解质材料是核心部件的主要作用是在阴极与阳极之间传导离子，而电解质中电子传导会导致两极短路而消耗能量，降低SOFC的输出功率，因此对电解质材料的基本要求是具有高的离子电导率而电子电导率尽可能低。由于电解质两侧分别与阴极和阳极接触并暴露于还原或氧化性气体中，这就要求其具有高温下的化学稳定性，并且足够致密以防止还原气体和氧化气体相互渗透。作为固体氧化物燃料电池关键材料的电解质材料的研究非常重要。

目前常用的电解质材料以萤石结构材料为主，萤石结构材料作为电解质的掺杂金属氧化物如氧化锆、氧化铈、氧化铋及钙钛矿结构和磷灰石结构化合物，具有良好的相容性和力学强度，价格低廉和几乎可以忽略的电子电导而得到了广泛的应用，但其结构不稳定，在低氧分压下易被还原，在中低温范围内电导率较低。氢质子电导的陶瓷膜活化能较低，可以适用于固体氧化物燃料电池在低温下的应用。因此对于氢质子电导的陶瓷电解质膜的研究具有重要的实际意义。

中国发明专利申请号201510063942.9公开了一种中温燃料电池用柔性复合电解质膜。该电解质膜是通过溶胶-凝胶方法，将低成本的磺化多环芳烃类聚合物(磺化聚醚醚酮)与无机物固体酸和磷硅材料相结合，并采用机械球磨的方法制备的。相比于纯固体酸电解质而言，所制备的复合电解质膜不仅具有高的质子电导率、增强的热学和化学稳定性，而且具有出色的机械性能。此发明公开了其制备方法，其简单的制备工艺和好的操作性适合大规模工业化生产；同时其廉价的原材料有助于进一步降低电解质膜以及燃料电池生产成本。

中国发明专利申请号201510874668.3公开了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，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，第一电解质单元由氧离子导体相构成，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。

根据上述，现有方案中用于固体氧化物燃料电池的电解质材料普遍存在结构不稳定，在低氧分压下易被还原，燃料电池工作温度高，导电活化能高，在中温范围内电导率较低等缺陷，并且传统的氢质子电解质材料由制备过程复杂，电效率不高等问题，鉴于此，本发明提出了一种低温H-SOFC类燃料电池电解质膜，可有效解决上述技术问题。

发明内容

由于目前应用较广的固体氧化物燃料电池存在结构不稳定，易被还原，燃料电池工作温度高，导电活化能高，在中温范围内电导率较低。