双离子型燃料单体电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种双离子型燃料单体电池，包括依次叠加的正极板、固体电解质和负极板，固体电解质为单组分电解质，且在固体电解质内开有若干条方向一致的且相互平行的通道，通道方向与固体电解质的长度或宽度方向平行。本发明的双离子型燃料单体电池，有利于燃料电池反应过程中产生的水蒸气从电解质中特意设置的单独的通道扩散出去，从而实现H2O与H2和O2的分离，不影响电极中H2和O2的浓度，可提高电池性能，增加电池寿命。
【专利说明】双离子型燃料单体电池
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种燃料单体电池，特别涉及一种双离子型燃料单体电池。
【背景技术】
[0002] 根据水产生的场所不同，燃料电池可以分为以下三种类型：
[0003] a)氢离子型燃料电池：电池工作时，电解质只传递矿，水在阴极一侧生成，例如质 子交换膜燃料电池（PEMFC)和直接甲醇燃料电池（DMFC)就是这种类型。
[0004] b)氧离子型燃料电池：电池工作时，电解质只传递02、水在阳极一侧生成，例如固 体氧化物燃料电池（S0FC)就是这种类型。
[0005] c)双离子型燃料电池：电池工作时，电解质同时传递H+和02、但是水既不在阴极 也不在阳极侧生成，而是在电解质中生成。电解质靠近电极的两侧致密，中间层带空隙，H+ 和在中间层汇合生成水，然后通过电解质中的空隙排出。
[0006] 而双离子型燃料电池是近年来提出的一种新型燃料电池模型，其在发展过程中经 历了两种阶段：(a)采用双组分导电介质做电解质：电解质有三层组成，靠近阳极的一侧是 一层致密的组分A (例如Yttrium doped Barium Cerate, BCY)，靠近阴极一侧是一层致密 的组分B (例如Yttrium doped Ceria, YDC)，中间层为组分A+B的多孔混合结构。每一种 组分在特定的工作温度条件下只传导一种离子，例如组分A只负责传导H+，组分B只负责 传导〇 2_，而中间层是H+和汇合生产H20的地方。这种设计能够有效地防止离子穿透电 解质层到达另一侧电极（例如H+到达阴极或者到达阳极），能够确保燃料电池在双离子 型条件下工作。但是双组分固相增加了电解质制备的难度，两种不同的组分由于热膨胀性 不一样，在烧结过程中容易出现电解质层裂开以及过高的接触电阻。（b)单组分的电解质： 电解质依旧由三层组成，靠近电极的两侧是致密的电解质层，中间是带多孔的电解质层，用 来排水。但是这三层是由同一种组分组成，这就要求这种电解质材料（例如钙钛矿型复合 氧化物）既能传导矿又能传导0 2'这种设计的好处是减少了制备过程中的工艺步骤和难 度，烧结过程中电解质层的结构较稳定，但水蒸气的排放通道并没有特意固定设置，只是通 过电解质材料本身颗粒之间自然形成的孔道来进行排放，但是电解质颗粒之间自然形成的 多孔的微观通道其孔径较小，且排水路径弯曲，会产生较大的排水阻力，影响了电池性能。
【发明内容】
[0007] 本发明旨在提供一种有利于水蒸气扩散的双离子型燃料单体电池。本发明通过以 下方案实现：
[0008] -种双离子型燃料单体电池，包括依次叠加的正极板、固体电解质和负极板，固体 电解质为单组分电解质，且在固体电解质内开有若干条方向一致的且相互平行的通道，通 道方向与固体电解质的长度或宽度方向平行。
[0009] -般情况下，所述通道的横截面呈圆形、矩形、椭圆形中的一种。
[0010] 为使氢离子与氧离子在均相电解质中的反应表面积达到最大，所述通道的横截面 优选直径为1?10 μ m。 toon] 上述固体电解质内的通道，采用固态烧结法制备得到，具体为将若干个微米级的 条状聚酯材料作为生孔剂间隔一定的距离放置于电解质内，聚酯材料的放置方向与固体电 解质的长度或宽度方向平行，然后在1200°C以上的高温下进行烧结，在烧结过程中，聚酯材 料会分解挥发掉，从而在电解质内形成若干个通道。考虑到聚酯材料具有一定的收缩性，为 了保证通道的横截面尺寸，聚酯材料的横截面尺寸一般采用通道横截面尺寸的1. 1?1. 2 倍，聚酯材料的横截面呈圆形、矩形、椭圆形中的一种。
[0012] 现有技术的双离子型燃料单体电池，水蒸气的排放通道并没有特意在电解质内固 定设置，只是通过电解质颗粒之间自然形成的孔道来进行排放，但是电解质材料本身颗粒 之间自然形成的多孔的微观通道其孔径较小，且排水路径弯曲，水蒸气排放不顺畅，阻力较 大。与现有技术相比，本发明的双离子型燃料单体电池在固体电解质内采用固态烧结法特 意设有若干条方向一致且相互平行、方向平行于固体电解质长度或宽度方向的通道，且设 定了通道尺寸，有利于燃料电池反应过程中产生的水蒸气从电解质中特意设置的单独的通 道扩散出去，不影响电极中H 2和02的浓度，能更好的实现氢气、氧气和水蒸气的独立管理， 可提高电池性能，增加电池寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1实施例1的双离子型燃料单体电池的侧面示意图
【具体实施方式】
[0014] 以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
[0015] 实施例1
[0016] 一种双离子型燃料单体电池，为平板式结构，如图1所示，包括依次叠加的正极 板1、固体电解质3和负极板2,正极板1、负极板2的外接触面上各固定有一个集流器 4,集流器4上设置有若干个导流槽6,用于氢气或氧气的通过，其中正极板1的尺寸为 7cmX 7cmX 50 μ m、制作材料为NiO/BCZY，负极板2的尺寸为7cmX 7cmX 20 μ m、制作材料为 BCZY/LSCF，固体电解质3的尺寸为7cmX7cmX 10 μ m、制作材料为BCZY，为单组分电解质， 且在固体电解质3内开有若干条方向一致的且相互平行的通道5，通道5方向与固体电解质 3的长度方向平行，通道5整体位于固体电解质3的中间位置且呈直线排布，通道5的横截 面为直径为5 μ m的圆形。
[0017] 上述固体电解质内的通道，采用固态烧结法制备得到，具体为将若干个横截面呈 圆形且直径为6 μ m的条状聚酯材料作为生孔剂，间隔一定的距离呈直线排布且整体居中 放置于电解质内，聚酯材料的放置方向与固体电解质的长度方向平行，然后在1200°C的高 温下进行烧结，在烧结过程中，聚酯材料会分解挥发掉，从而在电解质内形成若干个横截面 呈圆形且直径为5μπι的通道。
[0018] 本发明的双离子型燃料单体电池，实现了氢气、氧气和水蒸气的独立管理，可提高 电池性能，增加电池寿命。
[0019] 实施例2
[0020] -种双离子型燃料单体电池，其结构与实施例1的双离子型燃料单体电池相类 似，其不同之处在于：通道位于固体电解质内靠近负极的位置，通道的横截面为直径为 2 μ m的圆形。
[0021] 实施例3
[0022] -种双离子型燃料单体电池，其结构与实施例1的双离子型燃料单体电池相类 似，其不同之处在于：通道的横截面为四条边的边长为5μπι的矩形。
[0023] 实施例4
[0024] -种双离子型燃料单体电池，其结构与实施例1的双离子型燃料单体电池相类 似，其不同之处在于：通道的横截面为长边长度为10 μ m、短边长度为5 μ m的椭圆形。
【权利要求】
1. 一种双离子型燃料单体电池，包括依次叠加的正极板、固体电解质和负极板,其特征 在于：固体电解质为单组分电解质，且在固体电解质内开有若干条方向一致的且相互平行 的通道，通道方向与固体电解质的长度或宽度方向平行。
2. 如权利要求1所述双离子型燃料单体电池，其特征在于：所述通道的横截面呈圆形、 矩形或椭圆形中的一种。
3. 如权利要求2所述的双离子型燃料单体电池，其特征在于：所述通道的横截面优选 直径为1?10 μ m的圆形。
【文档编号】H01M8/10GK104157894SQ201410436277
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】欧腾蛟, 石建珍, 张洪涛, 蒋庆来, 王一乔 申请人:先进储能材料国家工程研究中心有限责任公司