[發明專利]一種電解質隔膜、電化學裝置和固體氧化物燃料電池

有效

• 申請號: 201010535862.6
• 申請日: 2010-11-08
• 公開（公告）號: CN102013501A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 王蔚國;王建新;薛業建;李華民
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M2/16;H01M8/10
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 李玉秋;馮瓊

技術領域

本發明涉及電化學技術領域，具體涉及一種電解質隔膜以及包括所述電解質隔膜的電化學裝置。

背景技術

電解質隔膜是固體氧化物燃料電池(SOFC)、氧傳感器、氧泵和溫度傳感器等電化學裝置的核心部件，在電解質隔膜中發生主要的電化學反應。在上述電化學裝置中，固體氧化物燃料電池是一種直接將化學能轉化為電能的能量轉化裝置，具有高效率、無污染、全固態等顯著優點，在諸多領域有著廣闊的應用前景。

固體氧化物燃料電池發電系統一般由多個電池堆組成，每個電池堆由數十片單電池組裝而成。通常，固體氧化物燃料單電池至少包括陰極/電解質隔膜/陽極三大功能層，其中的陽極或陰極為多孔層，電解質隔膜為致密層。電解質隔膜一般為氧離子導體或質子導體，厚度一般為10μm～200μm，其電導率具有隨溫度升高而迅速升高的特性。目前，電解質隔膜的常用材質是摻雜一種或多種稀土氧化物的氧化鋯、氧化鈰等材料，如摻雜氧化釔的氧化鋯(YSZ)、摻雜氧化鈧的氧化鋯(ScSZ)、摻雜氧化鈰的氧化鋯(CeSZ)，或同時摻雜氧化鈧和氧化鈰的氧化鋯ScCeSZ等。摻雜的稀土氧化物越多，越有助于提高電解質隔膜的電性能，但是會降低電解質隔膜的強度，而且還會增加成本，例如10Sc1CeSZ的成本遠高于8YSZ的成本。

按照結構的不同，固體氧化物燃料電池可以分為電解質支撐型和陽極支撐型兩種類型。在電解質支撐型固體氧化物燃料電池中，通常使用厚度為200μm左右的電解質隔膜作為支撐體。由于電解質支撐型固體氧化物燃料電池的歐姆性內阻較大，因此普通的8YSZ的電解性能不能滿足要求，需要使用價格極為昂貴的10Sc1CeSZ，這不但造成電池成本較高，而且由于整體強度較低，也影響了電池整體的使用性能。

為了改善固體氧化物燃料電池的使用性能，現有技術中已經公開了多種針對固體氧化物燃料電池的改進方案。如最近公布的美國專利申請US20090136821中，在電池的陽極側使用一種不連續的陶瓷層作為電池的骨架支撐體，電極功能層通過支撐體的不連續部位與電解質接觸，該專利通過將支撐體與功能層區域相分離的方式提高了電池的性能。在美國專利US7767358中，通過將陰陽極層的多孔骨架與電介質層一體成型的方式來制作電池，其實質是電解質與電極共同作為支撐體。

上述專利所共同的特點是都通過對電極的改進來提高單電池的使用性能，所使用的電解質均為單一材質。單一材質的電解質隔膜的主要缺點是要么只能滿足強度使用要求，要么只能滿足電性能使用要求，而無法使電解質隔膜兼顧到強度和電性能的雙重要求。

發明內容

本發明要解決的問題在于提供一種電解質隔膜，與現有技術相比，本發明提供的電解質隔膜在具有良好的電性能的同時，還具有很好的強度。

為了解決以上技術問題，本發明提供一種電解質隔膜，包括至少一個強度增強電解質隔膜層和一個高離子電導電解質隔膜層，所述強度增強電解質隔膜層的彎曲強度高于300MPa，所述高離子電導電解質隔膜層800℃的離子電導率高于0.03S/cm。

優選的，所述強度增強電解質隔膜層和高離子電導電解質隔膜層交替排列。

優選的，所述強度增強電解質隔膜層是摻雜了2～6％mol選自Y₂O₃、CaO或Sc₂O₃中的一種或多種的ZrO₂。

優選的，所述高離子電導電解質隔膜層是摻雜了選自Y₂O₃、Sc₂O₃、CeO₂、Yb₂O₃、Nd₂O₃、Na₂O中的一種或多種的ZrO₂或是摻雜了La₂O₃和/或Gd₂O₃的CeO₂；所述高離子電導電解質隔膜層中的稀土氧化物的摻雜量為7-21％mol。

優選的，所述高離子電導電解質隔膜層中的稀土氧化物的摻雜量為7.5～11.5％mol。

優選的，所述強度增強電解質隔膜層和所述高離子電導電解質隔膜層的厚度比為1∶1～1∶4。

優選的，所述電解質隔膜的厚度為5μm～500μm。

本發明還提供一種電化學裝置，包括以上任一技術方案所述的電解質隔膜。