[发明专利]以无机盐－金属氧化物复合材料为电解质的中温燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池，尤其是中温操作的燃料电池。

燃料电池是一种把燃料的化学能直接转换为电能的装置。它具有燃料能量转换效率高、低污染排放、可模块化设计等一系列的优点，是一种新型的绿色能源。燃料电池有很多种类，如低温(100～200℃)操作的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，中温(650℃左右)操作的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，以及在高温(1000℃左右)下操作的固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

目前已得到应用的燃料电池其结构一般包括两个独立的腔室，即燃料气室和氧化气室，它们由具有特殊电化学性能的隔膜分离开，而这种电化学隔膜由多孔阳极、致密电解质和多孔阴极三层构成，即负极/电解质/正极结构(或称PEN组件)。阳极和阴极材料在一定的温度下对燃料气和氧化气分别具有催化活性，致密电解质一方面在两电极间传导离子，一方面还起到隔离燃料气与氧化气的作用。

例如Minh等人在《陶瓷燃料电池科学与技术》(Science and Technologyof Ceramic Fuel Cells，Elsevier Science，1995)中所述的固体氧化物燃料电池，采用钇稳定的氧化锆(YSZ)作为固体电解质，Ni-YSZ和锰酸锶镧作为阳极和阴极材料。阳极和阴极室分别通入燃料气(氢气)和氧化气(空气)。电池需高温(950℃～1050℃)操作才具有符合使用要求的电能输出(大于125mW/cm²)，必须使用昂贵的高温密封材料，还带来各组件间的热胀失配、界面发生反应造成的电池性能下降等问题。

熔融碳酸盐燃料电池(见美国专利：U.S.Pat.4404267，1983年)是一类已经进入商业化开发阶段的燃料电池。采用的电解质是惰性载体(偏铝酸锂)支撑的熔融态碳酸盐，阳极和阴极为多孔镍板和氧化镍板，其特点是电解质的传导离子为碳酸根离子，因而电导率较高、可实现中温操作。MCFC的操作温度一般在650℃。但其氧化剂气体须采用空气与二氧化碳的混合物；而且一般应在一定的压力下工作，以防止熔融盐的流失及提高功率密度，因而需要严格控制两个腔室的气体压力以达到平衡。由于是在腐蚀性液体碳酸锂/钾环境、600～700℃温度、还原的阳极气氛和氧化的阴极气氛中工作，还存在氧化镍的溶解、腐蚀严重和电解质损失等问题。

最近，一类结构新颖的燃料电池——单室固体氧化物燃料电池(见美国杂志《科学》，Science，vol.288，2000，p2031)已经出现。其工作原理是：所使用的阳极和阴极材料对于燃料气和氧化气分别具有选择催化性，氧离子(或质子)能够通过电解质层，而电子通过外电路从阳极到达阴极形成回路，对外提供电能。这种结构的燃料电池只有一个腔室，通入由燃料气与氧化气混合而成的单一气体，使电池的两个电极都处在同一气氛下工作(此时应控制混合气体的比例在爆炸范围之外)。这种单腔结构的燃料电池具有结构简单、无需考虑压力平衡等优点。虽然，它采用将致密的Ce_0.8Sm_0.2O_1.9材料(SDC)作为固体电解质，从而使电池在中温下即有较高的功率输出。但是，由于其固体电解质必须薄膜化才能达到所述效果，而SDC的薄膜化又不易实现，烧结温度高(1500℃以上)且成品率低，致使制备过程成本很高。

本发明的目的在于提供制备简便、成本低廉、无腐蚀的中温燃料电池。

本发明的解决方案是：

以固体氧化物燃料电池SOFC的结构为基础，即整个电池包括电池腔室、电解质、阳极和阴极、连通电路等，其特征在于：以无机盐-金属氧化物复合材料制备燃料电池的电解质，其中无机盐占总体积的30～70％；由复合电解质与相应的阳极和阴极材料组成电池的PEN组件，电池结构为双室或单室，通过电极上的连通电路与外接负载相连。

上述方案所述的无机盐-金属氧化物复合材料由无机盐与氧化铈或其掺杂物复合而成。

本发明是集众家之长避众家之短，提出了一种全新的电解质概念，即采用无机盐-金属氧化物复合材料作为电解质。此时金属氧化物为固体状，兼有“支撑骨架”的作用，而无机盐以熔融态或非熔融态分布在金属氧化物的空隙中，由于无机盐和金属氧化物两者均能导电而产生复合的导电效果，由此导致传导机制发生变化，不同于已有的任何一种电解质。由这种电解质所构成的燃料电池也就可以归类为一种新型的燃料电池，即无机盐-金属氧化物复合型的燃料电池。