[发明专利]一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池

说明书

本发明提供了一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，该柔性膜燃料电池包括阴极、阳极和电解质柔性膜，其特征在于：所述电解质柔性膜包含纳米纤维结构，所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料制成，能够在150~250℃的温度区间具有4.3×10^‑3S/cm以上的电导率。进一步的，所述阴极、阳极是由电极材料与所述纳米纤维结构混合组成的复合电极。本发明使用了包含纳米纤维结构的电解质柔性膜，使得燃料电池在150~250℃的中等温度下呈现良好的适用性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池。

背景技术

燃料电池是将燃料化学能通过电化学过程直接转化为电能的能量转换装置，具有高效、清洁等特点，其核心部件由隔膜、阴极和阳极组成，隔膜层为致密的电解质，起着传导离子、隔离燃料与氧化气体的作用，要求具备较高的离子电导率。

根据电解质类型划分，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）等，车用领域现阶段主要以质子交换膜燃料电池为主。然而，质子交换膜的耐高温性较差，工作温度一般在100℃附近及以下，当工作温度增加时，质子交换膜容易发生降解，导致质子传导性降低，进而影响性能。该温度工作条件增加了燃料电池系统的散热压力，不利于长时间高功率运行，在部分工况下受到了一定限制。

由于质子交换膜燃料电池对散热的要求苛刻，固体氧化物燃料电池在车用领域正受到越来越多的关注。其中，氧离子传导型SOFC工作温度为700℃～1000℃，质子传导型SOFC工作温度为350℃～550℃。虽然固体氧化物燃料电池可以耐受更高的温度，但由于SOFC组件材料是脆性的，过高的工作温度导致启停过程中的温度变化跨度较大，热膨胀造成的热应力很容易引起材料开裂，导致漏气等安全问题，因此SOFC的有效面积受到了限制，一般只能做到10cm×10cm，而作为对比，PEMFC的有效面积可达400cm²～500cm²，这对SOFC性能提升及应用拓展造成了一定的影响。

为此，亟需提供一种适用于150~250℃的中等温度运行条件的燃料电池，克服PEMFC和SOFC存在的缺陷，从而使燃料电池能够更广泛的应用于车用领域。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种包含纳米纤维结构的柔性膜燃料电池，其特征在于：所述柔性膜燃料电池包含阴极、阳极和电解质柔性膜；所述电解质柔性膜包含纳米纤维结构；所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料制成，在150~250℃的温度区间具有4.3×10^-3S/cm以上的电导率。

具体的，所述电解质材料可以是无机电解质材料或有机电解质材料。其中，所述无机电解质材料包括钇稳定的二氧化锆、掺杂氧化铋或氧化铈、LaGaO₃基钙钛矿型氧化物、掺杂BaCeO₃、掺杂BaZrO₃、掺杂SrZrO₃和掺杂SrCeO₃中的至少一种，例如La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_2.85、Ce_0.9Gd_0.1O_1.95、Bi₂V_0.9Cu_0.1O_5.35-δ等，其中掺杂元素可以为Gd、Sm、Y、Tm、Yb、Lu、In和Sc等。所述有机电解质材料包括全氟磺酸聚合物、烃类聚合物、聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、掺杂的聚苯并咪唑中的至少一种。

具体的，所述纳米纤维结构由具有离子导电性的电解质材料通过电纺丝法、溶胶甩丝法或溶液高压喷射法制成。