一种中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与流程

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法。

背景技术：

随着全球工业的发展及人口的迅速增长，地球上的资源将越来越短缺。美国能源信息署（eia）统计结构显示，2010年世界能源需求量已达到106亿吨油当量，据预测，2025年将达到136.5亿吨油当量。而传统的发电方式大多是由石油、天然气等化石能源中的化学能通过燃烧转化为热能，再由热能推动机械设备产生机械能，最终转换为电能。这种能源转换不但受到卡诺循环的限制，还会产生大量粉尘、二氧化碳、氮氧化物和硫化物等有害物质及噪音。固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、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。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源领域都有广阔的应用前景。

传统sofc的工作温度必须在800℃以上才有较高的输出功率，高的运行温度不仅对电池的连接密封具有非常高的要求，而且加速了电池部件间的副反应的发生，电池性能衰减速率增大，使电池的成本居高不下，大大限制了sofc的商业化发展。因此，要使sofc商业化发展，就要降低sofc工作温度，开发中低温sofc已成为必然趋势。在sofc系统中，电解质是电池的核心，电解质的性能直接决定着sofc电池的工作温度和性能。传统的电解质已无法适用于中低温条件，因此就必须寻求在中低温下具有高电导率的电解质。本发明的复合电解质具有电导率高，可满足中低温的使用条件。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法。该电解质制备方法简便，在600℃-800℃范围内具有较高的电导率、较高的功率密度，相对致密度达到97%以上，在空气气氛下750℃时离子电导率达到1.39×10^-2s/cm，

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

一种中温固体氧化物燃料电池电解质，由la2ce2o7和ce0.8gd0.2o1.9按质量比8:2复合而成。

该电解质的制备方法为硝酸盐凝胶燃烧法，主要分为la2ce2o7粉末的制备和ce0.8gd0.2o1.9粉末的制备。

1、la2ce2o7的制备：

1）按照化学计量比称量ce(no3)3·6h2o和la(no3)3·nh2o，分别加入去离子水溶解得到ce(no3)3溶液、la(no3)3溶液，将ce(no3)3溶液、la(no3)3溶液以及柠檬酸水溶液混合并搅拌均匀；其中柠檬酸与溶液中金属阳离子的摩尔质量比为：1.5:1；

2）滴加氨水将步骤1）所得的混合溶液ph值调节为7；

3）将步骤2）得到的混合溶液加热至70℃，在70℃下连续搅拌，并在搅拌过程中加入氨水使溶液的ph值保持在7，直至形成凝胶；

4）将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末；

5）将所得的氧化物粉末在590℃~610℃煅烧25-35分钟以去除有机物，然后加热至790-810℃，保温2.9-3.1小时，然后自然冷却，形成la2ce2o7粉末；

2、ce0.8gd0.2o1.9的制备：

1）按照化学计量比称量原料ce(no3)3·6h2o、gd2o3，用稀硝酸将gd2o3溶解为溶液1，ce(no3)3·6h2o用去离子水溶解为ce(no3)3溶液；将溶液1和ce(no3)3溶液以及柠檬酸水溶液混合搅拌均匀；其中柠檬酸与溶液中金属阳离子的摩尔质量比为：1.5:1；

2）滴加氨水将步骤1）所得的混合溶液ph值调节为7；

3）将步骤2）得到的混合溶液加热至45℃，在45℃下连续搅拌，并在搅拌过程中通过加氨水控制溶液的ph值保持在7，直至形成凝胶；

4）将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末；

5）将所得的氧化物粉末在590℃~610℃煅烧25-35分钟去除有机物，然后在790-810℃煅烧2.9-3.1小时，形成ce0.8gd0.2o1.9粉末；

3、将la2ce2o7粉末和ce0.8gd0.2o1.9粉末按质量比8:2混合，球磨23.9~24.1h，制得复合电解质粉末。

进一步的，将上述制得的复合电解质粉末在300mpa的压力下，制成圆片，将圆片以3℃/min的加热速率加热到1490℃~1510℃保温4.9~5.1小时，得到电解质圆片。

本发明与现有技术比较具有以下优点：

本发明的制备方法简便，所制得的复合电解质使用温度为600℃-800℃，具有较高的电导率、较高的功率密度；相对致密度达到97%以上，在空气气氛下750℃时离子电导率达到1.39×10^-2s/cm。

附图说明

图1为80%lco-20%gdc复合电解质的xrd图谱；

图2为lco-gdc复合电解质的电导率与测试温度的关系曲线。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明电导率的测试方法为：

电解质的交流电导采用两端子法测定。将1500℃±10℃下烧结5±0.1小时后的所得的80%lco-20%gdc电解质圆片两面涂上银浆，然后于450℃焙烧2h后制得银电极。用银丝将两端的银电极与交流阻抗仪连接。采用的交流阻抗仪为上海辰华仪器有限公司型号为chi660e电化学工作站，应用电位10mv，测定频率范围1khz-20mhz，测定交流电导的温度为750℃，在空气气氛中测定，在空气气氛中测定。电导率采用如下公式计算：

式中，σ为电解质电导率，s/cm；

h为电解质片厚度，单位cm；

r为电解质电阻，单位ω；

s为电解质片横截面积，单位cm²。

实施例1

复合电解质粉末的制备方法：

1）1molla2ce2o7（lco）的制备

称取2mol的ce(no3)3·6h2o：2*434.22=868.44克

称取2mol的la(no3)3·nh2o：2*324.92=649.84克

称取6mol的柠檬酸：6*210.14=1260.84克

ce(no3)3·6h2o，la(no3)3·nh2o和柠檬酸分别用去离子水溶解，混合以上溶液并搅拌均匀，使用氨水调节溶液ph值为7；放入水浴锅中加热至70℃，在70℃下连续搅拌，并在搅拌过程中通过加氨水，使溶液的ph值保持在7，直至形成凝胶；将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末；将粉末在600℃煅烧30min去除有机物，然后在800℃煅烧3小时，形成lco粉末。

2）1molce0.8gd0.2o1.9（gdc）的制备

称取0.8molce(no3)3·6h2o：0.8*434.22=347.376克

称取0.1mol的gd2o3：0.1*362.5=36.25克

称取1.5mol的柠檬酸：1.5*210.14=315.21克

用稀硝酸将gd2o3溶解为硝酸盐；将ce(no3)3·6h2o和柠檬酸加入去离子水溶解；将上述溶液分别倒入硝酸钆溶液中混合均匀，使用氨水调节溶液ph值为7；放入水浴锅中加热至45℃，在45℃下连续搅拌，并在搅拌过程中通过加氨水，使溶液的ph值保持在7，直至形成凝胶；将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末；

将粉末在600℃煅烧30min去除有机物，然后在800℃煅烧3小时，形成lco粉末。

3）100克80%lco-20%gdc制备

称取80克lco，称取20克gdc，将上述后两种粉末混合球磨24h，使其研磨充分且均匀，获得80%lco-20%gdc粉末。

实施例2

圆片的制备：将实施例1制备成的lco-gdc粉末放入模具中，在300mpa的压力下，制成直径为13mm±0.1mm、厚度0.5mm±0.1mm的圆片，将圆片以3℃/min的加热速度加热到1500℃保温5小时，得到所需要的电解质圆片。

经测试，复合电解质相对致密度达到97%以上，在空气气氛下750℃时离子电导率达到1.39×10^-2s/cm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。