一种低成本微老化的稀土氧化物掺杂氧化锆电解质

本发明属于固体氧化物燃料电池，具体涉及一种低成本微老化的稀土氧化物掺杂二氧化锆固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，sofc)是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，具有一次发电效率高、燃料适用面广、产物环境友好等优点。电解质是sofc的核心部件之一，其主要作用是传导离子以及隔绝燃料与氧化气体。其性能(电导率、热膨胀系数、稳定性等)不仅直接影响到电池的工作温度和传导效率，还决定了与之匹配的电极材料的选择。

2、掺杂的氧化锆是目前应用较为广泛的sofc电解质材料。其中，氧化钇稳定的氧化锆(ysz)作为最成熟的锆基电解质材料，在还原气氛下具有良好的稳定性，电子电导可以忽略不计，在800℃以上具有可以满足使用要求的氧离子电导率。氧化钪稳定的氧化锆(scsz)在锆基电解质材料中表现出最高的电导率，其在780℃的电导率与ysz在1000℃相当，且力学性能优于ysz。然而，scsz在长期高温使用过程中容易发生相变老化导致性能衰减；此外，氧化钪的价格较为昂贵，导致scsz电解质的成本较高，制约了其在sofc中的广泛应用。通过添加少量稀土氧化物(yb2o3、bi2o3、ceo2等)可以稳定scsz的立方相，抑制相转变，提高其运行稳定性。

3、目前，掺杂的二氧化锆电解质粉体的制备方法主要有液相法(溶胶凝胶法、共沉淀法、燃烧法等)和固相法。相较于液相法，固相法制备电解质粉体不仅可以避免液相法存在的粉体团聚严重、烧结活性较低等问题，而且其原料价格低廉，可极大降低生产成本。传统固相反应法制备电解质过程为：首先，将原料粉体在800-1200℃下多次煅烧/球磨处理以获得晶相均匀的电解质粉体；然后，将电解质粉体制备成生坯；最后，经高温烧结获得致密的电解质片。然而，在工业生产中，传统固相反应法的流程较为繁琐，对设备的要求也较高。因此，开发简易的制备方法有利于推动低成本锆基电解质制备的产业化进程。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种成本低廉、晶相均匀、运行稳定、工艺简单的氧化镱、氧化钪和氧化铈共掺杂的氧化锆电解质及其制备方法。针对目前商业(sc2o3)0.10(ceo2)0.01(zro2)0.89(10sc1cesz)电解质价格昂贵、易老化等问题，提出用氧化镱部分取代氧化钪以降低成本，同时提高运行稳定性，直接以氧化物原料粉体为原料，采用一步固相法将电解质粉体制备过程与电解质坯体烧结致密化过程相结合，简化电解质制备工艺、节约成本，有利于推动低成本掺杂的二氧化锆电解质制备的产业化进程。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明氧化镱、氧化钪和氧化铈共掺杂的二氧化锆电解质，其化学表达式为(yb2o3)x(sc2o3)0.1-x(ceo2)0.01(zro2)0.89，0＜x≤0.1。

4、本发明氧化镱、氧化钪和氧化铈共掺杂的二氧化锆电解质的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)按照(yb2o3)x(sc2o3)0.1-x(ceo2)0.01(zro2)0.89，0＜x≤0.1的化学计量比分别称取适量的yb2o3，sc2o3，ceo2和zro2氧化物粉体；

6、(2)将氧化物粉体在行星式球磨机进行球磨混合均匀，得到浆料；

7、(3)将浆料放入烘箱中烘干后过筛得到氧化物混合粉体；

8、(4)将混合粉体称取一定量倒入干压模具中压制成素坯；

9、(5)将素坯在程序升温炉中进行高温烧结，得到所述的晶相均匀且致密的电解质片。

10、步骤(2)中，采用的研磨介质为无水乙醇，球磨转速为150-300r/min，球磨时间为4-10h。

11、步骤(3)中，烘干时间为5-10h，不锈钢筛的目数为100-150目。

12、步骤(4)中，表观压强为50-300mpa。

13、步骤(5)中，烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为2-10h。

14、本发明的有益效果在于:

15、(1)本发明用氧化镱为掺杂剂对氧化钪、氧化铈稳定的氧化锆进行共掺杂，从而降低电解质的生产成本，提高电解质的运行稳定性。

16、(2)本发明采用一步固相法制备电解质。与传统固相反应法相比无需提前将电解质粉体预烧成相，简化了工艺流程，也避免了液相法存在的原料价格昂贵，粉体团聚严重，烧结活性低等问题，节约了生产成本，具有良好的产业化应用前景。

技术特征：

1.一种低成本微老化的稀土氧化物掺杂氧化锆电解质，其特征在于：化学式为(yb2o3)x(sc2o3)0.1-x(ceo2)0.01(zro2)0.89，0＜x≤0.1。

2.一种制备如权利要求1所述的低成本微老化的稀土氧化物掺杂氧化锆电解质的方法，其特征在于：以氧化镱为掺杂剂对氧化钪、氧化铈稳定的氧化锆进行共掺杂，通过一步固相法直接合成电解质。

3.根据权利要求2所述的的方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，采用的研磨介质为无水乙醇，球磨转速为150-300 r/min，球磨时间为4-10 h。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，烘干时间为5-10 h，不锈钢筛的目数为100-150目。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，表观压强为50-300 mpa。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（5）中，烧结温度为1300-1500 ℃，烧结时间为2-10 h。

8.一种如权利要求1所述的电解质或如权利要求2-7任一项所述的方法制得的电解质应用于固体氧化物燃料电池中。

技术总结
本发明公开了一种低成本微老化的稀土氧化物掺杂氧化锆电解质及其制备方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。该电解质的表达式为(Yb2O3)x(Sc2O3)0.1‑x(CeO2)0.01(ZrO2)0.89，0＜x≤0.1；所述的电解质制备方法为一步固相法。本发明以氧化镱为掺杂剂对氧化钪、氧化铈稳定的氧化锆进行共掺杂，降低了氧化钪的使用量，实现在降低生产成本的同时提高电解质的运行稳定性，通过一步固相法直接制备电解质，无需提前将电解质粉体预烧成相，简化了工艺流程，也避免了液相法存在的原料价格昂贵、粉体团聚严重、烧结活性低等问题，节约了生产成本，具有良好的产业化应用前景。

技术研发人员：陈孔发,梁富俊,艾娜
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25