CN102544559B - 一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质及其制备方法 - Google Patents

一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，特别涉及一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质及其制备方法。所述的氧化铈基电解质掺杂有固溶体添加剂V2O5。本发明通过在电解质中掺杂固溶体添加剂，使得氧化铈基电解质陶瓷烧结温度降低、致密度提高、电学性能优异；同时制备方法简单，设备简单，成本低，耗时短，重复性好，易实现产业化生产。

Description

一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质及其制备方法
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，特别涉及一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质及其制备方法。
背景技术
氧化铈基电解质是一种在中温下（500-700℃）电学性能较好的固体氧化物燃料电池电解质之一，相对于固体氧化物燃料电池传统电解质材料氧化钇稳定的氧化锆（YSZ），其在中温下具有离子电导率高、工作温度低的优点，是一种理想的中、低温燃料电池电解质材料。固体氧化物电解质要求制备的陶瓷体具有较高的致密度和优异的电学性能，但氧化铈材料难以烧结，致密化温度较高。常规方法制备的微米级的氧化铈要实现完全致密化，烧结温度高达1500℃以上，过高的烧结温度会引起电池组件之间的化学不相容性和热失配的问题。因此降低电解质材料致密化过程中的烧结温度问题尤为重要。为此，Fu Yin-pei等人用共沉淀法制备纳米粉体，在1500℃烧结5 h，得到相对密度92%的Ce0.8La0.2O2-δ样品。但是用湿化学方法制备纳米粉体合成的电解质陶瓷，其制备周期较长、产量低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质及其制备方法，通过固溶体添加剂掺杂氧化铈使得氧化铈基电解质陶瓷烧结温度降低、致密度提高、电学性能优异。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质，所述的氧化铈基电解质掺杂有固溶体添加剂V2O5。
所述的氧化铈基电解质还同时掺杂有La2O3。
所述的氧化铈基电解质组成为(Ce1-xLaxO2-δ)1-2y+ (V2O5)y，其中0.15<x<0.2, 0<y<0.035。
本发明提供了一种用于固体氧化物燃料电池的电解质材料，所述的氧化铈基电解质由氧化镧和氧化钒掺杂氧化铈组成，其中氧化钒为固溶体添加剂，其在总体电解质中的物质的量含量不超过3.5%；而剩余则由氧化铈和氧化镧组成，两者的比例为1-x:x/2。
本发明还同时提供了所述的用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质的制备方法，以氧化铈、氧化镧和氧化钒为原料，经过充分的混合、研磨和压坯后，在高温反应炉内，通过固相反应法，快速制备复合掺杂的氧化铈基电解质。
其中，混合、研磨时将原料研磨3～5h，分散介质为无水乙醇。
将充分混合的粉末烘干后，在300～400MPa的压力下保压1～5分钟，制得素坯。
素坯在空气气氛下，以2～10℃/min速率升温，在1300～1600℃保温5～6 h后，然后以2～10℃/min速率降至室温。
较好的，在使用之前对原料进行处理，如原料氧化镧使用前于800℃～1000℃灼烧2小时以去除其中氢氧化物和碳酸盐的成分；氧化铈和氧化钒于100-200℃下干燥1-2h。
本发明中，所述的氧化钒是氧化铈基电解质的一种固溶体的烧结剂，氧化钒与陶瓷体的主晶相氧化铈形成固溶体而不在晶界上形成第二相物质，不会阻碍电解质中氧离子的传导。同时氧化钒的加入有效的降低了氧化铈基陶瓷的烧结温度。其作用机理为：在烧结初期形成液相，促进颗粒的重排和颗粒的溶解--析出过程，加快陶瓷的致密化；在烧结中、后期，分布在颗粒中间的少量氧化钒逐步固溶入氧化铈的晶格当中。氧化钒缓慢的固溶，有效的减缓了晶界的运动速度，有利于陶瓷体致密度的提高。通过对获得的电解质陶瓷体进行测量，获得的氧化铈基电解质陶瓷体致密性较好（相对密度高达99%），电导率较高（600℃、空气环境下测试，电导率由0.0079 s/cm提高到0.0178 s/cm）。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
本发明通过在电解质中掺杂固溶体添加剂，使得氧化铈基电解质陶瓷烧结温度降低、致密度提高、电学性能优异；同时制备方法简单，设备简单，成本低，耗时短，重复性好，易实现产业化生产。
附图说明
图1为实施例2和对比例中氧化铈基电解质陶瓷的LDC-V0.025和LDC的XRD谱图，按照峰高从高到低分别为LDC- V0.025和LDC的XRD谱图。
图2、图3分别为实施例2和对比例中氧化铈基电解质陶瓷的LDC-V0.025和LDC的断面SEM照片。
图4为实施例1、2、3和对比例中氧化铈基电解质陶瓷的LDC-Vy (y=0.015,0.025,0.035)和LDC的相对密度随烧结温度的关系图。
图5为实施例1、2、3和对比例中氧化铈基电解质陶瓷的LDC-Vy (y=0.015,0.025,0.035)和LDC的电导率随测试温度的变化关系图。
具体实施方式
   以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
以下实施例中所用的CeO2、La2O3和V2O5粉末的纯度分别为99.99%、99.99%和99%。电解质的分子表达式为：(Ce1-xLaxO2-δ)1-2y+ (V2O5)y，简写成LDC-Vy。
实施例1
制备LDC-V0.015，x为0.18，y为0.015。
1）称量前将La2O3放在高温炉中，800℃灼烧2小时，以去除其中氢氧化物和碳酸盐的成分。
2）将其它两种原料放在干燥箱中、150℃下干燥2小时，待用。
3）将CeO2和La2O3粉末按0.82:0.09的摩尔比称量，然后称取原料总物质的量的1.5%的V2O5，将三种原料混合，加入无水乙醇作为分散剂，在玛瑙研钵中研磨4小时。将充分混合的粉末放入150℃的干燥箱中烘干2小时，干燥后的混合粉末在300MPa的压力下压坯，保压时间为1.5分钟。
4）将得到的素坯放在GSL-1600X型高温炉中，空气气氛下，以5℃/min升温速率升温，在1450℃保温5小时后，以5℃/min降温速率降至室温。
将得到的陶瓷样品取出，进行致密度和电学性能的测量。图4和图5中为烧结后陶瓷体的相对密度和电导率的关系图。
实施例2
制备LDC-V0.025，x为0.18，y为0.025。
1）称量前将La2O3放在高温炉中，800℃灼烧2小时，以去除其中氢氧化物和碳酸盐的成分。
2）将其它两种原料放在干燥箱中、150℃下干燥2小时，待用。
3）将CeO2和La2O3粉末按0.82:0.09的摩尔比称量，然后称取原料总物质的量的2.5%的V2O5，将三种原料混合，加入无水乙醇作为分散剂，在玛瑙研钵中研磨4小时。将充分混合的粉末放入150℃的干燥箱中烘干2小时，干燥后的混合粉末在400MPa的压力下压坯，保压时间为1分钟。
4）将得到的素坯放在GSL-1600X型高温炉中，空气气氛下，以5℃/min升温速率升温，在1400℃保温6小时后，以5℃/min降温速率降至室温。
将得到的陶瓷样品取出，进行致密度和电学性能的测量。图4和图5中为烧结后陶瓷体的相对密度和电导率的关系图。
实施例3
制备LDC-V0.035，x为0.18，y为0.035。
1）称量前将La2O3放在高温炉中，800℃灼烧2小时，以去除其中氢氧化物和碳酸盐的成分。
2）将其它两种原料放在干燥箱中、150℃下干燥2小时，待用。
3）将CeO2和La2O3粉末按0.82:0.09的摩尔比称量，然后称取原料总物质的量的3.5%的V2O5，将三种原料混合，加入无水乙醇作为分散剂，在玛瑙研钵中研磨4小时。将充分混合的粉末放入150℃的干燥箱中烘干2小时，干燥后的混合粉末在400MPa的压力下压坯，保压时间为1分钟。
4）将得到的素坯放在GSL-1600X型高温炉中，空气气氛下，以5℃/min升温速率升温，在1400℃保温6小时后，以5℃/min降温速率降至室温。
将得到的陶瓷样品取出，进行致密度和电学性能的测量。图4和图5中为烧结后陶瓷体的相对密度和电导率的关系图。
对比例
制备LDC，x为0.18，y为0。
1） 称量前将La2O3放在高温炉中，800℃灼烧2小时，以去除其中氢氧化物和碳酸盐的成分。其分解的化学反应方程式为：
2La(OH)3 == La2O3 + 3H2O;    La2O2CO3 === La2O3 + CO2
2）将CeO2放在干燥箱中、150℃下干燥2小时，待用。
3)将CeO2和La2O3粉末按0.82:0.09的摩尔比称量，将二种原料混合，加入无水乙醇作为分散剂，在玛瑙研钵中研磨4小时。将充分混合的粉末放入150℃的干燥箱中烘干2小时，干燥后的混合粉末在400MPa的压力下压坯，保压时间为1分钟。
4)将得到的素坯放在GSL-1600X型高温炉中，空气气氛下，以5℃/min升温速率升温，在1600℃保温6小时后，以5℃/min降温速率降至室温。
测定致密度和电学性能，测试结果如图4和图5。
比较实施例2和本对比例添加固溶体烧结剂V2O5前后Ce0.82La0.18O2-δ的致密度和电导率，发现：添加2.5%的V2O5作为烧结剂，Ce0.82La0.18O2-δ的烧结温度可降低200℃；样品的相对密度由78%提高到99%；600℃、空气环境中测试，陶瓷体的电导率为0.0178 s/cm，比纯Ce0.82La0.18O2-δ（0.0079s/cm）提高一倍。

Claims (1)

1.一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质的制备方法，其特征在于，以氧化铈、氧化镧和氧化钒为原料，包括以下反应步骤：氧化镧使用前于800℃～1000℃灼烧2小时、氧化铈和氧化钒于100-200℃下干燥1-2h；将原料进行充分的混合、研磨，混合、研磨时将原料研磨3～5h，分散介质为无水乙醇；将经过充分混合、研磨的原料粉末烘干后，在300～400MPa的压力下保压1～5分钟，制得素坯；素坯在空气气氛下，以2～10℃/min速率升温，在1300～1600℃保温5～6 h后，然后以2～10℃/min速率降至室温。
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