CN103035936A - 一种用于中低温固体氧化物燃料电池的复合电解质粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于中低温固体氧化物燃料电池的复合电解质粉体的制备方法。该方法的特点是：先使用水热法在高温高压条件下制备出球形的SDC纳米粉体，之后将SDC粉体加入到配制好的金属硝酸盐混合溶液中，加入尿素作为均相沉淀剂，在85℃油浴处理，直到溶液蒸干变为糊状，将糊状物在800-1000℃煅烧，生产出SDC基复合电解质粉体。
Description
技术领域
本发明涉及一种中低温固体氧化物燃料电池电解质粉体的制备方法，具体来说就是制备出适合于在400-600℃工作的固体氧化物燃料电池的复合电解质粉体。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种新型的发电技术，从上世纪80年代开始得到了快速的发展。SOFC与传统的发电技术相比不受卡诺循环的限制，发电效率大大提高，并且SOFC发电过程中只产生水，真正达到了零污染，所以SOFC在高效和环境友好方面显示出了传统发电技术无法比拟的优势。
传统的SOFC选用的电解质材料氧化钇稳定的氧化锆（YSZ),YSZ在800-1000℃时显示出很高的离子电导率，并且在高温环境下稳定性良好。但是高温工作环境对电池的其它关键材料提出很大挑战，会发生许多界面反应和电极烧结退化。所以为了使SOFC具有商业化条件，必须降低工作温度至800℃以下，这样就可以避免电池组件之间的相互作用及电极的烧结退化，扩大电池结构的选择范围，降低SOFC的制作成本和操作费用。
降低SOFC操作温度的关键在于开发出新型的中温电解质材料，其中复合材料由于具有优越的复合效应，显示出很大的潜力。目前研究较多的是CeO2基复合材料，其中有SDC-碳酸盐、SDC-BCZY两大类。对于这两种复合材料，目前比较常用的制备方法是固相合成法，即分别合成出两种粉体后，然后再将两种粉体研磨进行复合。但是这种方法研磨不够充分，合成出的复合粉体两相复合的均匀性较差，分散性不够好。并且由于要分别制得两种粉体，也增加了实验的操作的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种复合电解质粉体的制备方法，该方法制备的复合粉体两相混合均匀、分散性好，可用于中低温固体氧化物燃料电池。
所述复合电解质粉体的制备方法主要包括如下步骤：
1）将硝酸钐，硝酸铈和氨水进行混合，得到沉淀物；
2）将步骤1）的沉淀物放入水热釜中处理，得到粉体；
3）用洗涤溶剂冲洗步骤2）的粉体后干燥，得到SDC粉体；
4）配制硝酸盐溶液和尿素的复合液；
5）将步骤3）的SDC粉体加入步骤4）的复合液中搅拌，得到悬浮液；
6）将步骤5）的悬浮液加热，得到糊状物；
7）将步骤6）的糊状物煅烧, 得到复合电解质粉体。
优选地，步骤1）按化学计量比配制硝酸钐和硝酸铈的混合溶液，边搅拌边滴加氨水，调节PH值为10，直到不再产生沉淀为止。
优选地, 步骤2）将沉淀物用去离子水冲洗2-3遍，之后放入水热釜中，在250℃水热处理10h。
优选地, 步骤3）用洗涤溶剂冲洗水热处理后的粉体3遍，将粉体在350℃干燥一昼夜除去残存的洗涤溶剂, 得到SDC粉体。所述的洗涤溶剂优选为正丁醇。
优选地, 步骤4）中按金属离子与尿素的摩尔比1:20向混合溶液中加入尿素充分搅拌至沉淀剂完全溶解, 得到复合液。
优选地, 步骤6）中悬浮液置于油浴中加热, 加热温度恒定为85℃。
优选地, 步骤7）中糊状物在马弗炉中煅烧，煅烧温度为800-1000℃, 煅烧时间为6-8h。
为克服传统固相法的缺点，本发明主要分为两大步进行：第一步采用水热法合成出SDC粉体，水热法合成的粉体粒径较小，且颗粒为球形，有利于与复合相进行复合。第二步是关键，与传统固相法不同的是：这里SDC并不是与复合相直接固-固混合，而是在溶液环境下将第二相生成和两相复合的两个过程同时进行。在第二相沉淀的过程中，SDC粉体可以作为第二相的沉淀核心，进而能达到均匀复合的效果，进而可以提高复合物的烧结性能，降低复合电解质的烧结温度。
附图说明
图1为SDC粉体SEM图。
图2为900℃和1000℃煅烧后的XRD图。
图3为复合粉体的SEM图。
图4为1200℃烧结的表面SEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明所述方法做进一步说明。
实施例1:SDC-BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3复合电解质粉体的合成
SDC粉体合成：按1mol/L的浓度配制Ce(NO3)3和Sm(NO3)3溶液, 之后用灼烧称重法准确标定出溶液的精准浓度，按化学计量比计算出合成一定质量的SDC所需的原材料Ce(NO3)3·6H2O和Sm(NO3)3·6H2O的试剂量，进而可以计算出所需的Ce(NO3)3和Sm(NO3)3溶液的体积。按计算得到的体积分别向烧杯中称取两种溶液，加入去离子水使总的金属离子浓度为0.5mol/L,放在磁力搅拌器上搅拌约1h。取一个滴定漏斗，装入氨水，调整旋钮，使氨水逐滴滴入到混合溶液中，可以看到有白色沉淀产生，这时测试溶液的PH值，使PH值稳定在10，直到不再产生沉淀为止。将溶液抽滤后得到的沉淀用去离子水洗3遍，之后将沉淀物放入水热釜中，拧紧水热釜上的螺母，然后放在电热鼓风箱中在250℃处理10h，待水热釜冷却到室温后打开水热釜，这时里面的白色物质变成了淡黄色。从水热釜中取出淡黄色的物质，先用乙醇洗3遍，然后再用正丁醇冲洗3遍，随后将粉体放在真空干燥箱中干燥一昼夜，之后再将粉体放入到马弗炉中在350℃煅烧4h以便于除去粉体中残存的正丁醇，这样就得到了直径为几十纳米，球形的SDC粉体，其SEM图如附图1所示。
两相复合：首先根据SDC与BCZY质量比7:3计算出所需的BCZY的质量，进而可以得出所需的Ba(NO3)2，Ce(NO3)3·6H2O，Zr(NO3)4·6H2O，Y(NO3)3·6H2O的物质量。按上面步骤分别配置一定浓度的Zr(NO3)4和Y(NO3)3溶液，使用灼烧称重法标定出其准确的浓度。根据所需的Ce(NO3)3·6H2O，Zr(NO3)4·6H2O，Y(NO3)3·6H2O的量计算出所需的三种溶液的体积，用量筒量取三种溶液到烧杯中，加入去离子水，使金属离子浓度为0.2mol/L，再将称量好的Ba(NO3)2加入到混合溶液中，充分搅拌直到完全溶解。然后按总金属离子物质量的20倍称取定量的尿素，边搅拌边加入到溶液中，最后完全溶解，这样就配置成了复合液。将上面合成的一定量的SDC粉体缓慢的加入到溶液中，这时加大磁力搅拌器的搅拌力度，尽量使SDC粉末悬浮在溶液中，使溶液变成了白色的悬浮液，将装悬浮液的烧杯放入到油浴锅中，使温度稳定在85℃，一直加热到溶液变成糊状。将糊状物转移到刚玉坩埚中，放入马弗炉中分别在900℃和1000℃煅烧4h,煅烧后的粉体就是SDC-BCZY复合粉体。
Claims (8)
1.一种用于中低温固体氧化物燃料电池的复合电解质粉体的制备方法，其特征在于, 该方法包括如下步骤：
1）将硝酸钐，硝酸铈和氨水进行混合，得到沉淀物；
2）将步骤1）的沉淀物放入水热釜中处理，得到粉体；
3）用洗涤溶剂冲洗步骤2）的粉体后干燥，得到SDC粉体；
4）配制硝酸盐溶液和尿素的复合液；
5）将步骤3）的SDC粉体加入步骤4）的复合液中搅拌，得到悬浮液；
6）将步骤5）的悬浮液加热，得到糊状物；
7）将步骤6）的糊状物煅烧, 得到复合电解质粉体。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）按化学计量比配制硝酸钐和硝酸铈的混合溶液，边搅拌边滴加氨水，调节PH值为10，直到不再产生沉淀为止。
3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2）将沉淀物用去离子水冲洗2-3遍，之后放入水热釜中，在250℃水热处理10h。
4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）用洗涤溶剂冲洗水热处理后的粉体3遍，将粉体在350℃干燥一昼夜除去残存的洗涤溶剂，得到SDC粉体。
5.按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述洗涤溶剂为正丁醇。
6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4）中按金属离子与尿素的摩尔比1:20向混合溶液中加入尿素充分搅拌至沉淀剂完全溶解，得到复合液。
7.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤6）中悬浮液置于油浴中加热，加热温度恒定为85℃。
8.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤7）中糊状物在马弗炉中煅烧，煅烧温度为800-1000℃, 煅烧时间为6-8h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Heiyuanfei Inventor after: Wang Cheng Inventor after: Huang Jianbing Inventor after: Mao Zongqiang Inventor before: Heiyuanfei Inventor before: Wang Cheng Inventor before: Xie Fucheng Inventor before: Guo Jianwei |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: HEI YUANFEI WANG CHENG XIE FUCHENG GUO JIANWEI TO: HEI YUANFEI WANG CHENG HUANG JIANBING MAO ZONGQIANG |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170703 Address after: 527326 Guangdong province Yunfu city xilao town of Foshan (Yunfu) industrial transfer Industrial Park District No. 9 Patentee after: GUANGDONG SINOSYNERGY HYDROGEN POWER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100084 Beijing, Beijing, 100084-82 mailbox Patentee before: Tsinghua University |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 8, Hydrogen Energy Avenue, Foshan (Yunfu) Industrial Transfer Industrial Park, Silao Town, Yuncheng District, Yunfu City, Guangdong Province, 527300 Patentee after: Guangdong Guohong Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd. Address before: No.9, Nanyuan District, Foshan (Yunfu) industrial transfer industrial park, Silao Town, Yuncheng district, Yunfu City, Guangdong Province Patentee before: GUANGDONG SINOSYNERGY HYDROGEN POWER TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 314000 Room 501-2, Building 37, Hangzhou Bay New Economic Park, Port District, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee after: Guohong Hydrogen Energy Technology (Jiaxing) Co.,Ltd. Address before: No. 8, Hydrogen Energy Avenue, Foshan (Yunfu) Industrial Transfer Industrial Park, Silao Town, Yuncheng District, Yunfu City, Guangdong Province, 527300 Patentee before: Guangdong Guohong Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |