CN105633439A - 一种中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固体电解质的制备领域，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。所述的电解质为化学式为Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95的固体氧化物粉末。本发明采用硝酸盐凝胶燃烧法制备该电池电解质，相对致密度达到100%；该电解质在潮湿的空气气氛（3%H2O）下700℃时离子电导率为0.01S/cm。

Description

一种中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法
技术领域
本发明属于固体电解质的制备领域，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
能源是一个国家国民经济发展的命脉，也是衡量文明发达程度、人民生活水平和国家综合国力的重要指标。近年来，我国国力突飞猛进，对能源的需求也与日剧增。目前使用较多的化石燃料（如石油、煤炭）不仅燃烧效率较低，会对环境造成污染且不可持续发展，因而新能源的发展需求迫在眉睫。固体氧化物燃料电池（SOFC）通过电化学反应过程使化石类燃料中的化学能直接转化为电能，由于没有燃烧和机械过程，SOFC不受卡诺循环影响，极高的提高了能量的转化效率，避免或减少了NOx、SOx、COx以及粉尘等污染物的产生；SOFC的工作温度在600℃~1000℃，其副产品是高品质的热和水蒸气，在热–电联供的情况下，能量利用率高达80%左右，是一种清洁高效的能源系统。因而SOFC被公认为是最具发展前景的电池之一。
传统SOFC的工作温度位于900~1000℃之间，较高的工作温度在电池的运行过程中会促进电池各部件间的相互反应和扩散，降低电池的使用寿命，这样必然对电极材料和连接件等材料的性能提出更高的要求，造成生产的成本上升，限制了SOFC的商业化发展。因此，要使SOFC商业化发展，就需要降低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。本发明的电解质在中低温的使用条件下，导电率高；用该电解质制成的单电池的电池的输出功率密度增大，因此具有更好的电化学性能。
发明内容
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。采用硝酸盐凝胶燃烧法制备，电解质的相对致密度达到100%；在潮湿的空气气氛（3%H2O）下700℃时电导率为0.01S/cm。
一种中温固体氧化物燃料电池电解质，其为化学式为Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95的固体氧化物粉末。
一种制备如上所述中温固体氧化物燃料电池电解质的方法，具体步骤为：
1）按Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95化学计量比称取Ce(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O和Gd2O3，并按柠檬酸与金属阳离子的摩尔比为2:1，称取柠檬酸；
2）将Ce(NO3)3·6H2O，In(NO3)3·4.5H2O和柠檬酸加入蒸馏水溶解，得溶液1；
3）将Gd2O3用稀硝酸溶解，得溶液2；
4）将溶液1和溶液2混合在一起，滴加氨水，调节pH值为7；
5）将步骤4）得到的混合溶液放入搅拌器中加热至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；
6）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；
7）将粉末加热至800℃±10℃，保温3±0.1小时，自然冷却，形成Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95电解质粉末；
8）将制成的Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95粉末放入模具中，在400MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1300℃±10℃保温3±0.1小时，得到所需要的电解质圆片。
步骤4）所述的氨水浓度为15wt%-20wt%。
本产品的有益效果在于：
1）本发明采用硝酸盐凝胶燃烧法制备，电解质的相对致密度达到100%；在潮湿的空气气氛（3%H2O）下700℃时电导率为0.01S/cm；
2）所制得的电解质在中温（600℃-800℃）范围内具有较高的电导率；电解质片的烧结温度低，对设备要求低，更加节能。
附图说明
图1为Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95的XRD图谱；由图可知：Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95是萤石结构；
图2为Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95的电导率与测试温度的关系曲线；由图可知：随着测试温度的升高，电导率提高，表现为离子电导特性；在700℃下的电导率为0.012S/cm。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
电导率的测试方法：
电解质的交流电导采用两端子法测定。将1300℃下烧结3小时后的所得的Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95电解质圆片两面涂上银浆，然后于650℃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WAYNEKERR公司型号为WK6540A交流阻抗仪，应用电位10mV，测定频率范围0.1kHZ-1HZ，测定交流电导的温度为700℃，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。
700℃时的电导率为0.012S/cm。
实施例1
1摩尔的Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95的制备：
称取0.02摩尔的In(NO3)3·4.5H2O：0.02*381.92=7.6384克，
称取0.9摩尔Ce(NO3)3·6H2O：0.9*434.22=390.798克，
称取0.04摩尔的Gd2O3：0.04*362.5=14.5克，
称取柠檬酸：4*210.14=840.56克；
将Ce(NO3)3·6H2O和柠檬酸以及In(NO3)3·4.5H2O加入蒸馏水溶解，得溶液1；
用稀硝酸将Gd2O3溶解为硝酸盐，得溶液2；
将溶液1和溶液2倒入一起，滴加氨水调节pH值为7；
将混合溶液放入搅拌器中加热至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；
将粉末加热至800℃，保温3小时，自然冷却，形成Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95粉末；
圆片的制备：将所制成的Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95粉末放入模具中，在400MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1300℃保温3小时，得到所需要的电解质圆片。
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。

Claims (3)

1.一种中温固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述的电解质为化学式为Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95的固体氧化物。
2.一种制备如权利要求1所述中温固体氧化物燃料电池电解质的方法，其特征在于：具体步骤为：
1）按Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95化学计量比称取Ce(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O和Gd2O3，并按柠檬酸与金属阳离子的摩尔比为2:1，称取柠檬酸；
2）将Ce(NO3)3·6H2O，In(NO3)3·4.5H2O和柠檬酸加入蒸馏水溶解，得溶液1；
3）将Gd2O3用稀硝酸溶解，得溶液2；
4）将溶液1和溶液2混合在一起，滴加氨水，调节pH值为7；
5）将步骤4）得到的混合溶液放入搅拌器中加热至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；
6）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；
7）将粉末加热至800℃±10℃，保温3±0.1小时，自然冷却，形成Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95电解质粉末；
8）将制成的Ce0.9Gd0.08In0.02O1.95粉末放入模具中，在400MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1300℃±10℃保温3±0.1小时，得到所需要的电解质圆片。
3.根据权利要求2所述中温固体氧化物燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：步骤4）所述的氨水浓度为15wt%-20wt%。
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