CN106920979A - 一种质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备 - Google Patents

一种质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备 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，具体涉及一种质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备。所述的电解质为BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3‑δ，0＜δ≤0.14。所采用的制备方法为硝酸盐凝胶燃烧法。所制得的电解质相对致密度达到97%以上，在5%H2和95%Ar混合气氛下700℃时质子电导率达到1.31×10‑2S/cm。

Description

一种质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备。
背景技术
随着人类数量的爆炸式增长以及人类生活品质的不断提高，人们对于能源的需求量也逐年递增，由此引发的环境问题愈发影响到人们的生活，甚至是威胁到人们的生命健康。因此，如何合理、高效的利用化石燃料是人类面临的困难之一。
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，极大地提高了能量转化效率，避免或减少了有毒气体以及粉尘等污染物的产生；SOFC的工作温度在500℃~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。
目前已经被商业应用的SOFC的工作温度一般都在1000℃，在如此高的温度下工作使得SOFC存在许多问题：电极致密化、连接体材料要求高以及电池密封性能不好等。因此，SOFC工作温度的降低可有效地降低系统的成本并提高稳定性。传统的电解质材料已经不适用于中温环境下工作，而质子具有体积小和质量轻的优点，在中低温下具有较低的离子传导活化能，因此质子导电氧化物是一种可应用于低温工作SOFC的电解质。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备。该电解质制备方法简便，降低了烧结温度，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5%H2和95%Ar混合气氛下700℃时质子电导率达到1.31×10-2S/cm。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质，所述的电解质为BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ，0＜δ≤0.14。
一种制备如上所述的质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质的方法，包括以下步骤：
1）按照化学计算比称量Ba(NO3)2、Ce(NO3)3·6H2O、Y(NO3)3·6H2O、Ni(NO3)3·6H2O，加入去离子水溶解得硝酸盐溶液，往硝酸盐溶液中加入络合剂
乙二胺四乙酸和柠檬酸，搅拌均匀；其中，金属阳离子、乙二胺四乙酸和柠檬酸的摩尔量之比为：1:1:2；
2）往步骤1）的混合液中滴加NH3·H2O，使乙二胺四乙酸溶解，搅拌均匀；
3）将步骤2）得到混合溶液加热至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值保持为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）将粉末在590℃~610℃煅烧25~35min去除有机物，然后在990~1010℃煅烧4.9~5.1h，形成BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ粉末。
进一步的，将上述的电解质制备电解质圆片，具体方法为：将BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ粉末放入模具中，在300MPa的压力下，制成圆片，将圆片以3℃/min的加热速率加热到1290~1310℃保温3.9~4.1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，降低了烧结温度，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5%H2和95%Ar混合气氛下700℃时质子电导率达到1.31×10-2S/cm。
附图说明
图1 为BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ电解质XRD图谱；
图2 为BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ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1300℃下烧结4小时后的所得的BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ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700℃，在5%H2和95%Ar混合气氛中测定。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
1摩尔BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ的制备：
称取0.76摩尔Ce(NO3)3·6H2O：0.76*434.22 =330.01克
称取1摩尔Ba(NO3)2：1*261.35 = 261.35克
称取0.04摩尔Ni(NO3)3·6H2O：0.04*290.79=11.63
称取0.2摩尔Y(NO3)3·6H2O：0.2*383.01 =76.6克
称取2摩尔络合剂EDTA：2*292.24 = 584.48克
称取4摩尔柠檬酸：4*210.14 = 840.56克
分别在硝酸盐及络合剂中加入去离子水，将NH3·H2O滴入EDTA使其溶解；混合以上溶液并搅拌均匀；
将上述混合溶液加氨水调pH至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1000℃煅烧5小时，形成BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ粉末。
实施例 2
圆片的制备：将实施例1制备成的BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ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1300℃保温4小时，得到所需要的电解质圆片。
经测试，电解质相对致密度达到97%以上，在5%H2和95%Ar混合气氛下700℃时质子电导率达到1.31×10-2S/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。

Claims (3)

1.一种质子传导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BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ，0＜δ≤0.14。
2.一种制备如权利要求1所述的质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）按照化学计算比称量Ba(NO3)2、Ce(NO3)3·6H2O、Y(NO3)3·6H2O、Ni(NO3)3·6H2O，加入去离子水溶解得硝酸盐溶液，往硝酸盐溶液中加入络合剂
乙二胺四乙酸和柠檬酸，搅拌均匀；其中，金属阳离子、乙二胺四乙酸和柠檬酸的摩尔量之比为：1:1:2；
2）往步骤1）的混合液中滴加NH3·H2O，使乙二胺四乙酸溶解，搅拌均匀；
3）将步骤2）得到混合溶液加热至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值保持为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）将粉末在590℃~610℃煅烧25~35min去除有机物，然后在990~1010℃煅烧4.9~5.1h，形成BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ粉末。
3.一种利用权利要求1所述的电解质制备电解质圆片的方法，其特征在于：将BaCe0.76Y0.2Ni0.04O3-δ粉末放入模具中，在300MPa的压力下，制成圆片，将圆片以3℃/min的加热速率加热到1290~1310℃保温3.9~4.1小时，得到电解质圆片。
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