CN108281688A - 一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质及制备方法。将镧的水合硝酸盐、铝的水合硝酸盐、掺杂元素A、掺杂元素B、乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液混合，制得La1‑xAxAlyB1‑ yO3型化合物前驱体，涂覆于基底层的表面形成薄膜前驱体，高温烧结制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质。该方法通过扩大晶体内部的八面体间隙，在晶格内部形成类似磷灰石结构的间隙传导通道，以及通过掺杂提高内部的氧空位，从而有效提高电解质氧离子的传输效率，热力学稳定性好，工作温度较低，同时制备过程简单，所用原料成本低廉，能耗低，制备成本低，具有较好的经济优势。

Description

一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质及制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及燃料电池电解质的制备，特别是涉及一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质及制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种通过电化学氧化还原反应将燃料化学能直接转化成电能全固态能量转换装置，具有发电效率高、环境友好、燃料适应性广和高温余热可回收等优点，具有广阔的应用前景。电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，其荷电输运特性和热膨胀性质不但直接影响电池的工作温度和电能转换效率，还决定了与之相匹配的阴极和阳极材料以及相应制备技术的选择。在固体氧化物燃料电池工作过程中，电解质起着传递O2-和隔离空气与燃料的双重作用，电子经电解质由阳极流向阴极，O2-由阴极流向阳极，电解质是连接燃料电池阴阳极的桥梁。目前，在固体氧化物燃料电池的中低温化是其商业化发展的关键，研究表明，使用具有高氧离子电导率的电解质材料以及电解质材料的薄膜化是实现其中低温化的主要途径。
固体氧化物燃料电池电解质膜主要有固体氧化物、钙钛矿型和磷灰石型。其中钙钛矿型电解质膜由于其掺杂后产生氧空位缺陷在中温条件下具有突出的氧离子电导率，钙钛矿型氧化物因其优越的导电性能正被人们广泛研究。其中，LaGaO3基氧化物是最典型的钙钛矿型电解质，晶胞自由体积大，结构容忍因子高，稳定性好，具有最大的氧离子电导率和氧离子迁移数以及最小的氧离子迁移活化能，与常用的钙钛矿型阴极材料有着很好的兼容性，这为电池制备过程中的共烧结提供了可行性。近年来掺杂的 LaGaO3基电解质材料成为了最有希望的中温固体氧化物燃料电池电解质材料，其在应用发展中仍存在着如薄膜化难度大、不易烧结、高温下易挥发等问题需要进一步的研究和解决。
中国发明专利申请号201310041349.5公开了一种锂镧锆氧基氧化物固体电解质材料及其制备方法，包括以下步骤：将锂源化合物、镧源化合物、锆源化合物和掺杂元素化合物混匀后进行煅烧和烧结，得到锂镧锆氧基固体电解质材料。
中国发明专利申请号201710251811.2公开了一种钼酸镧基中温固体氧化物燃料电池电解质材料及其制备方法，包括以下步骤：称取La2O3、MoO3和CuO，以无水乙醇为介质，加入到研钵中，进行研磨；然后将物料转移至坩埚，放到马弗炉中进行煅烧；煅烧后取出并充分研磨，最终得到固体前驱体粉末；取前驱体粉末置于玛瑙研钵中研磨；加入适量PVA溶液进行研磨造粒；再将造粒产物加入不锈钢压片模具中，压制成圆形薄片即可。
中国发明专利申请号201510401508.7公开了一种钙钛矿型固体电解质锂镧钛氧化合物的电化学制备方法。该电化学制备方法根据镧钛比例制备氧化镧和二氧化钛的混合物，然后通过电化学方法使二氧化钛嵌入锂离子，然后退火得到高纯度的LLTO。
中国发明专利申请号200710011257.7公开了一种中温固体氧化物燃料电池阴极材料及其应用，按质量百分比计，阴极材料由40～99％钙钛矿型复合氧化物、1～30％稀土氧化物掺杂的CeO2和0～59％电解质材料组成；电解质材料为5～20mol％Y2O3稳定的ZrO2和/或5～20mol％Sc2O3稳定的ZrO2。。
根据上述，现有方案中用于固体氧化物燃料电池的钙钛矿型电解质膜，特别是LaGaO3基氧化物质量较差，在高温还原气氛下容易挥发，中温条件下电解性能不佳，电解质氧离子传输效率低，同时传统的制备过程复杂，原料价格昂贵，成本高，鉴于此，本发明提出了一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质及制备方法，可有效解决上述技术问题。
发明内容
针对目前应用较广的LaGaO3基固体氧化物燃料电池电解质存在质量较差，在高温还原气氛下容易挥发，中温条件下电解性能不佳，电解质氧离子传输效率低，同时传统的制备过程复杂，原料价格昂贵，成本高等问题，本发明提出一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质及制备方法，从而有效提升了电解质传输效率，降低了电池工作温度和制备成本。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照La1-xAxAlyB1-yO3化合物中各元素的摩尔比，将镧的水合硝酸盐、铝的水合硝酸盐、掺杂元素A、掺杂元素B配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得La1-xAxAlyB1-yO3型化合物前驱体；
其中，所述掺杂元素A为原子半径大于镧的元素；所述掺杂元素B的化合价为+2价，小原子半径元素或过渡金属元素；0.2≤x＜0.5，0.5≤y≤0.8；各原料重量份为：预混料30～40份、乙酰丙酮5～8份、异丙醇3～6份、甲基纤维素水溶液46～62份；
（2）将步骤（1）制得的前驱体与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得铝酸镧燃料电池电解质。
优选的，所述甲基纤维素水溶液的质量浓度为2～3%。
优选的，所述镧的水合硝酸盐为六水合硝酸镧。
优选的，所述铝的水合硝酸盐为九水合硝酸铝。
优选的，所述掺杂元素A优选为铯、钡、钫或镭元素中的一种。
优选的，所述掺杂元素B优选为镁、钙、锶、铜、锌、镉、铬或锡元素中的一种。
优选的，所述成膜剂为丙烯酸树脂、丁二烯树脂、聚氨酯中的一种，添加量为前躯体重量的2～5%。
优选的，所述涂覆层的厚度为100～300μm，涂覆后经过平整，粗糙度不大于±5μm。
优选的，所述强还原性气体为氢气、硫化氢气体、氯化氢气体、溴化氢气体、氨气或氮气中的一种。
优选的，所述烧结温度为550～650℃，烧结时间为2～3h。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质。
将本发明制备的燃料电池电解质与传统固体氧化物型电解质、磷灰石型电解质进行对比，在工作温度及成本上，具有明显的优势，如表1所示。
表1：
性能指标 本发明 固体氧化物型 磷灰石型
工作温度（℃） 200～400 600～700 600～700
成本（元/g） 4～6 8～10 6～8
本发明提供了一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出了采用镧和铝的水合硝酸盐作为原料制备掺杂铝酸镧燃料电池电解质的方法。
2、本发明通过扩大晶体内部的八面体间隙，在晶格内部形成类似磷灰石结构的间隙传导通道，使部分氧离子通过晶格间隙传导，以及通过掺杂提高内部的氧空位，从而有效提高电解质氧离子的传输效率。
3、通过掺杂铝酸镧燃料电池电解质，热力学稳定性好，工作温度较低。
4、本发明的制备过程简单，所用原料成本低廉，能耗低，制备成本低，具有较好的经济优势。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照La0.8Cs0.2Al0.8Mg0.2O3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Cs、掺杂元素Mg配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得La0.8Cs0.2Al0.8Mg0.2O3型化合物前驱体；
其中，预混料35重量份、乙酰丙酮6重量份、异丙醇6重量份、甲基纤维素水溶液55重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为2.5%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为丙烯酸树脂，添加量为前驱体重量的3%；涂覆层的平均厚度为200μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为氢气；烧结温度为600℃，烧结时间为2.5h。
实施例1制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
实施例2
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照La0.8Be0.2Al0.6Ca0.4O3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Be、掺杂元素Ca配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得La0.8Be0.2Al0.6Ca0.4O3型化合物前驱体；
其中，预混料30重量份、乙酰丙酮5重量份、异丙醇3重量份、甲基纤维素水溶液62重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为2%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为丁二烯树脂，添加量为前驱体重量的2%；涂覆层的平均厚度为100μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为硫化氢气体；烧结温度为550℃，烧结时间为3h。
实施例2制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
实施例3
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照La0.7Fr 0.3Al0.7 Sr 0.3O3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Fr、掺杂元素Sr配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得La0.7Fr 0.3Al0.7 Sr 0.3O3型化合物前驱体；
其中，预混料40重量份、乙酰丙酮8重量份、异丙醇6重量份、甲基纤维素水溶液46重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为3%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为聚氨酯，添加量为前驱体重量的5%；涂覆层的平均厚度为300μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为氯化氢气体；烧结温度为650℃，烧结时间为2h。
实施例3制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
实施例4
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照La0.7Ra0.3Al0.7Cu0.3O3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Ra、掺杂元素Cu配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得La0.7Ra0.3Al0.7Cu0.3O3型化合物前驱体；
其中，预混料32重量份、乙酰丙酮6重量份、异丙醇4重量份、甲基纤维素水溶液58重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为2%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为丁二烯树脂，添加量为前驱体重量的3%；涂覆层的平均厚度为150μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为溴化氢气体；烧结温度为580℃，烧结时间为2h。
实施例4制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
实施例5
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照La0.7Cs0.3Al0.7Zn0.3O3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Cs、掺杂元素Zn配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得按照La0.7Cs0.3Al0.7Zn0.3O3型化合物前驱体；
其中，预混料38重量份、乙酰丙酮7重量份、异丙醇5重量份、甲基纤维素水溶液50重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为3%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为丙烯酸树脂，添加量为前驱体重量的4%；涂覆层的平均厚度为250μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为氨气；烧结温度为620℃，烧结时间为2h。
实施例5制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
实施例6
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照La0.6Be0.4Al0.6Sn0.4O3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Be、掺杂元素Sn配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得按照La0.6Be0.4Al0.6Sn0.4O3型化合物水前驱体；
其中，预混料36重量份、乙酰丙酮7重量份、异丙醇4重量份、甲基纤维素水溶液53重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为3%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体过滤，取滤饼进行烘干，再与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为丁二烯树脂，添加量为前驱体重量的3%；涂覆层的平均厚度为250μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为氮气；烧结温度为620℃，烧结时间为3h。
实施例6制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
对比例1
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照La0.6Be0.4AlO3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Be配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得按照La0.6Be0.4AlO3型化合物水前驱体；
其中，预混料36重量份、乙酰丙酮7重量份、异丙醇4重量份、甲基纤维素水溶液53重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为3%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体过滤，取滤饼进行烘干，再与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为丁二烯树脂，添加量为前驱体重量的3%；涂覆层的平均厚度为250μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为氮气；烧结温度为620℃，烧结时间为3h。
对比例1制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
对比例2
一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备过程为：
（1）按照LaAl0.6Sn0.4O3化合物中各元素的摩尔比，将六水合硝酸镧、九水合硝酸铝、掺杂元素Sn配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得按照LaAl0.6Sn0.4O3型化合物水前驱体；
其中，预混料36重量份、乙酰丙酮7重量份、异丙醇4重量份、甲基纤维素水溶液53重量份；甲基纤维素水溶液的质量浓度为3%；
（2）将步骤（1）制得的前驱体过滤，取滤饼进行烘干，再与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；成膜剂为丁二烯树脂，添加量为前驱体重量的3%；涂覆层的平均厚度为250μm，粗糙度不大于±5μm；；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得立方钙钛矿型掺杂铝酸镧薄膜，即为燃料电池电解质；强还原性气体为氮气；烧结温度为620℃，烧结时间为3h。
对比例2制备的燃料电池电解质，其工作温度及成本如表2所示。
表2：
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 对比例1 对比例2
工作温度（℃） 355 365 358 368 325 285 550 530
成本（元/g） 4.5 5.2 4.3 4.8 5.1 5.5 6.2 6.5

Claims (9)

1.一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照La1-xAxAlyB1-yO3化合物中各元素的摩尔比，将镧的水合硝酸盐、铝的水合硝酸盐、掺杂元素A、掺杂元素B配料并混合均匀得到预混料，加入乙酰丙酮、异丙醇及甲基纤维素水溶液，制得La1-xAxAlyB1-yO3型化合物前驱体；
其中，所述掺杂元素A为原子半径大于镧的元素；所述掺杂元素B的化合价为+2价，小原子半径元素或过渡金属元素；0.2≤x＜0.5，0.5≤y≤0.8；各原料重量份为：预混料30～40份、乙酰丙酮5～8份、异丙醇3～6份、甲基纤维素水溶液46～62份；
（2）将步骤（1）制得的前驱体与成膜剂混合，并均匀涂覆于基底层的表面，形成薄膜前驱体；
（3）将步骤（2）制得的薄膜前驱体置于马弗炉中，通入强还原性气体，升高温度进行烧结，制得铝酸镧燃料电池电解质。
2.根据权利要求1所述一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述甲基纤维素水溶液的质量浓度为2～3%。
3.根据权利要求1所述一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述镧的水合硝酸盐为六水合硝酸镧；所述铝的水合硝酸盐为九水合硝酸铝。
4.根据权利要求1所述一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述掺杂元素A为铯、钡、钫或镭元素中的一种；所述掺杂元素B为镁、钙、锶、铜、锌、镉、铬或锡元素中的一种。
5.根据权利要求1所述一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述成膜剂为丙烯酸树脂、丁二烯树脂、聚氨酯中的一种，添加量为前躯体重量的2～5%。
6.根据权利要求1所述一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述涂覆层的厚度为100～300μm，涂覆后经过平整，粗糙度不大于±5μm。
7.根据权利要求1所述一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述强还原性气体为氢气、硫化氢气体、氯化氢气体、溴化氢气体、氨气或氮气中的一种。
8.根据权利要求1所述一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为550～650℃，烧结时间为2～3h。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的一种掺杂铝酸镧燃料电池电解质。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111341914A (zh) * 2020-03-23 2020-06-26 成都新柯力化工科技有限公司 一种可粘贴柔性钙钛矿光伏电池薄膜及制备方法
CN113061030A (zh) * 2019-12-13 2021-07-02 株式会社电装 驻极体

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CN113061030A (zh) * 2019-12-13 2021-07-02 株式会社电装 驻极体
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