CN108346812B - 一种a位掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法 - Google Patents

一种a位掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明采用柠檬酸‑硝酸盐溶胶凝胶法制备一种具备高电导率质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质，其化学式为Nd1.9In0.1Ce2O7，相对致密度达到99.9%；该电解质在湿润的5%H2和95%Ar混合气氛下700℃时电导率达到0.02S/cm。

Description

一种A位掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法
技术领域
本发明属于于燃料电池材料技术领域，具体涉及一种中温固体氧化物燃料电池A位掺杂Nd2Ce2O7电解质。
背景技术
能源和环境问题，是当今社会面临的主要问题。目前，在世界范围内主要的发电方式仍以燃烧煤、石油、天然气为主。然而，这些资源自身储量有限，并且其燃烧过程会带来的严重环境问题。因此，当代能源科技的主题是开发新型的经济、洁净能源。
固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)是缓解能源问题及其带来的环境问题的有效方案之一。化石燃料的燃烧的过程是一个不可逆过程，其在提供动力的同时也伴随着效能的极大浪费。而固体氧化物燃料电池可以绕过燃烧这一过程而直接将化学能高效的转化为电能，效率的提高也等同于能量的节约与污染物的减排，与此同时SOFC的逆过程又可以将多余的电能转化为化学能，因而更易于储存与运输。固体氧化物燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置愈发受到人们的重视。
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。本发明的质子电解质材料在中温工作条件下可以获得高的电导率，且在CO2和H2O环境下具有良好稳定性，以满足目前所需的能使用于中低温SOFC的电解质材料。
发明内容
为了提高中低温固体氧化物燃料电池电解质的性能，采用柠檬酸-硝酸盐溶胶凝胶法制备新型In3+掺杂的Nd1.9In0.1Ce2O7，经1500℃保温5h的电解质片其相对致密度达到99.9%；在湿润的5%H2和95%Ar混合气氛下700℃时电导率达到0.02S/cm，该电解质具有十分有效降低燃料电池工作温度的特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种A位掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质，其化学式为Nd1.9In0.1Ce2O7。采用柠檬酸-硝酸盐溶胶凝胶法制备，其制备方法包括如下步骤：
（一）Nd1.9In0.1Ce2O7的制备方法为：
1）按Nd1.9In0.1Ce2O7化学计量比称取Nd(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O、Ce(NO3)3·6H2O，并按总金属阳离子与柠檬酸的摩尔比为1:1.5称取柠檬酸；
2）分别将Nd(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O、Ce(NO3)3·6H2O和柠檬酸加入去离子水溶解；
3）将步骤2）所得硝酸盐溶液依次缓慢倒入柠檬酸溶液中，并向溶液中逐滴加入质量浓度为15%-20%的氨水，以调节溶液pH值为7；
4）将步骤3）得到的混合溶液放入搅拌器中加热至70℃，然后保持在70℃下连续搅拌，并在搅拌过程中加入氨水，使溶液的pH值保持在7，直至形成凝胶；
5）将凝胶移入蒸发皿中，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；
6）将所得氧化物粉末加热至800±10℃，保温3±0.1小时，然后自然冷却，形成Nd1.9In0.1Ce2O7粉末；
（二）电解质的制备
将所得Nd1.9In0.1Ce2O7粉末放入模具中，在200MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的速度加热到1500±10℃保温5±0.1小时，得到电解质圆片。
本产品的优点及用途：
（1）优点：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。Nd2Ce2O7作为一种质子导体，其在CO2和H2O中具有良好稳定性，通过A位掺杂In3+具有较好的电导率，相对致密度达到99.9%，该电解质在湿润的5%H2和95%Ar混合气氛下700℃时电导率达到0.02S/cm，适合运用在中低温固体氧化物燃料电池电解质。
（2）用途：作为电解质用于中温固体氧化物燃料电池。
附图说明
图1为Nd1.9In0.1Ce2O7电解质在湿润的5%H2-95%Ar混合气氛下的电导率-温度关系曲线。
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。
实施例 1
Nd1.9In0.1Ce2O7（NICO）制备方法
（一）Nd1.9In0.1Ce2O7的制备方法为：
1）按Nd1.9In0.1Ce2O7化学计量比称取Nd(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O、Ce(NO3)3·6H2O，并按总金属阳离子与柠檬酸的摩尔比为1:1.5称取柠檬酸；
2）分别将Nd(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O、Ce(NO3)3·6H2O和柠檬酸加入去离子水溶解；
3）将步骤2）所得硝酸盐溶液依次缓慢倒入柠檬酸溶液中，并向溶液中逐滴加入质量浓度为15%-20%的氨水，以调节溶液pH值为7；
4）将步骤3）得到的混合溶液放入搅拌器中加热至70℃，然后保持在70℃下连续搅拌，并在搅拌过程中加入氨水，使溶液的pH值保持在7，直至形成凝胶；
5）将凝胶移入蒸发皿中，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；
6）将所得氧化物粉末加热至800±10℃，保温3±0.1小时，然后自然冷却，形成Nd1.9In0.1Ce2O7粉末；
（二）电解质的制备
将所得Nd1.9In0.1Ce2O7粉末放入模具中，在200MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的速度加热到1500±10℃保温5±0.1小时，得到电解质圆片。
具体的：
1摩尔 Nd1.9In0.1Ce2O7（NICO）的制备：
称取1.9摩尔的Nd(NO3)3·6H2O：1.9×438.35= 832.865克
称取0.1摩尔的In(NO3)3·4.5H2O：0.1×381.92=38.192克
称取2摩尔的Ce(NO3)3·6H2O：2×434.22=868.44克
称取6摩尔的柠檬酸：6×210.14=1260.840克
将Nd(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O、Ce(NO3)3·6H2O和柠檬酸加入去离子水溶解；
将上述金属离子溶液分别缓慢倒入柠檬酸溶液中，滴加氨水调节pH值为7；
将混合溶液放入搅拌器中加热至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；
将凝胶移瓷元皿放在电炉上加热，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±10℃，保温3±0.1小时，自然冷却，形成Nd1.9In0.1Ce2O7粉末。
实施例 2
圆片的制备：将实施例1制备成的Nd1.9In0.1Ce2O7粉末放入模具中，在200MP的压力下，压制成圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1500℃±10℃保温5±0.1小时，得到所需的电解质圆片。
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1500±10℃下烧结5±0.1小时后的所得的Nd1.9In0.1Ce2O7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美国GAMRY电化学仪器公司型号为Interface1000E的电化学工作站，交流振幅电位10mV，测定频率范围0.1Hz-1MHz，测定交流阻抗的温度范围为350-800℃，在湿润的5%H2-95%Ar混合气氛下测定，每隔50℃测一次EIS。电导率采用如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
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℃时离子电导率为0.02S/cm。
用途：作为电解质用于中温固体氧化物燃料电池。
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 (1)

1.一种A位掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于，其化学式为Nd1.9In0.1Ce2O7；
所述的A位掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质采用柠檬酸-硝酸盐溶胶凝胶法制备，其制备方法包括如下步骤：
（一）Nd1.9In0.1Ce2O7的制备：
1）按Nd1.9In0.1Ce2O7化学计量比称取Nd(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O、Ce(NO3)3·6H2O，并按总金属阳离子与柠檬酸的摩尔比为1:1.5称取柠檬酸；
2）分别将Nd(NO3)3·6H2O、In(NO3)3·4.5H2O、Ce(NO3)3·6H2O和柠檬酸加入去离子水溶解；
3）将步骤2）所得硝酸盐溶液依次缓慢倒入柠檬酸溶液中，并向溶液中逐滴加入质量浓度为15%-20%的氨水，以调节溶液pH值为7；
4）将步骤3）得到的混合溶液放入搅拌器中加热至70℃，然后保持在70℃下连续搅拌，并在搅拌过程中加入氨水，使溶液的pH值保持在7，直至形成凝胶；
5）将凝胶移入蒸发皿中，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；
6）将所得氧化物粉末加热至800±10℃，保温3±0.1小时，然后自然冷却，形成Nd1.9In0.1Ce2O7粉末；
（二）电解质的制备
将所得Nd1.9In0.1Ce2O7粉末放入模具中，在200MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的速度加热到1500±10℃保温5±0.1小时，得到电解质圆片。
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