CN114464857A - 一种仿天然赤铁矿电解质及仿天然赤铁矿电解质燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿天然赤铁矿电解质及仿天然赤铁矿电解质燃料电池，该电解质由赤铁矿(α‑Fe₂O₃)和石英(SiO₂)组成，与传统的离子掺杂型电解质相比，本发明通过α‑Fe₂O₃在还原气氛中的表面氧空位传导和SiO₂对电子的隔绝作用，使所述电解质获得电解质功能，所组装的仿天然赤铁矿电解质燃料电池在低温区间展现良好的输出性能，因而在固体氧化物燃料电池领域有广泛的应用前景。

Description

一种仿天然赤铁矿电解质及仿天然赤铁矿电解质燃料电池

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种仿天然赤铁矿电解质及仿天然赤铁矿电解质燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可将储存在燃料中的化学能直接转化成电能的清洁能源技术，因其具有高能源转化效率、低污染排放和多燃料选择性等特点，而受到了国际社会的广泛关注。

目前，SOFC常用的电解质为掺杂氧化锆和掺杂氧化铈，其工作原理主要是采用结构掺杂产生大量晶格氧空位，通过氧空位扩散机制进行氧离子传导。由于该过程需要高温的激活，因此这类电解质只有在800-1000℃的高温下才能获得充足的离子电导率，这造成了较高的SOFC制造成本和技术复杂性。因此，需要开发在低温下具有高离子电导率的低温电解质材料，以使SOFC可在较低的温度下运行。

发明内容

针对上述问题，现提供一种仿天然赤铁矿电解质及仿天然赤铁矿电解质燃料电池，旨在有效解决SOFC电池中存在的问题。

具体技术方案如下：

本发明的第一个方面是提供一种仿天然赤铁矿电解质，具有这样的特征，电解质由α-Fe₂O₃粉末及石英混合、烧结、研磨后形成。

上述的仿天然赤铁矿电解质，还具有这样的特征，电解质由α-Fe₂O₃粉末及石英按质量比8：2混合、烧结、研磨后形成。

上述的仿天然赤铁矿电解质，还具有这样的特征，电解质由α-Fe₂O₃粉末及石英混合后于800℃下烧结4小时后再进行研磨形成。

本发明的第二个方面是提供一种仿天然赤铁矿电解质燃料电池，具有这样的特征，包括上述的仿天然赤铁矿电解质和NCAL-Ni电极片(Ni_0.8Co_0.15Al_0.05LiO_2-δ渗透的泡沫Ni)。

本发明中α-Fe₂O₃粉末的制备方法为：取柠檬酸，配置形成200ml、浓度为0.5mol·L^-1的柠檬酸溶液，再向其中溶入可溶性铁盐，以配制形成c(Fe³⁺)：c(柠檬酸)＝1:1的混合液，向混合液中加入6ml乙二醇，搅拌2h后再于80℃水浴下加热成凝胶，随后将凝胶干燥成干凝胶，研磨成粉体，然后将粉体在800℃马弗炉中焙烧4小时，取出，研磨，得α-Fe₂O₃粉末。

上述仿天然赤铁矿电解质燃料电池的组装方法，还具有这样的特征，包括如下步骤：

1)称取适量的NCAL粉末和松油醇，将所述NCAL粉末与所述松油醇充分混合后研磨，得到浆料，再将浆料均匀涂在泡沫镍上，烘干制成NCAL-Ni电极片；

2)称取0.25g仿天然赤铁矿电解质，充分研磨；在电池模具中先放入一片NCAL-Ni电极，再倒入仿天然赤铁矿电解质，压平，随后覆盖上另一片NCAL-Ni电极；

3)利用压片机在10MPa下将NCAL-Ni、仿天然赤铁矿粉末、NCAL-Ni三层物质压制90s后取出，形成所需要的燃料电池片。

上述方案的有益效果是：

1)无需采用传统电解质中常用的结构掺杂方法，本发明提供的仿天然赤铁矿电解质与天然赤铁矿相比具有更好的微观颗粒形貌和颗粒分布，有助于离子电导率的调控和优化，并有效地降低固体氧化物燃料电池的运行温度；

2)本发明中采用一步干压法制备形成燃料电池，从而省略了传统电池的高温预烧步骤，简化了电池制造工艺。

附图说明

图1为本发明的实施例中提供的α-Fe₂O₃粉末的XRD图；

图2为本发明的实施例中提供的仿天然赤铁矿电解质的XRD图；

图3为本发明的实施例中提供的α-Fe₂O₃粉末的SEM图；

图4为本发明的实施例中提供的仿天然赤铁矿电解质的SEM图；

图5为本发明的实施例中提供的仿天然赤铁矿电解质的EDS图；

图6为本发明的实施例中提供的仿天然赤铁矿电解质的I-V、I-P性能图；

图7为本发明的实施例中提供的仿天然赤铁矿电解质在空气气氛下的电导率图；

图8为本发明的实施例中提供的仿天然赤铁矿电解质在氢气-空气氛下的电导率图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

一种仿天然赤铁矿电解质燃料电池，其组装方法为：

1)称取适量的NCAL粉末和松油醇，将所述NCAL粉末与所述松油醇充分混合后研磨，得到浆料，再将浆料均匀涂在泡沫镍上，烘干制成NCAL-Ni电极片；

2)称取0.25g仿天然赤铁矿电解质，充分研磨；在电池模具中先放入一片NCAL-Ni电极，再倒入仿天然赤铁矿电解质，压平，随后覆盖上另一片NCAL-Ni电极；

3)利用压片机在10MPa下将NCAL-Ni、仿天然赤铁矿粉末、NCAL-Ni三层物质压制90s后取出，形成所需要的燃料电池片；

其中，仿天然赤铁矿电解质由α-Fe₂O₃粉末及石英粉末按质量比8：2混合后于800℃下烧结4小时后再进行研磨形成；

其中，α-Fe₂O₃粉末的制备方法为：取柠檬酸，配置形成200ml、浓度为0.5mol·L^-1的柠檬酸溶液，再向其中溶入可溶性铁盐，以配制形成c(Fe³⁺)：c(柠檬酸)＝1:1的混合液，向混合液中加入6ml乙二醇，搅拌2h后再于80℃水浴下加热成凝胶，随后将凝胶干燥成干凝胶，研磨成粉体，然后将粉体在800℃马弗炉中焙烧4小时，取出，研磨，得α-Fe₂O₃粉末。

如图1、图2所述，本发明的实施例中提供仿天然赤铁矿电解质中的α-Fe₂O₃与标准PDF卡片(PDF#89-0596)一致，且其中的SiO₂与标准PDF卡片(PDF#78-2351)一致，为六方相结构。

如图3、图4和图5所述，本发明提供的α-Fe₂O₃粉末及仿天然赤铁矿电解质中纳米颗粒分布均匀，仿天然赤铁矿电解质中α-Fe₂O₃和SiO₂两相复合较均匀。

如图6所示，本发明提供的的燃料电池在500-550℃低温区间下开路电压在1V左右，没有任何短路的现象，且其在550℃时输出功率密度最高可达到240mW·cm^-2，这主要是因为仿天然赤铁矿电解质具有较好的微观颗粒形貌，这种均匀性更好的微观形貌提供了大量的晶界接触，导致了电解质中离子在晶界区域的快速运输。当燃料电池工作温度降低时其OCV并未有明显下降，但设备的输出功率缺明显降低，这主要可归因于α-Fe₂O₃在低温下逐渐降低的离子传导能力。

如图7、图8所示，本发明提供的仿天然赤铁矿电解质的电导率呈逐渐下降的特征，这表明材料的电阻随着测量温度下降而升高，这种升高主要是晶界区域氧离子和质子迁移速率随着温度降低的结果，这同时缩短了极化弛豫时间并升高了总电阻(如图8所示)。由于电子绝缘体SiO₂的存在，仿天然赤铁矿电解质在空气中的总电导率较低(如图7所示)。在氢气-空气氛围中，仿天然赤铁矿电解质的电导率相较于空气中有数个量级的提升(如图8所示)，这主要是由于α-Fe₂O₃被氢气诱导能产生氧缺陷型α-Fe₂O_3-δ，在氢气-空气氛围中电解质中α-Fe₂O₃颗粒迅速形成了大量的表面氧缺陷(氧空位)，为离子的运输提供了有效通道，从而获得显著提升的离子电导率。

如上，说明本发明提供的仿天然赤铁矿电解质可有效降低固体氧化物燃料电池的操作温度。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种仿天然赤铁矿电解质，其特征在于，电解质由α-Fe₂O₃粉末及石英粉末混合、烧结、研磨后形成。

2.根据权利要求1所述的仿天然赤铁矿电解质，其特征在于，电解质由α-Fe₂O₃粉末及石英粉末按质量比8：2混合、烧结、研磨后形成。

3.根据权利要求2所述的仿天然赤铁矿电解质，其特征在于，电解质由α-Fe₂O₃粉末及石英粉末混合后于800℃下烧结4小时后再进行研磨形成。

4.一种仿天然赤铁矿电解质燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的仿天然赤铁矿电解质和NCAL-Ni电极片。

5.权利要求4所述的仿天然赤铁矿电解质燃料电池的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)称取适量的NCAL粉末和松油醇，将所述NCAL粉末与所述松油醇充分混合后研磨，得到浆料，再将浆料均匀涂在泡沫镍上，烘干制成NCAL-Ni电极片；

2)称取0.25g仿天然赤铁矿电解质，充分研磨；在电池模具中先放入一片NCAL-Ni电极，再倒入仿天然赤铁矿电解质，压平，随后覆盖上另一片NCAL-Ni电极；

3)利用压片机在10MPa下将NCAL-Ni、仿天然赤铁矿粉末、NCAL-Ni三层物质压制90s后取出，形成燃料电池片。

Images