一种双掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备

摘要

本发明属于固体电解质的制备领域，具体涉及一种双掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法。本发明采用硝酸盐凝胶燃烧法制备一种中温固体氧化物燃料电池电解质，分子式为Ce0.85La0.11Cd0.04O2‑α，0＜α≤0.095，相对致密度达到98%以上；该电解质在空气气氛下700℃时离子电导率达到1.45×10‑2S/cm。

权利要求

1.一种双掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述电解质的分子式为Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α，0＜α≤0.095；具体制备步骤为： 1）按照化学计量比称量原料Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Cd(NO3)2·4H2O；并按金属阳离子与柠檬酸的摩尔比为1:1.5称取柠檬酸；

2）将Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Cd(NO3)2·4H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解，混合以上溶液并搅拌均匀；

 3）向步骤（2）混合液滴加氨水调节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；

 5）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；

6）将步骤（5）得到的粉末在600℃煅烧30分钟去有机物，然后在800℃±10℃煅烧3±

0.1小时，形成Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α粉末；

7）将得到的Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α粉末放入模具中，在300MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1350℃±10℃保温4±0.1小时，得到所需要的电解质圆片。

2.根据权利要求1所述的一种双掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述氨水浓度为15wt%-20wt%。

说明书

一种双掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备

技术领域

[0001] 本发明属于固体电解质的制备领域，具体涉及一种双掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着全球工业的发展及人口的迅速增长，地球上的资源将越来越短缺。美国能源信息署（EIA）统计结构显示，2010年世界能源需求量已达到106亿吨油当量，据预测，2025年将达到136.5亿吨油当量。而传统的发电方式大多是由石油、天然气等化石能源中的化学能通过燃烧转化为热能，再由热能推动机械设备产生机械能，最终转换为电能。这种能源转换不但受到卡诺循环的限制，还会产生大量粉尘、二氧化碳、氮氧化物和硫化物等有害物质及噪音；固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、 一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

[0003] 传统SOFC的工作温度必须在800℃以上的运行温度才有较高的输出功率，高的运行温度不仅对电池的连接密封具有非常高的要求，而且加速电池部件间的副反应的发生，电池性能衰减速率增大，使电池的成本居高不下，大大限制了SOFC的商业化发展。因此，要使SOFC商业化发展，就要降低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。本发明的复合电解质具有电导率高，可满足中低温的使用条件。

发明内容

[0004] 为了提高中温固体氧化物燃料电池电解质的性能，采用硝酸盐凝胶燃烧法新型Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α(CLCO)复合电解质，其相对致密度达到98%；在空气气氛下700℃时电导率为1.45×10-2S/cm。

[0005] Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α（0＜α≤0.095）制备方法：

[0006]  1）按照化学计量比称量原料Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Cd(NO3)2·4H2O络合剂柠檬酸按[n(CA):n(金属阳离子)=1.5:1]称取；

[0007] 2）Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Cd(NO3)2·4H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解，混合以上溶液并搅拌均匀；

[0008]  3）滴加氨水（氨水浓度为15wt%-20wt%）调节pH值为7；

[0009]  4）将步骤3）得到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；

[0010]  5）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；

[0011] 6）在600℃煅烧30分钟去有机物，然后在800℃±10℃煅烧3±0.1小时，形成Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α（CLCO）粉末。

[0012] 将制成的CLCO粉末放入模具中，在300MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1350℃±10℃保温4±0.1小时，得到所需要的电解质圆片。

[0013] 本发明的显著优点在于：

[0014] 1、优点：使用温度在中温（600℃-800℃）范围内具有较高的电导率、较高的功率密度。

[0015] 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

[0016] 图1电解质CLCO经1350℃烧结4h后的电导率与测试温度的关系曲线。

具体实施方式

[0017] 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。

[0018] 实施例 1

[0019] Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α（0<α≦0.095）(CLCO)的制备方法

[0020] 1） 按照化学计量比称量原料：e(NO3)3·6H2O,La(NO3)3·nH2O,Cd(NO3)2·4H2O，[0021] 络合剂柠檬酸按[n(CA):n(金属阳离子)=1.5:1]称取。

[0022] 2）Ce(NO3)3·6H2O,La(NO3)3·nH2O，Cd(NO3)2·4H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解；

[0023] 3）混合以上溶液并搅拌均匀

[0024] 4）将步骤3）得到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；

[0025] 5）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；

[0026] 6）在600℃煅烧30分钟去有机物，然后在800℃±10℃煅烧3±0.1小时，形成CLCO粉末。

[0027] 具体的：

[0028] 1摩尔Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α(CLCO)的制备：

[0029] 称取0.85摩尔的 Ce(NO3)3·6H2O： 0.85*434.22 =369.08克

[0030] 称取0.11摩尔的La(NO3)3·nH2O： 0.11*324.92=35.74克

[0031] 称取0.04摩尔的Cd(NO3)2·4H2O： 0.04*308.48=12.34克

[0032] 称取1.5摩尔的柠檬酸： 1.5*210.14=315.21克

[0033] Ce(NO3)3·6H2O,La(NO3)3·nH2O,Cd(NO3)2·4H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解；混合以上溶液并搅拌均匀；放入水浴锅中加热至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；

[0034] 将粉末在600℃煅烧30min去除有机物，然后在800℃±10℃煅烧3±0.1小时，形成CLCO粉末。

[0035] 实施例 2

[0036] 圆片的制备：将实施例1制备成的CLCO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，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1350℃保温4小时，得到所需要的电解质圆片。

[0037] 电导率的测试方法：

[0038] 电解质的交流电导采用两端子法测定。将1350℃±10℃下烧结4±0.1小时后的所得的Ce0.85La0.11Cd0.04O2-α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℃，在空气气氛中测定，在空气气氛中测定。电导率采用如下公式计算：

[0039]

[0040] 式中，σ 为电解质电导率，S/cm；

[0041] h 为电解质片厚度，单位cm；

[0042] R 为电解质电阻，单位Ω；

[0043] S 为电解质片横截面积，单位cm2。