一種固體氧化物燃料電池電解質(zhì)及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池電解質(zhì)制備領(lǐng)域，具體涉及一種固體氧化物燃料 電池電解質(zhì)及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 全球?qū)δ茉吹男枨笕找鏀U(kuò)大，并逐漸重視環(huán)境惡化的問(wèn)題，傳統(tǒng)的能源體系將無(wú) 法適應(yīng)社會(huì)對(duì)高效、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)的能源體系的要求，能源的發(fā)展將面臨巨大的挑戰(zhàn)，因 此燃料電池將成為二十一世紀(jì)重要的能源裝置。固體氧化物燃料電池（SOFC)通過(guò)電化學(xué) 反應(yīng)過(guò)程使化石類(lèi)燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，由于沒(méi)有燃燒和機(jī)械過(guò)程，極大地提 高了能量轉(zhuǎn)化效率，避免或減少了N0X、S0x、C0、C02以及粉塵等污染物的產(chǎn)生；SOFC的工作 溫度在500°C~1000°C，其副產(chǎn)品是高品質(zhì)的熱和水蒸氣，在熱-電聯(lián)供的情況下，能量利 用率高達(dá)80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)。
[0003] 傳統(tǒng)SOFC的工作溫度高（900~1000°C)，高溫運(yùn)行加速了部件間的相互反應(yīng)和擴(kuò) 散，電池性能衰減速率增大，這樣必然對(duì)電極材料和連接件等材料的性能提出更高的要求， 從而增大電池系統(tǒng)費(fèi)用，大大限制了SOFC的商業(yè)化發(fā)展。因此，要使SOFC商業(yè)化發(fā)展，就 要降低SOFC工作溫度，開(kāi)發(fā)中低溫SOFC已成為必然趨勢(shì)。在SOFC系統(tǒng)中，電解質(zhì)是電池 的核心，電解質(zhì)的性能直接決定著SOFC電池的工作溫度和性能。傳統(tǒng)的電解質(zhì)已無(wú)法適用 于中低溫條件，因此就必須尋求在中低溫下具有高電導(dǎo)率的電解質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種固體氧化物燃料電池電解質(zhì)及其制備方法和應(yīng)用， 制得的電解質(zhì)的相對(duì)致密度達(dá)到100%，在空氣氣氛下500°c時(shí)離子電導(dǎo)率為0. 0175S/cm， 600°C時(shí)離子電導(dǎo)率達(dá)到0. 0243S/cm，用于中低溫固體氧化物燃料電池中，輸出功率密度增 大，使固體氧化物燃料電池具有更好的電化學(xué)性能。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種固體氧化物燃料電池電解質(zhì)的組分按摩爾百分?jǐn)?shù)計(jì)：50%Ce(l. ^da2O1.9_10. 4%Li2C0 3-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0。
[0006] 制備方法：先采用硝酸鹽凝膠燃燒法制備Cea8Gda2Ou，再采用固相攪拌法制備 50%Ce0 8Gd0 201 9-10. 4%Li2C03-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0。
[0007] 具體步驟如下： I)Cea8GdaA9的制備 &)按(^(|.86(1 (|.201.9化學(xué)計(jì)量比稱取(^(勵(lì)3) 3*61120和6(1203，并按金屬陽(yáng)離子與檸檬酸 根離子的摩爾比為1. 5:1稱取檸檬酸； b) 用濃度為10_15wt. %的稀硝酸溶解Gd2O3; c) 將Ce(NO3) 3 ? 6H20和檸檬酸分別在蒸餾水中溶解； d) 將步驟c)的兩種溶液分別倒入步驟b)的硝酸釓溶液中，逐滴加入氨水，調(diào)節(jié)pH值 為7 ; e) 將步驟d)得到的混合溶液邊攪拌邊加熱至45°C，恒溫連續(xù)攪拌，并在攪拌過(guò)程中通 過(guò)滴加氨水，使溶液的pH值保持在7,直至形成凝膠； f) 將凝膠加熱，直至發(fā)生自蔓延燃燒形成蓬松的氧化物粉末； g) 將粉末加熱至790-810°C，保溫2. 9-3. 1小時(shí)，自然冷卻，制得Cea8GdaA9粉末； 2)電解質(zhì)的制備 a) 按照S(Fc)Ceci82Gdci2O19-IO. 4%Li2C03-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%MgO的摩爾百分含 量分別稱取CeQ. 82GdQ. 9粉末、Li2C03、Na2C03、Cd(NO3) 2 ? 4H20 和Mg(NO3) 2 ? 6H20,將Li2C03、 Na2C03、Cd(NO3)2 ? 4H20 和Mg(NO3) 2 ? 6H20 采用固相攪拌法研磨 3h，再加入CeaS2Gda2O1.9粉 末，繼續(xù)攪拌混合2h，將混合粉末790-8KTC燒結(jié)4h，獲得S(FoCea82Gda2Oh9-K). 4%Li2C03-10 ? 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0 粉末； 幻將50%〇6。826(1。.201. 9-10.4%1^20)3-10.4%似20)3-16.7%〇(1〇-12.59?%0粉末在30010^的 壓力下制成圓片狀，再以每分鐘3°C的加熱速度加熱到690-7KTC，保溫I. 4-1. 6小時(shí)，得到 S(Fc)Cea8Gda2O19-IO. 4%Li2C03-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0 電解質(zhì)圓片。
[0008] 步驟d)和e)中的氨水的濃度為15_20wt. %。
[0009] 制得的S(Fc)Cea8Gdci2O19-IO. 4%Li2C03-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0 電解質(zhì)應(yīng) 用于500-800 °C的中低溫固體氧化物燃料電池。
[0010] 本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：制得的電解質(zhì)的相對(duì)致密度達(dá)到100%，在空氣氣氛下 500°C時(shí)離子電導(dǎo)率為0. 0175S/cm，600°C時(shí)離子電導(dǎo)率達(dá)到0. 0243S/cm，用于中低溫固體 氧化物燃料電池中，輸出功率密度增大，使固體氧化物燃料電池具有更好的電化學(xué)性能。
【具體實(shí)施方式】
[0011] -種固體氧化物燃料電池電解質(zhì)的組分按摩爾百分?jǐn)?shù)計(jì)A(Fc)Cea8Gda2Ou-IO. 4% Li2CO3-IO. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0。
[0012] 制備方法：先采用硝酸鹽凝膠燃燒法制備Cea8Gda2Ou，再采用固相攪拌法制備 50%Ce0 8Gd0 201 9-10. 4%Li2C03-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0。
[0013] 具體步驟如下： 1) Cea8GdaA9的制備 &)按(^(|.86(1 (|.201.9化學(xué)計(jì)量比稱取(^(勵(lì)3) 3*61120和6(1203，并按金屬陽(yáng)離子與檸檬酸 根離子的摩爾比為1. 5:1稱取檸檬酸； b) 用濃度為10_15wt. %的稀硝酸溶解Gd2O3; c) 將Ce(NO3) 3 ? 6H20和檸檬酸分別在蒸餾水中溶解； d) 將步驟c)的兩種溶液分別倒入步驟b)的硝酸釓溶液中，逐滴加入氨水，調(diào)節(jié)pH值 為7 ; e) 將步驟d)得到的混合溶液邊攪拌邊加熱至45°C，恒溫連續(xù)攪拌，并在攪拌過(guò)程中通 過(guò)滴加氨水，使溶液的pH值保持在7,直至形成凝膠； f) 將凝膠加熱，直至發(fā)生自蔓延燃燒形成蓬松的氧化物粉末； g) 將粉末加熱至790-810°C，保溫2. 9-3. 1小時(shí)，自然冷卻，制得Cea8GdaA9粉末； 2) 電解質(zhì)的制備 a) 按照S(Fc)Ceci82Gdci2O19-IO. 4%Li2C03-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%MgO的摩爾百分含 量分別稱取CeQ. 82GdQ.A. 9粉末、Li2C03、Na2C03、Cd(NO3) 2 ? 4H20 和Mg(NO3) 2 ? 6H20,將Li2C03、 Na2C03、Cd(NO3)2 ? 4H20 和Mg(NO3) 2 ? 6H20 采用固相攪拌法研磨 3h，再加入CeaS2Gda2O1.9粉 末，繼續(xù)攪拌混合2h，將混合粉末790-810°C燒結(jié)4h，獲得S(FoCea82Gda2Oh9-K). 4%Li2C03-10 ? 4%Na2C03-16. 7%Cd〇-12. 5%Mg0 粉末； 幻將50%〇6。826(1。.201. 9-10.4%1^20)3-10.4%似20)3-16.7%〇(1〇-12.59?%0粉末在30010^的 壓力下制成圓片狀，再以每分鐘3°C的加熱速度加熱到690-7KTC，保溫I. 4-1. 6小時(shí)，得到 S(Fc)Cea8Gda2O19-IO. 4%Li2C03-10. 4%Na2C03-16. 7%Cd