[发明专利]一种中低温复合电解质及其制备方法和利用这种电解质的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合电解质及其制备方法，更具体地讲，涉及一种中低温复合电解质及其制备方法和利用这种电解质的燃料电池。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其具有能源转化率高，污染低，燃料适应性强，积木化强，响应快速等优点，是一种绿色的高效转能装置。按照电解质的不同，主要分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃料电池(AFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以绝缘载体(LiAlO₂)支撑的熔融碳酸盐为电解质，实现碳酸根离子的传导，氢气和CO₂/O₂混合气体分别作为燃料和氧化剂，其在650℃即具有较高电导率，因而可实现中温(600-800℃)条件下的操作。传统的MCFC存在着许多问题，熔融碳酸盐存在着一定的挥发，导致电解质的损失，对不锈钢的电池反应装置具有很强的腐蚀性，同时，长时间的运转会导致阴极材料在熔盐中的溶解和扩散，金属阳离子在阳极侧被氢气还原，形成电解质内部的电子导通，降低了电池的开路电压和输出功率。

作为新一代代燃料电池的固体氧化物燃料电池(SOFC)以固体氧化物为电解质，实现氧离子的传导，氢气和空气分别作为燃料和氧化剂，具有很高的能源转化率(60％-80％)，较强的燃料适应性、不需要贵金属催化剂、稳定的全固态结构等优点。传统SOFC采用以钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质，这种电解质不允许电子和氢离子通过，只允许氧负离子自由通过，通过氧负离子在固体氧空位中的跃迁实现离子导电性。为使固体电解质拥有足够高的离子传导能力，往往需要很高的操作温度(800-1000℃)。长时间的高温操作，给材料的稳定性、电池的密封性等带来了很多的问题，同时高昂的制造成本也使高温SOFC在商业发展上面临瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中固体电解质需要高温操作和熔融碳酸盐的电解质损失问题，提供一种既可以在中低温领域内实现高效离子传导并能够避免电解质损失，又能保持有高效输出功率的电解质。

本发明的一种中低温复合电解质，由质量含量为10％-50％的三元碳酸盐和50％-90％的掺杂氧化铈组成，其中所述的三元碳酸盐为“锂/钠/钾”的三元碳酸盐，其中锂元素∶钠元素∶钾元素的摩尔比为40～50∶30～40∶20～30；所述的掺杂氧化铈是钐掺杂氧化铈、钆掺杂氧化铈或者钇掺杂氧化铈，其中掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8～1.5∶4、1～1.2∶4、0.5～1.5∶4。

所述的中低温复合电解质由质量含量为25％-35％的三元碳酸盐和65％-75％的掺杂氧化铈组成。

所述的三元碳酸盐为“锂/钠/钾”的三元碳酸盐，其中锂元素∶钠元素∶钾元素的摩尔比为40～45∶30～34∶20～25。

所述的掺杂氧化铈是钐掺杂氧化铈、钆掺杂氧化铈或者钇掺杂氧化铈，其中掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8～1∶4、1～1.2∶4、0.8～1∶4。

本发明的一种制备中低温复合电解质的方法，按照下述步骤制备：

(1)分别将掺杂元素的氧化物和硝酸铈溶于硝酸，形成金属离子溶液，其中掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8～1.5∶4、1～1.2∶4、0.5～1.5∶4，再将上述金属离子溶液加到草酸水溶液中，形成白色前驱体草酸盐沉淀物，搅拌，过滤，干燥，在700-800℃下煅烧1-4小时，制得掺杂氧化铈；

(2)将碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾按照锂元素∶钠元素∶钾元素为40～50∶30～40∶20～30的摩尔比取料，机械混合，在480-520℃之间加热，使其熔融，然后进行冷却，形成三元碳酸盐；

(3)将质量含量为50％-90％的掺杂氧化铈和质量含量为10％-50％的三元碳酸盐进行机械混合，然后将混合物进行煅烧，煅烧温度为500-700℃，煅烧时间为0.5-3小时。

所述步骤(1)中的掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8～1∶4、1～1.2∶4、0.8～1∶4。

所述步骤(2)中的锂元素∶钠元素∶钾元素的摩尔比为40～45∶30～34∶20～25。

所述步骤(3)中的三元碳酸盐的质量含量为25％-35％，掺杂氧化铈的质量含量为65％-75％。