[发明专利]用于固体氧化物燃料电池的复合氧化锆粉及其制备方法

说明书

本发明一种用于固体氧化物燃料电池的复合氧化锆粉及其制备方法，该方法包括向氧氯化锆水溶液中加入复合氧化物添加剂和PEG分散剂，所述复合氧化物添加剂由Al₂O₃、TiO₂、CeO₂、Bi₂O₃、Li₂O组成，所述复合氧化物添加剂各成分占总体系的质量分数范围均为0.2‑5wt.％，经沉淀、陈化、过滤、洗涤等步骤，制备得到的复合氧化锆粉制备的固体氧化物燃料电池电解质片，其电导率在800℃时为0.37s/cm，抗弯强度Kf580MPa，不但能够满足固体氧化物燃料电池中作为高性能电解质材料的用途，而且本发明的制备方法具有团聚少、粒径小且粒度分布均匀、粉体活性高、操作安全方便等特点，适合工业化批量生产。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池的生产方法领域，特别涉及一种用于固体氧化物燃料电池的复合氧化锆粉及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Full Cells，SOFC)，是一种高效清洁的能量转换体系，它可将燃料气体和氧化气体的化学能直接转换成电能，并具有发电效率高，响应速度快，体积小，污染低，易于组装和维护等优点，被誉为继水力发电、热能发电和核能发电之后的一种高效、节能、环保型发电技术。SOFC的开发与应用已成为当前新材料和新能源领域的一个研究热点。

电解质材料是SOFC的关键部件，目前，绝大多数SOFC均以5～10mol％氧化钇稳定的氧化锆作为固体电解质，然而它的电导率较低，力学性能一般，制约了SOFC的进一步发展，因此，找到一种电导率更高、力学性能更强和抗老化性能好的电解质新材料，是开发出高性能固体氧化物燃料电池的关键。

采用氧化钪作稳定剂的氧化锆制备电解质材料具有更高的电导率，但力学性能有所下降，从目前研究结果看，单独采用氧化钇或氧化钪或者某一种氧化物作稳定剂的氧化锆制备电解质材料，其综合性能并不优异，采用多种氧化物掺杂的氧化锆的制备工艺也有一些研究，但均未有较大突破，相对较好的工艺技术制备出的氧化锆电解质材料的电导率约0.12S/cm(800℃时)，抗弯强度约为500MPa。

对氧化锆晶体结构的深入研究有助于寻找更合适的氧化物进行掺杂，有研究表明，在氧化锆体系中，由于点阵应力和位阻效应的影响，取代Zr⁴⁺的阳离子半径与其越接近，其电导率越高。S.P.S.Badwal等人通过向9mol％(Sc₂O₃-Y₂O₃)-ZrO₂系统中添加Al₂O₃发现，Al₂O₃可以净化晶界减小晶界电阻，增加该ZrO₂基系统的机械强度，但是添加Al₂O₃后，ZrO₂系统的电导率随淬火时间的增加降低的较快。Chakrapani Varanasi等人研究了向6ScSZ中掺杂Al₂O₃，结果发现Al₂O₃的加入提高了6ScSZ的电导率，掺杂30wt.％Al₂O₃时，6ScSZ在850℃时的电导率为0.12S/cm，比未添加Al₂O₃时的电导率提高了20％左右。Masanori Hirano等人研究了Bi₂O₃掺杂10ScSZ的性质，包括烧结特性、微观结构、晶型转变以及电导率、机械特性等，研究结果表明：向10ScSZ中添加1mol％Bi₂O₃可有效阻止氧化锆的晶型转变，使氧化锆的立方晶型(高电导率晶型)得以很好的保留，因此，添加1mol％Bi₂O₃后，10ScSZ的电导率得到了提高。