[发明专利]一种中温固体燃料电池电解质材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种中温固体燃料电池电解质材料的制备方法，属于新能源技术领域。本发明利用掺杂氧化铈电解质在相对较低的温度下具有更高的氧离子电导率，且在烧结与工作温度下与高性能阴极材料具有较好的化学相容及机械匹配性的特点，并通过掺杂铈、钆等稀土元素形成电池的电解质材料，大幅提高其氧空位浓度，从而提高其离子导电性，且较低的合成温度减小了材料的晶体尺寸，提高了材料的烧结性能及烧结致密度，使得电解质的氧离子传导得到保障，再通过复合二氧化钛和氧化锶，降低电解质的平均晶粒尺寸，使得电解质的颗粒均匀化，整体上能够更加致密化，提高离子导电率，进而提高了电解质支撑的单电池的输出功率。

技术领域

本发明涉及一种中温固体燃料电池电解质材料的制备方法，属于新能源技术领域。

背景技术

固体燃料电池（SOFC）作为一种纯净、稳定、高效的能量转化装置，成为有效解决能源危机与环境污染问题的重要技术手段之一。固态氧离子导体作为SOFC的电解质材料，其工作温度、稳定性、能量转化效率等性质均对SOFC的应用产生重要影响。固体电解质材料的基本要求是：必须具备离子电导率高，电子电导率低；在燃料和氧化气氛中的稳定性好；与相邻的组元间不发生化学反应；致密且与相邻的组元热膨胀系数匹配。目前，应用于SOFC的电解质材料主要为萤石结构、钙钛矿结构以及新型的磷灰石结构材料。

早期开发的SOFC通常在800～1000℃的高温条件下工作，这会导致该类燃料电池在开发、制造和应用中遇到诸多问题。例如高的温度限制了材料的选择、降低了电池寿命：用于制备SOFC的组元材料在须具备足够突出的电学性能的前提下，还必须具备出色的化学和热稳定性来适应高温的工作环境；高的工作温度对电池工作经常会带来一些偶然的问题，更会明显导致SOFC的性能逐渐衰减，降低电池的使用寿命。这些在很大程度上限制了SOFC的发展。当SOFC的操作温度降低到500～800℃的中温范围内，不但可以明显提高电池的热力学效率，大幅度降低电池的制作成本，而且还可以解决高温稳定性、高温密封困难等难题，简化电池设计的材料要求，减缓电池组件间的相互反应，避免电池材料的退化，延长电池的寿命。

中温SOFC的研究尚处于起步阶段，目前主要集中在关键材料的开发上。其中，固态电解质是电池的最核心组元，其性能，包括离子导电率、结构、化学稳定性、热膨胀系数、致密化温度等，不仅直接影响电池的工作温度和能量转化效率，还限制了与其相匹配的电极材料及相应制备技术的选择。但是目前采用的电解质材料烧结性能及烧结致密度差、导电率低，因此，急需研发一种性能优异的电解质材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对目前采用的电解质材料烧结性能及烧结致密度差、导电率低的问题，提供了一种中温固体燃料电池电解质材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

（1）取氧化钆、氧化钐加入质量分数为20%硝酸溶液中混合均匀，加入六水硝酸铈搅拌至固体完全溶解，再加入柠檬酸、乙二胺四乙酸，搅拌混合均匀后滴加氢氧化钠溶液至pH为8～9，静置15～20h，得反应液；

（2）将反应液转移到带有特氟龙内胆的水热釜中进行水热反应，冷却至室温后过滤洗涤干燥，得前驱体；

（3）将前驱体置于马弗炉中并点燃发生自蔓延燃烧反应，燃烧结束后再在700～800℃下保温煅烧3～5h，得电解质初粉；

（4）将电解质初粉装入球磨机中，再加入二氧化钛、氧化锶、无水乙醇，以300～500r/min球磨5～8h，得混合粉末；

（5）将混合粉末压制成片并烧结，得中温固体燃料电池电解质材料。

步骤（1）所述氧化钆、氧化钐、六水硝酸铈、柠檬酸、乙二胺四乙酸的重量份为1.8～2.7份氧化钆，1.7～2.6份氧化钐，34.7～52.1份六水硝酸铈，9.6～14.4份柠檬酸，2.9～4.4份乙二胺四乙酸。