[发明专利]一种BaCeO3基电解质片及其制备方法和应用

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种BaCeO₃基电解质片及其制备方法和应用。该BaCeO₃基电解质片的分子式为Ba_0.6Sr_0.4Ce_1‑xBi_0.1Sm_xO₃，x＝0～0.2；是将钡盐和Ce(NO₃)₃·6H₂O溶解形成A溶液，将SrCO₃、Bi₂O₃和Sm₂O₃用浓硝酸溶解B溶液，将A和B混合得到混合溶液；然后将乙二胺四乙酸和一水合柠檬酸加入到混合溶液中，搅拌加入氨水调节pH值至7～8，在75～90℃加热后燃烧所得胶体，得到初级陶瓷粉末，升温至800～1000℃煅烧后将粉体压成坯体，升温至850～1350℃煅烧制得。该电解质片能有效提高材料在固体氧化物燃料电池中的化学稳定性和电导率。

技术领域

本发明属于燃料电池料技术领域，更具体地，涉及一种BaCeO₃基电解质片及其制备方法和应用。

背景技术

金属氧化物因其丰富多样的性能组成了各种材料，由于18世纪的工业革命，不同种类的化石燃料提供了可靠的能源，但是，随着环境问题以及能源资源短缺问题的出现，人们开始寻找可再生的清洁能源。通过前人的实践，发现固体氧化物燃料电池(SOFC)相比于液态电解质燃料电池(例如磷酸或碱性燃料电池)具有非常好的性能，在大多数情况下SOFC需在高温条件下运行，例如T>600℃，这不仅需要额外的能量来提供这样的温度，而且也要考虑材料本身的稳定性和可行性。聚合物电解质燃料电池(PEFC)可在低温下(T<100℃)操作，但是全氟磺酸(全氟甲基环戊烷酸性硫酸基聚合物)用作电解质材料时，需要价格昂贵的铂金作为催化剂。因此，人们开始探究在中温下(200℃-600℃)运行的燃料电池。在大多数情况下，质子型导体在中温下的导电性能会优于氧离子型，但是，根据Norby的研究数据表明，在中低温下没有材料显示出较高的质子导电性能，从技术上来看，解决这个问题具有重大意义。这些问题促使人们开始研究钙钛矿结构的氧化物作为在中温下的质子导体，因此，改善材料的性能以及预测具有高质子导电率的新材料有利于这个问题的解决。

导质子型固体氧化物燃料电池被用作固体氧化物燃料电池(IT-SOFCS)，其在碳氢燃料经济中扮演着重要的角色，这种材料通常在400～700℃的温度下工作。燃料电池的主要部分又阳极、阴极和电解质，其中最重要的就是电解质，质子导电的固体氧化物燃料电池成为质子型固体氧化物燃料电池(P-SOFCS)，电解质材料结构通常为钙钛矿型，目前，研究最广泛的两种电解质材料是由Iwahara团队发现的BaCeO₃和SrCeO₃，常用一些稀土元素替代三价为的Ce元素以提高纯铈酸盐和锆酸盐的导电率，据研究，KTaO₃型氧化物，SrCeO₃和Y₂O₃陶瓷材料在高温下能产生质子导电，但是导电率不高。后面研究发现BaCeO₃和SrCeO₃的性能与锆酸盐(如BaZrO₃，CaZrO₃)相似，在条件相当的情况下，铈酸盐的导电率高于锆酸盐。

钙钛矿结构的铈酸盐在所有陶瓷材料中显示出最好的导电性能，但就其稳定性而言，锆酸盐的化学稳定性以及机械拉伸高于铈酸盐，这是因为锆的氧化物很难和酸性气体反应，在800℃的二氧化碳气氛下能保持稳定，而铈的氧化物则相反。目前，很多科研工作者致力于掺杂BaCeO₃和BaZrO₃以寻找适合用于中温条件下的固体氧化物燃料电池的电解质，BaCeO₃和BaZrO₃在600～700℃时的离子导电率介于10^-2到10^-1S·cm^-1之间，而8％掺杂Y元素的YSZ需在800℃到1000℃的条件下才能达到。