[发明专利]一种双掺杂的BaCeO

说明书

本发明涉及燃料电池电解质技术领域，具体涉及一种双掺杂的BaCeO₃基质子传导电解质材料及制备与应用。本发明通过对BaCeO₃材料中的Ba、Ce位掺杂不同元素以及以纳米氧化锡锑粉体为添加剂制备得到双掺杂的BaCeO₃基质子传导电解质材料。其中，BaCeO₃材料中的Ba位掺杂K、Ce位同时掺杂Zr、Sm可解决BaCeO₃电解质材料在酸性气体及H₂O环境中的化学稳定性问题，并显著提高其烧结性能；另以ATO为添加剂，可进一步提高其烧结性能和导质子性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池电解质技术领域，具体涉及一种双掺杂的BaCeO₃基质子传导电解质材料及制备与应用。

背景技术

随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求量不断增加。自18世纪工业革命之后，化石燃料为人类社会提供了可靠的能源来源，如煤、石油、天然气等。但这种传统能源利用方式，即通过燃烧化石燃料获得热能后再转化为机械能或电能的方式，转化效率最高只能达到35％，使能源造成极大的浪费。随着环境问题及能源短缺的出现，人类开始寻找并大力开发可再生能源，如太阳能、核能、风能、地热能等。通过前人的探索发现燃料电池是继水电、火电及核电之后的新一代发电技术。燃料电池可将化学能不经过燃烧直接转化成电能，活性物质由电池外部供给，不存储于内部，只要有源源不断的活性物质，燃料电池就可持续发电。经过近两个世纪的发展，燃料电池出现了以下不同种类，按电介质的不同分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)等。其中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)性能较好，是继磷酸燃料电池(PAFC)和熔融碳酸燃料电池(MCFC)之后能量转化效率最高的燃料电池。而固体氧化物燃料电池(SOFC)需在高温(800℃左右)条件下运行，才能减小离子在传输过程中的阻力。但是，电池在高温条件下会引起各组分间发生化学反应(T>600℃)，导致材料的热膨胀系数不匹配、电池老化以及材料层之间的扩散等问题的出现，从而使得电池总体性能降低。经研究表明，低温下运行的质子传导型电解质的导电率优于氧离子型SOFC，是SOFC商业化发展的方向。但是根据目前各学者在燃料电池低温化方面的探索研究，还未发现在中低温条件下显示出较高的质子导电性能的材料，所以从技术上来看，解决这个问题具有重大意义。因此，研究探索钙钛矿结构的氧化物作为在中低温下的质子导体，这有助于显著改善材料的综合性能。

中低温导质子型固体氧化物燃料电池(IT-SOFCS)是一种全固态电池，它是由阴极、阳极和一层致密的电解质组成的一种三明治结构，其中最重要的就是电解质，而质子传导型固体氧化物燃料电池(P-SOFC)较氧离子传导型固体氧化物燃料电池(O-SOFC)具有更高的电导率。目前在P-SOFC电解质的电导率方面表现最好的为钙钛矿型(ABO3)结构的材料，如BaCeO₃基和BaZrO₃基结构的电解质材料。BaCeO₃基电解质的导质子性能优于BaZrO₃基电解质，但是，BaCeO₃基材料本身具有较高的碱性，在酸性气体及水气氛中易发生反应分解产生第二相，例如CO₂、SO₂、H₂O等，使得电解质材料无法获得较高的质子电导率的同时保持电解质的化学稳定性。此外，BaCeO₃基材料烧结性能较差，需要在高温下才能烧结出结构致密的电解质材料。

发明内容

为了克服现有技术中BaCeO₃基电解质材料存在化学稳定性差和烧结性能差等缺点与不足，本发明的首要目的在于一种双掺杂的BaCeO₃基质子传导电解质材料。