[发明专利]一种固体电解质、其制备方法及固体氧化物燃料电池

说明书

本发明提供了一种固体电解质，具有式1所示化学式：Ti_xM_yTa_1‑x‑yO_5‑δ式1；其中，M为Fe、Al、Ga、Sn、Co、W、Ce、Mo、La、Y、V或Cr，0.05≤x≤0.30，0.01≤y≤0.20，δ表示因氧空位的产生，氧原子减少的数量。本发明的固体氧化物固体电解质在600～800℃中温范围，有高的氧离子电导率和低的热膨胀系数，室温到800℃的热膨胀系数为1.06～4.48×10^‑6/K；在温度和气氛变化时保持性能稳定，内应力小，可应用于中高温条件下氧离子电导的传感器和固体氧化物燃料电池。本发明还提供了一种固体电解质的制备方法和一种固体氧化物燃料电池。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种固体电解质、其制备方法及固体氧化物燃料电池。

背景技术

固体电解质用于固体氧化物燃料电池(SOFC)、传感器、电催化、膜分离和膜反应器等，在能源、冶金、化工和环保等领域具有广阔的应用前景。其中，SOFC以其发电效率高，对燃料适应性宽，无腐蚀，全固化，极低的NO_X和SO_X、噪声和粉尘排放等，被称为21世纪的绿色能源。传统的固体氧化物燃料电池采用萤石结构的钇稳定的氧化锆(YSZ)作为固体电解质，其工作温度必须在1000℃左右才能达到足够高的离子电导率(约0.1S/cm)，如此高温下由于电解质、电极和连接材料间的热膨胀系数的差异和界面间的化学反应，将降低SOFC的冷热循环使用性能，寿命剧减。如果能把SOFC工作温度降至600～800℃，寿命可望延长三倍，增加电极、密封及连接材料的选择范围，降低原料和制作的成本，同时，增大SOFC运行的安全性。

A.S.Urusova等研究了氧缺位钙钛矿型BaFe_0.9-xY_0.1Co_xO_3-δ的制备和性能。通过溶胶-凝胶或固相法制得的x≤0.15的电解质随温度变化时钙钛矿结构能稳定存在。但是电导率相对较低，热膨胀系数较高(16～20×10^-6K^-1)的缺点限制了其在燃料电池上的应用。

SOFC是一种重要的能源转化装置，其技术的发展对于解决日益严重的能源危机现状具有重要的意义。SOFC核心部件固体电解质性能的优劣直接影响燃料电池的使用性能。目前研究较多的固体电解质材料有四种体系：ZrO₂基、CeO₂基、Bi₂O₃基和LaGaO₃基，但由于它们存在诸多缺点，如高温电导率较低、热膨胀系数较高、存在电子导电、发生高温相转变等等从而限制了它们的使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体电解质、其制备方法及固体氧化物燃料电池，本发明中的固体电解质离子电导率高、且热膨胀系数低。

本发明提供一种固体电解质，具有式1所示化学式：

Ti_xM_yTa_1-x-yO_5-δ 式1；

其中，M为Fe、Al、Ga、Sn、Co、W、Ce、Mo、La、Y、V或Cr，0.05≤x≤0.30，0.01≤y≤0.20，δ表示因氧空位的产生，氧原子减少的数量。

优选的，所述M为Fe，0.01≤y≤0.2；

所述M为Al，0.01≤y≤0.20；

所述M为Ga，0.01≤y≤0.20；

所述M为Cr，0.01≤y≤0.20。

本发明提供一种固体电解质的制备方法，包括以下步骤：