[发明专利]稀土氧化物（M2

说明书

本发明属于陶瓷燃料电池（ceramic fuel cell，CFC）领域，具体提供了稀土氧化物（M₂O₃）作为一种新型质子导体电解质材料在低温质子陶瓷燃料电池的制备方面的应用。利用NCAL对称电极通过干压法制备NCAL/M₂O₃/NCAL电池，在520^oC获得了超过0.1S/cm的离子电导率和超过500mW/cm²的最高功率，同时电池在该温度下可持续工作超过100h，满足实现商业化的要求。

技术领域

本发明属于质子陶瓷燃料电池领域，具体为稀土氧化物作为新型质子导体电解质材料用于制备获得质子陶瓷燃料电池方面的应用。

背景技术

陶瓷燃料电池（ceramic fuel cell，简称为CFC），是一种能将燃料中的化学能直接转化为电能的能源转化装置。由于其是通过电化学反应实现能源转化，不受卡诺循环效应的限制，因此具有高效的特点。同时，其全固态发电单元结构决定了其安静、无污染等特点。电解质是该装置的核心部件，按照传导离子种类的不同，可分为氧离子陶瓷燃料电池和质子陶瓷燃料电池。氧离子陶瓷燃料电池电解质代表材料主要为钇稳定氧化锆（YSZ）和钐掺杂氧化铈（SDC）。然而，他们作为电解质材料都存在一些问题。使用YSZ作为电解质，在1000^oC才能获得0.1S/cm的离子电导和优异的性能输出。高温的操作条件加速材料衰减过程，同时增加了材料之间匹配的难度，降低了电池的寿命。基于SDC的电解质可在中低温下比较好的工作，但由于Ce⁴⁺在还原气氛氛围中容易被还原为Ce³⁺产生电子电导，从而影响电池长期稳定性。

降低电池操作温度的关键是研发新型电解质材料。质子导体由于其更低的活化能，作为电解质材料可以在更低温度下工作。Iawaha等人于1981年发明了第一代质子导体SrCeO₃[H. Iawaha, T. Esaka, H. Uchida, N. Maeda. Solid State Ionics,1981,359]。经过40多年的发展，当下，质子陶瓷燃料电池中代表电解质材料为BaZrYO₃和BaCeYO₃[C. Duan, J. Huang, N. Sullivan, R. O’Hayre,2020,011314]。BCY在600^oC具有0.01S/cm的质子电导和电池性能，但其在燃料电池工作氛围中不稳定，容易分解产生碳酸钡和铈酸钡,无法满足长期稳定性操作要求，实现商业化。同时，BZY具有优异的稳定性，但其在低温下离子电导不高，且可烧结性较差，需高温烧结才能获得致密电解质，增加了制备成本，不适合低温烧结制备大面积电池实现商业化运行。因此，为了获得低温下（T600^oC）具有质子电导0.1S/cm、优异性能和稳定性的电解质材料，推进质子陶瓷燃料电池迈向商业化，当下迫切需研发新型质子导体电解质材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，根据现有技术中的不足，：提供一种低温（T600^oC）下具有优异性能和稳定性的新型稀土氧化物（M₂O₃，M=Sm，La，Gd）质子导体电解质材料，该材料离子电导率在低温下达到0.1S/cm；采用该材料构建陶瓷燃料电池，使得电池在低温下实现稳定功率输出。

技术方案：本发明的稀土氧化物（M₂O₃，M=Sm，La，Gd）低温质子导体电解质材料制备步骤如下：

稀土氧化物（M₂O₃，M=Sm，La，Gd）低温质子陶瓷燃料电池的制备方法，包括以下步骤：

1）合成质子导体电解质材料M₂O₃，包括以下步骤；

a）称取一定量的六水合稀土硝酸盐，并将其溶解于200ml的去离子水中，充分均匀搅拌制成0.5mol/L的稀土硝酸盐水溶液；