一種雙摻雜中溫固體氧化物燃料電池電解質及其製備的製作方法

2023-05-27 08:35:31

本發明屬於固體電解質的製備領域，具體涉及一種雙摻雜中溫固體氧化物燃料電池電解質及其製備方法。

背景技術：

隨著全球工業的發展及人口的迅速增長，地球上的資源將越來越短缺。美國能源信息署（eia）統計結構顯示，2010年世界能源需求量已達到106億噸油當量，據預測，2025年將達到136.5億噸油當量。而傳統的發電方式大多是由石油、天然氣等化石能源中的化學能通過燃燒轉化為熱能，再由熱能推動機械設備產生機械能，最終轉換為電能。這種能源轉換不但受到卡諾循環的限制，還會產生大量粉塵、二氧化碳、氮氧化物和硫化物等有害物質及噪音；固體氧化物燃料電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態、模塊化組裝、零汙染等優點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯供等民用領域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應用前景。

傳統sofc的工作溫度必須在800℃以上的運行溫度才有較高的輸出功率，高的運行溫度不僅對電池的連接密封具有非常高的要求，而且加速電池部件間的副反應的發生，電池性能衰減速率增大，使電池的成本居高不下，大大限制了sofc的商業化發展。因此，要使sofc商業化發展，就要降低sofc工作溫度，開發中低溫sofc已成為必然趨勢。在sofc系統中，電解質是電池的核心，電解質的性能直接決定著sofc電池的工作溫度和性能。傳統的電解質已無法適用於中低溫條件，因此就必須尋求在中低溫下具有高電導率的電解質。本發明的複合電解質具有電導率高，可滿足中低溫的使用條件。

技術實現要素：

為了提高中溫固體氧化物燃料電池電解質的性能，採用硝酸鹽凝膠燃燒法新型ce0.85la0.11cd0.04o2-α(clco)複合電解質，其相對緻密度達到98%；在空氣氣氛下700℃時電導率為1.45×10-2s/cm。

ce0.85la0.11cd0.04o2-α（0＜α≤0.095）製備方法：

1）按照化學計量比稱量原料ce(no3)3·6h2o、la(no3)3·nh2o、cd(no3)2·4h2o絡合劑檸檬酸按[n(ca):n(金屬陽離子)=1.5:1]稱取；

2）ce(no3)3·6h2o、la(no3)3·nh2o、cd(no3)2·4h2o和檸檬酸分別用去離子水溶解，混合以上溶液並攪拌均勻；

3）滴加氨水（氨水濃度為15wt%-20wt%）調節ph值為7；

4）將步驟3）得到混合溶液放入攪拌器中加熱至45℃，在45℃下連續攪拌，並在攪拌過程中通過加氨水，使溶液的ph值保持在7，直至形成凝膠；

5）將凝膠移入蒸發皿放在電爐上加熱，直至發生自蔓延燃燒形成蓬鬆的氧化物粉末；

6）在600℃煅燒30分鐘去有機物，然後在800℃±10℃煅燒3±0.1小時，形成ce0.85la0.11cd0.04o2-α（clco）粉末。

將製成的clco粉末放入模具中，在300mpa的壓力下，製成圓片，將圓片以每分鐘3℃的加熱速度加熱到1350℃±10℃保溫4±0.1小時，得到所需要的電解質圓片。

本發明的顯著優點在於：

1、優點：使用溫度在中溫（600℃-800℃）範圍內具有較高的電導率、較高的功率密度。

2、用途：作為電解質用於中溫固體氧化物燃料電池。

附圖說明

圖1電解質clco經1350℃燒結4h後的電導率與測試溫度的關係曲線。

具體實施方式

為了使本發明所述的內容更加便於理解，下面結合具體實施方式對本發明所述的技術方案做進一步的說明，但是本發明不僅限於此。

實施例1

ce0.85la0.11cd0.04o2-α（0<α≦0.095）(clco)的製備方法

1）按照化學計量比稱量原料：e(no3)3·6h2o,la(no3)3·nh2o,cd(no3)2·4h2o，

絡合劑檸檬酸按[n(ca):n(金屬陽離子)=1.5:1]稱取。

2）ce(no3)3·6h2o,la(no3)3·nh2o，cd(no3)2·4h2o和檸檬酸分別用去離子水溶解；

3）混合以上溶液並攪拌均勻

4）將步驟3）得到混合溶液放入攪拌器中加熱至45℃，在45℃下連續攪拌，並在攪拌過程中通過加氨水，使溶液的ph值保持在7，直至形成凝膠；

5）將凝膠移入蒸發皿放在電爐上加熱，直至發生自蔓延燃燒形成蓬鬆的氧化物粉末；

6）在600℃煅燒30分鐘去有機物，然後在800℃±10℃煅燒3±0.1小時，形成clco粉末。

具體的：

1摩爾ce0.85la0.11cd0.04o2-α(clco)的製備：

稱取0.85摩爾的ce(no3)3·6h2o：0.85*434.22=369.08克

稱取0.11摩爾的la(no3)3·nh2o：0.11*324.92=35.74克

稱取0.04摩爾的cd(no3)2·4h2o：0.04*308.48=12.34克

稱取1.5摩爾的檸檬酸：1.5*210.14=315.21克

ce(no3)3·6h2o,la(no3)3·nh2o,cd(no3)2·4h2o和檸檬酸分別用去離子水溶解；混合以上溶液並攪拌均勻；放入水浴鍋中加熱至45℃，在45℃下連續攪拌，並在攪拌過程中通過加氨水，使溶液的ph值保持在7，直至形成凝膠；將凝膠移入蒸發皿放在電爐上加熱，直至發生自蔓延燃燒形成蓬鬆的氧化物粉末；

將粉末在600℃煅燒30min去除有機物，然後在800℃±10℃煅燒3±0.1小時，形成clco粉末。

實施例2

圓片的製備：將實施例1製備成的clco粉末放入模具中，在300mpa的壓力下，製成直徑為13mm±0.1mm、厚度0.5mm±0.1mm的圓片，將圓片以每分鐘3℃的加熱速度加熱到1350℃保溫4小時，得到所需要的電解質圓片。

電導率的測試方法：

電解質的交流電導採用兩端子法測定。將1350℃±10℃下燒結4±0.1小時後的所得的ce0.85la0.11cd0.04o2-α電解質圓片兩面塗上銀漿，然後於450℃焙燒2h後製得銀電極。用銀絲將兩端的銀電極與交流阻抗儀連接。採用的交流阻抗儀為上海辰華儀器有限公司型號為chi660e電化學工作站，應用電位10mv，測定頻率範圍1khz-20mhz，測定交流電導的溫度為700℃，在空氣氣氛中測定，在空氣氣氛中測定。電導率採用如下公式計算：

式中，σ為電解質電導率，s/cm；

h為電解質片厚度，單位cm；

r為電解質電阻，單位ω；

s為電解質片橫截面積，單位cm2。