一種中溫固體氧化物燃料電池電解質及其製備方法與流程
2023-11-01 01:34:37
本發明屬於固體氧化物燃料電池技術領域，具體涉及一種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領域都有廣闊的應用前景。
傳統sofc的工作溫度必須在800℃以上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，而且加速了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：
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種中溫固體氧化物燃料電池電解質及其製備方法。該電解質製備方法簡便，在600℃-800℃範圍內具有較高的電導率、較高的功率密度，相對緻密度達到97%以上，在空氣氣氛下750℃時離子電導率達到1.39×10-2s/cm，
為實現本發明的目的，採用如下技術方案：
一種中溫固體氧化物燃料電池電解質，由la2ce2o7和ce0.8gd0.2o1.9按質量比8:2複合而成。
該電解質的製備方法為硝酸鹽凝膠燃燒法，主要分為la2ce2o7粉末的製備和ce0.8gd0.2o1.9粉末的製備。
1、la2ce2o7的製備：
1）按照化學計量比稱量ce(no3)3·6h2o和la(no3)3·nh2o，分別加入去離子水溶解得到ce(no3)3溶液、la(no3)3溶液，將ce(no3)3溶液、la(no3)3溶液以及檸檬酸水溶液混合併攪拌均勻；其中檸檬酸與溶液中金屬陽離子的摩爾質量比為：1.5:1；
2）滴加氨水將步驟1）所得的混合溶液ph值調節為7；
3）將步驟2）得到的混合溶液加熱至70℃，在70℃下連續攪拌，並在攪拌過程中加入氨水使溶液的ph值保持在7，直至形成凝膠；
4）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；
5）將所得的氧化物粉末在590℃~610℃煅燒25-35分鐘以去除有機物，然後加熱至790-810℃，保溫2.9-3.1小時，然後自然冷卻，形成la2ce2o7粉末；
2、ce0.8gd0.2o1.9的製備：
1）按照化學計量比稱量原料ce(no3)3·6h2o、gd2o3，用稀硝酸將gd2o3溶解為溶液1，ce(no3)3·6h2o用去離子水溶解為ce(no3)3溶液；將溶液1和ce(no3)3溶液以及檸檬酸水溶液混合攪拌均勻；其中檸檬酸與溶液中金屬陽離子的摩爾質量比為：1.5:1；
2）滴加氨水將步驟1）所得的混合溶液ph值調節為7；
3）將步驟2）得到的混合溶液加熱至45℃，在45℃下連續攪拌，並在攪拌過程中通過加氨水控制溶液的ph值保持在7，直至形成凝膠；
4）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；
5）將所得的氧化物粉末在590℃~610℃煅燒25-35分鐘去除有機物，然後在790-810℃煅燒2.9-3.1小時，形成ce0.8gd0.2o1.9粉末；
3、將la2ce2o7粉末和ce0.8gd0.2o1.9粉末按質量比8:2混合，球磨23.9~24.1h，製得複合電解質粉末。
進一步的，將上述製得的複合電解質粉末在300mpa的壓力下，製成圓片，將圓片以3℃/min的加熱速率加熱到1490℃~1510℃保溫4.9~5.1小時，得到電解質圓片。
本發明與現有技術比較具有以下優點：
本發明的製備方法簡便，所製得的複合電解質使用溫度為600℃-800℃，具有較高的電導率、較高的功率密度；相對緻密度達到97%以上，在空氣氣氛下750℃時離子電導率達到1.39×10-2s/cm。
附圖說明
圖1為80%lco-20%gdc複合電解質的xrd圖譜；
圖2為lco-gdc複合電解質的電導率與測試溫度的關係曲線。
具體實施方式
為進一步公開而不是限制本發明，以下結合實例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明電導率的測試方法為：
電解質的交流電導採用兩端子法測定。將1500℃±10℃下燒結5±0.1小時後的所得的80%lco-20%gdc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750℃，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。
實施例1
複合電解質粉末的製備方法：
1）1molla2ce2o7（lco）的製備
稱取2mol的ce(no3)3·6h2o：2*434.22=868.44克
稱取2mol的la(no3)3·nh2o：2*324.92=649.84克
稱取6mol的檸檬酸：6*210.14=1260.84克
ce(no3)3·6h2o，la(no3)3·nh2o和檸檬酸分別用去離子水溶解，混合以上溶液並攪拌均勻，使用氨水調節溶液ph值為7；放入水浴鍋中加熱至70℃，在70℃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℃煅燒3小時，形成lco粉末。
2）1molce0.8gd0.2o1.9（gdc）的製備
稱取0.8molce(no3)3·6h2o：0.8*434.22=347.376克
稱取0.1mol的gd2o3：0.1*362.5=36.25克
稱取1.5mol的檸檬酸：1.5*210.14=315.21克
用稀硝酸將gd2o3溶解為硝酸鹽；將ce(no3)3·6h2o和檸檬酸加入去離子水溶解；將上述溶液分別倒入硝酸釓溶液中混合均勻，使用氨水調節溶液ph值為7；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℃煅燒3小時，形成lco粉末。
3）100克80%lco-20%gdc製備
稱取80克lco，稱取20克gdc，將上述後兩種粉末混合球磨24h，使其研磨充分且均勻，獲得80%lco-20%gdc粉末。
實施例2
圓片的製備：將實施例1製備成的lco-gdc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3℃/min的加熱速度加熱到1500℃保溫5小時，得到所需要的電解質圓片。
經測試，複合電解質相對緻密度達到97%以上，在空氣氣氛下750℃時離子電導率達到1.39×10-2s/cm。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。