[发明专利]一种低温氧化物燃料电池的电解质材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及低温(300-600℃)陶瓷燃料电池的电解质材料，特别涉及氧化铈与碳酸盐、或掺杂氧化铈与碳酸盐的纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

目前燃料电池的研发主流是中温(600-800℃)、低温(300-600℃)固体氧化物燃料电池(SOFC)。由于受电解质材料的限制，大多数研发活动仅限于用传统高温(1000.℃)钇稳定的二氧化锆(YSZ)材料制备微米级的薄膜来减少电解质材料的电阻，以达到降低燃料电池操作温度的目的。但是微米级薄膜电解质无法保证燃料电池的性能和重复性，而且由于YSZ电导率的限制，仍然需要700℃以上温度的操作。因此，研发新的氧化物电解质材料是实现低温(300-600℃)SOFC的根本保障。

中国专利号00112228.2提出的一种低温型固体氧化物燃料电池的材料，其电解质由掺杂氧化铈，例如SDC(钐掺杂铈Ce_0.9Sm_0.1O_2-x)+LN(Li-Na)CO₃构成，经过两步制备：第一步采用湿化学法制备掺杂氧化铈，第二步将掺杂氧化铈和碳酸盐固态混合和烧结，生成SDC+LN(Li-Na)CO₃的两相复合材料，由该两步法制备得到的材料颗粒通常具备不规则形貌，尺寸在微米级别；且由于是固态混合，不能保证两相的完全均匀。虽然由于混合Li-Na碳酸盐有较低的软化或溶解温度，使得固体氧化物燃料电池的工作温度有效地降低到500℃左右，在这个温度范围内有较高性能，为固体氧化物燃料电池向低温化商业化发展探索了新的材料。但这种加盐材料在500℃以下时功率衰减较快，并且由于盐的腐蚀性造成材料和燃料电池的稳定性欠佳。

发明内容

本发明的目的是提出一种低温氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法，该电解质材料化学稳定并在低温(300-600℃)下具备高性能，以克服现有技术的上述缺陷。

本发明的低温氧化物燃料电池的电解质材料，特征在于其为具有均匀的颗粒和形貌的氧化铈与碳酸盐、或掺杂氧化铈与碳酸盐的纳米复合材料，包括碳酸盐对氧化铈或掺杂氧化铈包裹的纳米复合材料；所述掺杂氧化铈中的掺杂元素为Y、La、Pr、Sm、Gd或Ca，掺杂元素与Ce的摩尔比为1∶1％-50％。

本发明的低温固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于操作步骤如下：按照铈和碳酸根离子(CO₃^＝)摩尔比为1∶1.5-4.0取含碳酸根离子浓度为0.01-2M的碳酸盐溶液，加入浓度为0.01-2M的硝酸铈溶液或硝酸铈与掺杂元素硝酸盐的的混合溶液；搅拌并伴随80-150℃加热或不加热，至获得白色的沉淀物；然后，或将沉淀物连同水分在搅拌下直接加热、煮至将近干；或将沉淀物连同水分去除浮液后，用水洗涤沉淀物，抽滤至将近干；将所得物在80-200℃干燥；最后将得到的干燥母体在500-850℃烧结1-10小时，即获得氧化铈与碳酸盐、或掺杂氧化铈与碳酸盐的纳米复合材料。

所述碳酸盐包括碳酸钠或/和碳酸钾。

所述掺杂元素为Y、La、Pr、Sm、Gd或Ca，掺杂元素与Ce的摩尔比为1∶1％-50％。

本发明是基于中国专利号为00112228.2的早期氧化铈基复合电解质的成功和后继的专利号为200410065680.1的“中、低温陶瓷氧化物燃料电池及制备工艺方法”，进一步改进了氧化铈-碳酸盐的制备方法，并获得完全均匀尺寸和形貌的氧化铈和碳酸盐的两相复合材料，有效地克服了现有两步制备材料的缺点。本发明制备方法成功地使盐复合在氧化铈纳米颗粒表面，可以牢牢束缚在氧化铈基体上，并在相对少量盐的使用条件下，保证具有期望功能的复合材料的生成，从而解决盐的腐蚀性和长期稳定性方面的问题；另外，本发明和专利号00112228.2中的两步制备不同的地方还在于本发明不使用碳酸锂，因为它在水中的溶解度太小，不适用于本发明的湿化学法；本发明方法使用廉价的碳酸钾与碳酸钠代替了现有技术中较贵的碳酸锂，降低了材料成本。将本发明制备的氧化铈或掺杂氧化铈-碳酸盐的纳米复合材料用作低温固体氧化物燃料电池的电解质材料，经测试证明获得了优异的燃料电池性能，特别是大幅度改进了燃料电池材料的稳定性。

与现有氧化物燃料电池材料相比，本发明低温氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法具有如下突出优点：

1.比较早期中国专利00112228.2的制备方法，本发明有效地降低生产成本，并能够大幅度提高产品生产效率。具有更大的商业化前景；