[发明专利]中温固体氧化物燃料电池电解质材料硅酸镧系粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用作中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)电解质材料磷灰石结构硅酸镧粉体的制备方法，属于陶瓷粉体合成领域。

技术背景

目前，世界范围内一次能源消费结构中，仍然以化石类能源消费为主，但是化石类能源是不洁净能源，在满足人们绝大部分能源需求的同时，也向自然界排放了大量的废水、废气、废渣，造成了酸雨危害、温室效应、臭氧层破坏和潜在的雌性化危害以及化学定时炸弹的威胁等全球性环境问题。燃料电池是将燃料的化学能通过电化学反应直接转变成电能的高效能量转换装置，大大减少了对环境的污染。相对于碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池，IT-SOFCs具有以下优点：燃料适应性广，可以直接使用碳氢化合物作为燃料；采用全固态的电池结构，有效解决了液体电解质带来的腐蚀和电解液流失等问题；无需要使用贵金属电极，可以大大降低电池的生产成本；综合利用排放的高质量余热，大大提高了电池的电效率。

IT-SOFCs电池面临的挑战之一是开发在500～800℃温度下具有足够氧离子电导率的电解质材料，从而把电池的欧姆损失控制在最低程度。在这个温度范围内，磷灰石结构的硅酸镧(La_10-x(SiO₄)₆O_2-δ)材料具有很高的氧离子电导率[参见：Susumu Nakayama，MasatomiSakamoto，Electrical Properties of New Type High Oxide Ionic Conductor RE₁₀Si₆O₂7(RE＝La，Pr，Nd，Sm，Gd，Dy)，Journal of the European Ceramic Society，18(1998)1413-1418]，同时这类材料的热膨胀系数与传统电极材料的热膨胀系数相匹配，因此，这类材料有望成为IT-SOFCs首选电解质材料。

目前，硅酸镧La₁₀Si₆O₂₇一般采用固相反应法在高于1600℃的温度下长时间保温合成。采用固相反应法合成硅酸镧La₁₀Si₆O₂₇时，因氧化物原料很难混合均匀，容易产生杂质相La₂SiO₅或La₂Si₂O₇，通过溶胶-凝胶(sol-gel)法能够制备纯度高、颗粒均匀的磷灰石结构的La₁₀Si₆O₂₇[参见：Shanwen Tao，John T.S.Irvine，Preparation and characte rization of apatite-typelanthanum silicates by a sol-gel process，Materials Research Bulletin，36(2001)1245-1258；Stéphane Celerier，C.Laberty-Robert，F.Ansart，C.Calmet，P.Stevens，Synthesis by sol-gel routeoxyapatite powders for dense ceramics：Applications as electrolytes for solid oxide fuel cells，Journal of the European Ceramic Society.25(2005)2665-2668]，但是，采用sol-gel工艺需要使用昂贵的金属醇盐作为原料，不利于降低IT-SOFCs的制备成本。此外，S.Célérier等人的研究结果表明合成La_9 33Si₆O₂₆时需要严格控制sol-gel工艺参数，才能够得到单一磷灰石结构相的La_9.33Si₆O₂6粉体[参见：S.Célérier，C.Laberty，F.Ansart，P.Lenormand，P.Stevens，Newchemical rout based on sol-gel process for thesynthesis of oxyapatite La_9.33Si₆O₂₆，CeramicsInternational，32(2006)271-276]。