[发明专利]用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池用的纳米电解质材料及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种在高温条件下工作的能源装置，能量利用效率高达80％左右，是热电站、气体涡轮机与汽车的首选替代能源。传统的固体氧化物燃料电池使用温度通常达到1000℃，这会给燃料电池技术带来一系列问题：例如材料的老化，组元之间的相互扩散等。开发中温固体氧化物燃料电池已成为其研究的热点方向之一。传统的固体氧化物燃料电池电解质材料(ZrO₂)_1-x(Y₂O₃)_x在1000℃以下较低的氧离子电导率而不再适用于中温固体氧化物燃料电池。开发中温区具有高性能的电解质材料成为发展燃料电池技术的重要任务。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的中温区离子电导率较低，不适合在中温条件下工作，及现有氧离子导体电解质材料制备温度高的问题，本发明提供了一种用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料及其制备方法。

本发明的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料为稀土元素离子与钴离子共掺杂的氧化铈基氧离子导电电解质纳米粉末，化学式为Ce_(1-x-y)Re_xCo_yO_2-δ，其中x∶y＝4～20∶1，x+y＝0.21～0.25，δ＝0.10～0.12，Re为稀土元素。

所述稀土元素离子为Nd³⁺、Sm³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺或者Pr³⁺。

本发明的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按摩尔百分比称取75％～79％的CeO₂及21％～25％的稀土元素硝酸盐和硝酸钴混合物，其中控制硝酸钕和硝酸钴混合物中硝酸钕和硝酸钴的摩尔比为4～20∶1，然后将CeO₂、稀土元素硝酸盐和硝酸钴研磨混合得混合原料；二、向步骤一得到的混合原料中加入碱金属无机碱混合物，搅拌均匀得混合物料，然后将混合物料在200～280℃条件下保温48～96h，再自然冷却至室温，得白色粉末，其中加入的碱金属无机碱混合物与混合原料的质量比为3.7～4∶1；三、将步骤二得到的白色粉末洗涤并过滤得湿粉末，然后将湿粉末在50～80℃条件下保温8～15h，得用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料Ce_(1-x-y)Nd_xCo_yO_2-δ，其中x∶y＝4～20∶1，x+y＝0.21～0.25，δ＝0.10～0.12，完成用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的制备方法。

本发明步骤二中所述碱金属无机碱的混合物为LiOH、NaOH、KOH、RbOH和CsOH中两种的混合物，两种碱金属无机碱间的混合比例以共熔点较低为准进行混合。

本发明的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的制备方法中使用了碱金属无机碱(具有强碱性，如强碱NaOH和KOH)，会与玻璃中的SiO₂反应，生成硅酸钠，给产物引入杂质，因此，本发明制备方法中不宜采用玻璃容器，而应当采用能耐强碱的容器，如聚四氟乙烯容器(其耐强酸强碱，且最高可以加热到280℃左右)。

本发明为用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料，为Ce_(1-x-y)Nd_xCo_yO_2-δ体系，其中Ce离子为+4价，稀土离子为+3价，稀土离子取代Ce离子，由于为了维持体系电中性，会产生一定数量的氧空位，提高材料的氧离子电导率。Co离子通常条件下为+3价，它的引入除了可以引入氧空位外，与氧离子的结合能较低，引起氧离子的传导能力增加，进而提高氧离子传导率。

本发明的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料为单一的萤石结构化合物，具有较高的结晶度。本发明的纳米电解质材料是由麦穗状纳米粒子聚集组装成珊瑚状粒子。

本发明的纳米电解质材料在500～700℃的温度范围内，离子电导率较高，最高可达到0.047S·cm^-1，从而得到一种通用的高活性和高长期稳定性的用于固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料。