[发明专利]基于稀土氧化物掺杂铈酸钡的复合质子导体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合质子导体材料及其制备方法的领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells，简称SOFCs)是燃料电池的一个重要分支，是一种能量转化效率高，环境友好的新型能源装置。其中，固体电解质是单室固体氧化物燃料电池的最关键部分，它决定着整体电池系统的工作温度和工作环境。传统的固体氧化物燃料电池电解质为8mol.%Y₂O₃–ZrO₂(8YSZ)，但它必须在不低于1273K的温度下运行，因此有诸多难以解决的问题，如：电解质容易老化、电解质与电极之间的界面容易发生反应、电极难烧结等问题，并且生产、运行和维护成本均偏高。理论上，如果电解质的工作温度可以降低到中温范围(773~1073K)，则对SOFCs的组成材料没有十分苛刻的要求，有利于降低运行成本；可以增加电池使用寿命；拓宽材料的选择；推动其产业化进程。

发明内容

本发明是要解决现有的固体氧化物燃料电池由于运行温度高于1273K，导致电解质易老化、电解质与电极之间的界面易发生反应和电极难烧结的问题和制备方法复杂、成本偏高的问题，而提出了基于稀土氧化物掺杂铈酸钡的复合质子导体材料及其制备方法。

基于稀土氧化物掺杂铈酸钡的复合质子导体材料，它的化学组成为BaCe_1-xM_xO_3-δ–x/2M₂O₃，是按化学计量比由CeO₂粉体、M₂O₃粉体和BaCO₃粉体制备而成的，其中0<x<0.25，所述的M为Gd或Y。

基于稀土氧化物掺杂铈酸钡的复合质子导体材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、按化学组成为BaCe_1-xM_xO_3-δ-x/2M₂O₃中的化学计量比称量CeO₂粉体、M₂O₃粉体和BaCO₃粉体，并对CeO₂粉体、M₂O₃粉体和BaCO₃粉体分别进行除杂处理；其中0<x<0.25；

二、将经步骤一处理的CeO₂粉体、M₂O₃粉体和BaCO₃粉体湿磨混合均匀，干燥后得混合物粉体；

三、将步骤二得到的混合物粉体，在1373K～1623K的温度下煅烧5h～10h，然后，用研钵研磨，过120~200目筛，得煅烧粉体；

四、将步骤三得到的煅烧粉体放入模具中，在20MPa~50MPa的机械压力下进行压片，恒压0.5min~3min后，卸去压力，然后冷等静压，在1773K~1973K的温度下烧结，恒温2h~10h后，自然冷却，即得到基于稀土氧化物掺杂铈酸钡的复合质子导体材料，其中，所述的冷等静压的压力为200MPa~400MPa；

所述的M为Gd或Y。

本发明的优点：

一、本发明提供的基于稀土氧化物掺杂铈酸钡的复合质子导体材料，可以在773K的中温条件下，仍然具有高电导率，化学组成为BaCe_0.85Gd_0.15O_3-δ–0.075Gd₂O₃和BaCe_0.85Y_0.15O_3-δ–0.075Y₂O₃复合质子导体材料在773K时在4%H₂O/H₂中的电导率分别为1.12×10^-2S·cm^-1和1.32×10^-2S·cm^-1，在773K时在空气中的电导率分别为1.11×10^-2S·cm^-1和1.29×10^-2S·cm^-1，均达到了10^-2S·cm^-1以上，完全具备了燃料电池电解质的性能标准；