[发明专利]经掺杂氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物

说明书

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池SOFC电解质组合物，其包含利用氧化钪以及利用氧化镁、氧化锌、氧化铟及氧化镓中的至少一者且任选地除上述氧化物以外还利用氧化铈来稳定的氧化锆。

相关申请案交叉参考

本申请案主张2012年11月20日提出申请的序列号为61/728,270及2013年3月15日提出申请的序列号为61/792,699的美国临时申请案的权益，所述临时申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明一般来说针对于燃料电池组件，且特定来说针对于固体氧化物燃料电池电解质材料。

背景技术

燃料电池是可以高效率将燃料中所存储的化学能量转化成电能的电化学装置。其在电极之间包括电解质。固体氧化物燃料电池(SOFC)的特征在于使用固体氧化物作为电解质。

在固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中，氧化流通过燃料电池的阴极侧，而燃料流通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常为空气，而燃料流可为烃燃料，例如甲烷、天然气、戊烷、乙醇或甲醇。在介于650℃与950℃之间的典型温度下操作的燃料电池使得带负电荷的氧离子能够从阴极流动流(flow stream)传输到阳极流动流，其中所述离子与游离氢或烃分子中的氢组合以形成水蒸气及/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。来自带负电荷的离子的过剩电子穿过在阳极与阴极之间完成的电路路由回到燃料电池的阴极侧，从而使得电流穿过所述电路。

近年来，已展示人们对研发高离子导电率的SOFC电解质组合物相当感兴趣。经掺杂氧化铈、镓酸镧及氧化锆为最适合候选物。然而，为了实现充足离子导电率，经常需要高操作温度，从而使燃料电池组件的寿命退化且在燃料电池堆叠中需要使用昂贵材料，例如铬合金互连件。因此，降低SOFC的操作温度是高度合意的，且实现此目的的一个重要步骤是研发离子导电率高于经氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)(目前最先进SOFC电解质材料)的电解质组合物。

用异价掺杂剂掺杂氧化锆在室温下使高温立方萤石相稳定，从而导致氧空位浓度、氧迁移率及离子导电率增加。复杂研究已证明掺杂剂与主体离子半径之间的相关性及存在可确保最大导电率的临界掺杂剂阳离子半径。已表明，掺杂剂与主体之间的相对离子不匹配的良好评估将为将主体氧化物的立方晶格参数与掺杂剂氧化物的伪立方晶格参数进行比较，较小的大小不匹配对于获得高离子导电率为优选的。

已进行众多尝试来寻找用于稳定立方相的适当掺杂剂(Y、Yb、Ce、Bi等)。在这些掺杂剂当中，经氧化钪稳定的氧化锆由于活化能低于YSZ而在11摩尔％的Sc³⁺浓度(在800℃下比YSZ高2到3)下展示最高离子导电率。由于在低温下出现单斜、正方及菱形中间相，因此Sc₂O₃-ZrO₂系统中的复杂相图仍有争议，其中在相图的富含掺杂剂区段中识别出若干相。一个实例为扭曲菱形β相(Sc₂Zr₇O₁₇)，其在600℃到700℃左右经历菱形相-立方相转变且在此温度区中诱导导电率的急剧减小。此转变从热膨胀不匹配的观点来说为不利的且可能与氧空位的有序-无序转变有关。

在氧化锆系统中进行共掺杂可产生具有经增强离子导电率的更便宜的稳定组合物。氧化钪氧化锆系统中的共掺杂剂包含Ce、Y、Yb及Ti，前者(1摩尔％CeO₂)在于室温下稳定立方相方面为迄今为止最成功的且极高导电率值已由李(Lee)等人测得，在空气中于800℃下为135mS/cm(SSI 176(1-2)33-3(2005))。然而，已报导由于存在Ce³⁺而对于尤其与燃料电极的界面处的长期稳定性的担忧。

一般来说，使用CaO或MgO通过在室温下稳定正方相来改进氧化锆陶瓷的韧性。