[发明专利]一种铈酸钡基电解质材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种铈酸钡基电解质材料，属于固体氧化物燃料电池技术领域。该电解质材料是用铟，钽，钇元素对现有的BaCeO₃材料中的铈元素进行部分取代，形成一种新型电解质材料。该材料与原有的BaCeO₃材料相比除了具有较高电导率，还具备良好的抵抗CO₂，H₂O气氛侵蚀的能力、烧结活性及稳定性。使用该电解质材料与阳极材料、阴极材料制备的单电池与同类材料制备的单电池相比，具备更高的功率输出和长期稳定性。可用于在线高温氢传感器等技术领域。

技术领域

固体氧化物燃料电池领域，涉及一种铈酸钡基电解质材料及其制备方法和应用，特别涉及一种铟，钽，钇掺杂的铈酸钡质子导体电解质材料及其制备方法和应用。

背景技术

近几年，环境污染和能源短缺是人们普遍关注的话题。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种将化学能直接转换成电能的装置，其不受卡诺循环的限制，燃料实用性强，低污染，高效率受到人们的广泛关注。传统的固体氧化物燃料电池由于需要较高的工作温度，会带来一系列的问题，如电极的烧结、界面的扩散以及难以封接等。因此降低操作温度已成为固体氧化物燃料电池的主要研究方向。以质子导体为电解质的质子导体固体氧化物燃料电池是实现固体氧化物燃料电池低温化的一个重要途径。

掺杂的SrCeO₃和掺杂的BaCeO₃在湿润的气氛中均具有可观的质子电导率。其中掺杂的BaCeO₃具有最高的质子电导率，据报道BaCe_0.9Y_0.1O_3-δ在600℃时质子电导率可达到1.8×10^-2 S/cm，已经达到燃料电池对于电解质材料离子电导率的要求。但该材料也存在一些问题，其在CO₂和H₂O存在的气氛下稳定性极差，发生如下反应：BaCeO₃+CO₂→BaCO₃+CeO₂，BaCeO₃+H₂O→Ba(OH)₂+CeO₂，当使用碳氢化合物作为燃料气体时，该材料会迅速与CO₂和H₂O发生反应从而造成材料的损坏。即使使用纯氢作为燃料，空气中的CO₂也是不容忽视的，上述反应对于以其作为电解质的燃料电池的使用也是致命的。BaCe_0.9Y_0.1O_3-δ材料的长期稳定性差也是不能忽视的，该材料在测试环境下仅运行短短几小时即造成电池性能的明显衰减，这对于该材料体系在固体氧化物燃料电池的实际应用是远远不够的。

BaZrO₃材料体系在CO₂和H₂O中显示出极好的化学稳定性，但其电导率过低，比掺杂的BaCeO₃体系低一个数量级。电导率过低不满足燃料电池对于电解质材料离子电导率的要求，使得该材料的应用面临诸多困难。此外，BaZrO₃材料体系还存在烧结活性差、机械强度低等缺点。较差的烧结活性使得BaZrO₃需要在很高的温度才能烧结致密（约1700℃），如此高的烧结温度不仅对设备要求较高，也会造成金属的挥发以及电解质薄膜支撑体的烧死，失去活性。因此BaZrO3材料体系相对于掺杂的BaCeO₃材料体系来说面临更多的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型铈酸钡基电解质材料及其制备和应用，解决BaCeO₃材料抵抗CO₂和H₂O能力较弱，工作环境下长期稳定性较差和稳定性提高后电导率较低的问题，亦解决单电池长期稳定性差，输出功率低等问题。

本发明的技术方案是这样实现的：