[发明专利]一种金属掺杂钛酸锶基燃料电池电解质及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，提供一种金属掺杂钛酸锶基燃料电池电解质及制备方法，将碳酸锶、氧化钛、金属盐混合球磨后与有机载体混合，将其置入真空反应釜，加入液氨、甲脒亚磺酸，在强还原性气氛中水热合成掺杂钛酸锶，保温后经过粉碎筛分后将微米级粉体与金属氧化物混合后复合形成电解质，该电解质金属原子如镁、铝替代钛位掺杂产生大量一价/二价氧空位，使氧八面体产生畸变，增加受主杂质固熔限，有利于环境中的氧向晶体内扩散，在电池工作中促进环境氧与晶格氧的交换，产生大量空穴，提高氧离子在晶格内部的迁移率。在中低温（400‑600℃）下氧的脱附量较大，可以降低电解质膜的工作温度。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种金属掺杂钛酸锶基燃料电池电解质及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。主要由正极、负极、电解质和辅助设备组成。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。常用的燃料除氢气外还有甲醇、联氨、烃类及一氧化碳等。氧化剂一般为氧气或空气。电解质常见的有磷酸、氢氧化钾、熔融碳酸盐及离子交换膜等。将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池理论上可在接近100%的热效率下运行，具有很高的经济性。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率多在45%～60%范围内，如考虑排热利用可达80%以上。

燃料电池输出性能受堆内温度影响很大，温度可以通过影响化学反应的速率来影响质子与电子的传输速度，从而影响输出电流的大小；同时温度也影响电池的运行特性，当温度较低时电池的各种极化增强，欧姆内阻较大，会使燃料电池性能下降；而当温度升高时，会降低欧姆内阻，减少极化损失，但是过高的温度会导致电导率降，电池性能变坏甚至损坏。

近年来，为了使固体氧化物型燃料电池的工作温度降低至 大约600℃～800℃，努力研究了低温工作型固体氧化物型燃料 电池。作为低温工作型固体氧化物型燃料电池的固体电解质材料，有人提出了镓酸镧氧化物。然而，由于镓酸镧氧化物与其它材料的反应性高，因而与 空气极材料、燃料极材料反应而形成高电阻的反应生成相，发电性能降低。尤其，在以空气极或燃料极为支撑体、固体电解质层尽可能薄膜化的电极支持型的固体氧化物型燃料电池的情 况下，所存在的问题是：为了在支撑体上形成气密的固体电解质层而有必要在一定程度的高温下烧成，在支撑体与固体电解 质层的界面上形成高电阻的反应生成相；并且由于支撑体中所含有的金属成分扩散到固体电解质层中，固体电解质层的氧离子迁移率降低，燃料极与空气极的电极间发生短路，发电性能大幅降低。针对该问题，对于以燃料极为支撑体的固体氧化物型燃料电池，提出了在燃料极与由镓酸镧氧化物形成的固体电解质层之间形成作为反应抑制层的由La_0.45Ce_0.55O₂形成的层。然而，由于La_0.45Ce_0.55O₂是烧结性非常低的材料，因而很难致密地形成反应抑制层。其结果所存在的问题是：通过反应抑制层的气孔，燃料极与由镓酸镧氧化物形成的固体电解质层反应，在界面形成高电阻的反应层。另外，为了防止由于支撑体中所含有的金属成分扩散到固体电解质层中而发生的电极间的短路，由镓酸镧氧化物形成的固体电解质层需要厚膜化，其结果，具有固体电解质层的电阻损失增大、发 电性能降低的问题。