[发明专利]一种双掺杂中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法

说明书

本发明采用碳酸盐共沉淀法制备一种具备高电导率质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质，其化学式为La_1.9Pr_0.05Nd_0.05Ce₂O_7‑δ，0.1δ0，采用碳酸盐共沉淀法制备，相对致密度达到99.9%；该电解质在干燥空气气氛下700℃时电导率达到0.0081S/cm，在湿润的5%H₂‑95%Ar混合气氛下700℃时电导率达到0.0136S/cm。

技术领域

本发明属于于燃料电池材料技术领域，具体涉及一种具备高电导率质子传导中温固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法。

背景技术

能源和环境问题，是当今社会面临的主要问题。目前，在世界范围内主要的

发电方式仍以燃烧煤、石油、天然气为主。然而，这些资源自身储量有限，并且

其燃烧过程会带来的严重环境问题。因此，当代能源科技的主题是开发新型的经

济、洁净能源。

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)是缓解能源问题及其带来的环境问题的有效方案之一。化石燃料的燃烧的过程是一个不可逆过程，其在提

供动力的同时也伴随着效能的极大浪费。而固体氧化物燃料电池可以绕过燃烧这

一过程而直接将化学能高效的转化为电能，效率的提高也等同于能量的节约与污

染物的减排，与此同时SOFC的逆过程又可以将多余的电能转化为化学能，因而

更易于储存与运输。固体氧化物燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置愈发

受到人们的重视。

传统的SOFCs常以Y₂O₃稳定ZrO₂(YSZ)作为电解质。不过YSZ在中低温(800℃)下的离子电导率很低，需在1000℃高温以上工作才能具有满足SOFCs使用要求的离子电导率。在高温工作环境下，SOFCs具有较小的极化损耗，并且无需使用贵金属作为电极催化剂，但同时也存在一些问题：电极的晶粒粗化、孔隙率减小，导致电极活性下降；电解质与电极发生互扩散或反应生成高电阻相，导致电解质的离子电导率降低；难以选择合适的高温密封材料。不仅导致电池性能衰减严重，还使电池的生产成本居高不下。因此，降低操作温度是降低生产成本和推动SOFCs商业化进程的关键问题之一。不过随着SOFCs操作温度的降低，电解质的欧姆阻抗和电极的极化阻抗迅速增大，导致电池性能降低。目前，降低SOFCs欧姆阻抗有两种途径：降低电解质的薄膜厚度，使之达到微米量级；提高现有电解质在中温下的电导率或者开发新型的中低温电解质。质子导体相比氧离子导体具有更低的离子电导活化能，因此关于质子导体电解质的研究是SOFC低温化研究中的重要组成部分。本发明的质子导体电解质在中低温工作条件下可以获得高的电导率，以满足目前所需的能使用于中低温SOFC的电解质材料。

发明内容

为了提高中低温固体氧化物燃料电池电解质的性能，采用碳酸盐共沉淀法制备新型Pr³⁺和Nd³⁺共掺杂La_1.9Pr_0.05Nd_0.05Ce₂O_7-δ，经1500℃保温5h的电解质片其相对致密度达到99.9%；在湿润的5%H₂-95%Ar混合气氛下700℃时电导率达到0.0136S/cm，该电解质具有十分有效降低燃料电池工作温度的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：