[发明专利]一种氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆与碱金属盐复合物及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆与碱金属盐复合物及其制备方法，通过将氧化锌、氧化钇双掺杂的二氧化锆与碱金属盐以一定质量配比复合，采用设定的复合方法，大大降低了复合煅烧温度，得到一种致密性好、烧结性能稳定以及电导率高的复合物，用其作为电解质制成的燃料电池，最大输出功率密度可达315.5mW·cm^‑2，而且其工作温度显著降低。

技术领域

本发明涉及固体燃料电解质，特别涉及一种固体燃料中复合电解质及其制备方法。

背景技术

固体电解质是固体氧化物燃料电池(SOFC)的核心组件；而二氧化锆(ZrO₂)基固体电解质因其拥有较高的离子电导率，良好的化学稳定性和结构稳定性，成为目前研究最深入、应用最为广泛的一类电解质材料。

研究表明，二氧化锆存在3种晶体结构即单斜(m)、四方(t)和立方(c)，纯ZrO₂在一定范围内为稳定的立方萤石结构(c-ZrO₂)。

为了提高ZrO₂的抗热震性，需在纯ZrO₂中添加某些金属氧化物如CaO等碱土金属氧化物(CSZ)或Y₂O₃等稀土元素氧化物(YSZ)，以抑制t→m的相变，使立方相或四方相在室温保留下来。

K.V.Kravchyk等采用阳离子氢氧化物沉淀法制备了ZrO₂-Y₂O₃-Fe₂O₃粉末，在353K干燥沉淀物，然后在1673K退火处理，在1723K对ZrO₂-Y₂O₃-Fe₂O₃在空气中烧结2小时。向蓝翔等采用按比例配好的ZrO₂-Y₂O₃材料中加入Al₂O₃，再经1550℃下常压烧结的方法形成ZrO₂-Y₂O₃-Al₂O₃新材料，以此来提高ZrO₂-Y₂O₃材料的性能。赵文广等采用共沉淀法合成了Y₂O₃-MgO-ZrO₂粉体，研究了pH值对溶胶体系电位的影响；并应用XRD、交流阻抗法测定了Y₂O₃-MgO-ZrO₂陶瓷的相结构与电导率。

但以上复合物的制备温度较高，制备的复合物的工作温度也较高，在综合性能方面仍有待提高。

为了提高二氧化锆基电解质的气密性、烧结性能、力学性能、离子电导率，以及为了开发一种烧结温度低、用其组装而成的固体燃料电池工作温度低且输出功率密度大的电解质材料，亟需研究一种二氧化锆基复合电解质材料。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过将氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆与碱金属盐以一定质量配比复合，采用设定的复合方法，大大降低了复合温度，并且得到一种致密性好、热力学性能稳定以及电导率高的复合物，用其作为电解质制成的燃料电池，最大输出功率密度可达315.5mW·cm^-2，而且其工作温度显著降低，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供一种掺杂的二氧化锆-碱金属盐复合物，所述掺杂的二氧化锆与碱金属盐的质量之比为(1.5～10.5)：1。

其中，所述掺杂的二氧化锆为双掺杂的二氧化锆，所述碱金属盐为钠盐和钾盐的共熔体。

其中，所述双掺杂的二氧化锆为氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆。