[发明专利]一种四元钽基固体电解质及其制备方法

说明书

本发明提供了一种四元钽基固体电解质，由以下质量份的原料制备而成：0.01～2.5质量份的Ti；90～99质量份的Ta；0.01～3质量份的Al₂O₃；0.02～2质量份的Ga₂O₃；0.03～2质量份的AgO；0.001～3质量份的Y₂O₃；0.003～2质量份的Nb₂O₅。本发明提供的四元掺杂钽基固体电解质具有优秀导电性能，在800℃时电导率为4.3×10^‑2S/cm，电导活化能为0.845eV，热膨胀系数为2.13×10^‑6K^‑1。XRD结果表明掺杂烧结后的电解质为三斜结构，不同于纯钽基材料的正交结构，晶体类型发生了改变。结构的变化与掺杂引入的氧空位使得四元掺杂钽基固体电解质具有良好的导电能力。与陶瓷进行封接，封接件的两个封接界面较为严密，孔洞和缝隙很少，封接效果良好。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种四元钽基固体电解质及其制备方法。

背景技术

随着现代工业与经济的迅速发展，能源紧缺和环境污染成为了人类生存和发展所面临的至关重要的难题。人们必须探寻新的发展道路，以面对能源和环境这两大挑战。燃料电池发电技术因其节能、高效且环境友好的特点，正好适应了当下的发展需求，受到了人们的重视。

燃料电池是一种能够通过电化学反应，将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学发电装置。在理论上，燃料电池的热效率可以达到100％，具备相当高的经济效益；但在实际运行中，由于受到种种技术条件的限制和能耗，总转换效率一般在40％-60％之间。燃料电池的结构中，很少有运动的部件，因而较少需要维修，且较传统的发电机组安静。此外，电化学反应清洁、完全，对环境较为友好。以上的种种优点使得燃料电池被认为是一种具有广阔的发展前景和商业化运用价值的能源动力装置。

根据电解质的不同可以把燃料电池划分为五类：①碱性燃料电池(AFC)，它以NaOH溶液或KOH溶液等碱性溶液为电解质，以贵金属或它们的合金为催化剂；②磷酸盐燃料电池(PAFC)，它以吸附于碳化硅上85％磷酸溶液为电解质；③质子交换膜燃料电池(PEMFC)，它以固体高分子为电解质，其中以氢燃料电池为代表；④熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，它以熔融态碳酸盐为电解质，一般为碱金属锂、钾、钠的碳酸盐混合物；⑤固体氧化物燃料电池(SOFC)，它以固体氧化物为电解质，整个发电装置为全固态结构。

PAFC、MCFC等燃料电池以液态为电解质，在工作过程中可能会出现泄露或腐蚀等问题，而PEMFC虽然是以固体高分子为电解质，但其电极材料为Pt等贵金属，成本较高。相较于这几种燃料电池，SOFC有着独特的优点：①不需要使用贵金属作催化剂，可直接以氢气、烃类等气体为燃料；②避免了以上几种以液态为电解质的燃料电池的腐蚀和封接问题；③以陶瓷材料作为阴极、阳极、电解质，具有全固态结构；④SOFC要求在中高温下工作，能够加快电池反应的进行，实现多种燃料气体的内部还原，简化了设备。

SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域，具有广阔的研究前景和应用价值，被称为21世纪的绿色能源。面对工业、生活对能源需求的日益增加和天然能源的不断消耗，如何高效、绿色地利用能源成为了人们重视的问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)凭借其清洁高效的特点受到广泛的关注，19世纪80年代后开始蓬勃发展。固体电解质是SOFC的核心部分，其性能的优劣很大程度上决定了SOFC的性能。但现有的固体氧化物燃料电池(SOFC)的固体电解质大都为锆基固体电解质，存在膨胀系数大，热稳定差的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种四元钽基固体电解质及其制备方法，本发明提供的四元钽基固体电解质具有良好的热稳定性，并且具有优良的导电性能，与陶瓷进行封接，封接件的两个封接界面较为严密，孔洞和缝隙很少，封接效果良好。

本发明提供了一种四元钽基固体电解质，由以下质量份的原料制备而成：