CN106935889B - 一种氧离子传导的中温固体氧化物燃料电池电解质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体电解质的制备领域，具体涉及一种氧离子传导的中温固体氧化物燃料电池电解质。本发明采用硝酸盐凝胶燃烧法制备一种中温固体氧化物燃料电池电解质，电解质为Ce0.87La0.11Ni0.02O2‑α‑Bi1.55La0.45O3复合电解质，其中0＜α≤0.075。其相对致密度达到98%以上；该电解质在空气气氛下700℃时离子电导率达到1.88×10‑2S/cm。
Description
技术领域
本发明属于固体电解质的制备领域，具体涉及一种氧离子传导的中温固体氧化物燃料电池电解质。
背景技术
随着全球工业的发展及人口的迅速增长，地球上的资源将越来越短缺。而传统的发电方式大多是由石油、天然气等化石能源中的化学能通过燃烧转化为热能，再由热能推动机械设备产生机械能，最终转换为电能。这种能源转换不但受到卡诺循环的限制，还会产生大量粉尘、二氧化碳、氮氧化物和硫化物等有害物质及噪音。因此寻求一种能源转换效率高和环境友好的新能源技术是目前相关能源部门致力发展的关键。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化为电能的装置，由于没有燃烧和机械过程，极大地提高了能量转化效率，避免或减少了污染物的产生，并且其副产品是高品质的热与水蒸气，可用来热–电联供，是一种重要的能源装置。
传统的SOFC的工作温度一般都在1000℃，在如此高的温度下工作使得SOFC存在许多问题：电极致密化、连接体材料要求高以及电池密封性能不好等，以此大大增加了SOFC的成本，限制了其商业发展。为了SOFC商业化发展就必须将其工作温度降低到中低温，而电解质作为SOFC中最为核心的部分，电解质材料若能在中低温度下具有高的电导率，则可以获得中温理想的SOFC，所以必须开发新型电解质材料。本发明的电解质材料在中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温SOFC的电解质材料。
发明内容
为了提高中温固体氧化物燃料电池电解质的性能，采用硝酸盐凝胶燃烧法新型Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α(CLNO)-Bi1.55La0.45O3(LSB)复合电解质，其相对致密度达到98%以上；在空气气氛下700℃时电导率为1.88×10-2S/cm。
制备方法：
1.Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α(0<α≤0.075)(CLNO)的制备方法为：
1）按照化学计量比准确称量原料Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Ni(NO3)3·6H2O，络合剂柠檬酸按[n(CA):n(金属阳离子)=1.5:1]称量；
2）Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Ni(NO3)3·6H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解，混合以上溶液并搅拌均匀；
3）滴加氨水（氨水浓度为15wt%-20wt%）调节pH值为7。
4）将步骤3）得到混合溶液放入搅拌器中加热至45℃，在45℃下连续搅拌，并在搅拌过程中通过加氨水，使溶液的pH值保持在7，直至形成凝胶；
5）将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末；
6）在600℃±10℃煅烧30±5分钟去有机物，然后在800℃±10℃煅烧3±0.1小时，形成Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α粉末。
2.Bi1.55La0.45O3(LSB)的制备方法为：
1）按照化学计量比准确称量原料Bi2O3,La2O3。
2）将Bi2O3和La2O3混合球磨24h；
3） 将球磨后的混合物在800℃±10℃下煅烧24±0.1小时,得到最终产物。
3. 按 CLNO：LSB质量比95:5称取两种粉末，球磨3h让其均匀混合，制备出95%LCNO-5%LSB粉末。
4. 将制成的CLNO-LSB粉末放入模具中，在300MPa的压力下，制成圆片，将圆以每分钟3℃的加热速度加热到1200℃±10℃保温4±0.1小时，得到所需要的电解质圆片。
本发明的显著优点在于：
（1）通过对CeO2的双掺杂，增加氧空位浓度，而氧离子正是通过氧空位在晶格内扩散，从而提高电导率。
（2）本发明制得的电池电解质使用温度在中温（600℃-800℃）范围内具有较高的电导率、较高的功率密度。
（3）电解质中Bi1.55La0.45O3具有降低烧结温度的作用，使得烧结温度低，更加节能。
（4）本发明制得的电解质适用于中温固体氧化物燃料电池。
附图说明
图1电解质CLNO-LSB经1200℃烧结4h后的离子电导率与测试温度的关系。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例 1
Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α(CLNO)的制备方法
1.Ce0.87La0.11Ni0.02O1.9制备方法
1） 按照化学计量比准确称量原料Ce(NO3)3·6H2O，La(NO3)3·nH2O，Ni(NO3)3·6H2O，络合剂柠檬酸按照[n(CA):n(金属阳离子)=1.5:1]称量。
2）Ce(NO3)3·6H2O,La(NO3)3·nH2O，Ni(NO3)3·6H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解；
3）混合以上溶液并搅拌均匀
4）将步骤3）得到混合溶液放入搅拌器中加热至45℃，在45℃下连续搅拌，并在搅拌过程中通过加氨水，使溶液的pH值保持在7，直至形成凝胶；
5）将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末；
6）在600℃±10℃煅烧30±5分钟去有机物，然后在800℃±10℃煅烧3±0.1小时，形成Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α粉末。
2.Bi1.55La0.45O3(LSB)的制备方法为：
1) 按照化学计量比准确称量原料Bi2O3和La2O3。
2) 将Bi2O3和La2O3混合球磨24h；
3) 将球磨后的混合物在800℃±10℃下煅烧24±0.1小时,得到最终产物。
3.按 CLNO：LSB质量比95：5称取两种粉末，球磨3h让其均匀混合，制备出95%LCNO-5%LSB粉末。
具体的：
100克CLNO-LSB的制备：
1）制备1摩尔Ce0.87La0.11Ni0.02O1.9
称取0.87摩尔的 Ce(NO3)3·6H2O： 0.87*434.22 =377.77克
称取0.11摩尔的La(NO3)3·nH2O： 0.11*324.92=35.74克
称取0.02摩尔的Ni(NO3)3·6H2O： 0.02*290.79=5.82克
称取1.5摩尔的柠檬酸： 1.5*210.14=315.21克
将Ce(NO3)3·6H2O,La(NO3)3·nH2O,Ni(NO3)3·6H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解；混合以上溶液并搅拌均匀；放入水浴锅中加热至45℃，在45℃下连续搅拌，并在搅拌过程中通过加氨水，使溶液的pH值保持在7，直至形成凝胶；将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末。
将粉末在600℃煅烧30min去除有机物，然后在800℃煅烧3小时，形成CLNO粉末。
2）制备1摩尔Bi1.55La0.45O3
称取1.55摩尔Bi2O3：1.55*465.96=722.24克
称取0.45摩尔La2O3：0.45*325.81=146.61克
将称好的Bi2O3和La2O3加酒精混合球磨24h，干燥12小时，在800℃下煅烧24h,得到最终产物Bi1.55La0.45O3；
3）100克95wt%Ce0.87La0.11Ni0.02O1.9-5wt%Bi1.55La0.45O3制备
称取95克Ce0.8Gd0.2O1.9
称取5克Bi1.55La0.45O3
将上述后两种粉末用混合球磨3h，使其研磨充分且均匀，获得95%CLNO-5%LSB粉末。
实施例 2
圆片的制备：将实施例1制备成的CLNO-LSB粉末放入模具中，在300MPa的压力下，制成直径为13mm±0.1mm、厚度0.5mm±0.1mm的圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1200℃±10℃保温4±0.1小时，得到所需要的电解质圆片。
电导率的测试方法：
电解质的交流电导采用两端子法测定。将1200℃±10℃下烧结4±0.1小时后的所得的CLNO-LSB电解质圆片两面涂上银浆，然后于450℃焙烧2h后制得银电极。用银丝将两端的银电极与交流阻抗仪连接。采用的交流阻抗仪为上海辰华仪器有限公司型号为CHI660E电化学工作站，应用电位10mV，测定频率范围1kHz-20MHz，测定交流电导的温度为700℃，在空气气氛中测定，在空气气氛中测定。电导率采用如下公式计算：
式中，σ 为电解质电导率，S/cm；
h 为电解质片厚度，单位cm；
R 为电解质电阻，单位Ω；
S 为电解质片横截面积，单位cm2。
Claims (2)
1.一种氧离子传导的中温固体氧化物燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述电解质为Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α-Bi1.55La0.45O3复合电解质，其中0＜α≤0.075；所述电池电解质的具体制备步骤为：
一、Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α的制备方法为：
1）按照化学计量比准确称量原料Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Ni(NO3)3·6H2O，并按金属阳离子与柠檬酸的摩尔比为1:1.5称取柠檬酸；
2）Ce(NO3)3·6H2O、La(NO3)3·nH2O、Ni(NO3)3·6H2O和柠檬酸分别用去离子水溶解，混合以上溶液并搅拌均匀；
3）向步骤（2）混合液中滴加氨水调节pH值为7；
4）将步骤3）得到的混合溶液放入搅拌器中加热至45℃，在45℃下连续搅拌，并在搅拌过程中通过加氨水，使溶液的pH值保持在7，直至形成凝胶；
5）将凝胶移入蒸发皿放在电炉上加热，直至发生自蔓延燃烧形成蓬松的氧化物粉末；
6）将步骤（5）所得粉末在600℃±10℃煅烧30±5分钟去有机物，然后在800℃±10℃煅烧3±0.1小时，形成Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α粉末；
二、Bi1.55La0.45O3的制备方法为：
1） 按照化学计量比准确称量原料Bi2O3和La2O3；
2） 将Bi2O3和La2O3混合球磨24h；
3) 将球磨后的混合物在800℃±10℃下煅烧24±0.1小时，得到最终产物；
三、按Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α和Bi1.55La0.45O3按质量比95：5称取两种粉末，球磨3h让其均匀混合，制备Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α-Bi1.55La0.45O3粉末；
四、 将制成的Ce0.87La0.11Ni0.02O2-α-Bi1.55La0.45O3粉末放入模具中，在300MPa的压力下，制成圆片，将圆片以每分钟3℃的加热速度加热到1200℃±10℃保温4±0.1小时，得到所需要的电解质圆片。
2.根据权利要求1所述的氧离子传导的中温固体氧化物燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：所述氨水浓度为15wt%-20wt%。
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