[發(fā)明專(zhuān)利]一種中低溫復(fù)合電解質(zhì)及其制備方法和利用這種電解質(zhì)的燃料電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810054270.5
• 申請(qǐng)日: 2008-08-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101345314A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李永丹;夏淳;劉慶華;賈麗君;趙宜成;王志明
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/02
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/02;H01M8/10;H01M8/14;H01M8/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專(zhuān)利代理事務(wù)所
• 代理人: 江鎮(zhèn)華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種復(fù)合電解質(zhì)及其制備方法，更具體地講，涉及一種中低溫復(fù)合電解質(zhì)及其制備方法和利用這種電解質(zhì)的燃料電池。

背景技術(shù)

燃料電池(Fuel?Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其具有能源轉(zhuǎn)化率高，污染低，燃料適應(yīng)性強(qiáng)，積木化強(qiáng)，響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色的高效轉(zhuǎn)能裝置。按照電解質(zhì)的不同，主要分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，堿性燃料電池(AFC)，磷酸燃料電池(PAFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)，固體氧化物燃料電池(SOFC)。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)以絕緣載體(LiAlO₂)支撐的熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)碳酸根離子的傳導(dǎo)，氫氣和CO₂/O₂混合氣體分別作為燃料和氧化劑，其在650℃即具有較高電導(dǎo)率，因而可實(shí)現(xiàn)中溫(600-800℃)條件下的操作。傳統(tǒng)的MCFC存在著許多問(wèn)題，熔融碳酸鹽存在著一定的揮發(fā)，導(dǎo)致電解質(zhì)的損失，對(duì)不銹鋼的電池反應(yīng)裝置具有很強(qiáng)的腐蝕性，同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致陰極材料在熔鹽中的溶解和擴(kuò)散，金屬陽(yáng)離子在陽(yáng)極側(cè)被氫氣還原，形成電解質(zhì)內(nèi)部的電子導(dǎo)通，降低了電池的開(kāi)路電壓和輸出功率。

作為新一代代燃料電池的固體氧化物燃料電池(SOFC)以固體氧化物為電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)氧離子的傳導(dǎo)，氫氣和空氣分別作為燃料和氧化劑，具有很高的能源轉(zhuǎn)化率(60％-80％)，較強(qiáng)的燃料適應(yīng)性、不需要貴金屬催化劑、穩(wěn)定的全固態(tài)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)SOFC采用以釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)為固體電解質(zhì)，這種電解質(zhì)不允許電子和氫離子通過(guò)，只允許氧負(fù)離子自由通過(guò)，通過(guò)氧負(fù)離子在固體氧空位中的躍遷實(shí)現(xiàn)離子導(dǎo)電性。為使固體電解質(zhì)擁有足夠高的離子傳導(dǎo)能力，往往需要很高的操作溫度(800-1000℃)。長(zhǎng)時(shí)間的高溫操作，給材料的穩(wěn)定性、電池的密封性等帶來(lái)了很多的問(wèn)題，同時(shí)高昂的制造成本也使高溫SOFC在商業(yè)發(fā)展上面臨瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中固體電解質(zhì)需要高溫操作和熔融碳酸鹽的電解質(zhì)損失問(wèn)題，提供一種既可以在中低溫領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效離子傳導(dǎo)并能夠避免電解質(zhì)損失，又能保持有高效輸出功率的電解質(zhì)。

本發(fā)明的一種中低溫復(fù)合電解質(zhì)，由質(zhì)量含量為10％-50％的三元碳酸鹽和50％-90％的摻雜氧化鈰組成，其中所述的三元碳酸鹽為“鋰/鈉/鉀”的三元碳酸鹽，其中鋰元素∶鈉元素∶鉀元素的摩爾比為40～50∶30～40∶20～30；所述的摻雜氧化鈰是釤摻雜氧化鈰、釓摻雜氧化鈰或者釔摻雜氧化鈰，其中摻雜元素釤、釓和釔與鈰的摩爾比分別為0.8～1.5∶4、1～1.2∶4、0.5～1.5∶4。

所述的中低溫復(fù)合電解質(zhì)由質(zhì)量含量為25％-35％的三元碳酸鹽和65％-75％的摻雜氧化鈰組成。

所述的三元碳酸鹽為“鋰/鈉/鉀”的三元碳酸鹽，其中鋰元素∶鈉元素∶鉀元素的摩爾比為40～45∶30～34∶20～25。

所述的摻雜氧化鈰是釤摻雜氧化鈰、釓摻雜氧化鈰或者釔摻雜氧化鈰，其中摻雜元素釤、釓和釔與鈰的摩爾比分別為0.8～1∶4、1～1.2∶4、0.8～1∶4。

本發(fā)明的一種制備中低溫復(fù)合電解質(zhì)的方法，按照下述步驟制備：

(1)分別將摻雜元素的氧化物和硝酸鈰溶于硝酸，形成金屬離子溶液，其中摻雜元素釤、釓和釔與鈰的摩爾比分別為0.8～1.5∶4、1～1.2∶4、0.5～1.5∶4，再將上述金屬離子溶液加到草酸水溶液中，形成白色前驅(qū)體草酸鹽沉淀物，攪拌，過(guò)濾，干燥，在700-800℃下煅燒1-4小時(shí)，制得摻雜氧化鈰；

(2)將碳酸鋰、碳酸鈉和碳酸鉀按照鋰元素∶鈉元素∶鉀元素為40～50∶30～40∶20～30的摩爾比取料，機(jī)械混合，在480-520℃之間加熱，使其熔融，然后進(jìn)行冷卻，形成三元碳酸鹽；

(3)將質(zhì)量含量為50％-90％的摻雜氧化鈰和質(zhì)量含量為10％-50％的三元碳酸鹽進(jìn)行機(jī)械混合，然后將混合物進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為500-700℃，煅燒時(shí)間為0.5-3小時(shí)。

所述步驟(1)中的摻雜元素釤、釓和釔與鈰的摩爾比分別為0.8～1∶4、1～1.2∶4、0.8～1∶4。

所述步驟(2)中的鋰元素∶鈉元素∶鉀元素的摩爾比為40～45∶30～34∶20～25。

所述步驟(3)中的三元碳酸鹽的質(zhì)量含量為25％-35％，摻雜氧化鈰的質(zhì)量含量為65％-75％。