[發明專利]氧化鈧摻雜氧化鉍固體氧化物燃料電池電解質及制備方法

有效

• 申請號: 201410080641.2
• 申請日: 2014-03-06
• 公開（公告）號: CN103904351A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 陳海清;譚令;蘇莎;劉俊
• 申請（專利權）人: 湖南有色金屬研究院
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明涉及一種氧化鈧摻雜氧化鉍固體氧化物燃料電池電解質及其制備方法，屬于新能源材料固體氧化物燃料電池技術領域。

背景技術

固體氧化物燃料電池（簡稱SOFC）由于具有系統設計簡單、能量轉換效率高、環境友好、規模彈性大及壽命長等優點，被公認為21世紀的綠色能源。SOFC既可以用作大型固定電站，也可以用作小型分散式熱電聯用裝置和車用電源系統等。

固體電解質是SOFC的核心部分。其性能不但直接影響燃料電池的能量轉換效率，還決定了與電解質相匹配的電極材料及其相應制備技術的選擇。目前可用于SOFC的電解質主要有ZrO₂系列、CeO₂系列、鈣鈦礦系列、Bi₂O₃系列等。

為了降低SOFC的工作溫度，實現其中低溫化，科技工作者研究開發了多種新的中低溫電解質材料，如Gd摻雜的氧化鈰(GDC)，Y摻雜的氧化鈰(YDC)，氧化鈧穩定的氧化鋯(SCSZ)，鍶鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)。Bi₂O₃系列電解質由于具有立方熒石礦型結構，且晶格中有1/4的氧離子位置是空缺的，因而具有非常高的氧離子導電性能，在熔點附近，電導率約為0.1s/cm，比CeO₂還高一個數量級。但Bi₂O₃只能在730-850℃保持螢石結構，溫度較低時由δ相到β、γ相的相變會導致材料斷裂和性能惡化，同時Bi₂O₃基體材料在低氧分壓下也極易被還原成金屬Bi，因此必須通過摻雜、表面包覆等技術以改善Bi₂O₃的性能。

研究表明，微摻雜的Bi₂O₃具有面心立方或正交晶系結構或者二者的雙相結構，其起始工作溫度（430℃）相比傳統的ZrO₂系也大幅降低，在較低工作溫度下的離子電導率也維持在較高水平（550℃時電導率約為2.5×10^-2S﹒cm^-1，800℃時電導率約為1.0×10^-1S﹒cm^-1），可以滿足燃料電池的工作需求。

目前Bi₂O₃基電解質摻雜多采用反向滴定化學共沉淀方法先制備摻雜的Bi₂O₃混合粉體原料，然后在一定加熱條件下通過反應燒結工藝制得Bi₂O₃基氧離子導體固體電解質。但是這種制備方法存在能源消耗大、制備流程長、粉體批次性能不穩定、制備過程產生大量含酸廢水等缺點。

開發Bi₂O₃基電解質對促進SOFC中低溫化應用具有重要意義。至今未見固相法合成氧化鈧摻雜氧化鉍固體氧化物燃料電池電解質的公開報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種組分配比合理、工藝簡單、成本低廉、能耗低、無環境污染、摻雜制備的固體氧化物燃料電池電解質晶體結構穩定、粉體表面元素分布均勻、電導率高的氧化鈧摻雜氧化鉍固體氧化物燃料電池電解質及制備方法。

本發明氧化鈧摻雜氧化鉍固體氧化物燃料電池電解質，包括下述組分，按摩爾百分比組成：

氧化鉍75～95mol%，氧化鈧5～25mol%；優選為：氧化鉍80～90mol%，氧化鈧10～20mol%；更優為：氧化鉍85～90mol%，氧化鈧10～15mol%。

本發明氧化鈧摻雜氧化鉍固體氧化物燃料電池電解質的制備方法，包括下述步驟：

第一步：高效球磨并活化

按設計的電解質組分配比，分別取氧化鉍，氧化鈧混合，球磨至粒徑D50為0.8-1.0μm的球磨料；

第二步：固相合成

將第一步所得球磨料分段加熱、保溫后，控溫冷卻至室溫，得到氧化鈧摻雜氧化鉍固體氧化物燃料電池電解質；

每一段的加熱升溫速率3–7℃/min；冷卻速率1-3℃/min；

第一段保溫溫度400～500℃，保溫時間至少1小時；

第二段保溫溫度600～700℃，保溫時間至少1小時；

第三段保溫溫度750～950℃，保溫時間至少5小時。