[發明專利]一種金屬摻雜鈦酸鍶基燃料電池電解質及制備方法

在審

• 申請號: 201810030468.3
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108306034A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1016
• 分類號: H01M8/1016;H01M8/1069
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于燃料電池技術領域，提供一種金屬摻雜鈦酸鍶基燃料電池電解質及制備方法，將碳酸鍶、氧化鈦、金屬鹽混合球磨后與有機載體混合，將其置入真空反應釜，加入液氨、甲脒亞磺酸，在強還原性氣氛中水熱合成摻雜鈦酸鍶，保溫后經過粉碎篩分后將微米級粉體與金屬氧化物混合后復合形成電解質，該電解質金屬原子如鎂、鋁替代鈦位摻雜產生大量一價/二價氧空位，使氧八面體產生畸變，增加受主雜質固熔限，有利于環境中的氧向晶體內擴散，在電池工作中促進環境氧與晶格氧的交換，產生大量空穴，提高氧離子在晶格內部的遷移率。在中低溫（400?600℃）下氧的脫附量較大，可以降低電解質膜的工作溫度。

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑技術領域，具體涉及一種金屬摻雜鈦酸鍶基燃料電池電解質及制備方法。

背景技術

燃料電池是一種將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置。主要由正極、負極、電解質和輔助設備組成。燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。常用的燃料除氫氣外還有甲醇、聯氨、烴類及一氧化碳等。氧化劑一般為氧氣或空氣。電解質常見的有磷酸、氫氧化鉀、熔融碳酸鹽及離子交換膜等。將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運行，具有很高的經濟性。目前實際運行的各種燃料電池，由于種種技術因素的限制，再考慮整個裝置系統的耗能，總的轉換效率多在45%～60%范圍內，如考慮排熱利用可達80%以上。

燃料電池輸出性能受堆內溫度影響很大，溫度可以通過影響化學反應的速率來影響質子與電子的傳輸速度，從而影響輸出電流的大小；同時溫度也影響電池的運行特性，當溫度較低時電池的各種極化增強，歐姆內阻較大，會使燃料電池性能下降；而當溫度升高時，會降低歐姆內阻，減少極化損失，但是過高的溫度會導致電導率降，電池性能變壞甚至損壞。

近年來，為了使固體氧化物型燃料電池的工作溫度降低至 大約600℃～800℃，努力研究了低溫工作型固體氧化物型燃料 電池。作為低溫工作型固體氧化物型燃料電池的固體電解質材料，有人提出了鎵酸鑭氧化物。然而，由于鎵酸鑭氧化物與其它材料的反應性高，因而與 空氣極材料、燃料極材料反應而形成高電阻的反應生成相，發電性能降低。尤其，在以空氣極或燃料極為支撐體、固體電解質層盡可能薄膜化的電極支持型的固體氧化物型燃料電池的情 況下，所存在的問題是：為了在支撐體上形成氣密的固體電解質層而有必要在一定程度的高溫下燒成，在支撐體與固體電解 質層的界面上形成高電阻的反應生成相；并且由于支撐體中所含有的金屬成分擴散到固體電解質層中，固體電解質層的氧離子遷移率降低，燃料極與空氣極的電極間發生短路，發電性能大幅降低。針對該問題，對于以燃料極為支撐體的固體氧化物型燃料電池，提出了在燃料極與由鎵酸鑭氧化物形成的固體電解質層之間形成作為反應抑制層的由La_0.45Ce_0.55O₂形成的層。然而，由于La_0.45Ce_0.55O₂是燒結性非常低的材料，因而很難致密地形成反應抑制層。其結果所存在的問題是：通過反應抑制層的氣孔，燃料極與由鎵酸鑭氧化物形成的固體電解質層反應，在界面形成高電阻的反應層。另外，為了防止由于支撐體中所含有的金屬成分擴散到固體電解質層中而發生的電極間的短路，由鎵酸鑭氧化物形成的固體電解質層需要厚膜化，其結果，具有固體電解質層的電阻損失增大、發 電性能降低的問題。