[發明專利]一種燃料電池用納米稀土鋯酸鹽電解質及制備方法

在審

• 申請號: 201810093141.0
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108288723A
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 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: H01M8/1253
• 分類號: H01M8/1253;B82Y30/00
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• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種燃料電池用納米稀土鋯酸鹽電解質的制備方法，將稀土氧化物溶于稀硝酸與二氯氧化鋯溶液均勻混合，將溶液混入過量氨水，經過共沉淀、陳化獲得凝膠材料水溶液，過濾后對濾渣使用酒精浸泡分散研磨，然后進行低溫預燒，使殘留的銨根離子脫附，最后進行高溫燒結，并在1500℃以上保溫4h，冷卻后獲得納米相稀土鋯酸鹽陶瓷粉體。本發明提供上述方法解決了傳統燒綠石結構陶瓷燒結困難，中溫加工時易向有序化相變，粉體在制備過程團聚程度嚴重的問題，使制備的膜材可以均勻成膜，其力學性能和韌性較高，從而提高了電解質使用壽命。

技術領域

本發明涉及燃料電池材料領域，具體涉及一種燃料電池用納米稀土鋯酸鹽電解質及制備方法。

背景技術

燃料電池是一種基于氧化還原反應的能量轉化裝置。它可以將燃料的化學能直接轉化成電能，轉化過程中沒有經歷卡諾循環過程，可以獲得比傳統熱機發電系統更高的效率，具有高效、低噪音、環境友好以及安全可靠等優點。

根據燃料電池電解質的性質，可以將燃料電池分為堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池。與其他四種燃料電池相比，固體氧化物燃料電池有其獨特的優勢。其一，較高的工作溫度拓寬了燃料氣體的選擇范圍，價格相對低廉的烷烴類燃料可以在電池內部重整、氧化產生電能。其二，固體氧化物燃料電池工作時產生大量的余熱，可以實現熱電聯用，提高發電系統的效率。其三，固體氧化物燃料電池是全固態結構，可以避免其他種類燃料電池存在的電池部件之間相互腐蝕的問題。

固體氧化物燃料電池主要的三大組件分別是陽極，電解質和陰極。其中，電解質是固體氧化物燃料電池最核心的部件，固體氧化物燃料電池電解質材料應該滿足以下幾點要求：良好的離子電導率和單純的離子導電性（接近1的離子遷移數）；高溫及氧化還原氣氛中的物理和化學穩定性；氣密性；與電極之間的化學兼容性；與電極之間的高溫熱匹配性；熱膨脹系數匹配；性能優越價格便宜。

燒綠石結構作為固體氧化物燃料電池電解質膜具有良好的離子電導率高，受到科研工作者的廣泛研究。鋯基燒綠石體系氧化物（Ln₂ZrO_{7 ,} Ln=La、Nd、Gd、Sm）物具有一些特殊的電性質，氧氣氣氛中，中溫400-800℃時的離子電導率超過了氧化釔穩定的氧化鋯，在水蒸汽飽和的氫氣氣氛下表現出質子導電行為，由低價離子如稀土或堿土金屬、取代其中的稀土元素以后，電導率增加，質子電導率可與鈣鈦礦結構質子導電氧化物相比，但傳導溫度更低。然而稀土鋯酸鹽是一種難合成材料。

固相法(solid-state reaction method,SSM)是將兩種或兩種以上金屬鹽或金屬氧化物按化學計量比充分混合，研磨后在一定溫度下煅燒發生固相反應而得到目標產物，是制備燒綠石型復合氧化物的常用方法。在制備燒綠石型化合物時，氧化物原料及稀土氧化物（Ln₂O₃）等通常在1500℃反應1到2天，反應需在相當高的溫度下，較長的反應時間，所得到的產物粒徑較大，制備成膜后楊氏模量較大，膜材的韌性較差，在使用過程中易出現開裂、脆化，從而嚴重影響其使用壽命。因此，尋找新的合成方法，對于提高材料的性能具有重要的意義。

中國發明專利申請號201210221957.X公開了一種燒綠石型稀土鋯酸鹽的制備方法，采用稀土硝酸鹽、硝酸鋯和少量助熔劑為原料，研磨混合，直接置于馬弗爐中在一定溫度下灼燒一段時間，經水洗、干燥后即可得到單相產物燒綠石型稀土鋯酸鹽，制備的燒綠石型稀土鋯酸鹽純度、結晶度、熱穩定性均很高，但是，作為燃料電池用電解質膜材料，需要制備的燒綠石結構氧離子的導電性較高，直接通過該方案制備的燒綠石結構并不適合直接作為燃料電池電解質材料使用，仍然需要新的工藝方案來提高材料性能。

因此，提出一種工藝方案簡單可控，有效克服傳統燒綠石結構陶瓷燒結困難，中溫加工時易向有序化相變，粉體在制備過程團聚程度嚴重的問題，對于其膜材的力學性能的提高具有十分重要的實際意義。

發明內容