[發明專利]一種固體電解質、其制備方法及固體氧化物燃料電池

有效

• 申請號: 201911127725.6
• 申請日: 2019-11-18
• 公開（公告）號: CN110817954B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 李長久
• 申請（專利權）人: 海南大學
• 主分類號: C01G25/00
• 分類號: C01G25/00;C01G37/00;H01M8/1246
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 付麗

本發明提供了一種固體電解質，具有式1所示化學式：Ti_xM_yTa_1?x?yO_5?δ式1；其中，M為Fe、Al、Ga、Sn、Co、W、Ce、Mo、La、Y、V或Cr，0.05≤x≤0.30，0.01≤y≤0.20，δ表示因氧空位的產生，氧原子減少的數量。本發明的固體氧化物固體電解質在600～800℃中溫范圍，有高的氧離子電導率和低的熱膨脹系數，室溫到800℃的熱膨脹系數為1.06～4.48×10^?6/K；在溫度和氣氛變化時保持性能穩定，內應力小，可應用于中高溫條件下氧離子電導的傳感器和固體氧化物燃料電池。本發明還提供了一種固體電解質的制備方法和一種固體氧化物燃料電池。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，尤其涉及一種固體電解質、其制備方法及固體氧化物燃料電池。

背景技術

固體電解質用于固體氧化物燃料電池(SOFC)、傳感器、電催化、膜分離和膜反應器等，在能源、冶金、化工和環保等領域具有廣闊的應用前景。其中，SOFC以其發電效率高，對燃料適應性寬，無腐蝕，全固化，極低的NO_X和SO_X、噪聲和粉塵排放等，被稱為21世紀的綠色能源。傳統的固體氧化物燃料電池采用螢石結構的釔穩定的氧化鋯(YSZ)作為固體電解質，其工作溫度必須在1000℃左右才能達到足夠高的離子電導率(約0.1S/cm)，如此高溫下由于電解質、電極和連接材料間的熱膨脹系數的差異和界面間的化學反應，將降低SOFC的冷熱循環使用性能，壽命劇減。如果能把SOFC工作溫度降至600～800℃，壽命可望延長三倍，增加電極、密封及連接材料的選擇范圍，降低原料和制作的成本，同時，增大SOFC運行的安全性。

A.S.Urusova等研究了氧缺位鈣鈦礦型BaFe_0.9-xY_0.1Co_xO_3-δ的制備和性能。通過溶膠-凝膠或固相法制得的x≤0.15的電解質隨溫度變化時鈣鈦礦結構能穩定存在。但是電導率相對較低，熱膨脹系數較高(16～20×10^-6K^-1)的缺點限制了其在燃料電池上的應用。

SOFC是一種重要的能源轉化裝置，其技術的發展對于解決日益嚴重的能源危機現狀具有重要的意義。SOFC核心部件固體電解質性能的優劣直接影響燃料電池的使用性能。目前研究較多的固體電解質材料有四種體系：ZrO₂基、CeO₂基、Bi₂O₃基和LaGaO₃基，但由于它們存在諸多缺點，如高溫電導率較低、熱膨脹系數較高、存在電子導電、發生高溫相轉變等等從而限制了它們的使用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種固體電解質、其制備方法及固體氧化物燃料電池，本發明中的固體電解質離子電導率高、且熱膨脹系數低。

本發明提供一種固體電解質，具有式1所示化學式：

Ti_xM_yTa_1-x-yO_5-δ 式1；

其中，M為Fe、Al、Ga、Sn、Co、W、Ce、Mo、La、Y、V或Cr，0.05≤x≤0.30，0.01≤y≤0.20，δ表示因氧空位的產生，氧原子減少的數量。

優選的，所述M為Fe，0.01≤y≤0.2；

所述M為Al，0.01≤y≤0.20；

所述M為Ga，0.01≤y≤0.20；

所述M為Cr，0.01≤y≤0.20。

本發明提供一種固體電解質的制備方法，包括以下步驟：