[发明专利]提高质子导体固体氧化物燃料电池电解质烧结性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，一种提高质子导体氧化物燃料电池电解质烧结性能的方法，可用于制备高温质子导体的致密的电解质。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能源转化装置。传统的SOFC技术是基于YSZ为电解质，这需要比较高的操作温度大约在800～1000°C。这种较高的操作温度给SOFC的实际应用带来了较大的阻碍，比如对昂贵材料的需求，较长的启动时间和较高的热能会减少电池的寿命。所以该领域的研究趋势是追求操作温度中温化，以克服传统高温SOFC的种种技术和材料困难。降低SOFC的操作温度不仅可以减少成本还可以有利于发展便携式的SOFC。在尝试开发可以在中温范围（500～700°C）内工作的SOFC过程中，需要减少电解质的欧姆阻抗。因此，近些年来高温质子导体材料引起了各位研究者的浓厚兴趣。高温质子导体电解质在氢气或者增湿氢气的气氛中具有比较高的质子电导率，尤其是在中温范围内比传统的氧离子导体具有更低的活化能。

BaZrO₃基氧化物是质子导体氧化物燃料电池的一种具有发展前景的电解质材料，其具有较高的离子电导率并且对于燃料气氛中的CO₂和H₂O有较好的化学稳定性。为了降低BaZrO₃基氧化物材料的烧结温度，研究者们采取了很多方法来提高其烧结性能，比如掺杂其他元素降低Zr元素的比例、适量的Ba富余或者缺陷、向BaZrO₃基氧化物材料中添加烧结助剂等方法。但是以上方法存在制作过程复杂、会破坏材料的结构、双层片烧结性能不匹配等缺点。常用的烧结助剂有ZnO，CuO和NiO等。研究表明添加少量的金属氧化物于材料当中可以将其烧结温度降低150～250°C。其中Zn被认为是一种可以提高BaZrO₃基氧化物高温质子导体材料烧结性能的理想助剂。但是，直接使用金属氧化物与电解质材料机械混合的方法添加烧结助剂的制备方法比较复杂，制备出来的电解质经过焙烧以后容易开裂，并且金属离子会进入到电解质材料的晶格中，从而降低电解质材料的电导率。

发明内容

本发明的目的是为了解决BaZrO₃基高温质子导体电解质材料的烧结性能差，电解质烧结致密需要较高的温度，而一种提高质子导体氧化物燃料电池电解质烧结性能的方法。且该方法在制备过程中不使用其它复杂且高价的辅助设备，因而工艺简单易于重复制备。

本发明的技术方案为：一种提高质子导体氧化物燃料电池电解质烧结性能的方法，可用于制备高温质子导体的致密的电解质，其具体步骤如下：A、用干压的方法将电解质粉体制备成具有多孔骨架结构的高温质子导体坯体；B、制备烧结助剂溶液，并用微量注射器向步骤A制得的高温质子导体坯体中浸渍烧结助剂溶液；C、将浸渍烧结助剂溶液的高温质子导体坯体放入马弗炉中进行焙烧，得到了致密的电解质层。

优选所述的电解质粉体的结构式为BaZrO₃或者是BaZr_0.8-xM_xY_0.2O_3-δ，其中M=La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Yb、In,0≤x≤0.8。

优选烧结助剂溶液为Zn(NO₃)₂、Cu(NO₃)₂或Ni(NO₃)₂的无水乙醇溶液，其中烧结助剂溶液中金属离子的浓度为0.02～0.2mol L^-1。其特征在于使用无水乙醇来做溶剂易挥发，并且乙醇的润湿性好，于固相表面的接触角大，更容易渗透到多孔骨架结构之中，能使烧结助剂分布更加均匀。烧结助剂溶液的浸渍量为控制烧结助剂中金属离子的质量为坯体质量的3%～8%。

优选干压法压制坯体的压力位150～300MPa。干压成型的多孔骨架结构的高温质子导体坯体的孔隙率为65%～75%。

优选高温质子导体坯体的焙烧温度为1150～1400°C，焙烧时间为2～6小时。

本发明所述的浸渍工具是使用市场有售的精确的微量注射器。

本发明所述的高温质子导体氧化物，其合成方法为溶胶-凝胶法，其具体过程可参见文献（W.Zhou,Z.P.Shao,R.Ran,R.Cai,Novel,Electrochem.Commun.10(2008)。

有益效果：